隨鉆四極子聲波測井儀在油田勘探開發中的應用

盛達,于洋,祁曉

(1.中海石油(中國)有限公司,北京100010;2.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部,河北三河065201)

0 引 言

聲波測井是地球物理測井的重要分支,電纜聲波測井從早期的單極子聲波測井,逐步發展為具有方位性的交叉偶極聲波測井[1]。基本可以滿足氣層識別、儲層物性參數分析、巖石力學參數計算、各向異性評價、合成地震記錄等方面的需要。目前國內外的電纜聲波測井已經比較成熟[2],但當遇到復雜井況且對數據的實時性要求較高時,隨鉆測井技術就顯得尤為重要。隨鉆測井在鉆井的同時完成測井作業,既減少時間、節約成本,又能在保持地層原狀、不受鉆井液侵入的情況下完成測量,獲得地層真實信息[3]。

自20世紀90年代初斯倫貝謝公司首次推出隨鉆單極子聲波測井儀ISONIC之后,哈里伯頓、貝克休斯等公司也相繼推出了隨鉆聲波測井儀器,在國內外多個油藏區塊獲得商業化應用。后續,在軟地層中獲得橫波的需求推動了隨鉆多極子聲波儀器的發展[4]。Varsamis等[5]利用有限元模擬并設計了隨鉆偶極子聲波儀,即哈里伯頓的BAT儀器。Tang等[6]認為隨鉆偶極子聲波測井儀無法有效消除鉆鋌波的影響。Tang提出鉆鋌波四極子存在截止頻率,可以在低頻段得到不受鉆鋌影響的地層四極子波,Huang、Tang等[7-8]的數值模擬結果也可以表明隨鉆四極子是測量地層橫波的最佳選擇。國外油服公司相繼推出了隨鉆四極子聲波測井儀,以全球最大的油田服務公司斯倫貝謝公司為例,其推出的SonicScope系列隨鉆四極子聲波儀器可以獲得高質量的縱波、橫波數據[9]。中國隨鉆測井儀器的相關研發起步較晚,崔志文、王華等[10-11]模擬了隨鉆環境下井孔內外的聲學特征。同時在隔聲體、電路系統、鉆鋌及數據處理方法研究等方面取得了不少突破[12-17]。2019年,中海油田服務股份有限公司自主研制的隨鉆四極子聲波測井儀(Quadrupole Array Sonic Tool,簡稱QUAST儀器),首次在新疆實驗測試成功。后續在渤海海域、南海西部海域、山西、伊拉克等地實現了十余口井的商業化作業,標志著中國自主研發的隨鉆四極子聲波測井技術已打破國外壟斷,推動了中國在隨鉆聲波技術領域的進步。

1 QUAST儀器簡介

QUAST儀器從上至下依次為接收電路、扶正器、接收聲系、隔聲體、四極子和單極子發射聲系、扶正器及發射電路,儀器整體掛接在中海油田服務股份有限公司研發的Drilog?隨鉆測井系統上。儀器的發射聲系部分由1組單極子發射換能器和1組四極子發射換能器組成。接收聲系采用了陣列接收方式,每隔90°在鉆鋌的凹槽內安裝8個接收換能器,共32個接收換能器。發射和接收聲系的上下分別安裝了扶正器,保證儀器在鉆井時居中測量。發射電路和接收電路分別安裝在鉆鋌內部,中間依靠過線桿實現通訊。儀器工作時主要采用3種測量模式:單極子全波模式、四極子橫波模式及低頻斯通利波模式。

1.1 儀器主要特征

(1)儀器電路設計

QUAST儀器電路設計采用大數據存儲技術,可以滿足隨鉆長時間測量、大數據存儲的特點,同時可以兼顧數據安全、重復使用、接口及溫度等影響,解決大數據量的存儲技術問題。

