方位反射聲波成像測井技術在井旁地質體評價中的應用

2021-03-22 07:20:46本建林車小花喬文孝鞠曉東王志勇盧俊強門百永

測井技術 2021年1期

本建林,車小花,喬文孝,鞠曉東,王志勇,盧俊強,門百永

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室,北京102249;2.北京市地球探測與信息技術重點實驗室,北京102249;3.中國石油集團測井有限公司天津分公司,天津300457)

0 引言

聲波測井利用聲學手段測量巖石和流體彈性特性,可以用來精細評價地層聲學性質;聲源產生的聲波能量一部分被限制在充液井孔中,產生沿井壁傳播的各種模式導波,一部分聲波能量進入地層形成地層體波并向外傳播,遇到聲阻抗不連續界面產生反射波,部分反射波最終能夠被儀器記錄。因此,在井孔中利用聲學測量手段能夠評價井旁地質體的位置。基于反射波傳播規律,根據地層速度和傳播路徑可以確定反射體到井孔的距離(簡稱距離)[1-3]。反射聲波成像測井技術也稱遠探測測井技術[4-5],能在井孔中對井旁地質體進行測量,并把常規聲波測井測量范圍從井周1 m左右擴大到幾十米。反射聲波成像測井常見測量方法包括:單極縱波法和偶極橫波法。反射縱波成像測井方法利用單極聲源激勵聲場,并通過單極換能器接收反射縱波信號,由于采用了軸對稱振動的發射探頭和接收探頭,成像結果僅能判斷地質體到井軸的距離,無法說明方位信息。薛梅、車小花以及何峰江等[6-8]從數值模擬、物理模擬以及數據處理方法等方面對反射縱波成像測井技術進行了一系列基礎研究工作。偶極反射橫波成像方法由唐曉明提出,該方法用井內的正交偶極聲源向井外地層中輻射橫波,利用地層中反射回來的橫波信號對井旁地質體進行成像[9-10]。采用正交偶極發射和接收測量方式,可以確定反射體的位置和走向;但是由于偶極聲源和接收器所具有的指向性對稱特征,這種方法測得的反射體方位存在多解性。

圖1 方位遠探測聲波測井儀器結構示意圖

近年來,能夠直接測量來自井旁地層不同方位反射波的方位反射聲波成像測井(方位遠探測聲波成像測井)方法逐漸受到人們關注[11-15]。Che等[16-17]利用相控圓弧陣接收器記錄的水下實驗數據,將聲波相控陣技術應用于數據處理中,實現定向接收某一方向入射波能量目的,對比不同方位的接收波形幅度還可以確定聲波的入射方向。王瑞甲等[18]理論研究了三維隨鉆反射聲波成像測井并分析了利用該方法在水平井中對地層界面進行探測的可行性。李國英等[19]介紹了一種新型的方位遠探測反射聲波成像測井儀器,并開展了相關方法驗證實驗。Yang等[20]數值模擬了基于相控柱面陣接收器的隨鉆反射聲波測量方法。Bennett等[21-22]利用三維STC方法和射線追蹤方法,根據方位聲波測井資料反演得到反射體傾角和方位角信息。上述研究內容以方位反射聲波成像測井方法的數值模擬和水下實驗為主,現場應用方面的報道較少,而且缺乏井下驗證實例。本文介紹了2個方位反射聲波成像測井技術的井下應用案例,分別獲得了過井裂縫和相鄰井的空間位置信息,說明利用該技術可以有效評價井旁不同地質體的空間位置。

1 方位反射聲波成像測井方法

方位反射聲波成像測井技術的關鍵是采用特殊的方位聲波接收陣列,獲得多個源距、多個方位的聲波波形數據。由中國石油大學(北京)與中國石油天然氣集團有限公司合作研發的方位遠探測聲波測井儀器(Borehole Azimuthal Acoustic Reflection Tool)結構示意圖見圖1,該儀器由發射短節、隔聲體、接收短節、主控和遙傳短節等構成。發射短節包含由6個單極聲源構成的相控線陣聲源和2組正交偶極聲源;接收短節包含10個八單元聲波接收站,編號為R1～R10,相鄰2個接收站間距為0.20 m。每個接收站由沿圓周均勻分布的8個壓電型接收振子構成,順時針編號為E1～E8。每個接收站同時具備單極子、正交偶極子、四極子、八極子和方位接收功能。井下工作時,儀器在每個測量深度點可以記錄多達80道波形數據。

