随钻超声井眼成像可行性实验研究

张 硕，高文凯，滕鑫淼，刘 珂，丁华华，禹德洲

1中国石油集团工程技术研究院有限公司 2中国石油勘探开发研究院

0 引言

随着中国经济的不断发展，对油气的需求量日益增加，非常规油气资源的勘探开发已经成为增储上产的重要领域。相比于常规油气，非常规油气勘探开发难度大，地质与工程条件复杂，施工风险高，增加了钻井难度与开发成本。随钻测井技术能够实时获取地层参数和井眼信息，提高储层钻遇率，降低作业风险及成本。近年来，随钻测井技术快速发展，测量数据的准确度不断提高，并且向着随钻成像测井技术方向发展。形成了随钻电阻率成像、随钻超声成像、随钻伽马成像等多种随钻成像技术，且成像质量已经接近或达到了电缆成像方式[1- 5]。

随钻超声井眼成像技术以其成像分辨率高、适用于油基、水基钻井液等特点得到了长足的发展。2019年，哈里伯顿、贝克休斯、斯伦贝谢三大油服公司分别发布具备随钻功能的超声波井眼成像工具PixStar[6]、ImageTrak[7]、TerraSphere[8]，可以同时在油基钻井液和水基钻井液中生成高分辨率的井眼图像，图像能够用于反应井眼几何形状，识别井壁裂缝、孔洞、层理等特征，帮助工程人员实时监测井眼工程状况和质量，助力非常规油气的优质、安全、高效勘探开发[9]。

综上所述，笔者对随钻超声井眼成像可行性进行了研究，介绍了随钻超声井眼成像原理，搭建了实验平台，制定了实验方案，分析了不同测量距离、不同待测物、不同传输介质对超声波传输时间、超声波回波幅值的影响。

1 随钻超声井眼成像方法

随钻超声井眼成像方法是一种在随钻工况下应用超声波测量井径大小和井壁特征信息，最终实现井眼成像的方法。如超声波测量原理图(见图1)所示，超声波换能器垂直向井壁发射超声波脉冲并接收被井壁反射回的首次回波，跟随钻铤移动的同时沿钻铤中心旋转，以螺旋扫描的方式获取360°井眼信息。钻铤中同时装有电路系统，由主控电路、发射电路、采样与储存电路和工具面测量电路构成，具备实时发射激励电脉冲信号、检测换能器所处工具面角信息、对回波信号进行放大、滤波、采集与储存处理、读取超声波传输时间信息与首次回波最大幅值信息等功能[10- 13]。

随钻超声井眼成像方法利用超声波在井眼中传输，井眼直径不同时传输时间不同的特征，能够根据超声波信号的传输时间反推出各方位的井径大小，从而得到井眼形状；利用井壁组成介质不同时声阻抗有差异，且超声波在不同声阻抗的井壁下反射回波幅值不同的特性，根据超声波回波信号的幅值反演出井壁图像。结合井眼曲线与井壁图像，可以生成3D井眼图像[14]。

图1 超声波测量原理图

2 室内实验

2.1 实验装置

2.1.1 总体设计

为进行随钻超声井眼成像可行性实验，研制并搭建了随钻超声井眼成像方法实验平台，主要包括：三轴移动定位平台、超声波换能器(聚焦式)、花岗岩石板、信号发射电路、示波器、直流电源、水槽、清水/钻井液等。实验以三轴移动定位平台作为换能器的承托装置，模拟井下钻铤；以换能器作为超声波信号的发射与接收装置；以表面留有不同大小缝隙与孔隙的花岗岩石板作为待测物，模拟井壁；以清水与钻井液作为超声波的传输介质；以信号发射电路作为换能器的激励源；以示波器作为信号采集装置，用于读取超声波传输时间与回波幅值信息。实验过程中，将花岗岩石板置于水槽底部，三轴移动定位平台Z轴连杆连接换能器，平行置于花岗岩石板正上方。针对不同测量距离、不同待测物、不同传输介质三个变量进行实验，测量超声波的传输时间信息与回波幅值信息(由于首次回波幅值更易读取与对比，测试过程中用首次回波的最大幅值信息代替回波幅值信息)，生成花岗岩石板表面图像，验证随钻超声井眼成像方法的可行性，为后续开发随钻超声井眼成像仪器提供理论支撑。

