方位反射声波成像测井技术在井旁地质体评价中的应用

本建林,车小花,乔文孝,鞠晓东,王志勇,卢俊强,门百永

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;3.中国石油集团测井有限公司天津分公司,天津300457)

0 引 言

声波测井利用声学手段测量岩石和流体弹性特性,可以用来精细评价地层声学性质;声源产生的声波能量一部分被限制在充液井孔中,产生沿井壁传播的各种模式导波,一部分声波能量进入地层形成地层体波并向外传播,遇到声阻抗不连续界面产生反射波,部分反射波最终能够被仪器记录。因此,在井孔中利用声学测量手段能够评价井旁地质体的位置。基于反射波传播规律,根据地层速度和传播路径可以确定反射体到井孔的距离(简称距离)[1-3]。反射声波成像测井技术也称远探测测井技术[4-5],能在井孔中对井旁地质体进行测量,并把常规声波测井测量范围从井周1 m左右扩大到几十米。反射声波成像测井常见测量方法包括:单极纵波法和偶极横波法。反射纵波成像测井方法利用单极声源激励声场,并通过单极换能器接收反射纵波信号,由于采用了轴对称振动的发射探头和接收探头,成像结果仅能判断地质体到井轴的距离,无法说明方位信息。薛梅、车小花以及何峰江等[6-8]从数值模拟、物理模拟以及数据处理方法等方面对反射纵波成像测井技术进行了一系列基础研究工作。偶极反射横波成像方法由唐晓明提出,该方法用井内的正交偶极声源向井外地层中辐射横波,利用地层中反射回来的横波信号对井旁地质体进行成像[9-10]。采用正交偶极发射和接收测量方式,可以确定反射体的位置和走向;但是由于偶极声源和接收器所具有的指向性对称特征,这种方法测得的反射体方位存在多解性。

图1 方位远探测声波测井仪器结构示意图

近年来,能够直接测量来自井旁地层不同方位反射波的方位反射声波成像测井(方位远探测声波成像测井)方法逐渐受到人们关注[11-15]。Che等[16-17]利用相控圆弧阵接收器记录的水下实验数据,将声波相控阵技术应用于数据处理中,实现定向接收某一方向入射波能量目的,对比不同方位的接收波形幅度还可以确定声波的入射方向。王瑞甲等[18]理论研究了三维随钻反射声波成像测井并分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性。李国英等[19]介绍了一种新型的方位远探测反射声波成像测井仪器,并开展了相关方法验证实验。Yang等[20]数值模拟了基于相控柱面阵接收器的随钻反射声波测量方法。Bennett等[21-22]利用三维STC方法和射线追踪方法,根据方位声波测井资料反演得到反射体倾角和方位角信息。上述研究内容以方位反射声波成像测井方法的数值模拟和水下实验为主,现场应用方面的报道较少,而且缺乏井下验证实例。本文介绍了2个方位反射声波成像测井技术的井下应用案例,分别获得了过井裂缝和相邻井的空间位置信息,说明利用该技术可以有效评价井旁不同地质体的空间位置。

1 方位反射声波成像测井方法

方位反射声波成像测井技术的关键是采用特殊的方位声波接收阵列,获得多个源距、多个方位的声波波形数据。由中国石油大学(北京)与中国石油天然气集团有限公司合作研发的方位远探测声波测井仪器(Borehole Azimuthal Acoustic Reflection Tool)结构示意图见图1,该仪器由发射短节、隔声体、接收短节、主控和遥传短节等构成。发射短节包含由6个单极声源构成的相控线阵声源和2组正交偶极声源;接收短节包含10个八单元声波接收站,编号为R1～R10,相邻2个接收站间距为0.20 m。每个接收站由沿圆周均匀分布的8个压电型接收振子构成,顺时针编号为E1～E8。每个接收站同时具备单极子、正交偶极子、四极子、八极子和方位接收功能。井下工作时,仪器在每个测量深度点可以记录多达80道波形数据。

