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。

2）慢地层及极慢纵波速度的测量
对于慢地层纵波速度的测量,Aron (1997 年) 认
为由于纵波速度更小,幅度更低,测量难度要大于快
速地层的纵波测量,对隔声的要求更高,如果隔声效
果好,求取纵波速度是没有问题的[9] 。

而极慢速地
层的纵波测量却需要特别关注。

随着油气勘探在深
海中进行,将遇到越来越多的未压实疏松地层。

此类地层井眼很大,地层速度极慢。

Paillet和Cheng
(1986) 通过理论分析研究过慢地层中的声波现
象, 在该环境下, 他们把井眼中的P波叫做“漏
能P波”。

波的漏能是因为其在转换为S波时发生
了能量损失, 即S波进入地层带走井眼P波的能
量。

由于能量损失, 漏能P波产生了衰减和频散,
波速开始从地层P波速度(低频状态) 逐渐接近
井眼流体速度(高频状态) 。

频散程度主要取决于地层S 波的速度/慢度。

Horny 和Pasternark
(2000) 编制了一套利用漏能P波测量地层P波的
有效方法, 即在低频率范围内( 2kHz) 进行声波
测量。

随着随钻声波测井技术在疏松软地层中的应
用, 随钻测井中也遇到了上述声波现象。

Mikata等
人(2002) 分析了随钻声波测井仪器在日本海滨
浊积碳酸泥岩采集的5 ～8kHz声波数据, 他们发
现声波数据发生了频散, 因此在计算P波速度曲
线时进行了频散校正。

Goldberg 等人(2003 年) 利用数值模拟方法研究了
与仪器有关的影响因素,结果表明除了漏能纵波的
频散影响外,数据同时还受到挠曲波和仪器模式波
的影响。

Boonen与Yogeswaren (2004 年) 指出
该挠曲波是由仪器结构产生。

Goldberg 等人
(2003 年) 的工作说明了随钻环境下声波数据分析
的复杂性,并指出要准确测量低速地层的声波特性
必须消除LWD 的仪器模式波[15]。

Tang 等人( 2005 年) [16 ] 数值模拟了慢速地层和极慢地层LWD 单极子响应,认为要测量未压实极慢地层的纵波速度, LWD 仪器应当在一个低频段进行测量(最好是2～
4 kHz 范围) 。

在该频率范围内,可以有效地激发幅
度大于仪器波的漏能纵波,从而利用漏能纵波计算
地层纵波速度。

总之,极慢地层纵波测量至今还是LWD 声波测井面临的难题。

2. 2 .2横波测量仪器及纵波测量方法
1）快地层横波测量
在随钻环境中,Aron ( 1994 年) 及Minear (1995
年) 等人的工作证明快地层中的横波测量是可以实
现的[9 ,13 ] 。

此外, Tang (2002 年) 认为在钻铤四极子
波的截至频率以下测量时,可利用地层四极子波的
二阶模式计算得到快地层横波速度而不受仪器波的
影响,并应用到实测资料中[ 7 ] 。

国内,崔志文(2004
年) 经过理论计算之后认为二阶模式会受到仪器波
的干扰,一阶模式更适合,但他的结论没有实际随钻
资料的验证[8 ] 。

2）LWD 慢地层横波测量
在慢地层中,由于井眼流体纵波不能以转换横
波的形式临界折射沿井眼滑行传播,单极子仪器不
能直接测得地层横波速度。

常规电缆测井中,慢地层横波测量一般有 2 种方法,一是通过分析其他波分量间接得到,如管波
(斯通利波) 或泄漏纵波;二是利用多极子仪器直接
测量,包括偶极子和四极子方式。

由于偶极横波测
井在电缆声波测井中的成功( Hornby 与Paster-
mark , 2000) ,人们将该技术应用到随钻测井
上。

但偶极子技术在随钻测井中由于钻杆的存在而
受限制。

Tang (2002 年) 认为在偶极子声源的激发
下,由于钻杆的存在有2 大局限,低频率时,仪器挠
曲波与地层挠曲波之间存在严重的干扰;较高频率
时,仪器挠曲波与地层挠曲波分开较大,但地层横波
与地层挠曲波的差别很大[17] 。

此时地层挠曲波与地层横波速度成一定的比例,在知道泥浆性质(速度
和密度) 、井径及纵波速度的前提下,可以得到横波速度[ 18 ] 。

Varsamis(1999 年) 针对慢地层横波测量的问题,通过物理实验和三维有限元模拟设计了一
种双模式MWD/ LWD 声波仪,即哈里伯顿公司的
BA T 仪器,在Catoosa 的AMOCO 测试井现场实验
结果表明,该仪器的偶极模式可以用于测量软地层
横波[5 ] ,他们使用的频率较高, 中心频率大约在
6. 5～11 kHz 的范围,且软地层的横波慢度上限为400～450μs/ f t ,只适用于井眼环境好的情形。