2.1.2 核心组成部件

2.1.2.1 超声波换能器

为满足实际工况需求，选用中心频率为290 kHz的聚焦式收发一体超声波换能器(见图2)。该换能器尾端留有黑色与红色导线，用于传输激励信号与超声波回波信号[15]，前端配有弯曲辐射表面，用于产生会聚声场，且聚焦中心位置声场强度最大，有助于提高测量的分辨率与灵敏度。

图2 换能器结构示意图

2.1.2.2 三轴移动定位平台

三轴移动定位平台(见图3)作为换能器的承托装置，可以使换能器实现X、Y、Z三轴全方位匀速扫描，X、Y、Z方向的最大行程分别为170 mm、190 mm、70 mm，最小单次移动行程为分别1 mm、1 mm、1 mm，其性能可以满足对二维或三维待测物进行超声成像的应用需求。

图3 三轴移动定位平台

2.1.2.3 花岗岩石板

为模拟井壁，设计了一种花岗岩石板(见图4)作为待测物，该待测物表面开有5条缝隙与4个圆形孔隙，缝隙1～5宽度分别为：2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，孔隙1～4直径分别为：2 mm、4 mm、6 mm、8 mm。

图4 花岗岩石板实物图

2.2 实验方案

2.2.1 不同测量距离、不同待测物条件下超声波传输时间与回波幅值测试

在不同测量距离、不同待测物条件下进行超声波传输时间与回波幅值测试，实验参数如表1所示。

具体步骤为：①选用密度为1.0 g/cm3的清水作为传输介质，设置换能器与花岗岩石板间的垂直距离为5 mm，读取该测量距离下超声波传输信息与回波幅值信息；②控制三轴移动定位平台在Z轴方向向上移动5 mm，读取该测量距离下超声波传输时间与回波幅值信息； ③重复步骤②，测量距离逐次增加5 mm，直到换能器距花岗岩石板70 mm，停止测量，记录数据。④移动三轴定位平台X、Y轴，将换能器分别置于花岗岩石板缝隙1～5、孔隙1～4上方，重复步骤①～③。

2.2.2 不同传输介质条件下超声波传输时间与回波幅值测试

在不同传输介质条件下进行超声波传输时间与回波幅值测试，实验参数如表2所示。

表1 不同测量距离、不同待测物条件下超声波传输时间与回波幅值实验参数

表2 不同测量距离、不同传输介质条件下超声波传输时间与回波幅值实验参数

具体步骤为：①选用密度为1.0g/cm3的清水作为传输介质，设置换能器与花岗岩石板间的垂直距离为5 mm，读取该测量距离下超声波传输时间与回波幅值信息；②控制三轴移动定位平台在Z轴方向向上移动5 mm，读取此刻超声波传输时间与回波幅值信息；③重复步骤②，测量距离逐次增加5 mm，直到换能器距花岗岩石板50 mm，停止测量，记录数据；④分别选用密度为1.8 g/cm3、2.0 g/cm3的油基钻井液作为传输介质，重复步骤①～③。

2.2.3 超声波成像测试

进行超声波成像测试，实验参数如表3所示。

表3 超声波成像实验参数

具体步骤为：①选用密度为1.0 g/cm3的清水作为传输介质，设置换能器与花岗岩石板间的垂直距离为35 mm，读取此刻超声波回波幅值信息；②以X方向1 mm，Y方向1 mm的步进间隔，对花岗岩石板表面进行二维扫描，记录各测量点的超声波回波幅值信息。

3 结果与分析

3.1 不同测量距离、不同待测物条件下超声波传输时间与回波幅值测试

3.1.1 不同测量距离、不同待测物条件下超声波传输时间测试

由表1中实验1所得数据绘制出“不同待测物下测量距离—传输时间曲线图”(见图5)。由图5分析可知，在任意相同的测量距离下，超声波传输时间不随待测物的改变而变化；测量距离与传输时间呈线性正相关，在任意相同的待测物下，超声波传输时间随着测量距离的增大而升高，表明超声波传输时间对测量距离较为敏感，可以用于测量井下各个方位的井径值信息，生成井眼曲线。

