第30卷 第2期2006年4月
测 井 技 术
WE LL LOGGING TECH NOLOGY
V ol.30 N o.2
A pr2006
文章编号:1004-1338(2006)02-0101-04
现代声波测井技术发展的若干特点
李长文,强毓明,李国利,余春昊
(中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710021)
摘要:对现代声波测井技术的发展特点和趋势进行了深入分析,重点就探测器布置的阵列化、波形采集的高速数字化、工作频率和辐射特性的可控化、多种探测模式的集成化和资料应用的多样化与扩展化进行了详细阐述。其中换能器工作频率和辐射指向特性可调控是声波测井技术的最新发展,将极大地提高仪器的环境适应性和综合探测能力。声波测井资料的应用主要体现在各种波型模式声波参数的全面开发利用和全波列信息在地层评价和工程应用的不断深化和拓展方面。随钻声波测井也有较快发展,尤其是四极子声源的使用应引起重视。对上述问题的深入分析和准确把握对新一代国产声波测井仪器的研发和应用具有积极指导意义。
关键词:声波测井;地层评价;随钻测井;全波列;偶极子横波成像测井;各向异性;阵列化测井
中图分类号:P631.814 文献标识码:A
Characteristics of Modern Acoustic Logging Technology Development
LI Cha ng-wen,Q IA NG Yu-ming,LI G uo-li,YU Chun-hao
(Techn ology Center of Chin a Petroleum Logging CO.,LT D.,Xi′an,S haan xi710021,China)
A bstract:This pape r tho roughly analyzes the characteristics and trends of m odern acoustic logg ing
technolog y,especially focuse s o n array deploy ment of detectors,faster dig italization o f w aveform ac-quisition,controllability of w o rking frequency and radiation,integ ratio n of m ultiple investig ation mode s,and diversity and ex tendibility of data applicatio n.The co ntrollable adjustment o f w orking frequency and radiation directional function of transducer is new ly develo ped,w hich improves the en-vironm ent adaptability and com prehensive investig ation ability of acoustic logg ing too l.The advances in the application of acoustic log data lie in the deep develo pment and w ide utilizatio n of acoustic pa-ram eters of various w avefo rms,and the application of full w ave train to formation ev aluation and pro-ductio n enginee ring.Acoustic log ging w hile drilling has been g reatly develo ped,especially the qura-po le so nic so urce is draw ing o ur attention.The analysis of these aspects o f acoustic lo gging technolo-
g ies is meaningful to the develo pment and application of new generation o f acoustic log ging to ol.
Key words:acoustic log ging;fo rmatio n ev aluation;lo gging w hile drilling;full w ave train;DSI;
aniso tropy;array lo gging
0 引 言
