声波遥测地层测试技术研究

杨 东，孙 辰，瞿 勇，王建宝，田祯龙，张开栓

（中国石油渤海钻探井下作业分公司，河北 任丘 062552）

随着我国经济的迅猛发展，石油资源的勘探和开采显得尤为重要。随着油气勘探开发的不断深入，钻井技术将逐步进入精细化、信息化和自动化时代，人们希望更加准确并实时地了解井下工作状况。井下随钻测量与信息技术是实现这一目标的关键，在生产井开采中，能够及时而准确的掌握井下压力、温度等重要参数，对准确探测地层、地质结构及油藏储量等有着非常重要的意义。将采集到的信息用何种方式传输到井上一直是随钻测井和生产井动态监测领域高度关注的问题。

井下信息传输方式可分为有线传输和无线传输。有线传输有电缆传输、光纤传输和智能钻杆传输。但是该方法最大的缺点是必须在停工之后才能将测井仪器通过电缆下放到井底，一年内要进行多次测试，耗资巨大，且经常由于电缆与油井套管之间的摩擦、碰撞出现断线而使测量失败。存在成本过高、结构连接复杂和通用性较差等问题。无线传输包括泥浆脉冲、电磁波和声波。其中泥浆脉冲传输是目前广泛应用的一种随钻测量传输方式。传输的优点是不需要特殊钻杆和绝缘电缆，而是用钻井液作为动力，在钻井的同时实时地将井下数据传输到地面，缺点是数据传输速率较低，而且对井下液有依赖性。电磁波传输主要是通过地层介质来传输的，井下仪器将测量到的数据加载到载波信号上，由电磁波发射器向四周发射，然后通过地面检波器将检测到的信号进行解调、计算等最终获得井下信息。由于电磁波易受井场电气设备和地层电阻率的影响，使探测信号变得非常困难。随着测量数据量的不断增加，泥浆脉冲传输、电磁波传输都很难适应随钻大量数据传输的需求。因此开发新的随钻数据传输技术迫在眉睫，许多科研工作者致力于研究无线传输方式——声波传输。该传输方式是利用声波作为载波信号将井下信息传输至地面的无线传输技术，亦可以将地面信号传送到井下，实现地面与井下的双向通信。声波传输能显著提高数据传输速率，使无线随钻数据传输率达到100bit/s，提高了随钻测井技术，节约成本，带来了很大的经济效益。基于声波的无线传输技术是一种被看好的技术，有望获得更高的数据传输速率，并受外界影响因素更小。为此，多年来国内外许多公司、许多科研工作者致力于声波传输技术的研究。本课题就是基于这样一个石油工业生产的实际需要提出来的。因此，研究声波传输技术在遥测地层测试技术研究。

1 地层测试声波遥测原理

声波信号在传输的过程中，存在非弹性碰撞和波形转换等效应，造成声波能量损耗和衰减，声波在传输到一定距离后声强会变得极其微弱，一般的声学接收系统受制造工艺限制，本身产生不了响应，无法实现地面和井下仪器交互。本论文提出了一种声波接力传输的技术，在管柱中间，间隔一定距离安置一个中继接收器，负责信号的校正和传输。中继传输技术避免了信号的衰减，较好地实现了声波信号在井下的实时传输，保证了地面仪器与井下仪器的实时交互通信。这套声波传输系统可以直接安装在测试管柱上，可以在封隔器的上部或下部，操纵滑套开关，与地面半双工通信，实现配合地层测试的目的。地层测试声波中继遥测示意图，如图1所示。

图1 声波中继示意图

地层测试时，根据声波在油管柱中传播的梳状特性，预先将地层测试仪器的操作指令赋予一定的声波频率，井下地层测试仪器与地面控制设备之间通信采用令牌标识的方式，每一次通信称为一次会话。一定频带范围的声波包含既定的井下测试仪器操作指令和令牌标识。一次会话活动，采用广播通信，只有取得令牌的仪器才能进行信号的发送或接收，否则就将其丢弃。管柱中间的声波中继器只起到信息传输和信号频谱校正的作用，规定其功能只能进行信号的接收、恢复和传送。

整套地层测试系统采用广播通信协议，每一次对话，信息中都含有地层测试仪的令牌和指令，每一个接收仪器，将接收到的信息中的令牌与本身含有的令牌进行比较，将信息接收，按接收的信息中的指令进行自身的动作。地层测试仪动作完成后，发出完成信息，产生声波激励，通过管柱上的中继器传送到地面控制设备，地面控制设备采用中断方式应答地层测试仪发出的激励响应，完成一次地层油气测试。

