偶极横波远探测测井技术进展及其应用

2013-12-03唐晓明魏周拓苏远大庄春喜

测井技术 2013年4期

唐晓明，魏周拓，苏远大，庄春喜

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，声学测井联合实验室，山东青岛266555）

0 引言

随着油气勘探开发的深入和测井技术的进展，一些新的测井方法和技术应运而生，声波远探测测井技术便是其中之一。该技术改变了称测井技术为“一孔之见”的宿论并能弥补井震结合时“雾里看花”的不足。实践表明该技术可以对井周数米到数十米范围内的地层构造及地质体进行探测，为油气藏构造描述及油田的勘探开发提供了强有力的技术支持。该技术应用前景十分巨大，可以显示与井相交的地质界面；探测井旁的倾斜地层界面、裂缝、断层、尖灭及盐丘内部构造等［1－5］；在水平井中追踪油储边界［6］；可以在套管井中探测井外地质构造［7］；这项技术还有可能在钻井过程中探测钻头前面地层的信息，以决定钻井的下一步走向和位置［8］。

多年来，国内外对单井反射声波测井方法开展了很多研究，在理论研究、仪器研发、数据处理及成像方法等方面取得了一系列成果，但其中也存在很多不足。本文以远探测测井技术的发展为脉络，重点介绍了偶极横波远探测测井技术的进展，论述了偶极横波远探测测井的理论方法，结合现场实例对该技术的具体应用作了详细说明，展望了该技术今后改进和发展的方向。

1 声波远探测测井技术的发展

1.1 单井反射声波远探测技术进展

单井反射声波远探测技术用井中声源向井外地层辐射声场，并探测从井旁地质构造反射回来的声场能量。通过分析处理接收器接收到的全波信号，可以对井周围的地层构造进行声场成像，并获得井旁地质构造信息，获得井旁地层结构图像［1－15］。目前，国内很多油气田都属于低孔隙度低渗透率储层，例如碳酸盐岩储层、致密砂岩及页岩，这些非常规储层岩石的一个很重要的特征就是孔隙度很低，从这些致密性储层中也往往可以看到可观的油气显示，这主要是因为地层中裂缝（裂隙）的作用。因此，对于井旁裂缝带的识别及其走向判断已成为这种非常规储层解释的重要环节，可为后续压裂开采提供导向性信息，而利用偶极SH反射横波进行井旁裂缝带识别是其中一个有效的技术途径。就分辨率和探测深度而言，该技术填补了常规声波测井和井间地震之间的探测空白（见图1），是一种具有良好应用前景的测井技术。

图1 不同声学测量方法纵向分辨率和探测深度关系图

声波远探测技术分单极纵波法和偶极横波法2种。单极纵波法是利用井中单极子声源向井外辐射纵波，并接收从井外地质体反射回来的纵波确定地质体位置。1982年，ELF公司开发了声反射测井原型机，即速度与衰减评价仪（EVA），在1991年进行了井旁反射波成像测试［16］。Hornby在1989年利用从阵列声波数据分离出反射波，并将地震勘探的偏移方法应用到了声波测井成像处理中，得到了井旁地层结构变化的图像［1］。Schlumberger公司于1998年推出BARS（Borehole Acoustic Reflection Survey）反射波成像测井仪［15］，2006年推出 Sonic Scanner仪器，可进行具有方位分辨能力的声反射成像测量［17］。中国国内，王乃星等通过波场分离技术，把声波全波列测井记录中的反射波信息分离并进行了成像处理［18］。随后，薛梅［19］、车小花、乔文孝等［20－21］，李长文等［22］，宋立军等［23］，楚泽涵等［24］，何峰江［25］、陶果等［26］针对单极声源条件下的反射声波，开展了大量的研究工作。大港油田测井公司于2005年研制了新型远探测声波反射波测井仪器，在中国华北、大庆等油田裂缝性储层评价［27］以及在塔里木缝洞型碳酸盐岩储集层评价的应用中［28］取得了一定的效果。

