隨鉆前視聲波測井鉆頭前方聲場特征研究

楊書博，喬文孝，趙琪琪，倪衛寧，吳金平

（1.頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，北京102206；2.中國石化石油工程技術研究院，北京102206；3.油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京）），北京102249；4.中國石油大學（北京）克拉瑪依校區，新疆克拉瑪依834000）

鉆井過程中，鉆頭前方地質異常體信息的不確定性，不僅會影響目的層的鉆遇率，還會極大地增加鉆井作業的風險[1–4]。因此，在鉆井過程中實時獲取鉆頭與地質異常體的距離以及地質異常體的方位等參數至關重要。目前可行的解決方案主要有隨鉆地震技術[5–7]和隨鉆電阻率測井技術[8–13]，而適用于鉆前地質異常體探測的聲波測井技術尚未得到廣泛研究。Tang Xiaom ing等人[14–18]研究了電纜和隨鉆反射聲波測井識別井旁地質異常體的能力，但未考慮鉆頭前方存在地質異常體的情況。王菁等人[19–20]研究了隨鉆條件下井孔（井眼）未貫通時的聲波測井響應特征，但他們的研究均是基于傳統的隨鉆單極或偶極聲波測井儀器進行的。然而，傳統的隨鉆聲波測井儀器難以滿足隨鉆前視聲波測井的測量要求，這是因為隨鉆前視聲波測井的探測目標主要是鉆頭前方的地質異常體，而傳統的隨鉆聲波測井儀器的聲源和接收器不能在軸向上對聲場進行控制，只有很少的一部分能量能夠向著鉆頭前方的地層輻射，并從地層中的地質異常體處散射（或反射）回井孔，形成回波信號，嚴重影響了儀器對鉆頭前方地質異常體的探測性能。因此，如何提高回波信號的幅度，是一個亟需解決的問題。另外，隨鉆前視探測過程中儀器與地質異常體表面近乎垂直，而傳統的隨鉆聲波測井儀器的聲源和接收器不能在周向上對聲場進行控制，接收信號反應的是井周360°范圍內的測量響應的平均特征，無法準確獲得地質異常體的方位信息。因此，如何在三維空間內對鉆頭前的地質異常體進行準確定位，也是一個十分重要的問題。

相控陣聲波輻射器和接收站可以實現聲波的定向輻射和接收，已成功應用于裸眼井、套管井和隨鉆測井中[17–18]。與傳統的聲波測井儀器相比，相控陣聲波測井儀器具有更大的探測深度和更高的測量分辨率，為解決隨鉆前視聲波測井中的難題提供了技術思路。因此，筆者基于相控陣技術，提出了一種適用于鉆前地質異常體探測的隨鉆前視聲波測井方案，并通過數值模擬驗證了該方案的可行性。

1 技術原理

將隨鉆單極聲波測井儀器改進為相控陣聲波測井儀器，改進后儀器的聲系由1個相控線陣（linear phased array,LPA）聲波輻射器和若干個相控圓弧陣（arcuate phased array, APA）聲波接收站組成（見圖1）。相控線陣聲波輻射器由軸向上均勻分布的6個輻射陣元（記為TE1—TE6）組成，每個輻射陣元獨立輻射聲波能量[17]；相控圓弧陣聲波接收站由周向上均勻分布的8個接收陣元（記為RE1—RE8）組成，每個接收陣元獨立接收聲波能量[18]。基于波束形成原理，相控陣聲波輻射器和接收站可以分別用于實現聲波能量的定向輻射和掃描接收[17–18]。

圖1 相控陣聲波測井儀器結構示意Fig.1 Schematic diagram of the phased array acoustic logging tool

對于相控線陣聲波輻射器，通過控制各輻射陣元所施加激勵信號之間的延遲時間等參數，可使聲場在靠近鉆頭的方位滿足同相位疊加條件，從而定向增強輻射到鉆頭前方的能量（見圖2（a））。因此，相控線陣聲波輻射器有助于提高回波信噪比。對于相控圓弧陣聲波接收站，將相鄰幾道獨立接收的波形進行延遲疊加處理，可以得到任意方向的掃描接收波形。當掃描接收方位角與入射波的方位角完全相同時，接收子陣中各陣元接收的波形滿足同相位疊加條件（見圖2（b）），掃描接收波形的幅度得到明顯增強；反之，當掃描接收方位角與入射波的方位角不同時，掃描接收波形的幅度不會增強，甚至可能削弱。因此，相控圓弧陣聲波接收站有助于提高隨鉆聲波測井儀器方位測量的準確度。

圖2 相控陣原理示意Fig.2 Schematic diagram of phased array princip le

2 計算模型及方法

采用三維直角坐標系有限差分算法[21]，分別模擬鉆前存在地層界面時單極聲波測井儀器和相控陣聲波測井儀器的測量響應。計算模型如圖3所示。模型中，井軸與z軸平行，x方向的坐標為0.50 m，y方向的坐標為1.00m；RDa為軸向參考方向，RDc為周向參考方向。

