PDC钻头随钻地震技术在胜利油田某井区的应用探索❋

童思友, 石 辉, 徐秀刚❋❋, 王延光, 谷玉田, 孙 超

(1. 中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100;2. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266237;3. 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司, 山东 东营 257000; 4. 中海石油(中国)有限公司海南分公司, 海南 海口 570312)

随钻地震(Seismic while drilling,SWD)是石油钻井工程与地震勘探有机融合的技术,与钻井同步实时采集地震资料,可提取地球物理信息,用于实时预测钻头前方地质信息,协助减少钻探风险,帮助调整钻井作业方案,是一项具有战略意义的学科交叉技术。钻头随钻地震技术,即随钻RVSP,是最先研究和应用的随钻地震技术。早在二十世纪三十年代,Weatherby利用顿钻作为震源,形成最初的随钻地震思想[1];Haldorsen等利用地面传感器获得钻头信号,并以此开展RVSP测量[2];Lorenzo Petronio等优化了随钻数据采集时的地面传感器排列方式[3];Fabio Rocca等提出三维随钻地震的偏移成像方法[4];Sun等探讨了将PDC钻头用作随钻地震震源的可能性[5];Yu等提出了一种集数据采集全过程为一体的随钻地震质量监测系统[6];Kepic 等在南澳大利亚开展钻头随钻地震试验[7]。

目前牙轮钻头随钻地震技术相对成熟,且主要核心技术掌握在国外公司手里,中国尚处于跟进状态。受技术发展水平限制,我国对钻头随钻地震的研究起步较晚,于二十世纪九十年代才开始相关研究[8-9],目前对随钻地震的研究与国外相比还有较大差距。张绍槐、韩继勇等开始率先在国内开展钻头随钻地震的研究,形成了随钻地震技术在国内的初步理论方法认识,推动了随钻地震在国内的发展[10-11]。2006年,中石化联合中国地震局、中国海洋大学、中国石油大学等承担863计划项目“随钻地震技术研究”,开展联合技术攻关,在随钻地震数据处理软件系统的开发、仪器设备的研发以及基础理论和方法等方面都取得了较大进展,极大的促进了国内随钻地震技术的发展[12-14]。陆斌等利用独立成分分析法有效改善了多种信号的混叠现象,在一定程度上提高了随钻数据处理质量[15];黄伟传等应用反褶积干涉法以及自相关偏移成像,在实际随钻数据处理中取得了较好的效果[16];金朝娣等利用小波域相关算法使随钻地震数据的噪音干扰得到了更好的压制[17];邓瑞等利用高阶交错网格有限差分算法对随钻地震波场进行了数值模拟[18];徐逸鹤等通过半解析的方法对钻头随钻地震震源的振幅和波场信息进行了获取,利用沿最陡降线回路积分方法求得了较高精度的地震波场数值解[19];秦显科等将稀疏表示理论融入到随钻地震的参考信号处理过程当中,实现了对参考信号稀疏分解降噪处理,使资料信噪比得到了改善[20];王林飞等对钻头信号在整个钻柱系统中的传输机制进行了详细的分析[21]。

随着钻井工艺的革新发展, PDC钻头逐渐取代牙轮钻头在钻井中广泛使用[22]。然而此前绝大部分的随钻地震研究都基于牙轮钻头钻进时采集到的随钻纵波资料,基于PDC钻头随钻地震的国内外研究相对较少。PDC钻头以剪切作用为主横向旋转破岩钻进,产生的波场以横波为主,且其能量要远大于纵波能量。与牙轮钻头随钻地震相比,PDC钻头随钻地震技术极具挑战性,国内外均无成熟技术可借鉴。因此,基于目前石油钻井工程广泛应用的PDC钻头,探索PDC钻头随钻地震技术意义深远。本文成功实现了该技术在胜利油田某井区的应用探索,采集获得了波场信息丰富的三分量随钻地震数据,并基于Shearlet变换成功实现了横波信息的有效分离,最终实现了PDC钻头随钻地震资料的横波成像,为该技术在我国的陆地和海洋石油钻井中的工程应用探明了方向。