偶极横波法则是近几年发展起来的，是声波测井技术的一个重要进展。它是利用偶极声波探测仪发射和接收地层深部的反射信号，通过偏移成像获知井旁地质构造的横向延伸范围和发育情况，它把常规测井的测量范围从井周1m左右提高到几十米。Tang X M［11］于2004年将偶极子声源引入到了单井声波远探测测井中，并提出了偶极横波远探测测井方法。2009年，Tang X M等［13］利用四分量偶极数据对井旁裂缝和盐丘内部的精细构造进行了成像，取得了显著的应用效果。2011年，魏周拓［29］全面系统地结合对偶极辐射声场的数值模拟，加深了偶极远场辐射特征及反射声场的理解。2012年，唐晓明、魏周拓［30］对偶极横波远探测测井技术所取得重要进展进行了全面总结，讨论了该技术发展潜力；随后，唐晓明、魏周拓［31］利用数值模拟方法详述了该技术的基本原理，结合现场实例说明了偶极声波远探测的重要特征及其有效性。与单极纵波法相比，偶极声源使用的频率约为2～5kHz。由于频率较低，该方法有较深的横向探测距离，可达20～30m的范围，甚至更远。此外，由于偶极子声源的指向具有方向性，采用四分量的偶极发射和接收，可同时确定反射体的位置和方位。偶极声源的这些优良特性使偶极横波法不但能确定反射体的位置，还能确定其方位，较单极纵波法有相当的优越性。

1.2 偶极横波远探测测井成像原理

为方便讨论反射体对辐射声场的反射，本文选垂直于反射体平面的波入射面作为参考面。当偶极指向位于入射面时，将在入射面内振动的纵波和横波定义为P波和SV波；当偶极指向平行于反射体走向时，将沿此方向偏振的横波定义为SH波。这样定义的好处是可以直接引用以入射面为参考的P波、SV波及SH波的反射理论和结果（如反射系数等）。根据文献［13］中的结果，可以写出SV波和SH波位移的远场渐近表达式［13］为

式中，R为源到接收点的距离；uR为R向质点位移，即为纵波的位移；uφ为平行于偶极声源指向的质点位移，即SH型横波；uθ为与垂直向夹角为θ的方向上的SV型横波。从式（1）可知，偶极辐射声场是具有方向（θ，φ）调制的球面波，这从声场的球面波几何扩散因子1／R可以看出。在波长小于反射体尺度的条件下，将反射体近似为一无穷大平面，对于以eiωR／v（v为波速）形式入射到平面上的球面波，其反射波的形式为［3］

式中，RF为反射系数（入射波为平面波时）；D为从源到反射点，再从反射点到接收点波的传播总距离。考虑到波在传播过程中的非弹性吸收（用品质因子Q表示），式（2）可进一步写为

当反射波从地层向井中入射时，随相对于井轴的入射角度的不同，充液井孔对波的振幅也有调制作用，称为井的接收角度调制［32］。调制后的声场从式（3）变为

式中，RC（θ1）为接收角度调制因子，θ1为入射角。事实上，接收因子与辐射因子有相同的函数关系。根据弹性波的互易原理，井中声源远场的辐射指向与其远处声场向井入射的接收方向因子相等［33］。

综上所述，把通过低频声源远场辐射［式（1）］、反射和非弹性传播衰减，以及受到井的接收调制后的P波、SV波及SH波的位移可写为

式中，RFP、RFSHRFSV分别为P波、SV波和SH 波的反射系数；θ和θ1分别为波从井中的出射角及反射回来后相对于井轴的入射角；Qα和Qβ分别为地层纵波和横波的品质因子；SH、P和SV分别表示偶极声源指向与反射体入射面垂直、共面时在井中得到的SH波、P波和SV波。

现在考虑在井中用2组正交的偶极发射和接收系统来接收这些入射波。一组系统的指向为x方向；另一组系统的指向为y方向。接收到的信号实际上就是把入射的位移矢量投影到x和y方向，得到的2个分量为

类似地，把x向声源换到y方向，同样可以得到y和x方向的2个接收分量为

对于P波，只需2个分量便可确定最大反射波（即声源正对反射体的情况）

而比较xxP和yyP2个分量的相对大小，便可确定反射体的方位角φ。

对于横波，需要把4个接收分量组合起来才能得到SH波和SV波为

在SV波很小或忽略不计的条件下［这种情况在反射体与井大致平行或者夹角较小时发生，见式（1）或式（5）］，横波的情况可以简化到与纵波相似的情况，即仅利用SH波便可以确定反射体的大小和方位。