声波测井技术的特点表现在阵列化和集成化上。阵列化包括接收器数目的显著增加、发射频率的连续可调、波形记录方式的多样化、信号采集的高速数字化等。集成化主要是指单极、偶极、四极源的组合化、多种探测模式的综合化、地层评价与工程应用的一体化等,目的是一次下井能取得多种类型的声波参数,从不同角度认识和评价复杂地层的各种属性变化,甚至给出其三维立体空间图像,提高探测效率和成功率。1 探测器数目的阵列化
在井眼环境下,纵向上的非均质表现为薄互层、水平层理、低角度裂缝等,方位上的非均质表现为大位移或水平井造成的地层非对称分布、高角度裂缝、地应力变化等,径向上的非均质表现为钻井泥浆侵入、井旁小型地质构造、套管井多层介质等,以及井眼几何形状的非均匀变化。阵列化测量有助于采用新的信号处理技术,提高测量精度和准确性;提高纵向分辨率,改善分层能力;提高径向探测深度,了解地层侵入变化和孔隙流体分布;提高方位分辨率,识别裂缝和地层各向异性;大幅度增加信息量,通过可视化处理,改善对储层参数空
间分布的认识;适应不同地层条件和不同测量目的的特性化测量,提高信息有效性和数据质量。
目前,阵列化声波测井仪器接收换能器的数目大都为8个(组)或12个(组),但对换能器的一致性要求很高。接收器间距从早期的0.6m (2ft *
)减小到现在的0.15m (0.5ft ),源距则从2～3m 增加到4～5m 甚至更大,许多仪器都提供了隔声短节,可根据需要加长声系源距,最多可加长到10多米。由于源距更长,纵波、横波、斯通利波等各种波型组份更单纯,更易于分离,有利于各种参数的准确提取。对阵列化数据可采用时域或频域的相干叠加法等技术进行多种纵向分辨率(0.15、0.30、0.60m 等)的时差处理,还可进行井眼补偿(见图1)。阵列化处理的优点是时差计算精度高,结果稳定可靠,信息用途多样[1]
。
图1 阵列声波测井时差高分辨率处理和井眼补偿示意图
2 多源探测模式的组合化
传统的声波测井发射器换能器均是单极子的,其辐射是周向的径向胀缩振动。当地层纵波速度高于井内
流体声速时,单极子声源激发出来的波包括临界折射纵波(滑行纵波)、临界折射横波(滑行横波)、伪瑞利波和斯通利波等。但单极子声源在地层纵波速度低于井内流体声速时不能激发起临界折射横波模式,很难得到横波时差参数;激发出的横波没有方向性,很难利用到横波在各向异性介质中会分裂为快慢2组波这一重要特性
[2]
。
偶极子声源可以看成一个振动圆管被剖分为两半,
彼此绝缘隔离,振动位相相反,相当于一个作弯曲振动的平板。偶极子声源在软地层中激发出的波主要是挠曲波(准横波、偶极子波),这时折射纵波首波幅度很小。四极子声源也是一种非对称声源,可以看成一个振动圆管被均分为4部分,各部分之间绝缘隔离,相邻部分的振动位相相反。四极子声源在井眼中激发的声波模式主要是弯曲波(准横波、四极子波)。如图2所示,与偶
*
非法定计量单位,1ft =0.3048m ,下同
图2 单极子、偶极子、四极子声源的辐射指向特性
极子相比,四极子的优点是方位分辨特性更好,速度频散影响较小,缺点是能量辐射效率较低,换能器制作工艺更难。
以斯伦贝谢公司的偶极子横波成像仪DSI 、贝克休斯公司的多极子阵列声波测井仪XMAC -II (含有四极子功能)、哈里伯顿公司的全波形声波测井仪WaveSonic (前身为低频偶极子声波测井仪LFD )等为代表的阵列声波测井技术,是多种声源模式(单极、交叉偶极、四极)的有机组合,配合以接收器阵列的不同距离和多方位布置,具有更多的测量和采集方式,一次下井能获得更大的信息量(100多道波形数据),能适应多种测量目的和井眼环境要求,对复杂非均质储层的精细评价和综合分析非常有用[3]。
3 信号采集的数字化
目前,国外商业化成像测井系统的数据传输速率已达到800kbit /s ,国内也已突破300kbit /s ,目前还在发展容量更大速度更快的光纤电缆传输技术。
早期长源距声波测井仪的数字化精度为8bit ,采集全波列时很难兼顾好幅度很小的高频纵波与幅度很大的低频斯通利波,常采取自动增益控制的方式来解决信号测量动态范围不足的问题,但给后续处理分析带来了许多不便。阵列声波测井则采用12bit 甚至16bit 的A /D ,进一步提高测量动态范围和地层适应能力,而且在井下仪器中直接进行数字化,这样有助于电子线路的简化、信号记录质量的提高和波形参数提取的实时化。
常规声波时差测井仪器也采用了数字化记录(如哈里伯顿公司的数字声波测井仪BCAS 和贝克-阿特拉斯
的数字声波测井仪DAL ),并能兼顾裸眼井声波时差测量和套管井固井质量评价。BCAS 声系为井眼补偿式的双发五收结构,DAL 为单侧发射式的双发四收结构,分辨率都提高到了0.15m 。采用数字化记录可在井场快速进行纵波时差可视化处理,并给出质量控制参数,在扩径、裂缝或含气等异常层段还可进行人机交互处理,比传统的门槛值检测法更可靠,另外在后期精细处理中还可提供横波时差参数,扩展了仪器功能(见图3)。
