方位远探测反射声波成像测井仪器

李国英, 柴细元, 鞠晓东, 乔文孝, 嵇成高, 韩明明, 李卫强

(1.中国石油集团测井有限公司天津分公司, 天津 300457; 2.中国石油大学(北京), 北京 102249)

0 引 言

石油勘探测井中,对碳酸盐岩油气藏勘探重视程度逐渐提高。碳酸盐岩储层类型多,非均质性强,储层横向渐变较快,很难用现有的测井方法识别出远井地层的储层发育情况。目前发展的井外地层成像技术主要是电磁方法和声波方法。低频电磁波井外界面探测,仅能够检测电阻率异常体的存在,但不能确定方位;随钻高频方位电磁波仪器,探测深度仅有数米。在反射声波远探测技术研究中,斯伦贝谢公司早期的BARS仪器曾在四川开展过试验性应用,但至今一直没有开展商业性应用。最新的SonicScanner仪器主要功能是开展测井储层参数分析,其反射波处理模块只具备2～3 m的径向探测能力,在中国没有开展应用。渤海钻探研发出的远探测声波反射波成像测井仪器,由于应用单极子发射、接收,在周向上没有指向性,无法确定地层构造或者地质体的方位。魏周拓等[1]利用有限差分数值计算方法,对慢速地层的偶极辐射声场和反射声场进行了数值模拟,验证了偶极纵波在慢速地层中远探测的可行性。唐晓明等[2]提出利用正交偶极声源进行远探测声波成像的应用实例,由于偶极子声源指向性特征,该方法仅能探测180°范围内井外地质体的方位。王瑞甲等[3]利用数值模拟方法推导了基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵声场方位特性,其声场可以确定360°范围内反射体方位,能够消除井旁地层界面方位测量的多解性。鞠晓东等[4-5]设计出一种具有三维探测功能的声波测井仪,采用模块化结构、相控阵发射、方位阵列接收,通过反射波处理实现远距离井旁地质体结构的成像。中国石油集团测井有限公司天津分公司与中国石油大学共同研发出一种方位远探测反射声波成像测井仪器,采用相控阵大功率发射技术、方位阵列接收技术以及独创的直接承压式有源发射、接收声系结构,在碳酸盐等高速地层中可以探测径向40 m以上的地质异常体,方位分辨率可达到22.5°。本文阐述方位远探测反射声波成像测井仪器测量原理,仪器结构特点、基本参数以及方法模拟实验、现场试验效果等。

1 测量基本原理

方位远探测反射声波成像测井仪器通过测量来自某方位的纵波反射波信息分析井周远距离的地质体信息特征。方位远探测反射声波成像测井仪器的相控阵发射探头发射出高能量声信号后,经地层向井周某方向传播,当遇到声阻抗发生变化的裂缝、孔洞等反射体时,产生的反射纵波等反射波信号被具有方位接收能力的接收探头所接收,声信号转变成电信号,上传到地面系统,被记录后进行处理分析。

为使发射声能量传播到更远的距离,除了采用大功率发射探头外,还将相控阵技术引入发射部分,构成相控阵的每一个发射换能器都拥有独立的匹配电路。采用相控阵声源,可以根据地层特性,灵活调节井内声源入射井壁的入射角,使之有利于产生滑行纵波,滑行横波和斯通利波、或向井旁地层中辐射纵波。图1、图2分别为声源传播过程及产生的声场指向性图。

图1 声源传播路线

图2 相控声场指向性图

2 仪器结构、工作原理及性能指标

方位远探测反射声波成像测井仪器根据其测量原理和井周远距离探测、方位精准探测的需求设计研发。为了保证其发射能量和方位探测的功能,以及现场应用的实用性,采用大功率的相控阵发射探头、8个方位相控接收的接收探头。

2.1 整体结构及性能指标

方位远探测反射声波成像测井仪器由遥传短节、控制短节、接收短节、隔声体、发射短节组成。其中发射探头2组。一组为单极发射,由6个大功率发射换能器组成相控线阵单极发射探头。一组为偶极发射,由2组每组4个片状换能器组成正交偶极发射探头。