1 钻头随钻地震的基本原理和PDC钻头随钻地震的波场构成

1.1 钻头随钻地震的基本原理

钻头随钻地震即随钻RVSP,其观测方式与常规RVSP(Reverse vertical seismic profiling)观测方式相近。在油气勘探中,RVSP观测有着众多优势,但由于常规震源入井困难,存在井中震源容易对井壁造成伤害的隐患,因此在常规油气勘探中RVSP观测的应用受到限制。钻头随钻地震是把钻头破岩产生的震动作为震源,不需要额外的震源设备入井,可以边钻边测,不占用钻井时间,这使RVSP观测方式在随钻地震中得到了极大地推广和发展。

伴随着钻头破岩钻进的过程,钻头会与地层作用而产生震动,称之为钻头信号,钻头随钻地震技术就是以此为震源,将采集设备分别部署在钻柱顶部和井场附近地面上来接收地震信号[23],钻柱顶部的传感器接收经钻柱传递的钻头信号,称之为参考信号,地面上的检波器排列采集通过地层传播而来的反射波和直达波,将地面检波器信号和参考信号做预处理,再对二者做互相关及后续处理,最终可得到类似于逆VSP的地震剖面[24-25]。钻头随钻地震原理如图1所示。

图1 钻头随钻地震原理图

1.2 PDC钻头随钻地震波场的构成

随着石油钻井工艺的发展,PDC钻头逐渐替代了牙轮钻头,牙轮钻头以轴向震动为主,主要产生纵波,其横波很弱。以前的随钻地震技术研究基本上是围绕牙轮钻头破岩机理开展的,而PDC钻头是通过切削齿进行切削地层,切削齿主要包括齿柱式切削齿和复合片切削齿两种形式[26]。PDC钻头切削岩石,实际上是对岩石的一种侧向挤压过程,依靠切削力破碎岩石,在这个过程中,当岩石被PDC钻头所施加的剪切应力大于其抗剪强度时,被剪切的岩石就会通过滑移变形成为岩屑。剪切破岩是PDC钻头的主要工作形式,其产生的轴向震动非常少,因此产生的纵波很弱,而横波相对较强。

PDC钻头工作时在井底以较快的速度进行横向旋转,由切削齿作用在岩石上产生一系列的力偶作用,这一过程中质点位移公式表示为[27]:

(1)

式中:r为径向位移;A1为比例因子;d为钻头直径;ρ为地层层密度;φ为z轴与径向波场辐射矢量的夹角;θ为xy平面辐射方位角;β为地层横波速度;uθ为SH波分量;ur为P波径向分量;uφ为SV波分量;g′为函数时间导数。在PDC钻头单纯的横向旋转剪切震动所产生的波场辐射中只存在SH分量,P波径向分量和SV波分量为0。PDC钻头的转速是影响其频谱特征的主要因素,横波(SH)是PDC钻头破岩产生主要波型,在压力负荷稳定、转速恒定不变的情况下,所产生的横波波场也是稳定的,但事实上,由于井底状态、地层强度不均匀、泥浆压力以及钻头磨损等因素在一定范围内是随机变化的,这给钻头旋转产生了随机的阻力变化,从而导致PDC钻头的转速是变化的,因此其产生的横波频带较宽。

2 胜利油田某井区PDC钻头随钻地震三分量数据采集方法

本次研究的胜利油田某井区随钻地震,采用PDC钻头钻进、斜井中靶,目的层深度3 300 m左右。根据井场周边实际情况及钻头震源波场传播特性,设计相应的立体采集观测系统(见图2)开展钻头随钻地震资料立体采集。

图2 PDC钻头随钻地震立体采集Fig.2 Stereo acquisition while drilling with PDC bit

在井场区域布置接收传感器,主要用于记录井场及附近的复杂噪音,由井口位置向西布置walk-away测线,因为本井为斜井(向西)钻探,随着钻井深度的推进,钻头震源位置的纵向投影沿着测线方向延伸,自生产井口向西450 m(距离钻头激发点位置水平距离约350 m)处开始布设Allseis-3CH-V1三分量节点(见图3),采集三分量、宽频带、高信噪比的随钻地震数据。为获得有效的参考信号,本次施工采集在顶驱上安装了三分量加速度传感器用于采集参考信号,参考信号的数据能够实时传输至远程终端,可实时监控其数据采集质量。