102 测 井 技 术 2006年
图3 数字化补偿声波测井的时差相似相关处理和质量控制
4 发射频率的可控化
早期声波(纵波时差)测井仪器的工作频率在20～25kHz 范围,长源距声波仪器工作频率在17～18kHz ,阵列声波测井在13kHz 左右,偶极子或多极子声波测井仪器中的单极子声源工作频率则进一步降到了5～9kH z 。偶极子声源发射频率则从最初的5～6kHz 降到了目前的1～3kH z ,速度频散影响明显减小,横波时差测量效果更好。
发射换能器的工作频率大多选取在它的机械共振频率(谐振基频)处或附近,这样可以获得最佳工作状态和较满意的波形,取得最大的电声效率和发射声功率。压电陶瓷圆管的径向谐振频率为
f r =
12πr
ρs
E 11
=c E
L
2πr
(1)
式中,r 为圆管的平均半径;s E
11为弹性柔顺系数(m 2/N ),c E
L 为电场强度为0或常数时的纵波速度。
为了获得较好的子波,往往使换能器处在受迫振动的情况下,即避开谐振频率工作。例如,斯伦贝谢公司交叉偶极子声波测井仪中的斯通利波测量模式,就是单极子声源避开谐振频率在较低频率下的激发结果。不同振动模式的波具有不同的频率激发特性,而且其频率响应特性与地层性质、井壁条件、井眼大小等有密切关系。在致密地层中,波导效应显著,斯通利波幅度突出,而纵波信号往往幅度较小、频率较高,选择较高的工作频率(15～18kHz )能得到信噪比较好的纵波数据。在松软地层或较大井眼中,选择相对较低的工作频率(6～9kHz ),有助于得到稳定可靠的纵波时差数据[4,5]。这就要求发射换能器必须是宽频带、短余振、高效能的;仪器发射电路工作频率可实时调控,以适应不同地层条件或不同测量模式的需求。
哈里伯顿公司的全波形声波测井仪WaveSonic 在
这方面有许多新的突破[6],单极和偶极发射器的频率、幅度、子波特征和持续时间都是可编程调控的,使发射
换能器、发射电路、地层之间达到最佳阻抗匹配。斯伦贝谢公司最新推出的模块式三维声波测井仪器也增加了许多这方面的功能,大大提高了仪器的环境适应性、信息获取量和采集处理质量[7]。
5 辐射方位的可控化
由于阵列声波仪器的源距越来越长,声波在地层中的传播距离远,衰减大,导致接收的信号弱,不能满足实
际测井需要。单纯依靠降低发射换能器谐振频率和提高仪器发射功率都有一定的局限,因此可借鉴航天、军事雷达中广泛使用的相控阵技术,不仅增大声源辐射面
积,还可改善声辐射指向性,提高声源辐射效率。所谓相控阵技术就是采用多个换能器元件组成一个发射换能器线阵,对每个换能器元件的发射脉冲给予一定的时间延迟和幅度调整,即控制发射脉冲相位和幅度,使各发射波在空间某点以相同位相叠加,从而得到聚焦效果[8]
。图4是多个发射换能器组合时在水池中的辐射指向性实验结果,可见相控阵发射能显著提高声波辐射效率,其控制参数包括振元数量、间距、发射延迟时间、发射电压幅度。通过调整辐射指向性可适应软地层和硬地层测量需要,也可用于探测纵波反射波进行井外构造成像和裂缝探测[9]。
图4 不同发射器组合的辐射指向性变化
(发射电压约为2000V )
6 信息利用的全波化
交叉偶极横波进一步利用了横波在各向异性介质中会发生偏振和速度分裂这一特性,在地层应力分析和裂缝预测方面有独特的应用(见图5)。
随着研究的深入和技术的进步,人们开始对一些次一级的声波信号如反射波或模式转换波等进行开发利用,用于地层非均质性分析。反射斯通利波与直达斯通
103 第30卷 第2期 李长文,等:现代声波测井技术发展的若干特点
图5 交叉偶极横波的各向异性处理及地层应力方位识别
利波结合在评价裂缝特征及其有效性方面具有非常好的应用效果[10]。纵波反射波则可用于评价井外裂缝延伸程度或井旁小型构造特征,有可能发展成为一种新的单井(远探测)反射声波成像技术,弥补测井探测太浅而地震分辨率较低的缺陷[11]。声波频谱特征信息也逐步得到开发利用,可利用各组份波的主频变化和相对幅度变化评价地层非均质性和孔隙流体性质。
7 应用领域的扩展化
传统声波测井由于声源频率较高和探测方式单一,不仅探测深度较浅,受泥浆侵入和井径变化影响较大,时差准确性和稳定性都不够好,纵向分辨率也较低,直接影响在软地层、薄互层中的测量效果,对地震刻度也不利。随着阵列化测量、声源频率降低和数字化采集处理,其应用效果已大为改善[5]。
横波信息的准确测量极大地扩展了声波测井资料的应用范围[12]。纵、横波资料结合在地层评价和流体性质识别方面有很大潜力,如气层评价、水淹层评价等;与地层密度、井径等资料结合计算地层岩石力学参数,分析井眼稳定性和预测破裂压力梯度等。利用交叉偶极横波的各向异性确定最大主应力方向,利用快慢横波波速的差异可以评价水平最大主应力和水平最小主应力的差别,这方面有很大的应用潜力。