以上的分析结果也指出了偶极声波存在的180°不确定性。在式（5）至式（11）中，将φ置换为φ＋180°将得到同样的结果。对于某一反射体来说，这意味着该方法不能确定该反射体是在井的右侧（φ＝0°），还是在井的左侧（φ＝180°）。换言之，偶极方法只能确定反射体的走向，而不能确定其倾向。但是，在很多地质问题中（如裂缝探测）得到地质体的走向也非常重要。

2 实例分析

声波测井时，相当一部分能量辐射到地层中去，声波被井旁地质界面或裂缝（裂隙）反射后，井中的测井仪器也会记录到反射声波的信号。虽然反射信号比沿井传播的声波要小很多（10－1～10－3的量级），但经过专门的数字信号处理，可以提取其中的微弱反射波信号并得到井旁反射体的位形［13］。

2.1 井旁裂缝带探测

图2 四分量交叉偶极横波与单分量纵波的井旁裂缝带成像结果对比图

图2为依据某井的四分量交叉偶极数据与单分量的纵波数据得到的井旁裂缝带成像结果对比图。其中对四分量交叉偶极数据分别在东西方向和南北方向2个方位分别进行了远探测成像处理。从图2中东西向远探测成像结果可以清楚地看到井旁存在明显的2个大型裂缝带，裂缝带距离井轴径向成像深度约8m。南北向的裂缝在图的上部隐约可见，而下部却完全看不见，这说明下部的裂缝走向为东西向，而上部的裂缝走向为北东东／南西西向，二者在图的中部错开，属于2条不同的裂缝带。这个例子充分说明了多分量偶极横波成像结果包含有方位信息，这对于后续的定向压裂和射孔具有至关重要的作用和意义。另外，通过对比四分量交叉偶极成像结果和单分量的单极纵波成像结果可以看出，前者成像效果明显优于后者，从单极纵波成像图中很难有效地拾取裂缝的清晰成像。但是，对比四分量交叉偶极和单极纵波的成像结果还是能从后者中辨认出裂缝的延伸趋势，这也为偶极横波远探测成像结果的可靠性和准确性提供了印证。

2.2 过井裂缝探测

图3给出了碳酸盐岩地层中某井偶极SH横波远探测成像结果与超声井壁成像结果的对比图，远探测成像数据为四分量交叉偶极数据。从图3（a）中可以清楚地看到与井孔斜交的一系列连续性较好的反射体，反射体的倾角约50°，径向成像深度有20m之多。图3（b）为一段超声井壁成像图，对应的深度位置如图3箭头所示。从超声井壁成像结果图上可以明显看出井壁附近存在大量的裂缝，但据此无法判定这些裂缝进入地层深部的延伸情况。通过拾取超声井壁裂缝，计算得到的裂缝倾角和上述SH横波远探测成像结果反射体倾角基本相同，这说明偶极SH横波远探测成像反射体就是井壁裂缝在地层中的延伸，这为过井的裂缝在地层中的横向延伸提供了解释手段。

图3 某井SH横波远探测成像结果与超声井壁成像结果对比图

2.3 探测成熟页岩地层中的排烃裂缝

声波远探测技术还可以探测井外页岩气储层的构造。当烃源岩在一定的温压条件下成熟时，液化或气化的烃化物在地层中产生很大的孔隙压力，致使岩石沿最大地层应力方向发生破裂（即排烃裂缝）。由于地层深处的地层应力往往是岩石的垂向负重造成的，所以这种裂缝一般垂向开裂。利用声波远探测技术，可以确定这种裂缝的形态和方位。图4给出了页岩储层中横波远探测排烃裂缝成像的实际例子。从图4中可以看到在成像结果中，存在若干垂向分布的反射体，其尺度大约在几米到十米左右，这正是以上分析所指出的烃源岩成熟区的排烃裂缝。值得一提的是，这些反射体在东西向的方位清晰可见（箭头所指位置），而在南北向却没有，说明裂缝的走向为东西向。探明了页岩地层中烃成熟的储层后，进一步的储层开采应沿与裂缝平面垂直的方向钻水平井，与层内大量的排烃裂缝贯通，以获得最大采收率。排烃岩裂缝走向的确定为下一步钻井的方位提供了依据。以上的例子说明了声波远探测技术在页岩气勘探的一个重要应用。

