测井新技术

随钻声波测井技术综述

1.所调研专题的主题、意义、国内外研究和应用现状；

随钻测井(LWD)是在泥浆滤液侵入地层之前或侵入很浅时测得的,更真实地反映了原状地层的地质特征,可提高地层评价的准确性[1 ]。是近年来迅速崛起的先进测井技术[2 ]，在某些大斜度井或特殊地质环境(如膨胀粘土或高压地层) 钻井时,电缆测井困难或风险加大以致于不能进行作业时,随钻测井是唯一可用的测井技术。随钻声波测井旨在节省钻井时间,利用测得的地震波速度模型与地震勘探数据相结合,实时确定地层界面的位置、估计地层孔隙压力等, 在这些方面的应用, 都可取代常规的电缆声波测井。随钻声波测井的任务是在钻井过程中确定地层的纵波和横波速度, 这两个弹性波速度更多被用于地层孔隙压力预测和地层模型修正。随钻声波测井最大的优势在于其实时性, 及时有效地获取地层信息, 为科学地制定下步施工措施提供依据。

在过去的近20 年里, 随钻测井技术快速发展, 目前已具备电缆测井的所有测井技术。全球随钻测井业务不断增长, 已成为油田工程技术服务的主体技术之一,其业务收入和工作量大幅增加。随着石油勘探开发向复杂储集层纵深发展, 随钻测井技术将更趋完善, 电缆测井市场份额将更多地被随钻测井所取代。

20 世纪40 年代和50 年代LWD 数据传输技术的发展非常缓慢,关键技术很难突破。在测井技术发展开始的50 年间的石油工业界许多人的眼里,LWD 是难以实现的理想化技术。钻井工业的需要推动了随钻测井技术快速发展;反之,随钻测井技术的发展保证了复杂钻井获得成功。20世纪80 年

代中期,大斜度井、水平井和小直径多分枝井钻井已成为油气开发的一种常规方法。在这样的井中,常规电缆测井仪器很难下到目标层,通常借助于挠性管传送和钻杆传送,这些作业方法费用高,操作困难。过去20 多年里,在油公司的需要和钻井技术发展的推动下,各种随钻测井仪器相继研制成功。现场服役的随钻声波测井仪器使用的声源有单极子、偶极子和四极子,如贝克休斯INTEQ 公司的APX既使用单极子也使用四极子声源,斯伦贝谢公司的Son2 icVision使用单极子声源,哈里伯顿Sperry 公司的BAT是偶极子仪器。这些仪器可测量软/ 硬地层纵/ 横波速度和幅度,测量数据一般保存在井下存储器内,起钻后回放使用[3 ,4 ]。随钻声波测井仪器的发展见表1.

表1.随钻声波测井仪器的发展

随钻声波测井数据可用于地层孔隙度的计算, 地震资料时深转换及合成地震记录, 岩石机械特性分析及井眼稳定性预测, 岩性识别、气层识别, 与

常规测井资料做相关分析对比等。

2.所调研专题的原理、主要测量技术和技巧；

2.1声波测井基本原理：声波在不同介质中传播时, 其速度、幅值及频率

等声学特性均不相同，声波测井就是利用这一原理来分辨所钻地层。声波测井, 由发射探头T和接收探头R组成的声系来完成.最早采用的声系为单发双收声系, 其测量原理如图1所示

2.2随钻声波测井技术

2.2．1纵波测量仪器及纵波测量方法

1 ）快地层纵波测量及仪器研究

位于钻铤上部的声源发射器以最佳频率向井眼周围地层发射声能脉冲, 在沿井壁及周围地层向下传播的过程中被阵

列接收器检测到首波信号, 接收信号后, 系统首先采

用先进的嵌入技术, 将接收到的声波模拟信号转换

为数字信号, 并采用有限元等计算方法将数字信号

转换成地层声波时差△t值, 最后将原始声波波形

数据和预处理的声波波形数据存储在精心设计的高

速存储器内或以实时方式通过钻井液脉冲遥测技术

传输到地面。

为了提高声波的环向方位覆盖范围并增强测量信号的振幅,Varsamis等(1999 年) 在BA T 上引进了双模式声波测量系统[5] 。该仪器的设计使发射器的轴向振动模式与横向振动模式的比值达到了20 dB ,接收器也用了同样的设计,对轴向更为敏感。同一时期引进的全方向的声辐射与接收系统(Joyce 等,2001 年) [6 ] 其接收器和发射器可以提高声波的环向方位覆盖范围并增强声波测量信号的振幅,从而提高信噪比和测量精度。该仪器最初设计声源是10 kHz 以上,后来为了能在低速地层中测量, Tang等(2002 年) 增加了1 个低频纵波的功能(3 kHz) ,结构可以将挠曲波的影响减到最小[7 ] 。国外很多学者对随钻声波测井进行的研究和实践表明,在纵波随钻测井中,会激发一种钻模式波(钻杆拉伸波型) ,该振型在波列中占据主导地位并且沿着钻杆传播。由于钻铤波振型的振幅远远大于地层纵波的振幅,必须经过压制处理

才能测到地层纵波。国内,崔志文(2004 年) 对随钻声波的纵波测量进行了理论和数值研究[ 8 ] ,同样表明随钻声波测井中地层纵波会受到大幅度的钻铤模式波的影响。

由于地层纵波被钻铤模式波所淹没,需要设置隔声体才能获得。因此在纵波随钻仪器中隔声体是一个重要的部分。隔声体的设计一般有2 种方式,其一是在传感器和钻杆之间设置隔声体,将地层波和仪器波解耦;其二在发射器和接收器之间设置隔声体来衰减钻铤波的幅度或改变和延长钻铤波的传播路径。

早在1989 年,斯伦贝谢公司在随钻声波测井可行性预研究报告中就指出压制钻铤波是随钻测井实现的关键技术之一。Aron (1994 年) 在传感器处放置隔声装置,使得传感器与钻铤解耦,该技术将钻铤波衰减了15～20 dB ,然后将周期性的槽状隔声体置于钻铤中,作为带阻滤波器来消除纵波测量频段

内的剩余仪器模式波[ 9 ] 。Varsamis等(1999 年) 设计了一种不同于以往的刻槽方法隔声方法,利用一种独特的声吸收物质将仪器波降低30～40 dB ,他认为在实际的随钻测井环境中可以达到34 dB 以上[10 ] 。Joyce (2001 年) 也在文献中说明了带有全方向声辐射系统的APX 仪器的隔声系统的效果最低达到40 dB[ 11 ] 。Legget t 等人( 2001 年) 对Joyce(2001 年) 文献中的APX 仪器的隔声体部分进行了详细的报道,通过在钻杆上周期性地切割凹槽,将凹槽的阻带与仪器本身的阻带结合,有效地压制钻杆波,获得了40 dB 的衰减[12] 。斯伦贝谢的sonic Vi-sion的隔声体可以达到60 dB 的衰减。。在钻井的过程中,由于钻杆需要承受一定扭转力,刻槽会减少钻杆的刚度[13 ] ,因此对此部分钻杆需采用特殊材质的钢材料。