偶极横波远探测方位区分新方法

吴柏志 许孝凯 杜群杰

摘要：偶极横波远探测仪器具有测量频率低、频带宽、信噪比高等显著优势，能够精确刻画井旁构造产状，在西北地区碳酸盐岩地层断溶体、断控体储层以及西南地区致密碎屑岩地层断缝体储层等应用效果显著。但由于偶极声源指向呈中心对称导致180°方位不确定性，难以实现方位探测。为克服这一缺陷，提出偶极横波远探测方位区分新方法，使用非对称发射、接收声系的偶极横波远探测测井仪采集多分量偶极横波数据，开展有限差分開展数值模拟并进行现场试验，形成处理解释软件模块。结果表明，与传统的对称接收方式相比，此方法打破了所接收的横波声场的对称性，实现了方位远探测。该方法定向放大了反射体所在方位的反射横波幅度，利用该特征可实现方位区分。现场试验与数值模拟结果一致，验证了该方法的有效性。新方法可为井旁地质异常体方位探测及侧钻井、加密井部署提供有力支撑。

关键词：偶极横波； 远探测； 方位区分； 试验验证

中图分类号：P 631.8 文献标志码：A

引用格式：吴柏志，许孝凯，杜群杰.偶极横波远探测方位区分新方法［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2023，47（6）：43-49.

WU Baizhi， XU Xiaokai， DU Qunjie. Novel method for dipole shear wave remote detection azimuth differentiation［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023， 47（6）：43-49.

Novel method for dipole shear wave remote detection azimuth discrimination

WU Baizhi1， XU Xiaokai2， DU Qunjie2

（1.SINOPEC Matrix Company Limited， Qingdao 266555， China;

2.Institute of Geological Measurement and Control Technology， SINOPEC Matrix Company Limited， Qingdao 266555， China）

Abstract：The dipole shear wave remote detection instrument offers significant advantages such as low measurement frequency， wide frequency band， and a high signal-to-noise ratio. It can accurately characterize the attitude of geological structure near the borehole， making it especially effective in fracture-cavernous reservoirs and fault-controlled reservoirs of carbonate strata in northwest China， as well asin fault-fracture reservoirs of tight sandstone and shale strata in southwest China. However， realizing azimuth detection has been challenging due to the 180° azimuth uncertainty caused by the central symmetry of the dipolar source. To overcome this limitation， a novel method for azimuthal differentiation in dipole shear wave remote detection is proposed.Multi-component dipole data was acquired using dipole S wave remote detection logging tool with an asymmetric transmitters and receivers.The method involves conducting numerical simulations using finite differences and field tests. Additionally， a processing and interpretation software module is developed. The numerical simulations demonstrate that the method can selectively amplify the reflected shear wave amplitude of the reflectors azimuth， enabling azimuth discrimination. Field test results align with the numerical simulations， confirming the methods validity. This new approach provides robust support for azimuthal detection of geological anomalous bodies besides the well， as well as for the deployment of sidetracking wells and encrypted wells.

Keywords：dipole shear wave logging; remote detection technology; azimuth discrimination; experimental verification

缝洞型碳酸盐岩及致密碎屑岩储层是中国重要的油气藏类型，具有广阔的勘探和开发前景。缝洞型油气藏是一种广泛发育于碳酸岩中的裂缝、孔洞、溶洞等的油气储层，这些裂缝和孔洞系统为油气提供了有利的储集空间和运移通道。同时由于其非均质性强、埋藏深、尺度变化大，给储层识别带来了诸多挑战。受地震勘探分辨率限制，较大的溶洞体在地震剖面上常出现多个强能量团的串珠状响应，而裂缝和中小尺度溶洞往往难以识别，不利于缝洞构造探测和精细刻画，给缝洞和断裂带钻遇、一井多靶等方案实施带来了挑战。声波远探测技术能够对井旁构造精细成像，从而实现井外数十米范围内异常体探测和精细描述，对高质量勘探和高效益开发有重要推动作用。