图4 页岩储层中排烃裂缝的横波远探测成像结果图

2.4 利用远探测横波反射成像技术识别隐蔽储层

图5是西部某井的横波远探测在南北和东西方向的成像结果图。在该井段所做的常规测井解释未发现有油气储层，但从远探测成像图中可以清晰的看出井旁20m范围内存在多处反射体，这些反射体在东西向和南北向的成像体构造形态很不相同。图5（a）南北向成像可见高倾角线状缝，图5（b）东西向成像断续型构造。综合其他数据判明这是该地区存在的缝洞型构造，试油后有高产工业油流出。

图5 西部某井的横波远探测在南北和东西方向的成像结果图

3 展望

将偶极横波用作远探测测井所具有的良好的辐射覆盖性、方位灵敏度和实际应用的有效性，有着巨大的应用前景。要充分挖掘这门技术的潜力，还须在理论研究、仪器研发、数据处理及成像方法等方面做进一步的工作。

仪器改进对提高远探测测量十分重要。现有的偶极横波远探测数据是常规的偶极或交叉偶极测井仪器采集的。这种仪器的研制并没有考虑远探测的需要，因而在发射功率、接收灵敏度、数据量化精度以及工作频率范围等有待按远探测的要求进一步优化。结合仪器的研发和改进，远探测的数据处理也有很多工作要做。在井中进行远探测的最大问题是来自地层深部的反射信号相对于沿井轴传播的直达波是一个十分微弱的信号，探测仪器和数据处理技术的改进可以有效地压制井中直达波，提取和增强地层反射信号，进一步提高远探测测井的有效性和测量范围。远探测成像的特点是通过一维的钻井轨迹上的密集测量对三维空间的物体进行成像。研究在复杂条件下远探测数据的快速成像处理可以很大地提高成像的精度和有效性；对成像结果的解释也有很多工作可做，例如，如何判别裂缝和地层、识别油气储层，需要什么样的理论、方法，可以和哪些其他测井数据综合使用等等，这些都有待于在实际应用过程中加以检验、认识、归纳和总结。展望声波远探测技术的应用前景，除了上述应用领域之外，其将会有以下2个方面重要应用。

3.1 套管井中的应用前景

偶极横波远探测技术在套管井中的研究和应用目前开展的还很少，在国外，Bradley等［7］报道了偶极横波远探测技术在北欧北海地区的套管井中探测井外天然气构造的应用。由于套管井的大量存在，研究套管井中的远探测技术对于油田的挖潜和改造十分必要。用一个套管井中偶极横波远探测成像的实例进行分析和解释。图6中第1道是某一快速地层的套管井中偶极横波测井的原始波形图，第2道显示了成像井段的深度，图6中显示的主要为沿井传播的弯曲波。声源辐射到井外，由地层中反射体反射回来的波的振幅一般很小，往往被淹没或隐藏于弯曲波之中。但是，通过成像处理，这些反射波可以被提取出来，并用于反射体的成像处理。处理结果如图6第3和第4道所示。由于偶极声源的指向性，采用四分量的测量数据（xx，xy，yx，yy；图6中第1道显示的是xx分量的数据），可以选择不同的辐射方向进行成像。第3和第4道的辐射方向分别是南北和东西方向。由6图中的成像结果可见，在×628m的深度左右，距井约10m处，存在一近乎于垂直的反射体（图6中红色椭圆所圈部分）。该反射体在南北方向上清晰可见，但在东西方向上的成像结果相对模糊，幅值较低。在垂直反射体所处深度之上，存在一个过井的倾斜反射体构造（黑色虚线所示），在这2个辐射方向上都可以看到，且清晰度相当。图6套管井远探测成像探到的井外反射体证实了套管井中进行远探测测井的可行性，同时还看到了成像结果具有偶极辐射所示的方向性。