图2为利用方位反射纵波测量过井反射体示意图。方位远探测声波测井仪器居中放置于竖直井孔,在上提过程中开始测量,忽略仪器旋转,箭头指示仪器移动方向。假设反射体的反射面为图2所示的倾斜平面,由东向西倾斜,与井孔相交的截面为椭圆。声波辐射器T产生的声波信号入射到反射面,产生的反射纵波最终被每个八单元接收站所接收。当仪器在反射体下方测量时,接收站会接收到反射界面产生的下行反射纵波信号;测井仪器移动至反射体上方测量时,接收站会接收到反射界面产生的上行反射纵波信号。由于接收站中心存在背衬材料,沿某一方向入射到测量仪器的纵波信号主要能量总是被正对的接收振子所接收。若接收站的接收振子E1朝向正北方位,则仪器在反射界面下方时,反射纵波主要被接收振子E7接收;仪器在反射体上方时,反射信号能量主要被接收振子E3接收。因此,利用8个阵元接收的反射纵波幅度的强弱就可以指示反射界面相对于仪器的方位分布情况。在反射纵波成像图中,反射界面在东—西方位成像最清晰,而在南—北方位成像响应最弱。据此,我们不仅能准确判断反射界面倾角、倾向和方位,还可以得到反射界面顶、底端到井孔的距离及其与井轴交点深度等参数。

图2 利用方位反射纵波测量过井反射体示意图

图3 相控圆弧阵定向接收不同方向平面波示意图

根据相控阵接收算法,可以更准确地计算每个接收站所接收到的反射波的传播方向。当井旁地质体距离井孔较远时,仪器接收的来自井旁地质体的反射波信号可以看作以平面波形式传播。此时,每个接收站可以看作1个八阵元相控圆弧阵,每个接收振子可以看作圆弧阵的1个阵元。如图3所示,定义由北向南传播的平面波的传播方向为0°。图3(a)中平面波的传播方向为90°,其主要能量被由阵元E2、E3和E4组成的三阵元子阵接收,信号最先到达阵元E3、延迟一段时间τ1后同时到达阵元E2和E4。将阵元E2和E4接收波形的时间序列向前移动τ1时刻,使其与阵元E3的接收波形处于等相位面,叠加得到90°方向的定向接收波形。图3(b)中所示的平面波被由阵元E1、E2、E3和E4组成的四阵元子阵接收,可采用类似方法获得67.5°方向的定向接收波形。假设第i个阵元接收到的波形信号为WFEi(t),则图3中两道定向接收波形分别为

WF1(t)=WFE2(t+τ1)+WFE3(t)+

WFE4(t+τ1)

(1)

WF2(t)=WFE1(t+τ2)+WFE2(t)+

WFE3(t)+WFE4(t+τ2)

(2)

式中,τ1和τ2分别为三阵元接收子阵和四阵元接收子阵中的阵元接收波形延时,μs。

不断改变平面波传播方向,选取新的接收子阵并且重新计算延时,理论上可以计算出0°～359°范围内任意方向的定向接收波形WF(t)。由于实际的声波信号是沿着某个特定方向传播到接收站,所以只有该方向定向接收波形中的反射波满足同相位叠加。同相位叠加可以显著增强反射波幅度,因此,各方向定向接收波形中反射波幅度极大值对应的角度就是某个地质体的方位角。考虑到数据存储量和耗费时间,方位反射声波测井资料处理时只计算了阵元所在的方位及2个阵元中间方位的定向接收波形,共16道波形,角度间隔22.5°。

2 过井裂缝评价实例

方位远探测声波测井仪器已在中国多口井中进行了现场测试,获得了良好的方位反射声波测井资料。GH-XX井位于中国青海某盆地内,是一口干热岩试验性开发注入井,设计井深4 000 m。该井的设计目的是查明该地区干热岩开发场地地层结构、岩性变化和原生裂隙-断层发育状况,并为水力压裂提供条件。方位远探测声波测井仪器在该井中进行了测量,测量深度3 550～3 800 m。依据该井方位反射声波测井资料,计算得到周向16个方位的定向接收波形,提取出其中的反射纵波,偏移叠加得到了8个不同方位地层成像图,图4展示了其中的4个方位地层成像图,方位分别为南—北、南偏西45°—北偏东45°、西—东、北偏西45°—南偏东45°。图4中仪器方位曲线位于第1道,表示接收振子E1的方位;第3道显示了地层纵波波速,接近6 000 m/s。在南—北方位的地层成像图中,右侧为正北方位成像,左侧为正南方位成像,最大径向距离均为40 m。观察地层成像图,3 740～3 775 m井段内存在1个明显的过井反射体,并且连续性较好。该反射体的方位分布特征明显,在东—西方位的地层成像图中成像清晰,而在南—北方位地层成像图中响应较弱。

为进一步分析该反射体,将东—西方位地层成像图和反射纵波波形绘制在一起,并参考井壁微电阻率成像测井资料(见图5)。地层成像结果显示反射体由东向西倾斜,与井轴交点深度约为3 755 m,倾角约为25°;反射纵波波形显示该井段存在较明显的上行反射波和下行反射波同相轴。此外,井壁成像图中3 755 m深度附近存在裂缝响应,倾角约为20°,倾向约为270°。该结论与方位反射声波成像测井获得的反射体成像特征一致,由此可以判断图4中的反射体为一条由东向西倾斜的过井裂缝。