1 声波远探测技术现状

声波远探测测井也称单井反射声波远探测，是以井中声源辐射到井外地层中的声场能量作为入射波，探测从井旁构造反射回来的声场。通过分析处理接收到的全波信号，可以对井周围的地层构造进行声波成像，并获得井旁地质构造信息，其在井旁裂缝、孔洞探测具有重要作用。

斯伦贝谢提出声波远探测测井之后［1］，为提高探测深度和信噪比，在单极反射纵波仪器研发、处理解释算法方面进行了大量的研究工作，并在储层邊界以及流体界面识别、裂缝储层评价和在水平井中对邻近垂直井成像进行了应用［2-3］。国内大港油田测井公司与中国石油大学（北京）等最早开展了声波远探测相关工作，并从理论研究、仪器研发、探头研制、偏移成像算法及现场应用等方面取得了一系列进展［4-8］。Baker Hughes公司在进行单极纵波反射成像的基础上，发展了偶极反射横波远探测方法，其具有衰减小，偏振特性（携带方位信息）、波形纯粹等优势，开发了基于XMACII仪器的声反射成像处理软件［9-13］。国内，中国石油大学（华东）、中石化、中海油、中石油等在偶极横波远探测技术换能器研发、声系结构设计、反射特性研究以及现场应用等方面取得一系列研究成果［14-20］。

为实现方位远探测，国内外研究单位从单极反射纵波、偶极反射纵波和偶极反射横波等不同角度进行了探索。斯伦贝谢［21-23］和中石油［24］等在单极反射纵波方面，利用相似算法提高信噪比，采用方位接收算法实现方位探测后，极大推动了方位反射纵波的现场应用。同时，一些正交偶极阵列声波测井技术理论被提出［25-26］。笔者在多分量横波远探测成像测井仪实现全井周信息的采集并对井外80 m范围内地质异常体进行成像基础上，提出了利用非对称测量方式通过振幅和相位差异实现方位区分，实现方位远探测［27］，成功在试验井中准确区分了邻井方位。

2 偶极反射横波测井方位探测原理与方法

通过远场声学公式，进行反射波成像因素分析，记录的反射波信号由以下公式得到：

式中，VRW（ω）为接收到的反射波幅度，无量纲；ω为角频率，rad/s；S（ω）为声波仪器的系统传递函数，包括信号产生和接收，无量纲；DR（ω）为井眼辐射指向性，无量纲；CR（ω）为接收方位模式，无量纲；FR为反射体反射系数，无量纲；D为反射体到接收器的双程距离，m；exp（-ωT/2Q）为波程的幅度衰减，dB/m；T为沿着波程D的旅行时，s；Q为品质因子，无量纲。

设计如下声系结构：TY1、TY2、TX1、TX2为四片发射换能器，Ry1、Ry2、Rx1、Rx2为四片接收换能器。如图1所示，Ry1法线方向与RY1法线方向夹角为45°，圆形区域为井孔。为增加数据丰度，接收阵列由多组性能和指向一致、位于不同纵向深度的接收换能器组成。取TY1法线方向正北即TY1，则Ry1与TY1法向方向夹角为45°。各发射和接收换能器可等效为图2示意图，其中发射、接收换能器均沿着井眼径向振动、接收。

3 偶极反射横波测井方位探测数值模拟

3.1 模型构建

构建如图2所示模型，TY1-TY2和TX1-TX2为偶极发射，接收为相邻两个极子组合，分别为Ry1-Rx2、Ry2-Rx2、Rx1-Ry2、Rx1-Ry1组合。这里对TY1-TY2发射Ry1-Rx2接收和现通用的交叉偶极声波测井仪器的TY1-TY2发射RY1-RY2接收进行对比，具体模拟参数如表1所示，采用3 m源距。