声波测井在套管井中的应用也得到较大发展。通过对变密度全波列资料的数字化处理,不仅可以确定套管与水泥之间的胶结状况,还可以分析地层与水泥之间的胶结状况。20kHz的折射声波测井与500kHz的超声回波成像测井有机组合可以更好地评价套管外水泥环特性,甚至给出其空间变化图像。超声成像测井还可以精细检测套管腐蚀变形、射孔质量等。
随钻声波测井技术的发展主要是如何克服噪声干扰和提高信噪比,另外四极子波的速度频散校正和倾斜地层声波各向异性的资料解释也需引起重视。
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(收稿日期:2005-12-29 本文编辑 高宝善)
作者简介
李长文 男,高级工程师,1967年生,从事测井新方法、岩石物理性质及资料处理解释技术研究。(地址:陕西省西安市
未央路142号 邮编:710021 电话:029-********)
金宁德 男,1963年生,教授,博士生导师,1997年获浙江大学测试计量技术与仪器专业工学博士,现任英国国际《Flow
M easurement and Instrumentation》杂志编委,从事传感
器与现代信息处理技术融合研究。(地址:天津大学电
气与自动化工程学院 邮编:300072 电话:022-
27407641 E-mail:ndjin@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
张志存 男,工程师,1965年生,现从事测井资料解释及解释方法研究。(地址:黑龙江省大庆测井公司数据处理与解
释中心 邮编:163412 电话:0459-******* E-mail:
zhangzhicun@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,;zhang zhicun@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,.
cn)
邓少贵 男,中国石油大学博士,从事岩石物理实验和测井方法研究及教学工作。(地址:山东省东营市中国石油大学
地球资源与信息学院 邮编:257061 电话:0546-
8392268-815 E-mail:dengshg@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
宋 帆 男,1965年生,从事测井解释研究工作。(电话:0996-*******;138********)
史晓锋 博士后,1974年生,研究测控技术、光纤传感、石油测井等。(地址:北京市海淀区学院路37号北京航空航天
大学207教研室 邮编:100083 电话:010-********)宋延杰 男,教授,1963年生,在读博士,从事测井解释模型、剩余油评价、低孔渗储层和气层解释等研究。(地址:黑
龙江省大庆市开发区大庆石油学院地球科学学院 邮
编:163318 E-mail:sy j1963@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html, 电话:0459-
6503841(H);0459-*******(O);138********)
王香文 女,1970年生,工程师,石油大学(北京)资源与信息学院在读研究生。(地址:北京海淀区学院路31号中石
化勘探开发研究院海外研究中心 邮编:100083 电
话:010-********(O);136******** E-mail:w angxw@
https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
汪爱云 女,工程师,1974年生,2005年获北京大学构造地质专业硕士学位,从事测井资料解释与方法研究。(地址:
黑龙江省大庆石油管理局钻探集团测井公司研发中心
邮编:163412 电话:0459-******* E-mail:wang aiy
@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
薛继霜 女,1979年生,燕山大学信息科学与工程学院电路与系统专业硕士研究生,从事遗传算法及其在电磁波测井
资料反演中的应用研究。(地址:河北省秦皇岛市河北
大街西段438号燕山大学信息学院 邮编:066004 手
机:137********)
王杰堂 男,1970年生,工程师,在读硕士生,从事测井资料解释处理与应用软件开发工作。(地址:北京市海淀区北四
环中路229号海泰大厦1111室 邮编:100083 电话:
010-******** E-mail:max wjt@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
房文静 女,1972年生,中国石油大学讲师,在读博士,从事测井方法及应用研究。(地址:山东省东营中国石油大学