图4 过井反射体成像图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

图5 东—西方位的过井裂缝产状

3 相邻井评价实例

YM-XX井位于中国新疆维吾尔自治区境内,为某区块背斜构造的一口采油井。该井5 840～5 960 m井段为裸眼段,钻头尺寸为171.5 mm,试采结论为低产油水层,因未钻遇优质储层关井。为重新获得油气产能,并获取该区块流体分布规律,设计了侧钻井YM-XX-C井。YM-XX-C井自YM-XX井井深5 852 m开始侧钻,完钻井深6 012 m。依据钻井设计数据,2口井的钻井轨迹如图6所示,黑色曲线表示YM-XX井的钻井轨迹,灰色曲线表示YM-XX-C井的钻井轨迹。从东—西方位看二者几乎重合;从南—北方位上看,YM-XX井位于侧钻井北侧。

图6 YM-XX-C井与YM-XX井的钻井轨迹

YM-XX-C井目标储层的发育厚度分布相对稳定,但储层物性差异大、非均质性强,储层发育主要受断层-裂隙控制。利用方位远探测声波测井仪器在YM-XX-C井中进行实际测井,获得该井段的多极子声波测井资料和方位反射声波测井资料。结果表明,该井段的地层纵波波速约为6 300 m/s、反射纵波的主频约为14.2 kHz,因此,该井段地层中的纵波波长约为0.44 m。依据YM-XX-C井方位反射声波的波形资料,得到8个不同方位的地层成像结果,并在目标储层附近发现2条井旁裂缝,最大径向距离约为20 m。此外,在地层成像图中还观察到了疑似YM-XX井井孔的成像显示。由于YM-XX井直径与地层中纵波波长处于同一数量级,仪器接收的来自YM-XX井井孔的纵波信号以散射纵波为主。相较于反射纵波,散射纵波幅度更小,这对仪器性能和数据处理方法提出了更高的要求。

图7为YM-XX-C井5 890～5 965 m井段4个方位的地层成像图。观察南—北方位的地层成像图,正北方位(右侧)5 910～5 945 m井段内能够观察到疑似YM-XX井井孔的成像显示(见图7中红色箭头),该成像显示在其他方位的地层成像图中不明显。为更准确判断图7的成像显示是否为YM-XX井孔(井旁异常体),统计正北方位成像图中异常体成像显示在不同深度点的径向距离,以及该深度点的周向16道定向接收波形数据中与之显示对应的散射波幅度,通过散射波幅度的方位分布获得该异常体成像显示的方位角。同时,依据钻井设计数据,分别计算YM-XX井相对于YM-XX-C井的方位角和距离的实际值,并与二者的测量值作对比(见表1)。据此,图7红色箭头所指的异常体成像显示就是YM-XX井井孔。分析表1中YM-XX井相对于YM-XX-C井的距离和方位的实际值和测量值,发现5 910 m和5 920 m深度处的方位测量值存在较大误差,这可能是由于散射纵波幅度小,很容易被井孔模式波的残余能量湮没,导致散射体方位计算不准确。当YM-XX井距离仪器较远时,仪器接收到的散射纵波到时较晚,在时间序列上与井孔模式波能够完全分离,此时求得的YM-XX井方位更准确,所以5 930、5 940和5 945 m深度处方位测量值更加接近实际值。

图7 YM-XX井的井孔成像图

表1 YM-XX井相对于YM-XX-C井的方位和距离的测量值与实际值

4 结 论

(1)本文介绍了方位反射声波成像测井技术及其井下2个应用案例。根据井下仪器在2口井中测得的方位反射声波测井波形资料,将声波相控阵技术应用到测井资料处理中,得到了井旁反射体在地层中的空间位置,并分别验证了测量结果的可靠性,为该技术的推广应用提供了现场验证案例。

(2)过井裂缝测量案例说明,可以利用方位声波测井资料中的反射纵波对尺度较大的井旁地质体进行精确成像,能够获得裂缝的倾角、倾向等地质参数。

(3)相邻井测量案例说明,针对较小尺度的井旁散射体,方位反射声波成像测井技术可以利用散射纵波评价井旁散射体的距离和方位。

(4)井旁地质体距离井孔较近时,反射纵波信号容易被井孔模式波的残余能量覆盖,此时得到的地质体方位误差较大。因此,在方位反射声波成像测井技术的完善阶段,需要更有效的反射波提取方法,尽量减少井孔模式波对测量结果的干扰。