淺談聲學測井技術在石油工程中的應用

高虎

（中國石油集團測井有限公司遼河分公司，遼寧 盤錦124000）

聲學測井技術是利用不同巖石及流體之間對聲波傳播的速度不同這一特點形成的一種測井方法。當前聲學測井技術在礦產資源開發、建筑工程等相關領域均有著十分廣泛的應用[1]。技術的快速發展，使得聲學測井技術當中越來越多的信息技術和信息理論得到了實踐和應用。聲學測井技術在下到井下時，能夠對不同地層結構之間產生的多種不同波進行精準的測量，以此更有助于對巖層的實際密度、數據參數等多種數據進行采集，從而更好地對地層中的元素、特性等進行了解。當前石油工程中仍然采用傳統的測井方法，由于井內結構逐漸復雜，并且條件十分惡劣，使得傳統測井方法在實際應用過程中出現了測量誤差大、測量過程易受周圍條件因素影響、需要依靠人工操作內容較多等問題，對于石油工程的開展而言十分不利[2]。基于此，本文將結合聲學測井技術在各個領域中的應用優勢開展其在石油工程中的應用研究。

1 基于聲學測井技術的石油工程設計

1.1 確定聲源信號

為實現對石油工程中測井的精度，本文在測量過程中采用機——電類比的方法，建立以聲源換能裝置和接收裝置為主體的等效電路，并以此進一步推導出電——聲沖擊響應效果和聲——電沖擊響應效果。根據其不同的響應效果，構建電驅動信號與聲源輻射的聲信號之間的關系，并將被接收換能裝置轉換為電信號之間的對應關系。利用沖擊響應中的卷積充當聲源輻射的聲信號指標，以此將傳統測井方法中的聲源函數替換，從而實現在測井過程中得到更加真實的響應效果[3]。在利用聲學測井技術時，其產生的音頻信號是一種非穩定性的信號，因此在傳播的過程中會夾雜著較多的干擾噪聲。針對這一問題，利用陣列音頻增強技術，針對產生的音頻信號具有的時空特性去除其中含有的噪聲音頻信號，并以此實現對聲源的定位，確定目標聲源信號。由于干擾噪聲與測量設備產生的音頻信號是相互獨立的，并且具有一定的非高斯性。因此，根據這一特點，本文采用獨立分量的方法對音頻信號當中含有的噪聲進行過濾。圖1 為分離音頻信號中干擾噪聲流程示意圖。

圖1 分離音頻信號中干擾噪聲流程示意圖

由圖1 所示，當輸入的音頻信號S（a）當中包含了A 個相互之間獨立存在的聲源信號，在經過混合矩陣T 的處理后，即可獲得一個混合信號X（a），再通過獨立分量分析的方法，將混合信號中屬于測量設備發出的音頻信號與其他噪聲信號進行分離。最后，將于S（a）無限接近的音頻信號Y（a）輸出，此時得到的音頻信號Y（a）即為通過聲學測井技術測量得到的聲源信號。

1.2 構建聲波測井傳輸網絡模型

聲源換能裝置和接收換能裝置分別設置在井眼泥漿的頂層和底層，在利用聲學測井技術測量的過程中，電驅動信號激勵會將聲信號發射，在經過井眼泥漿和井眼周圍的地層時，傳播到井眼上方，并逐漸轉換為電信號，記錄下來[4]。傳統聲波測量傳輸網絡模型在構建的過程中，由于沒有考慮到電驅動信號激勵的電——聲轉換以及聲——電轉換對測量的聲源信號產生的傳輸延遲，因此無論是在傳輸時間還是傳輸幅度上都存在一定的誤差。針對這一問題，本文利用信息和信號傳輸的理論，對聲波測井的整個過程進行分析，將聲波測井的整個過程看作一個信號傳輸，并以此構建其傳輸網絡模型，充分考慮上述分析時的延遲性問題[5]。聲波測井的幾何結構如圖2 所示。

圖2 聲波測井的幾何結構

利用信號與信息傳輸的理論，將聲波測井整個傳輸過程類比于一個信號傳輸，將聲源換能裝置和接收換能裝置類比于輸入端和輸出端，將電驅動信號和測量得到的聲波測井信號分別作為模型的輸入信號和輸出信號，測量得到的信號即為聲波傳輸特性和聲——電轉換對測量結果的共同作用。對于不同傳媒介質而言，其井眼流體和井眼周圍地層的物理參數都存在差異，對于井眼流體而言，其密度通常為1.25kg/m3，流體流動速度為1523m/s；對于快速地層而言，其密度通常為2.51kg/m3，流體流動速度為5914m/s。進一步得出聲波測井傳輸網絡模型函數為：