圖2為利用方位反射縱波測量過井反射體示意圖。方位遠探測聲波測井儀器居中放置于豎直井孔,在上提過程中開始測量,忽略儀器旋轉,箭頭指示儀器移動方向。假設反射體的反射面為圖2所示的傾斜平面,由東向西傾斜,與井孔相交的截面為橢圓。聲波輻射器T產生的聲波信號入射到反射面,產生的反射縱波最終被每個八單元接收站所接收。當儀器在反射體下方測量時,接收站會接收到反射界面產生的下行反射縱波信號;測井儀器移動至反射體上方測量時,接收站會接收到反射界面產生的上行反射縱波信號。由于接收站中心存在背襯材料,沿某一方向入射到測量儀器的縱波信號主要能量總是被正對的接收振子所接收。若接收站的接收振子E1朝向正北方位,則儀器在反射界面下方時,反射縱波主要被接收振子E7接收;儀器在反射體上方時,反射信號能量主要被接收振子E3接收。因此,利用8個陣元接收的反射縱波幅度的強弱就可以指示反射界面相對于儀器的方位分布情況。在反射縱波成像圖中,反射界面在東—西方位成像最清晰,而在南—北方位成像響應最弱。據此,我們不僅能準確判斷反射界面傾角、傾向和方位,還可以得到反射界面頂、底端到井孔的距離及其與井軸交點深度等參數。

圖2 利用方位反射縱波測量過井反射體示意圖

圖3 相控圓弧陣定向接收不同方向平面波示意圖

根據相控陣接收算法,可以更準確地計算每個接收站所接收到的反射波的傳播方向。當井旁地質體距離井孔較遠時,儀器接收的來自井旁地質體的反射波信號可以看作以平面波形式傳播。此時,每個接收站可以看作1個八陣元相控圓弧陣,每個接收振子可以看作圓弧陣的1個陣元。如圖3所示,定義由北向南傳播的平面波的傳播方向為0°。圖3(a)中平面波的傳播方向為90°,其主要能量被由陣元E2、E3和E4組成的三陣元子陣接收,信號最先到達陣元E3、延遲一段時間τ1后同時到達陣元E2和E4。將陣元E2和E4接收波形的時間序列向前移動τ1時刻,使其與陣元E3的接收波形處于等相位面,疊加得到90°方向的定向接收波形。圖3(b)中所示的平面波被由陣元E1、E2、E3和E4組成的四陣元子陣接收,可采用類似方法獲得67.5°方向的定向接收波形。假設第i個陣元接收到的波形信號為WFEi(t),則圖3中兩道定向接收波形分別為

WF1(t)=WFE2(t+τ1)+WFE3(t)+

WFE4(t+τ1)

(1)

WF2(t)=WFE1(t+τ2)+WFE2(t)+

WFE3(t)+WFE4(t+τ2)

(2)

式中,τ1和τ2分別為三陣元接收子陣和四陣元接收子陣中的陣元接收波形延時,μs。

不斷改變平面波傳播方向,選取新的接收子陣并且重新計算延時,理論上可以計算出0°～359°范圍內任意方向的定向接收波形WF(t)。由于實際的聲波信號是沿著某個特定方向傳播到接收站,所以只有該方向定向接收波形中的反射波滿足同相位疊加。同相位疊加可以顯著增強反射波幅度,因此,各方向定向接收波形中反射波幅度極大值對應的角度就是某個地質體的方位角。考慮到數據存儲量和耗費時間,方位反射聲波測井資料處理時只計算了陣元所在的方位及2個陣元中間方位的定向接收波形,共16道波形,角度間隔22.5°。

2 過井裂縫評價實例

方位遠探測聲波測井儀器已在中國多口井中進行了現場測試,獲得了良好的方位反射聲波測井資料。GH-XX井位于中國青海某盆地內,是一口干熱巖試驗性開發注入井,設計井深4 000 m。該井的設計目的是查明該地區干熱巖開發場地地層結構、巖性變化和原生裂隙-斷層發育狀況,并為水力壓裂提供條件。方位遠探測聲波測井儀器在該井中進行了測量,測量深度3 550～3 800 m。依據該井方位反射聲波測井資料,計算得到周向16個方位的定向接收波形,提取出其中的反射縱波,偏移疊加得到了8個不同方位地層成像圖,圖4展示了其中的4個方位地層成像圖,方位分別為南—北、南偏西45°—北偏東45°、西—東、北偏西45°—南偏東45°。圖4中儀器方位曲線位于第1道,表示接收振子E1的方位;第3道顯示了地層縱波波速,接近6 000 m/s。在南—北方位的地層成像圖中,右側為正北方位成像,左側為正南方位成像,最大徑向距離均為40 m。觀察地層成像圖,3 740～3 775 m井段內存在1個明顯的過井反射體,并且連續性較好。該反射體的方位分布特征明顯,在東—西方位的地層成像圖中成像清晰,而在南—北方位地層成像圖中響應較弱。