由于在低频段四极子仪器激发的螺旋波同样以
地层横波的速度传播,早在1988 年Schmit t 就对四极子的横波测量进行了理论研究[19] ,Winbow (1991 年) 给出了电缆声波四极子仪器[20 ] ,由于电缆偶极横波测井技术成功满足了慢地层中横波速度测量的需求,该技术并没有得到商业推广。

所以有学者认
为在随钻测井时,软地层横波速度测量可以求助于
四极子技术。

Tang 等(2002 年) 研究了慢地层随钻声波测井响应及导波的频散特性,并对多极源随钻
横波测井进行现场数据评价[ 7 ] 。

Wang 和Tang (2003 年) 用NPML 有限差分技术模拟了慢地层偶
极源和四极源随钻测井响应[ 21 ] 。

Tang 等(2002 年,
2003 年) [ 7 ,16 ] 、Huang ( 2003 年), 崔志文( 2004
年) [8 ]等人的数值模拟的结果表明随钻环境下四极
子是测量慢地层横波的最佳选择。

他们认为四极子
随钻声波测量的优势在于,低频段不存在沿钻杆传
播的四极子钻杆波;低频段四极子波在地层中以地
层横波速度传播。

使用四极子声波测井仪的好处之
一是不需要四极子波的隔声装置,因为在低频范围
( < 10 kHz) 钻杆(或仪器) 的四极子波根本不存在。

但是Tang 等人的研究没有考虑到仪器偏心时的随
钻偶极子测井的地层响应,在后文所述的偏心研究中,Huang (2003 年) 的研究结果说明了随钻偶极子
测量地层横波的可行性。

2002 年,贝克休斯公司推出新型随钻声波测井
仪APX (Acoustic Properties eXplorer ) 多极子仪
器,该仪器分单极子和四极子2 种模式,其中四极子
用于测量慢地层横波。

2007 年,J ennifer报道了哈
里伯顿公司使用四极子随钻声波测井仪QBA T 的
情形[18 ] ,该仪器在之前的BA T 仪器上做了改进,主
要使用了高性能的接收器,其对钻井噪声的敏感度
更弱、拥有更宽的频率响应范围,该仪器可以适用
于井眼较差的情况, 其横波慢度测量上限接近
600μs/ f t 。

3. 所调研专题现有技术的主要优缺点评价、改进意见等；问题：声波随钻测井要取得成功, 在技术上必需解决
的四个难题是：
1）抑制钻挺信号。

这里钻挺是指发射器到接收
器之间的钢柱。

在电缆声波测井仪中, 是利用钢刻槽
来抑制沿钢管传播的直达声信号的。

在随钻条件下,
要考虑强度间题, 不宜采用钢刻槽。

2）在钻艇上按装声发射器和接收器。

电缆声波
仪器中, 利用钢管上开窗口的方法, 使发射器发出的
声波经地层传播并为接收器接收。

在随钻条件下, 也
不宜采用开窗口的方法。

3）抑制钻井噪声的干扰。

电缆声波测井时, 由
于井下仪器移动时发生碰撞引起的噪声比较微弱。

在随钻条件下, 钻井噪声很强, 应设法抑制。

4）井下波形实时处理, 提取时差后送往地面。

电缆声波测井时, 波形经电缆传送到地面再提取时
差。

在随钻条件下, 波形传送到地面是困难的, 应在
井下处理, 得到时差数据后再送到地面。

尤其是，多年来,数据传输是制约随钻测井技术发展的“瓶颈”。

泥浆脉冲遥测是当前随钻测量和随钻测井系统普
遍使用的一种数据传输方式。

泥浆脉冲遥测技术数据
传输速率较低,为4～10 bit/ s ,远低于电缆测井的传输
速率,这种方法不适合欠平衡水平井钻井。

电磁波传输
数据的方法也用于现场测井,但仅在较浅的井使用才
有效
4.所调研专题的应用前景分析；
随钻声波测井在大斜度井、水平井等复杂井钻井的同时，能够实时的提供地层信息，更好的指导钻井，使钻头在有利地层钻进。

同时可以预测所钻地层的信息, 减少
钻井的风险。

基于声学原理的随钻声波测井仪器提供的资料可以用来降低不确定性，帮助工程师及时有效地进行决策。

在制定对钻井成本和钻井效率有重大影响的一些关键决策时，及时获得这些数据显得尤为重要。

但是在短期内, 电缆声波测井还会发挥重要
的作用, 其低成本是电缆测井的一大优势。

随着油田
的进一步开发, 大斜度井和水平井越来越多, 从长远
来看
随着石油工业向海上转移,作为陆上油田提高采收
率的一种有效方式,随钻声波测井将取代电缆声波测井,电缆测井将淡出测井历史舞台。

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