采用預加重編碼技術,設計了一套遠距離高速傳輸電路。在200 m傳輸距離的實際測試中,傳輸速率可以達到1 Mbps,滿足了測井時占用井口時間短的要求。

隨鉆聲波電路設計了遠程升級機制,在儀器需要升級處理器程序時,不需要完全拆開電路系統。同時,在隨鉆聲波電路系統設計中加入了安全備份啟動模式,可以進一步提高系統的可靠性。

(2)換能器最優化

換能器是隨鉆聲波測井儀器的核心部件,隨鉆四極子的機械設計比隨鉆單極子的設計要復雜很多,而圓弧狀壓電陣子又是隨鉆聲波測井儀的重中之重。

QUAST儀器設計前對壓電陣子的幾何尺寸進行模擬,并進行了最優化設計,保證既能滿足鉆鋌波模式波隔聲阻帶中心頻率的要求,又能滿足發射換能器具有最大的聲輻射效率。采用4組條帶換能器固定在鉆鋌凹槽內的方式,使接收聲系具有靈敏度高、結構抗震、易于維修保養等優點。

(3)隔聲體有效阻噪

QUAST儀器的隔聲體采用了一種新型的隔聲結構,鉆鋌外表面光滑,鉆鋌內部槽結構,這種隔聲結構可有效地將鉆進過程中產生的鉆鋌波濾除,使鉆鋌波與地層波在頻率域很好地分隔,儀器可以測量到高質量的地層波信號。

(4)儀器關鍵參數

基于電路設計、換能器、隔聲體等重要組成結構的優化設計,QUAST儀器擁有良好的耐溫、耐壓、抗震等性能,儀器最高耐溫可達150 ℃,最高工作壓力可達20 000 psi[注]非法定計量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,抗震加速度可達196 m/s2。同時可以測量任意地層的縱波、橫波及斯通利波,其中,縱波測量范圍為4～200 μs/ft,測量誤差為±2 μs/ft[注]非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;橫波測量范圍為6～700 μs/ft,測量誤差為5 μs/ft;斯通利波測量范圍為189～800 μs/ft,測量精度為5 μs/ft。

1.2 QUAST儀器測量數據質量分析

QUAST儀器在2019年推出之后,在經過試驗室驗證、實驗井測量之后,于2020年12月31日在渤海H25H井進行了實鉆測量,該井同時進行了單極子和四極子數據測量,下面以這口井實際測量的波形數據為例分析隨鉆測量的數據質量。

圖1 H25H井隨鉆單極子、四極子波形變密度圖

(1)原始波形分析

圖1為該井實際測量的隨鉆聲波數據,其中第1道為測量深度道,第2道為隨鉆單極子聲波原始全波列道,第3道為對隨鉆單極子采用8～15 kHz頻率進行帶通濾波后的全波列,第4道為隨鉆四極子聲波原始全波列道,第5道為對隨鉆四極子采用1～4 kHz頻率進行帶通濾波后的全波列,第6道為地層縱波時差聯合相干圖,第7道為地層螺旋波時差聯合相干圖,第8道為時差曲線對比圖。圖1中第2道單極子聲波原始全波列中清晰的豎直狀首波為鉆鋌波,鉆鋌波后為地層縱波,由于地層為軟地層,所以單極子波列中無橫波波形,縱波后較低頻率的為斯通利波。對單極子全波列進行濾波后,就可以把鉆鋌波以及低頻噪音濾掉,在圖1中第3道只剩下縱波波形;同樣,對圖1中第4道四極子全波列進行濾波后,就可以把低頻噪音濾掉,在圖1中第5道只剩下螺旋波波形。為了進一步分析不同接收上的波形質量,取深度點1 556.8 m處的隨鉆聲波波形進行回放,結果見圖2。圖2中,隨鉆單極子、四極子全波中陣列波形線性度較好,波形頻譜一致性較好,隨鉆單極子波形頻譜中心頻率在10 kHz左右,隨鉆四極子波形頻譜中心頻率在3 kHz左右,綜上所述可知,隨鉆聲波測得的全波列數據質量良好、可靠。

