过套管声波测井技术新进展

唐晓明, 苏远大, 张博

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

0 引 言

过套管测井在石油勘探和开发中占有相当重要的地位。对已有油田的挖潜改造、勘探及工程开发,都需要进行过套管测井[1]。过套管测井是一个世界性的难题。一方面,全世界各油田中有大量的套管井需要测井;另一方面,又由于测井质量不能保障或得不到有用的地层信息而放弃测井作业。为解决这一重要难题,测井界多年来做了不懈的努力。过套管电阻率测井技术已经取得突破,成为一门有效的商业化应用技术[2-5]。但是,在声波测井领域,过套管测井的有效性问题,特别是在套管与地层胶结不好的情况下,没有得到根本性的解决,全球各大油田服务公司迄今没有推出普适有效的过套管声波测井技术。

造成过套管声波测井失效的主要原因是套管与地层胶结不好时产生的套管波对地层声波信号的干扰,情况严重时(如自由套管情况),测井数据完全被套管波覆盖,难以提取地层信号。人们研究了各种方法[6-8]用于套管井的声波数据处理。2015年唐晓明等[9-10]提出利用套管波与地层声波的干涉方法,可以在一定条件下有效提取有管波干扰时的地层信息。但是,无论何种方法,其应用的前提是测井数据中地层声波要有一定的信噪比。不满足这一前提,再好的方法也无效。解决过套管声波测井难题的关键是从数据采集着手,从根本上提高地层声波的信噪比。这正是本文要介绍的双源反激声波测井技术的核心所在。

理论上,过套管井测井时的地层声波信号,无论套管与地层的胶结情况如何始终是存在的[11-12]。现代声波仪器都是数字化采样,如果在量化采样的模数转换器中的信号增益由波幅很大的套管波所控制,那么振幅很低的地层波只能在转换器中狭小的位数范围内被量化,这样采集的地层声波的信噪比必然很低,不能满足测量的要求。采用本文提出的双源反激技术,旨在从数据采集的源头上压制套管波,提升地层波,使后者获得较高的采样精度,从而提高信噪比,为后续的数据处理和地层声速提取打下可靠的基础。

1 工作原理

图1所示套管井声波测井模型可用来说明双源延时反向激励声波测井技术(简称双源反激技术)的工作原理和方法[13]。模型中测井仪器居中,从内向外依次是井眼泥浆、套管、微环(内充流体可以用来模拟套管胶结不好的情况)、水泥和地层。声波仪器上置有2个间距为D的发射声源,分别是远发射Tf和近发射Tn;I为仪器隔声体;R1,…,RN为仪器接收阵列。测井时,Tf首先激发,发射声幅为C1;Tn在延迟一段时间τ之后激发,发射极性与Tf反向,激发的声幅为C2。该双源系统的发射时序见图1(b)。通过调节仪器中声源激励电路选择合适的参数C1、C2及τ,使得Tf和Tn所激发的套管波在仪器中接收阵列的位置上相互抵消。

图1 过套管双源反激声波测井工作原理示意图

图1所示模型中,双源系统在仪器接收阵列中产生的声压为[14]

(1)

式中,t为时间;z为接收距离;A(k,ω)为整个模型系统(包括仪器、泥浆、套管、地层等)的格林函数,即该系统的声学响应函数,为频率(ω)和波数(k)的二维复函数谱。式(1)中假定双源用相同的声源信号激励,信号频谱为S(ω);远、近源具有各自的激发振幅C1和C2。调节仪器的激发电路,使延迟时间τ等于波速为vt的套管波在双源之间的传播时间

(2)

同时调节双源发射的声幅比C2/C1,使之接近于1。双源发射参数的调节,相当在式(1)有关的频率波数(ω-k)域中嵌入了一个带阻滤波函数

(3)

由于带阻滤波的作用,当式(1)中的响应函数A(k,ω)中含有k=ω/vt的波数成分的波(如胶结不好时激发出的套管波)时,这种成分将会被压制甚至抵消。来自地层的声波信号其传播速度大都低于套管波速vt,因而得到保留。根据图1模型的理论计算证明,这种双源延时反向激励的设计,在理想情况下可以比较彻底地消除接收波列中的套管波成分,并获得纯净的地层声波信号[14]。

图2 远源激发650 μs后单源和双源情况下的波场快照(前者中的套管波在后者中得到有效压制)

为直观地展示双源反激对套管波的压制效果,采用有限差分方法模拟了单、双源激发时套管波的传播形态。将内、外直径分别为0.18 m和0.20 m的钢套管置于水中,采用中心频率为8 kHz的声源函数激发。双源激发模拟中,远、近激发源的距离为0.15 m;单源激发时,采用远源发射。图2显示了远源激发650 μs后单源和双源情况下的波场快照。单源快照中显示了沿套管传播、幅度很强的套管波;双源快照中,在跨过近源的距离上,套管波幅度陡然降低,并逐渐消失。数值模拟的结果清晰地显示了双源延时反向激励的方法对套管波的压制作用。

图3 实验室测量波形对比图

2 原理的实验验证及工程实现

将上述的双源反激工作原理应用于实际的测井仪器,将面临诸多工程工艺和测井中的实际问题。首先,实际仪器上的远、近双源很难做到完全一致;即使做到了这一点,双源所在位置及测井中工作载荷的差异,使得二者的激发信号会存在差别。再者,波在传播中产生的衰减、频散及其他因素的影响,使得按单一套管波速设计的带阻滤波器[见式(3)]不能彻底消除套管波。这些问题的存在,会影响双源反激技术的应用效果。鉴于理论和实际之间存在的差别,有必要验证该理论在实际测量中的可行性,为此进行了实验验证。按图1中的模型,制作了与现场井眼10∶1的模型井。在10倍于测井现场的100 kHz的频率范围内进行了实验(模型井与实验测量详见参考文献[14])。