邮编:257061 电话:0546-8391703-812(O) E-mail:
1bfw j1fb@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
刘志远 男,工程师,1974年生,现从事测井解释方法研究。(地址:河南省濮阳市中原油田勘探开发科学研究院测井
室 邮编:457001 电话:0393-*******;136********
E-mail:lzy_box@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
王任一 男,高级工程师,1968年生,现为中国地质大学(武汉)博士研究生,从事开发地质研究工作。(地址:新疆哈
密市石油基地吐哈油田勘探开发研究院 邮编:
839009电话:0902-*******E-mail:wry2899@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)王树寅 男,高级工程师,现为中国科学院地质与地球物理所在读博士生,从事测井、测井地质工作。(地址:河北廊坊
中国石油勘探开发研究院廊坊分院天然气地质所 邮
编:065007 电话:010-********;139********)
邵维志 女,1987年毕业于华东石油学院测井专业,现从事测井研究及解释工作。(地址:天津大港油田测井公司 邮
编:300280 电话:138********)
孔祥礼 男,工程师,1970年生,从事油气储量研究工作。(地址:江苏扬州江苏油田分公司地质科学研究院 邮编:
225009 电话:0514-*******;136********)
孙玉红 女,1971年生,工程师,现从事测井资料解释与方法研究。(地址:河北省廊坊市40-3信箱中国石油集团测井
有限公司华北事业部 邮编:065007 电话:0317-
2551625)
燕兴荣 女,工程师,现从事测井资料解释与方法研究工作。
(地址:天津大港油田测井公司资料评价中心 邮编:
300280 电话:022-********;131********)
黄导武 男,1972年生,工程师,从事测井解释、储层参数研究工作。(地址:上海零陵路583号海洋石油大厦1814室
邮编:200030 E-mail:huangdw@cnooc.co https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html, 电话:
021-********-31824)
刘长新 男,1965年生,工程师,从事测井资料质量控制和资料工程应用研究。(地址:新疆库尔勒塔里木油田公司勘
探事业部 邮编:841000 电话:0996-*******(O);
136********)
王艳梅 女,博士,1964年生,高级工程师,从事地球物理测井、放射性物探等研究工作。(地址:四川省成都市二环路
东四段298号四川省核工业地质调查院 邮编:610061
电话:136********;028-********)
陈必威 男,1966年生,高级工程师,现从事测试工艺研究工作。
(地址:河南南阳河南油田分公司工程技术研究院 邮
编:473132 电话:0377-******* E-mail:cbw789@
126.co m;cbw123007@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
李 波 女,1971年生,工程师,1994年毕业于中国石油大学。
(地址:黑龙江省大庆市让胡路区西柳街4号大庆测试
技术服务分公司生产测井研究所 邮编:163453 电
话:139********;0459-******* E-mail:libo@cs.
daqing.co m;libo123100@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
任怀丰 男,1970年生,工程师,从事采油工程生产及科研攻关工作。(地址:黑龙江省大庆采油七厂工程技术大队
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mail:lingyuan_r@https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)
梁忠明 男,1978年生,助理工程师,从事测井仪器研制。(地址:大庆油田测试技术服务分公司仪器厂 邮编:
163311 电话:0459-*******-8545)
姜亦忠 男,高级工程师,从事岩石物理实验和测井仪器研制工作。(地址:大庆石油管理局钻探集团测井公司研发中
心岩石物理实验室 邮编:163412 E-mail:jiangy zh@
https://www.doczj.com/doc/3d15791038.html,)