公式（1）中，ω 表示為子波中心頻率；α 表示為子波阻尼系數；H（α）表示為不同傳媒介質的物理參數。通過公式（1）計算達到接收換能裝置位置上的聲壓信號以及被接收換能裝置轉換成的電信號。

1.3 基于聲學測井技術的數據聯合反演井內油藏

通過本文上述測量明確了井中聲波測井的傳輸方式，以此為基礎進一步通過勘探數據聯合反演確定井內油藏范圍。利用匹配追蹤算法，將在井內通過聲學測井技術的數據與勘探數據進行對比，從而用測井數據和勘探數據聯合反演出井內不同地層的反射系數序列，利用其幅度和相位信息，尋找油藏位置[6]。同時，還需要利用地震子波字典和反演底層反射序列處理程序。首先，對油藏位置進行精確處理。考慮到井內不同地層具有不同的地質結構，因此需要采用較為特殊的信號處理方法，包括線性預測。頻率壓縮的數據信號處理算法，對通過聲學測井技術測出的井內數據和不同地震子波進行數學處理。利用地震子波的豐富度，充分反映井內可能出現的地質結構和特性[7]。其次，利用反演底層反射序列處理程序，將獲取到的每一道迭代后的勘探數據與地震子波字典進行一一對比，找出相關系數最大的數字，并利用該數值對應的反射系數作為勘探數據的反射系數。當找到油藏位置時，勘探信號會從油藏的入射到油藏與底層之間的臨界面上，并且在該臨界面上產生較強的聲反射，且反射系數具有標準的正相位特點。因此，不僅能夠獲取到井內油藏的準確位置，同時還能夠實現對油藏厚度的確定。

2 對比實驗

為進一步驗證本文設計的基于聲學測井技術的石油工程在實際施工中的測井效果，將本文提出的方法和傳統方法對相同的實驗對象進行應用，對比兩種方法的實際應用性能。選擇某石油工程施工區域的真實環境作為實驗環境，該環境當中包含已經完成勘測的5 口井，分別利用本文提出的測量方法和傳統測量方法對這5 口井中的油藏位置進行勘測，并將勘測結果與已知數據進行對比，驗證兩種方法的測量精度。對5 口井分別進行編號：#001、#002、#003、#004、#005，其中#001、#002、#003為深度超過2000 米的中深井，#004、#005 為深度超過4500 米的深井。礦井內的溫度會隨著井底壓力的增加而逐漸上升，當井底壓力從0 到300MPa 時，相應的井底溫度也會從50°C～150°C 上升到300°C 以上。設置實驗組為利用本文測井方法得到的油藏深度結果；設置對照組為利用傳統測井方法得到的油藏深度結果。完成兩種測井方法后，將實驗結果進行記錄，并繪制成如表1 所示的實驗結果對比表。

由表1 中的數據可以得出，實驗組的測量結果與對照組的測量結果相比，明顯更接近于實際油藏深度。實驗組無論是對中深井還是深井測量，其測量精度均不會受到影響，而對照組在對深井測量得到的結果與中深井測量得到的結果相比，明顯精度更低。同時，在實驗過程中，本文提出的石油工程測井方法不僅能夠對油藏的深度進行測量，同時還能夠得出油藏的具體厚度大小，將其厚度大小測量結果與實際相比較依然具有較高的準確率。因此，通過對比實驗能夠進一步證明本文提出的基于聲學測井技術的石油工程能夠實現對井內油藏的高精度探測，為石油企業后續開采提供可靠的數據支持。

表1 實驗組與對照組實驗結果對比表

3 結論

本文通過開展石油工程研究，引入聲學測井技術對井內油藏位置進行探測，通過研究得出，引入聲學測井技術后得到的探測結果更符合石油企業后續開采的高精度需要。同時，在進行聲波測井的過程中，通過加強不同技術的創新，提升該技術在實際方案中的應用，能夠有效促進聲學測井技術的應用，以此為石油工程提供更合理的指導和規劃，實現其可持續發展。