仪器测井时,首先由地面下发指令给井下遥传短节并传到主控短节,主控短节对命令信号进行解码后,由同步单元产生井下仪器各部分所需的控制信号,协调整个井下仪器的正常工作。发射电路接收到控制信号后,产生点火脉冲控制2组发射探头(一组单极相控发射,一组偶极正交发射)依次发射。每激发一次发射探头发射,就有声波信号传送到地层,经过一段时间的传播、反射、折射后,声信号到达方位接收探头。接收探头在地面控制下,接收到80组方位单极接收信号和40组偶极方位接收信号,并经过各自的接收通道滤波放大等初步处理后传送到主控短节,主控短节对其进行编码,在地面系统控制下,将采集到的信号传送到地面纪录。同时,遥传短节还采集自然伽马及方位信号,用于后期资料处理时的深度和方位校正。仪器工作原理见图3。

图3 仪器工作原理示意图

仪器性能指标:最高耐温175 ℃;最高耐压140 MPa;仪器最大外径104 mm;径向探测深度大于40 m;纵向分辨率20 mm;方位分辨率22.5°;数据传输速率1 Mbit/s。

2.2 多极子发射探头设计

发射声系包含2组发射探头:一组单极发射,一组偶极发射。单极发射探头为相控线阵结构,由6个拼条式切向激发的换能器组成。每个发射换能器都有各自独立的激发电路,以保证发射功率的稳定性。对于不同声速的地层,为保证大部分能量进入地层,可以通过调节相控延迟时间使发射的相控声束进入地层[6],可按式(1)计算相控延迟时间τ(见图4)。偶极发射探头是由4个探头分2组形成宽带正交模式。这样的发射声系,既可以测量声波时差、反射波等信息,还可以测量软、硬地层横波,分析地层各向异性等(见图5)。

(1)

式中,t为相控延迟时间;∂为声束偏转角;h+d为相邻相控换能器间的距离;v为井液速度。

图4 相控线阵发射声场示意图

图5 偶极子发射声场示意图

2.3 多阵列方位接收探头设计

接收声系由10组方位接收探头组成,每组由8个不同方位的接收换能器组成环形结构(见图6),共80个片状宽带接收换能器单元。每个换能器单元使用独立的信号调理和数据采集通道(共80个通道,每个通道增益动态范围90 dB,16位ADC全并行同步采集),整个声系形成5个数字化节点与仪器高速总线相连。这样的发射、接收探头可构成多模式测量:单极发射-单极接收、单极发射-方位接收、偶极发射-方位接收。对于方位接收信号,采用相控接收波形合成法实现对地质体方位的识别(见图7)。

图6 接收探头结构示意图及其截面图

图7 相控方位接收指向性图

2.4 直接承压式有源声系设计

发射、接收声系都采用直接承压式有源声系结构。传统的声波测井仪器均由声波电路短节和声系短节组成,测井时将2个短节连在一起,这种连接方式信噪比较低,且容易出现绝缘低、连通性差等问题。方位远探测反射声波成像测井仪器由于采集声波信号量大、信号弱,传统连接方式已不能满足大量的弱信号传输需求,因此,设计出一种直接承压式发射、接收声系,将发射、接收电路与对应的发射、接收声系直接有机结合,减少中间转接环节,初始信号、模拟信号直接与电路板相连。该设计省去了电子短节,减少了系统模块间的干扰,为弱信号采集提供了有利条件,提高了仪器信噪比、稳定性、可靠性等性能,并使仪器测量点距仪器底部比原来缩短了2.5 m左右。

2.5 高速数据传输设计

由于有2组发射探头(单极和偶极)、10组80个方位接收换能器,因此,数据采集共有120道声波列数据。其中80道单极方位接收声波阵列,40道偶极接收阵列。由于数据量庞大,现有地面采集系统传输速率不能满足要求,研制出传输速率为1 Mbit/s的高速数据采集系统。