2 井下遥测系统声场特征

如果将管柱上的声波发声体看作一个点源发声体，点源与它周围的介质会组成一个复杂井下声场系。发声体产生激励后，声波会转换成不同类型的波：反射波、透射波、沿着钻井液传播的直达泥浆波，沿着管柱传播的直达柱波和沿着地层传播的滑行波，如图2所示。

图2 井下声场系

实际地层测试中有用的只有直达柱波，其它类型的波只能作为噪声进行压制，而且波在不同的传输介质中传播时，频率丢失，导致中继器最终接收的波能量会有损失。受仪器制造最小分辨率的限制，中继器只能接收一定阈值的波，衰减后声波能量低于阈值的波，便不会被接收，最终会影响到井下测试仪器的动作。声波频率越高，声波衰减越严重，导致声波从激励到响应，信号频带向低频段偏移，高频丢失，如图3所示。

图3 声波衰减频域图

由图3 看出，声波信号传播一定距离后，高频部分发生了衰减，衰减后的信号幅度明显小于衰减前的信号幅度，波形会产生畸变。使用不进行矫正的声波激励，错误的频率激励地层测试仪器时将可能产生错误的响应。因此，下一级信号源在响应信号之前，首先要对信号频谱畸变校正和保幅处理[4]。只有经过校正后的声波信号，恢复了原始频率，能量达到仪器响应阈值，才能激励下一级信号源和对应的地层测试仪器。

3 声波调频保幅处理

进行地层测试中，我们实际应用沿管住传播的直达柱波，其它波系作为噪声进行屏蔽。在实际中，只要合理优化接收体和发声体之间距离，接收体就能首先接收到发声体沿管住传播的直达柱波，可以避免其它波系的干扰，因此实际中只要能够恢复接收的直达柱波的频率和增加相应下的声波能量就可以了。声波激励信号在沿管住传播的过程中，信号衰减影响因素复杂，当前还没有一种简单的理论将声波在井下的影响因素研究透彻。本论文在综合比较多种能量补偿方法的基础上，采用RalfFerber，WesternGeco 提出了一种能够对声波衰减吸收作用做模拟和补偿的数字滤波技术[5-6]。这种技术可以处理声波衰减因子随时间随机变化的情况，高频和能量补偿精确，容易恢复频率和校正频谱。最终采用公式（1）、式（2）完成信号频谱能量补偿，恢复发射声波主频。

式中：AR(f)——振幅谱；

φR(f)——相位谱；

f——声波瞬时频率；

fc——截止频率；

Q(t)——时变衰减因子。

预先在中继器中植入式（1）、式（3）衰减补偿程序后，中继器便会一级接一级地对发生源信号进行频谱补偿和波形校正，最终由地面操作仪器和地层测试仪器接收，做出正确的响应，完成一次地面处理设备和井下测试仪器的半双工通信，直至完成整个地层测试过程。

4 现场应用

分别在西部油田两口井进行无线声波遥测DSP地层测试技术施工。两口井测试仪器与地面双向通信，均实现实时监测和过程控制。井X1-Y1 是一口注水井，在2012年实现了转注。注水段3557～3573m，油层厚度为16m，注水层为32，渗透率12mD，孔隙度为0.109。井1 测试过程中，地面实时监测井下每个阀的工作状态。井X2-Y2 是一口采油井，2009 年压裂投产，井深3000m，渗透率为10mD，孔隙度0.110，测试层为4。分别在2014 年进行了一次压力降落、恢复测试和流体采样。井下流体采样器通过声学信号分别驱动采样器开关。触发采样器利用极高的时间精度，保证了对井下流体采样成功。通过无线遥测工艺对井下测试工具状态的地面实时验证，声波激发井下测试工具和地面双向交互，保证了井X1-Y1 测试成功，平均比传统测试工艺节省工时26h。

5 结论

与传统的DSP 相比，声波遥测技术能够使测试人员在DSP 测试过程中实时做出准确的判断，降低测试时间，实现高效的测试目标。声波在井下沿管住传输过程中，高频丢失，影响频率的稳定性。为保证声波传输过程中信号频率的稳定性和振幅一致性，通过在管柱体加入中继站，进行声波频谱校正和能量恢复，避免了错误响应，使测试人员与储层对话具有了新方式。