图5 不同待测物下测量距离—传输时间曲线图

3.1.2 不同测量距离、不同待测物条件下超声波回波幅值测试

由表1中实验2所得数据绘制出 “不同待测物下测量距离—回波幅值曲线图”(见图6)。由图6分析可知，在任意相同的测量距离下，待测物不同，回波幅值存在差异，且随着孔隙与缝隙的增大，回波幅值逐渐减小，表明超声波回波幅值可以用于识别井壁上的孔隙与缝隙等特征，实现井壁成像；在任意相同的待测物下，当测量距离由5 mm增大到35 mm时，回波幅度呈上升趋势，当测量距离由35 mm增大到70 mm时，回波幅值呈下降趋势，当测量距离为35 mm时，回波幅值最大，表明该款换能器在测量距离为35 mm时超声波聚焦效果最强。

图6 不同待测物下测量距离—回波幅值曲线图

3.2 不同传输介质条件下超声波传输时间与回波幅值测试

3.2.1 不同传输介质条件下超声波传输时间测试

由表2中实验3所得数据绘制出“不同传输介质下测量距离—传输时间曲线图”(见图7)。由图7析可知，在任意相同的测量距离下，钻井液密度影响超声波传播时间，且随着钻井液密度的增加，传输时间增加；在密度为1.0 g/cm3的清水、1.8 g/cm3的油基钻井液和2.0 g/cm3的油基钻井液中，传输时间随着测量距离的升高呈线性增加，表明在高密度钻井液中也可以实现井径测量。

图7 不同传输介质下测量距离—传输时间曲线图

3.2.2 不同传输介质条件下超声波回波幅值测试

由表2中实验4所得数据绘制出“不同传输介质下测量距离与回波幅值曲线图”(见图8)。由图8分析可知，当测量距离相同时，随着钻井液密度的升高，超声波的衰减增大，回波幅值减小；在1.8 g/cm3的油基钻井液和2.0 g/cm3的油基钻井液中，随着测量距离的增加，回波幅值减小，当测量距离为50 mm时，回波幅值衰减为0，表明在一定测量范围内，可以在高密度油基钻井液中实现井壁成像。

图8 不同传输介质下测量距离—回波幅值曲线图

3.3 超声波成像测试

由表3中实验5所得数据绘制出 “超声波回波幅值成像结果”(见图9)。图像由数个像素点构成，每个像素点代表在某一点测得的回波幅值；像素点颜色越深，代表当前位置的超声波回波幅值越低，像素点颜色越浅，代表当前位置的超声波回波幅值越高。因此，由图9可以明显观察出花岗岩石板表面特征，包括五条缝隙与四个孔隙，且成像效果清晰，实现了超声波成像。

图9 超声波回波幅值成像结果

4 结论与建议

(1)研究了随钻超声井眼成像方法，该方法通过读取超声波的传输时间和首次反射回波的最大幅值信息，推算井径信息与井壁特征信息，最终实现井眼成像。

(2)设计搭建了室内随钻超声井眼成像方法实验装置与实验平台，进行了大量测试。实验结果表明：①超声波传输时间与测量距离呈线性正相关(即测量距离越大，传输时间越长)，受待测物影响较小，与钻井液密度呈正相关(即钻井液密度越大，传输时间越长)；②超声波回波幅值与测量距离呈负相关(即测量距离越大，回波幅值越小)，受待测物影响较大，随着待测物大小形状的改变，幅值大小有明显的差异，与钻井液密度呈负相关(即钻井液密度越大，回波幅值越小)。

(3)室内实验结果表明：①超声波传输时间信息可以用于井径的测量及井眼形状的识别；②超声波回波幅值信息可以用于井壁缝隙与孔隙等特征的识别与成像；③随钻超声井眼成像方法可以适用于高密度的油基钻井液中。

(4)由于实验环境以及实验装置的限制，室内实验仍有缺陷和不足，建议在已有实验的基础上继续进行大量实验，同时优化实验设备与实验平台，进一步验证随钻超声井眼成像方法的可行性并分析影响超声波成像的因素。