圖3 隨鉆前視聲波測井計算模型示意Fig.3 Calculationm odel of “look-ahead”acoustic LWD

鉆頭前方存在一個地層界面，地層界面滿足方程x－0.5y－2z+1=0，即井軸與地層界面的夾角β為60.79°，地層界面的方位角θ為116.57°。隨鉆單極儀器的聲系由1個單極聲波輻射器和10個單極聲波接收器組成；隨鉆相控陣儀器的聲系由1個相控線陣聲波輻射器和10個相控圓弧陣聲波接收站組成。聲源中心點在z方向的坐標為8.50 m，井底中心點到聲源中心點的距離5.00m，前視距離為3.00m。聲源所施加的激勵信號的峰值頻率為10 kHz。相控陣測量時，相鄰輻射陣元間距為6.0 cm，相鄰輻射陣元所施加的激勵信號的延遲時間為20μs。接收陣元RE1—RE8的方位角分別為0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。在各相控圓弧陣聲波接收站中正對地層界面的方位（116.57°）設置了一個虛擬接收陣元，以實現回波信號的最有利接收。計算模型中各介質的參數見表1。

此外，計算了各種條件下無界面模型中的聲場，以獲得井孔直達波波形。無界面模型的計算參數與有界面模型的計算參數相同，只是鉆頭前方沒有地層界面。用有界面模型的接收波形減去無界面模型的接收波形，可得回波波形。

表1 計算模型中各介質參數Table 1 Param etersof each media in calcu lation model

3 測井響應分析

3.1 波形特征

單極測量和相控陣測量得到的不同時刻的波場快照如圖4所示。相控陣測量時的井孔直達波和回波與單極測量時的井孔直達波和回波的類型相同，但相對幅度不同。根據傳播路徑的不同，接收站接收到的波主要包括TR、TBR、TIR、TBIR和TIBR波等5類（見表2）。TR和TBR波均與地層界面無關，統稱為井孔直達波；TIR、TBIR和TIBR波均與地層界面有關，統稱為回波。本算例中，在井孔中傳播的波可以分為鉆鋌波、滑行縱波、內斯通利波和外斯通利波等4種形式（地層為軟地層，單極聲源不能在井孔中產生滑行橫波）；在地層中傳播的波可以分為地層縱波和地層橫波2種形式。鉆鋌波、縱波、橫波、內斯通利波和外斯通利波分別記為C、P、S、inST和outST。當井孔中傳播的波或者地層中傳播的波到達井底時，各種波均會產生模式轉換現象，在井孔中可以轉換為C、P、inST和outST等4種二次波，在地層中可以轉換為P和S等2種二次波。

相控陣測量時，不同源距的116.57°方位（地層界面所在方位）接收陣元接收到的井孔直達波和回波波形如圖5所示。分析各模式波的到時曲線可知，井孔直達波中，TR-C波到時最早，TBRoutST-outST波到時最晚，TR波的到時隨著源距的增大而增長，TBR波的到時隨源距的增大而縮短。回波中，TBIR-C-P-P波到時最早，TIR-P-P、TBIR-C-P-P、TBIR-P-P-P、TIBR-P-P-C和TIBR-P-P-P波的到時十分接近，發生混疊，形成了一個混合波包；TIR-P-S、TIR-S-P和TIR-S-S波到時較晚。由于模式轉換次數較少，混合波包中TIR-P-P波的能量占主導地位。因此，類似于方位反射聲波測井[16–18]，將混合波包作為主要研究對象，統稱為P-P回波。

圖4 不同時刻的波場快照Fig.4 Snapshots of wave fieldsat different times

3.2 基于相控線陣聲波輻射器的定向輻射效果

單極測量和相控陣測量時，源距為3.00m時的井孔直達波與回波波形如圖6所示。單極測量時，回波波形的幅度放大了800倍。相控陣測量時，接收陣元的方位角為116.57°（地層界面所在方位），回波波形的幅度放大了85倍。由圖6可知，單極測量回波的幅度遠遠小于井孔直達波的幅度，P-P回波峰峰值約為井孔直達波峰峰值的1/800；相控陣測量P-P回波的峰峰值約為井孔直達波峰峰值的1/85，幅度比明顯增大。

表2 接收波形的傳播路徑及形式Tab le 2 Transm ission pathsand form sof received waveform s

圖5 不同源距下相控陣測量的接收波形Fig.5 Received waveforms at different offsets in phased array measurement

圖6 源距為3.00m時單極測量和相控陣測量的井孔直達波與回波波形Fig.6 Direct and echo waveforms in the monopole and phased array measurementsat an offset of 3.00m

