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。