利用有限差分进行数值模拟，如图3所示，其中振源和接收器分布如图1和图2所示。

在直角坐标系下，得到速度矢量和应力矢量一阶偏微分方程组为

式中，ρ为密度，kg/m3；vi（i=x， y， z）为i方向上的速度分量，m/s；x、 y、 z分别为x、 y、 z方向上的位移，m；σij（i，j=x， y， z）为应力分量，Pa；t为时间，s；λ和μ为拉梅常量，弹性力学中μ为剪切模量，无量纲。

采用交错网格差分，用3个相互垂直的空间平面把模型分为立方体状的空间单元，各个立方体的大小和形状都一致。单元中心点的坐标是（lxΔx，

lyΔy，lzΔz），其中Δx、Δy、Δz为空间单元各边的长度，时间上也分为Δt的时间间隔。由于井壁位移和应力连续性，偶极发射的不同分量接收仿真结果如图4（a）所示。由图可知TY1-TY2发射，RY1-RY2接收波形与Ry1-Rx2接收波形相似，在对Ry1-Rx2幅度除以cos 45°后，与RY1-RY2接收波形基本重合，如图4（b）所示。说明在不考虑仪器影响条件下，利用相邻两个换能器可以实现横波的接收。

3.2 接收器方位接收性质

将接收换能器测试筒垂直悬挂在旋转臂上，水听器紧贴接收换能器，标准声源悬挂在水池中央平台下，标准声源与水听器和接收换能器相距2.4 m。使水听器、接收换能器与标准声源保持在一个水平面上且均位于水面下4 m处。测量接收换能器水平指向性时，保持待测换能器位置不变，以其为中心水听器和标准声源与之保持固定距离且在同一水平面上，以5°方位角周向移动，对待测换能器进行360°周向覆盖，如图5所示。为了测试偶极声源特性，对4 kHz的信号进行接收换能器的水平指向性进行分析，结果如图6所示。

对上述指向性图进行平滑滤波，并将最大幅度指向规定为0°方向，如图7红色点划线所示。为研究接收器对横波信号的水平指向性，假定两个相同性质的接收换能器背靠背紧密贴合布设于空间同一位置，二者接收信号相位相反。根据图7单个接收换能器的水平指向性平滑结果，得到新组成的横波接收器的水平方位接收能力如图7蓝色虚线所示；若存在相邻的两面，夹角呈90°，接收信号相位相反，则形成了方位横波接收换能器，水平方位指向性如图7黑色实线所示。

4 现场试验

利用提出的偶极反射横波方位探测方法在两口井筒中心距7 m的A井和B井开展现场试验。地理方位上，B井位于A井近西侧；地磁场测量结果显示B井位于A井约北偏西75°，如图8所示。

现场试验采用设计的方位探测声系结构的偶极反射横波远探测仪器下入A井以探测B井及其方位，如图9所示。

对现场试验获取的测井数据进行处理，获取8个45°扇区内地层反射横波成像结果，如图10（a）示。图10（b）显示出270°方位振幅最强，与B井在A井近西侧方位一致。此外，270°扇区内强振幅点近似位于同一直线上，与B井直井类型且已下套管的井况吻合。但是强振幅点呈现出不连续特征。B井固井质量评价结果表明间断处固井质量不佳，套管与地层之间声波耦合条件差，故反射波幅度减弱。

5 结 论

（1）偶极横波远探测仪器接收与发射换能器邻向可打破同向接收换能器阵列的水平指向的中心對称性，可有效实现横波方位区分。理论模拟发现，在忽略仪器影响条件下，直达波测量能够实现与同向模式相同功能。

（2）通过水听器实验室测试可知，在4 kHz声波频率时，声学换能器仍具有较强的方位指向特性。本文中将相关性质延伸到横波接收器，虽然未考虑横波井外地层传播影响，但基本可体现非对称横波接收的方位指向特性。

（3）在试验井中进行了偶极横波远探测方位区分方法测试并成功探测到邻井，邻井在成像处理结果中的方位与实际地理方位一致，为后期异常体方位的准确求取提供了一种新的有效手段。

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