(2)鉆挺波的隔聲效果分析

圖2 H25H井1 556.8 m處隨鉆單極子、四極子全波波形及頻譜分析

圖3 H25H井隨鉆全波波形濾波前后波形對比圖

QUAST儀器采取獨特的隔聲體設計,可以使鉆鋌波與地層波在頻率域存在阻帶,在時差提取的過程中需要用濾波的方法將鉆鋌波濾除。圖3(a)中原始隨鉆單極子陣列波形由左到右依次為鉆鋌波、地層縱波、斯通利波。根據儀器內刻槽鉆鋌的隔聲阻帶為8～15 kHz這一特征,對隨鉆單極子全波采用該頻段進行濾波,鉆鋌波被有效濾除,可以在濾波后的波形[見圖3(b)]看到更為清晰的地層縱波信息,地層縱波相關性明顯增強,所得地層縱波時差更加可靠。圖3(c)中原始隨鉆四極子陣列波形由左到右依次為鉆鋌波、螺旋波,四極子模式的鉆鋌波頻率較高,其頻帶范圍大于5 kHz,采用1～4 kHz對圖3(c)中原始四極子全波列進行濾波,圖3(d)中的鉆鋌波被有效濾除,螺旋波更加清晰,從中提取出的螺旋波時差相關性明顯增強,所得地層橫波時差更加可靠。最終時差的結果如圖1所示,在地層縱、橫波聯合相干圖中,地層縱波、橫波的相關性較高,在0.9左右。地層縱、橫波時差曲線相關性較好,說明最終拾取的地層聲波時差結果可靠。

(3)鉆鋌波的時差驗證

為了驗證時差提取結果的正確性,從隨鉆單極子全波中提取了鉆鋌波時差,H25H井鉆鋌波時差平均值為59.3 μs/ft,與理論模擬的鉆鋌波速度5 100 m/s(相當于59.8 μs/ft)近乎相等。

以上對波形、頻譜及鉆鋌波時差的分析表明QUAST儀器測量結果可靠,得到準確的縱橫波時差是后期應用的基礎。

2 應用實例

2.1 大斜度井的縱波、橫波時差測量

秦皇島32-6油田主要含油層系為明化鎮組下段(簡稱明下段)和館陶組。該井目的層砂體為明下段Ⅰ油組3砂體,屬于曲流河沉積,平面呈片狀分布,井間儲層對比關系較好,儲層分布較穩定。為了挖掘井間剩余油、提高儲量動用程度、完善井網,設計實施利用QUAST儀器鉆進H22H水平調整井,最大井斜為89.29°,其鄰井B4S1井為小斜度井,最大井斜為28.67°,利用電纜聲波儀器進行測量,這2口井鉆遇同一目的層,且距離較近。

H22H井在目的層中橫波時差的眾數為299.3 μs/ft,B4S1井在目的層中橫波時差的眾數為297.7 μs/ft,且2口井時差結果分布范圍吻合。圖4為提取的時差與自然伽馬及電阻率的對比圖,可以看到縱橫波時差相關性較好,且趨勢與自然伽馬、電阻率曲線對應良好:當自然伽馬升高時,電阻率降低,時差有變小趨勢(軟地層);當自然伽馬降低時,電阻率升高,時差有變大趨勢。該井測量結果表明,QUAST儀器可以在軟地層獲得高質量的地層縱波及橫波時差。