3 方法验证实验

方位远探测反射声波成像测井仪器是一种新型反射波测量理论指导下的新型测井仪器,为了验证其方法可行性,在水深50 m以上的国家级大型水声实验基地千岛湖基地进行了不同距离、不同方位、不同界面大小的方法验证实验。实验共进行了6组,获得12组数据。表1、表2分别为12组不同实验方式下所获得的距离、方位的实验数据。图8是单板实验中仪器与反射体相距10 m时所做的实验的模型示意图、距离及方位的成像图。图9是双板实验图,双板与模型均相距5 m。图10为5 m等距双板反射波模拟实验及距离方位成像成果图。

表1 方位角测量值与实际值对比数据表

表2 距离测量值与实际值对比数据表

从实验数据及图8、图9、图10中可以看到,方位远探测反射声波成像测井仪器探测到10 m远的反射界面及其所在方位,实验测量数据分析结果与模型实际情况相符,表明仪器的方位、距离探测特性与理论分析相符。10 m远的反射距离换算到灰岩地层可以探测超过40 m远的界面,利用相控接收波形合成技术,能使方位分辨率提高到22.5°。

图8 仪器与模型相距10 m实验图组

图9 双板与仪器相距5 m实验图组

图10 距离方位成像成果图

4 现场应用

方位远探测反射声波成像测井仪器已经完成多口井的下井试验,测井均一次成功,所测资料合格率100%。根据测井资料分析仪器的稳定性、一致性、重复性满足技术要求。在所有测井记录中创新2项纪录:①完成6.5 in*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同井的测量任务;②在大于7 400 m的深井中完成作业测井。

官××井测量目的层为中生界,岩性为火成岩。该井进行的主要测井系列:高分辨率阵列感应测井、三孔隙度测井、自然伽马能谱、核磁共振测井、微电阻率成像测井、方位远探测测井。图11显示,只有3 191～3 201 m井段井壁裂缝发育,常规测井曲线分析3 191～3 219 m井段裂缝发育。经过方位远探测反射声波成像测井仪器测量后的测井解释有3条主裂缝。从XRMI图上看有效储层厚度为10 m,常规测井曲线图分析有效储层厚度为28 m,从ARIII成果图上看有效储层厚度为47 m,裂缝与平面夹角分别62°、64°、60°,方位为13°、185°、135°,有效储层厚度为3 191～3 238 m。通过解释分析将原有效储层厚度从28 m增加到47 m。通过试油,该井日产油30.2 t。

图11 官××井解释成果图

5 结束语

(1) 方位远探测反射波成像测井仪器由于采用了具有针对性的单极发射、偶极发射、阵列方位接收器等多种先进技术,并依靠测井模式设计,可以实现在不同类型岩层、不同复杂地质条件下的井筒和井旁地层声波特性探测、井旁裂缝(断面)等识别、储层划分测井和地质评价需求。

(2) 方位远探测反射声波成像测井仪器创新设计的直接承压式发射、接收声系,对于提高仪器信噪比、稳定性、一致性等提供了新的技术手段,也为今后类似仪器研制提供了新的思路。

(3) 方位远探测反射声波成像测井仪器采用10组8个方位的接收声系以及相控接收波形合成方法能够对探测到的地质反射体进行定向方位识别。

(4) 方位远探测反射声波成像测井仪器探测距离40 m、方位分辨率22.5°,有效弥补了现有测井技术探测深度太浅与地震勘探分辨率较低的缺陷,为深部复杂油气储层的精细描述提供新的技术手段。

参考文献:

[1] 魏周拓, 唐晓明, 庄春喜. 慢速地层中具有方位指向性的偶极纵波远探测测井 [J]. 石油学报, 2013, 34(5): 905-913.

[2] 唐晓明, 魏周拓. 利用井中偶极声源远场辐射特性的远探测测井 [J]. 地球物理学报, 2012, 31(8): 2798-2807.

[3] 王瑞甲, 乔文孝, 车小花. 一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵随钻声波测井辐射器 [J]. 地球物理学报, 2015, 58(1): 327-337.

[4] 鞠晓东, 乔文孝, 赵宏林, 等. 新一代声波测井仪系统设计 [J]. 测井技术, 2012, 36(5): 507-510.

[5] 王瑞甲, 乔文孝. 三维随钻反射声波成像测井的数值模拟 [J]. 地球物理学报, 2015, 58(6): 2201-2209.

[6] 周福洪. 水声换能器及基阵 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1984.