3 PDC钻头随钻地震资料精细处理

3.1 联合反褶积消除随钻地震参考信号钻柱传输效应

钻头破岩震动信号是连续的,为了使地面连续接收的信号近似转换为脉冲震源信号,需要其与钻头信号进行互相关。由于PDC钻头参考信号是钻头破岩震动信号经钻柱传输系统褶积后被改造的钻头信号,因此消除钻柱传输效应的最好方法是脉冲反褶积[28]。图4为信号经过钻柱传输的参考信号及自身自相关的记录,由自相关结果可以看出,参考信号中有强烈的钻柱传输形成的复杂多次波影响,若不消除钻柱传输效应产生的各种多次波的影响,势必会影响后续的互相关结果。

图4 钻头参考信号及自相关记录

为消除钻柱传输效应产生的影响,本文采用联合反褶积方法,更加合理地消除钻柱传输系统的各种改造因素,以逼近真实的钻头信号。图5(a)是只使用脉冲反褶积后的自相关结果,从图中可以看到,虽然消除了不同类型多次波的传输效应影响,但依然可见其还存在较强的信息残留;图5(b)为在图5(a)的基础上继续统计分析其剩余影响,进一步进行反褶积处理后的自相关结果,钻柱传输效应的剩余主能量得到有效压制,在此基础上继续针对剩余传输效应的特征进行针对性反褶积,通过这种联合反褶积最终实现了对于参考信号钻柱传输效应的合理消除。图5(c)为优化联合反褶积方案后的自相关结果,从图中可以看到各种钻柱传输影响得到了有效的消除,其结果基本接近钻头信号特征。

图5 联合反褶积消除随钻地震参考信号钻柱传输效应效果

从有效压制钻柱传输效应前后的参考信号数据上看,经过优化联合反褶积消除钻柱传输效应后,参考信号中周期性的多次波(见图6(a))等得到了有效的消除,如图6(b)所示,消除参考信号钻柱传输效应的参考信号更加接近钻头信号。

图6 消除参考信号钻柱传输效应前后效果对比

同样的,参考信号的频谱上由于多次波的影响出现了复杂的陷波效应(见图7(a));而通过优化联合反褶积后,各种陷波效应得到了明显的恢复,优化联合反褶积后(见图7(b))的频谱相较于之前(见图7(a))的陷波效应得到了明显改善,参考信号有效频带变宽、主频更高,这与钻头信号特征吻合。

3.2 随钻地震数据高质量互相关

随钻地震地面记录与消除钻柱传输效应的参考信号高质量互相关的关键是互相关的策略,本文研究的互相关策略是基于钻遇地层结合钻井工况的变步长互相关。由于随钻地震数据是连续采集的,钻头信号受到钻压、钻速及钻遇地层等因素的影响,其钻进相同进尺的耗时是不相同的,所以为达到最佳的互相关,互相关时长不能固定不变,需要根据钻进进尺的变化而变化。钻井队现场记录了不同钻达深度的时间,结合先期地质分层、岩屑等特征综合判别不通钻达深度的岩性是否相近,据此划分并确定钻穿不同地层不同时间段的互相关时长,以达到理想的互相关结果,得到近似脉冲震源的炮记录。

进行互相关之前(见图8(a)),因为接收的是钻头连续震动经地层传播的记录,无法像脉冲震源那样看到反射波信息,且信噪比很低。因此, 本文基于钻遇地层结合钻井工况的变步长互相关技术获得高质量互相关结果(见图8(b)),构建近似脉冲震源的随钻RVSP记录。从图8(b)可以看到,相关后记录的初至特征和反射波特征清晰,但是由于背景噪音很强,导致有效信号相对较弱,因此需要在后续的处理中进行强噪音衰减与弱信号增强,进一步提高资料的信噪比。

图8 地面传感器采集的随钻地震信号与消除钻柱传输效应的参考信号互相关前后对比

图9是弱有效信号增强前后的对比图,从图中可以看到,经过强噪音压制与弱信号增强之后,在1 780～1 860 ms的范围之间的横波初至(见图9(b)的黄色虚线所示)得以显现,并且在横波初至下,有明显的、能量较强的、与横波初至视速度方向相反的反射横波信息(见图9(b)的红色虚线所示)。

为了验证本次随钻地震采集获得横波资料的可靠性,基于随钻地震资料反演获得的地层横波速度与通过声波测井资料计算的横波速度进行了对比。图10(a)所示是基于随钻地震资料反演的垂直深度范围3 074～3 306 m的地层横波速度(1 m一个速度值),与图10(b)所示的采用声波测井资料计算获得纵波速度推算得到的横波速度(0.125 m一个速度值)对比,可以看出两者具有较好的一致性,充分说明了,基于PDC钻头随钻地震资料求取横波速度具有较高的准确性。