图6 套管井中偶极横波远探测成像处理结果例子

3.2 更远的探测距离

偶极横波远探测是近年来发展起来的一个重要的石油地球物理测井技术。由于使用了相对单极声源更低的声源激发频率（约3kHz），及偶极声源本身所具有指向性，该技术解决了单极反射纵波存在的探测深度较浅及不能确定反射体方位的问题。然而，现今的声波测井仪器，无论是对于单极反射纵波成像，还是偶极横波远探测，大都没有考虑远探测测井的实际需要，因此，远探测技术一个最大问题就是来自地层深部的反射信号相对于沿井传播的直达波是一个十分微弱的信号，其振幅只有井中传播声波（称为直达波）的几十到几百分之一，甚至几千分之一。这种微弱信号往往被淹没在声波测井的数据噪声之中，难以测量和处理。这种测量的局限性极大地限制了现有远探测声波技术的广泛使用。为了突破上述远探测声波测井方法的局限性，进一步提高远探测测井的有效性和测量范围，必须考虑远探测的需要，对仪器进行改进和优化［35］。

图7是利用新近研发的低频偶极横波仪器测量数据得到的井旁反射体成像结果图。该仪器由于考虑到了远探测的需要，在发射功率、接收灵敏度、数据量化精度以及工作频率范围等方面做了进一步的优化。从图7的成像结果图可以看出，声波远探测技术的发展方向之一就是探测径向上更远距离的井旁地质构造体。相对于传统的利用常规偶极或交叉偶极测井仪器采集数据进行声波远探测，专用的声波远探测测井仪探测横向距离将更远，从图7中可以看到距离井孔70m范围内的倾斜裂缝和地层界面。这种仪器的成功应用可以极大地拓展测井技术对井旁地质构造的探测能力，为下一步更好地将测井、地震及地质结合起来提供技术支持。

图7 利用专门的低频偶极横波远探测测量数据得到的井旁反射体成像结果图

4 结论

（1）声波远探测测井技术经过多年来的研究和应用，已经有了长足的进展，从最初的单极反射纵波成像技术，发展到现在的偶极横波远探测技术，它把声波测井的探测距离扩大到井外几十米的范围，改变了测井界“一孔之见”的宿论。

（2）偶极横波的主要优点是偶极声源良好的低频辐射特性和方位灵敏度，相对于SV型横波而言，偶极声源产生的SH型横波，加上四分量的接收方式，具有全方位的辐射覆盖性，这是偶极横波远探测的重要基础。

（3）横波远探测成像技术能真实地反映井旁地质构造，不仅比单极纵波技术看得更远，而且成像结果包含方位信息。该技术能够有效探测过井的和井旁的裂缝（带）、探测井外页岩气储层的构造、识别井旁的隐蔽储层等地质构造。

（4）对现有偶极声源测井仪器按远探测的要求进行改造和优化，并改进和完善数据处理技术和成像方法，可进一步提高横波远探测技术的测量范围和有效性，使之在套管井中的油气挖潜和改造、井旁储层结构的精细描述、非常规油气储层构造的探测中看得更深更远，成为地下油气、矿产资源勘探的一门可靠的应用声学技术。

［1］ Hornby B E.Imaging of Near－borehole Structure Using Full－waveform Sonic Data［J］.Geophysics，1989，54（6）：747－757.

［2］ Chabot L，Henley D C，Brown R J，et al.Single－well Imaging Using the Full Waveform of an Acoustic Sonic［C］∥ 71st Ann.Internat.Mtg.Soc.Expl.Geophys.Expanded Abstracts，2001：420－423.

［3］ Yamamoto H，Watanabe S，Mikada H，et al.Fracture Imaging Using Borehole Acoustic Reflection Survey［C］∥Proceedings of the 4th SEGJ International Symposium，Tokyo，December，1998：375－382.

［4］ Tang X M，Glassman H，Patterson D，et al.Singlewell Acoustic Imaging in Anisotropic Formations［C］∥SEG／San Antonio Annual Meeting，2007：109－113.

［5］ Patterson D，Tang X M，Ratigan J.High－resolution Borehole Acoustic Imaging Through a Salt Dome［C］∥SEG，Annual Meeting，Extended Abstracts，2008：319－323.

［6］ Esmersoy C，Chang C，Kane M R，et al.Sonic Imaging：A Tool for High Resolution Reservoir Description［C］∥ SEG 67th Annual Meeting，Extended Abstracts，1997：250.