源距為3.00m時，單極測量接收器接收到的回波波形與相控陣測量116.57°方位（地層界面所在方位）接收陣元接收到的回波波形如圖7所示（其中，單極測量時的回波波形的幅度放大15倍）。由圖7可知，相控陣測量P-P回波的峰峰值約為單極測量P-P回波的峰峰值的15倍。因此，與單極測量相比，相控陣測量時的回波信號具有更高的信噪比，且更容易從混合信號中提取出來。

圖7 源距為3.00m時單極測量的回波波形和相控陣測量的回波波形Fig.7 Com parison of echo waveform s in themonopole and phased array measurem entsat an offset of 3.00m

3.3 基于相控圓弧陣聲波接收站的獨立接收效果

相控陣測量時，不同源距的相控圓弧陣聲波接收站的獨立接收回波波形如圖8所示。由圖8可知，獨立接收時，90°方位（近似地層界面的方位角）接收陣元所接收到的P-P回波到時最早、幅度最大。分別開窗統計獨立接收模式下P-P回波的峰峰值，并進行歸一化處理，得到了P-P回波的歸一化幅度隨方位角的分布曲線（見圖9）。由圖9可知，源距分別為3.00，3.60和4.20m時，相控圓弧陣聲波接收站獨立接收到的P-P回波幅度最大值所對應的方位角均為90°（地層界面的方位角為116.57°）。由此可知，當鉆頭前方存在一個地層界面時，基于相控圓弧陣聲波接收站的獨立接收回波波形可以近似獲得該地層界面的方位角。但是，由于相控圓弧陣聲波接收站獨立接收模式的方位測量準確度較低，測量結果與地層界面真實方位角有較大誤差（在本算例中約為27°）。

3.4 基于相控圓弧陣聲波接收站的掃描接收效果

基于波束形成原理，分別對各相控圓弧陣聲波接收站的獨立接收回波波形進行了掃描接收處理[18]。對于每個相控圓弧陣聲波接收站，方位角間隔為1°，從0°方位角到360°方位角，共合成360道波形。相控陣測量時，不同源距接收站的掃描接收回波波形如圖10所示（圖10顯示尺度為圖8顯示尺度的2倍。為了便于顯示，圖10中的方位間隔為15°。由圖10可知，75°～135°范圍內P-P回波的幅度明顯強于其他方位回波的幅度。

圖8 不同源距下相控圓弧陣聲波接收站的獨立接收回波波形Fig.8 Individual-reception echowaveformsof APA acoustic receiver stationsat different offsets

分別開窗統計掃描接收模式下P-P回波的峰峰值，并進行歸一化處理，得到了P-P回波的歸一化幅度隨方位角的分布曲線（見圖11）。由圖11可知，源距分別為3.00，3.60和4.20m時，相控圓弧陣聲波接收站掃描接收到P-P回波幅度最大值所對應的方位角均為112°（地層界面的方位角為116.57°）。由此可知，當鉆頭前方存在一個地層界面時，基于相控圓弧陣聲波接收站掃描接收回波的波形可以較為準確地獲得該地層界面的方位角。在本算例中，測量結果與地層界面真實方位角的平均誤差約為4.6°。與獨立接收模式相比，基于掃描接收模式的相控圓弧陣聲波接收站的方位測量準確度更高。

圖9 不同源距下獨立接收P-P回波最大幅度隨方位角的分布曲線Fig.9 Distribution curvesof maximum amp litude for individual-reception P-P echo waves w ith azimuths at different offsets

圖10 不同源距相控圓弧陣聲波接收站的掃描接收回波波形Fig.10 Scanning-reception echo waveformsof APA acoustic receiver stationsat different offsets

圖11 不同源距下掃描接收P-P回波最大幅度隨方位角的分布曲線Fig.11 Distribution curves of maximum am p litude for scanning-reception P-P echo waves w ith azimuths at different offsets

4 結論與建議

1）建立了隨鉆前視聲波測井三維有限差分數值模擬模型，模擬了隨鉆條件下鉆頭前方存在一個地層界面時的單極和相控陣聲波測井響應。鉆前地質異常體的存在會導致出現回波信號，為后續開發工業樣機提供了理論依據。

2）采用對比分析方法，驗證了相控陣聲波測井技術在鉆前地質異常體探測中的優越性。相控線陣聲波輻射器解決了單極聲波輻射器的輻射指向性無法控制的問題，通過定向增強輻射到鉆頭前方地層中的聲波能量，可以使P-P回波的幅度明顯增大；相控圓弧陣聲波接收站解決了單極聲波接收器無方位分辨能力的問題，通過統計相控圓弧陣掃描接收到不同方位P-P回波的幅度，可在一定誤差范圍內判斷鉆前地質異常體所在的方位。

3）本文僅是理論探索研究，研究結果均是在數值模擬基礎上得到的，建議今后根據實際隨鉆測井資料進一步驗證和改進模型。