图3是模型井测量结果。图3(a)是单源Tf发射时模型井中源距为0.15～0.2 m范围内的阵列声波波形图,接收器的间距是0.01 m。图3(a)中所示的波列几乎全是套管波(该波在阵列中的波至由标识为T的虚线给出)。图3(b)中显示的是采用双源反激后的阵列波形,套管波的声幅被压制到先前的0.12倍。波至标识为P的后续波列是图3(a)中被套管波掩盖了的地层纵波。将图3(b)的波形与裸眼井的阵列波形在图3(c)中加以比较,可见双源反激所测地层纵波与裸眼井的地层纵波吻合很好。这就清楚地表明,通过双源反激压制套管波,可以较好地测量地层声波信号。这一实验结果,从实际测量的角度验证了双源反激理论在工程应用上的可行性,为仪器制作和工程实现打下了良好的基础。

需要指出的是,由于前述中提到的实际测量中的诸多问题,很难将套管波完全压制(实验中将套管波压制了90%左右,而不是理论上的100%)。这意味着实际的双源反激声波测井数据中还会有残存的套管波,其相干性仍十分强[14]。但是,采用双源反激技术,过套管声波测井的根本性问题,即地层声波的信噪比问题,相对于常规单源技术[见图3(a)],已得到本质上的改进[见图3(b)]。对于信噪比增强后的声波数据做进一步的处理(如采用唐晓明等[9]提出的干涉处理技术),可以进一步压制残余套管波,从而有效提取地层声速。

上述基本理论、数值模拟和实验验证奠定了双源反激技术的可靠基础,在此基础上研发了一种双源激励的过套管井声波测井仪器样机,应用于实际套管井中测试,进一步验证该技术的应用效果。图4展示了该双源反激结构的声波测井实验样机。

该仪器核心技术是声源发射的双源延时反向激励方式。图5给出了双源反激电路的系统框图。在采集电路Fire同步信号的触发下,发射电路DSP通过并口DAC1和DAC2产生2路低压发射信号,经滤波后分别由功率放大电路进行放大,产生2路高压激励脉冲[见图1(b)],对发射换能器Tf和Tn分别进行激励。值得注意的是,DC/DC单元产生的发射高压电源在发射瞬间需要很大的功率,因此需要高压大容量的储能电容。在此基础上,调整DAC输出发射低压信号的幅度、频率、延时时间和极性,可以对高压输出的幅度、频率、延时、极性进行控制,达到双源反向激励的目的。

图4 双源反向激励过套管声波测井实验样机(左下方是双源激励电路的实物图)

图5 双源反向激励结构电路框图

3 测井效果验证

用研制的双源反激声波测井仪进行了过套管测井试验。试验井是深度为1 400、1 700 m某老油田的约30年的套管井。由于套管井胶结质量差,常规声波测井无法获得地层声速信息。该套管井胶结不好的情况及常规测井的结果为新技术测井效果的验证提供了参照和依据。

为了对比常规套管井测量的结果,在双源反激测井的同时也进行了单源数据的采集。这很容易做到,只需在测井中采用远发射Tf即可(见图6)。图6(a)左边显示了单源测井第1接收器数据的变密度图,数据的前半部分(1 200 μs以内)几乎全是直线条状的套管波,看不到地层波的存在。由阵列波形数据得到的时间慢度(STC)相干图显示了自上而下相干性很强的直条带,对应的时差(即慢度)约为190 μs/m,为套管波的慢度。在220～600 μs/m的范围内有一相干性极弱的变化条带,为几乎被套管波屏蔽了的地层波信号,其时差很难准确提取。以单源结果作为对比,采用双源反激的测井数据(图6(b)左边为第1接收器数据)中,套管波被压制。尽管压制不彻底,变密度背景上套管波还隐约可见,但地层波随深度的变化已清晰可见,说明其信噪比获得了很大的提高。对阵列数据进行处理[9],得到的时差相干图见图6(b)右边,可以很明显地看出地层时差随深度的变化。地层波的相干性很好,很容易提取地层时差。将提取的地层波时差曲线放置于图6(a)右图,可见该曲线与图中(微弱的)地层波相干信号重合,说明常规单源技术难以测量的地层信号通过双源技术被有效提取出来。测井结果表明,这一过套管声波测井新技术在实际应用中获得了成功。

图6 双源反向激励过套管声波测井仪器现场测量、处理结果

4 结 论

(1) 过套管声波测井在全世界各油田中是一项亟待解决的普遍性难题。解决这一难题的关键在于从数据采集着手压制套管波,提高地层信号的信噪比。为此研制了采用双源反激的过套管声波测井技术。

(2) 针对这一技术进行了理论模拟、实验验证、仪器制作;研发了相应的数据处理方法。

(3) 实际测井结果证明了这一技术的可行性和有效性。这一技术的成功可以使过套管声波测井成为一门常规性的有效应用技术。

致谢:感谢中国电子科技集团公司第22研究所在仪器制作和实验过程中的大力支持，感谢中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司配合了现场测试并提供了井况信息。感谢庄春喜、李盛清、李振、谭宝海、张凯、陈雪莲、李刚、许松等为本文所做的基础工作。

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