［7］ Bradley T，Patterson D，Tang X M.Applying a Throughcasing Acoustic Imaging Technique to Identify Gas Migration Paths in a Salt Body［J］.EAGE，2011，29（7）：75－84.

［8］ Al Rougha H A B，Sultan A，Haldorsen J，et al.Integration of Microelectrical and Sonic Reflection Imaging Around the Borehole－offshore UAE ［C］∥International Petroleum Technology Conference，Doha，Qatar，2005，Nov：21－23.

［9］ Coates R，Kane M，Chang C，et al.Single－well Sonic Imaging： High Definition Reservoir Cross－sections from Horizontal Wells［C］∥SPE65457，2000.

［10］ Li Y，Zhou R，Tang X M，et al.Single－well Imaging with Acoustic Reflection Survey at Mounds ［C］∥Oklahoma，USA，64th EAGE Conference ＆ Exhibition，Florence，Italy，2002，paper P141.

［11］ Tang X M.Imaging Near Borehole Structure Using Directional Acoustic Wave Measurement ［J］.Geophysics，2004，69（6）：1378－1386.

［12］ Zheng Y，Tang M X.Imaging Near－borehole Structure Using Acoustic Logging Data with Pre－stack F－K Migration［C］∥75th Annual International Meeting，SEG，Expanded Abstracts，2005：360－363.

［13］ Tang X M，Patterson D.Single－well S－wave Imaging Using Multi Component Dipole Acoustic Log Data［J］.Geophysics，2009，74（6）：211－223.

［14］ Tang X M，Tsili Wang.Method and Apparatus for Imaging Bed Boundaries Using Azimuthal Propagation Resistivity Measurements：US，7912648［P］.2011－3.

［15］ Schlumberger Geo－quest.Geoframe BARS User’s Guide［M］.Version 1.0.Kanagawa：Schlumberger K K，1998：1－6.

［16］ Fortin J P，Rehbinder N，Staron P.Reflection Imaging Around a Well with the EVA Full－waveform Tool［J］.The Log Analyst，1991，32（3）：271－278.

［17］ Pistre V，Kinoshita T，Endo T，et al.A Modular Wireline Sonic Tool for Measurements of 3D （Azimuthal，Radial，and Axial）Formation Acoustic Properties［C］∥ SPWLA 46th Annual Logging Symposium，New Orleans，Louisiana，United States，2005，June：26－29.

［18］王乃星，苏华，刘文明，等.声波全波列测井中反射波成像分析［J］.测井技术，1998，22（4）：278－283.

［19］薛梅.远探测声波反射波测井研究［D］.北京：中国石油大学，2002.

［20］车小花，乔文孝，阎相祯.相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用探讨［J］.测井技术，2004，28（2）：108－111.

［21］乔文孝，车小花，李刚，等.反射声波成像测井的物理模拟［J］.石油物探，2004，43（3）：294－297.

［22］李长文，余春昊，赵旭东，等.反射波信息在裂缝储层评价中的应用［J］.测井技术，2003，27（3）：198－202.

［23］宋立军，马俊，王克协.超长源距声反射波测井数值模拟与远井界面成像［J］.吉林大学学报：理学版，2004，42（4）：586－590.

［24］楚泽涵，徐凌堂，尹庆文，等.远探测反射波声波测井方法实验研究进展［J］.测井技术，2005，29（2）：98－101.

［25］何峰江.声反射成像测井仪器仿真及波形处理技术研究［D］.北京：中国石油大学，2005.

［26］陶果，何峰江，王兵，等.声反射成像测井在地层中的三维波场模拟方法研究［J］.中国科学D辑：地球科学，2008，38（增刊1）：166－173.

［27］柴细元，张文瑞，王贵清，等.远探测声波反射波成像测井技术在裂缝性储层评价中的应用［J］.测井技术，2009，33（6）：539－543.

［28］张承森，肖承文，刘兴礼，等.远探测声波测井在缝洞型碳酸盐岩储集层评价中的应用［J］.新疆石油地质，2011，32（3）：325－328.

［29］魏周拓.反射声波测井数值与物理模拟研究［D］.青岛：中国石油大学，2011.