图10 随钻地震资料反演的横波层速度与基于声波测井计算纵波速度推算的横波层速度对比

在图10所示的地层横波速度中,横波速度在垂深3 150 m的深度位置开始急剧增大,由2 600 m/s左右增大至3 800 m/s左右,在3 220 m的深度位置又开始急剧减小,由3 800 m/s左右减小至1 700 m/s左右,这个结果说明随钻地震资料对特殊地层有很好的反应,该技术可以在钻井工程中推广应用,基于PDC钻头随钻地震资料能够准确计算地层横波速度,结合钻头前方反射波的进一步处理,可以提取钻头前方一定深度范围的地层速度,有利于提高钻前压力预测的准确性。

4 PDC钻头随钻地震横波数据叠前深度偏移成像

4.1 基于Shearlet变换的随钻地震数据横波波场分离

经上述处理后的记录中虽然可以看到明显的反射横波信息,但是还存在着其他波场信息的干扰,只有将记录中的反射横波信息准确的分离出来,才能确保后续偏移成像的准确性。本文基于Shearlet变换实现横波波场的有效分离。

为获得更好的分离效果,在进行Shearlet变换波场分离前,需要先进行RVSP动校正,将一次反射横波动校正拉平,从而使得反射横波与其他反射波在Shearlet域的(j,θ,k)空间存在着更加明显的差异,动校正拉平后的反射横波在Shearlet域基本分布于小角度的分量,而其他反射波则分布于较大角度分量,这样就可以将一次反射横波从复杂波场中较好的分离出来(见图11)。

图12(a)为随钻RVSP动校正后Shearlet变换分离出反射横波经过反动校正后记录,反射横波波场特征清晰,信噪比和分辨率较高。图12(b)为动校正后Shearlet变换波场分离后的剩余波场反动校正结果,可见分离掉的波场中存在着较多与横波初至平行的多次波同相轴,以及呈波浪状同相轴的噪音波场。经过Shearlet变换波场分离后,进一步地提高了数据的信噪比,为反射横波偏移成像提供了可靠的数据基础。

图12 随钻RVSP动校正后Shearlet变换分离出的反射横波与分离掉的波场反动校正显示

4.2 随钻地震横波数据叠前深度偏移成像

本文基于Kirchhoff积分法,采用标量成像,实现基于横波数据的叠前深度偏移成像,用横波信息建立的速度模型完成了偏移,获得了反射横波RVSP叠前深度偏移剖面。如图13所示,成像剖面信噪比较高,不仅能对钻进垂直深度范围3 080～3 306 m的地层进行了有效成像,同时也能对钻前直至3 600 m深度地层实现了准确成像,有效刻画了地下层位特征。

图13 随钻数据反射横波深度偏移成像结果

由图13所示反射横波深度偏移成像结果可以看到,在成像剖面的3 150和3 250 m深度范围,有能量特别强的反射层特征,对应着该井特殊地层,充分说明了基于PDC钻头随钻地震有效分离横波并进行准确成像是可行的,且基于PDC钻头随钻地震反射横波偏移成像能够实现对地下特殊地层的准确刻画。

5 结论

通过PDC钻头随钻地震技术在胜利油田某井区的应用探索,获得的结论与认识主要包括:

(1)基于本文设计的立体采集技术,实现了野外现场PDC钻头随钻地震资料横波信息的高质量获取。

(2)优化的联合反褶积方法,较好的消除了钻柱传输效应的综合影响,使参考信号更加接近真实的钻头信号。

(3)基于钻遇地层结合工况进行变步长互相关,实现了随钻RVSP记录的高质量构建,并利用Shearlet变换的多尺度分解特性,实现了对于随钻数据中反射横波信息的有效分离。

(4)PDC钻头随钻地震反演获得的横波层速度精度高,反射横波深度域成像质量高,二者对该井目的层段特殊地层有准确响应,充分证实了基于PDC钻头随钻地震技术的实用性。

目前海洋石油钻井也主要采用PDC钻头,如果将三分量传感器部署于海底,可采集获得高信噪比PDC钻头随钻地震信号。本文技术应用于陆地和海洋石油钻井PDC钻头随钻地震都将有很好的工程应用前景。

致谢：感谢胜利油田对本文研究的大力支持。感谢东方地球物理公司提供GeoEast处理系统。