圖4 H22H井時差與自然伽馬、電阻率對比圖

2.2 復雜儲層的儲層參數計算

出于鉆井安全考慮,可在復雜儲層開發過程中利用隨鉆聲波計算儲層孔隙度以代替放射性污染風險比較大的中子、密度測井。伊拉克62H井為62P井的一口側鉆井,62P井為直井,利用電纜陣列聲波儀器進行測量,62H井為水平井,利用QUAST儀器進行測量。2口井鉆遇的目的層均為碳酸鹽巖地層,且2口井鉆遇到相同的層位。將2口井相同層位的縱波時差進行統計,縱波時差的范圍基本一致,說明隨鉆聲波數據質量可靠。在碳酸鹽巖目的層中,利用聲波時差可以進行儲層參數的計算,具體計算的結果見圖5。在大斜度井或水平井中,僅利用QUAST儀器就可以完成儲層參數的計算。

2.3 隨鉆固井質量評價

海上油田的大斜度井、水平井日益增多,也推動了基于隨鉆測井儀器的固井質量評價技術的發展[17]。利用QUAST儀器進行固井質量評價不僅能在大斜度井、水平井等復雜井況下獲得地層聲波信息,同時在上提儀器滑眼測量過程中同時得到上一開井眼的固井質量信息,能極大地降低作業風險,節約測井成本。套管井射孔、老井開窗側鉆、井控安全等工程應用與固井質量評價關系密切[18]。因此,中海油田服務股份有限公司也推出了與QUAST儀器配套的固井質量評價技術。

圖5 62H井儲層參數計算結果圖

圖6 A13井固井質量評價結果圖

A13井為開發多年的老井,油藏綜合分析認為,該井原井位剩余儲量潛力較大。因此,為盡快恢復產能,擬在固井質量好的井段進行側鉆。此井利用QUAST儀器進行固井質量評價,為驗證隨鉆固井質量評價效果,此井還利用MUIL儀器進行了固井質量評價[19]。圖6為A13井固井質量評價結果圖,第3道、第4道分別為單極子全波列道與濾掉鉆鋌波后的全波列道,第5道為鉆鋌波時差聯合相干圖,第6道為套管波時差聯合相干圖,第7道為套管幅度,第8道為套管衰減,第9道為固井質量結論道,第10道為MUIL儀器計算的水泥聲阻抗,第11道為最終建議側鉆位置道。圖6中套管波幅度道與陣列衰減曲線道中曲線均為標準化后數值,無量綱。綜合套管波幅度與衰減曲線,對固井質量進行評價,最終評價結論為680～754.8 m固井質量較差,為自由套管段;754.8～766 m固結質量中等;766～815 m固結質量較好。評價結論與MUIL儀器評價結論吻合,驗證了隨鉆固井質量評價效果良好,最終建議側鉆深度為791.8～794.8 m。QUAST儀器的固井質量評價,拓展了隨鉆聲波在工程中的應用。

3 結 論

(1)QUAST儀器在電路、隔聲體、換能器設計等方面具有諸多優勢。電路系統關鍵技術的實現,解決了隨鉆測量過程中大數據存儲、高速率傳輸、遠距離升級等難題;在鉆鋌凹槽內固定4組條帶換能器的方式,使接收聲系具有靈敏度高、結構抗震、易于維修保養等優點。獨特的內外刻槽隔聲體技術使鉆鋌波與地層波在頻率域很好的分隔,易于測量到高質量的地層波信號。

(2)QUAST儀器可在大斜度井、水平井等復雜井況下測量地層縱波、橫波以及斯通利波時差信息,在渤海淺層疏松地層及伊拉克碳酸鹽地層均取得了良好的測量效果。

(3)在復雜儲層開發中嘗試采取與電阻率相結合的方式進行儲層參數評價取得了良好的應用效果,表明在不需要壓實校正的復雜儲層中隨鉆聲波測井可代替放射性污染風險比較大的中子、密度測井進行儲層孔隙度評價,未來可進行滲透率計算及裂縫識別與判斷;

(4)利用QUAST儀器提出了固井質量評價新技術,利用QUAST儀器通過一次下井,不僅能在復雜井況下獲得地層聲波信息,同時在上提過程中得到上一開井眼的固井質量信息,能極大地降低作業風險,節約測井成本,拓展了隨鉆聲波測井在工程測井方面的應用。