為進一步分析該反射體,將東—西方位地層成像圖和反射縱波波形繪制在一起,并參考井壁微電阻率成像測井資料(見圖5)。地層成像結果顯示反射體由東向西傾斜,與井軸交點深度約為3 755 m,傾角約為25°;反射縱波波形顯示該井段存在較明顯的上行反射波和下行反射波同相軸。此外,井壁成像圖中3 755 m深度附近存在裂縫響應,傾角約為20°,傾向約為270°。該結論與方位反射聲波成像測井獲得的反射體成像特征一致,由此可以判斷圖4中的反射體為一條由東向西傾斜的過井裂縫。

圖4 過井反射體成像圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖5 東—西方位的過井裂縫產狀

3 相鄰井評價實例

YM-XX井位于中國新疆維吾爾自治區境內,為某區塊背斜構造的一口采油井。該井5 840～5 960 m井段為裸眼段,鉆頭尺寸為171.5 mm,試采結論為低產油水層,因未鉆遇優質儲層關井。為重新獲得油氣產能,并獲取該區塊流體分布規律,設計了側鉆井YM-XX-C井。YM-XX-C井自YM-XX井井深5 852 m開始側鉆,完鉆井深6 012 m。依據鉆井設計數據,2口井的鉆井軌跡如圖6所示,黑色曲線表示YM-XX井的鉆井軌跡,灰色曲線表示YM-XX-C井的鉆井軌跡。從東—西方位看二者幾乎重合;從南—北方位上看,YM-XX井位于側鉆井北側。

圖6 YM-XX-C井與YM-XX井的鉆井軌跡

YM-XX-C井目標儲層的發育厚度分布相對穩定,但儲層物性差異大、非均質性強,儲層發育主要受斷層-裂隙控制。利用方位遠探測聲波測井儀器在YM-XX-C井中進行實際測井,獲得該井段的多極子聲波測井資料和方位反射聲波測井資料。結果表明,該井段的地層縱波波速約為6 300 m/s、反射縱波的主頻約為14.2 kHz,因此,該井段地層中的縱波波長約為0.44 m。依據YM-XX-C井方位反射聲波的波形資料,得到8個不同方位的地層成像結果,并在目標儲層附近發現2條井旁裂縫,最大徑向距離約為20 m。此外,在地層成像圖中還觀察到了疑似YM-XX井井孔的成像顯示。由于YM-XX井直徑與地層中縱波波長處于同一數量級,儀器接收的來自YM-XX井井孔的縱波信號以散射縱波為主。相較于反射縱波,散射縱波幅度更小,這對儀器性能和數據處理方法提出了更高的要求。

圖7為YM-XX-C井5 890～5 965 m井段4個方位的地層成像圖。觀察南—北方位的地層成像圖,正北方位(右側)5 910～5 945 m井段內能夠觀察到疑似YM-XX井井孔的成像顯示(見圖7中紅色箭頭),該成像顯示在其他方位的地層成像圖中不明顯。為更準確判斷圖7的成像顯示是否為YM-XX井孔(井旁異常體),統計正北方位成像圖中異常體成像顯示在不同深度點的徑向距離,以及該深度點的周向16道定向接收波形數據中與之顯示對應的散射波幅度,通過散射波幅度的方位分布獲得該異常體成像顯示的方位角。同時,依據鉆井設計數據,分別計算YM-XX井相對于YM-XX-C井的方位角和距離的實際值,并與二者的測量值作對比(見表1)。據此,圖7紅色箭頭所指的異常體成像顯示就是YM-XX井井孔。分析表1中YM-XX井相對于YM-XX-C井的距離和方位的實際值和測量值,發現5 910 m和5 920 m深度處的方位測量值存在較大誤差,這可能是由于散射縱波幅度小,很容易被井孔模式波的殘余能量湮沒,導致散射體方位計算不準確。當YM-XX井距離儀器較遠時,儀器接收到的散射縱波到時較晚,在時間序列上與井孔模式波能夠完全分離,此時求得的YM-XX井方位更準確,所以5 930、5 940和5 945 m深度處方位測量值更加接近實際值。