庄春喜, 燕菲, 孙志峰, 刘西恩, 唐晓明, 苏远大

(1.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 266580; 2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部, 北京 101149)

0 引 言

近年来,声波远探测测井技术已成为石油勘探地球物理中的新研究热点之一。该技术能够对井旁地质构造进行准确成像定位[1-10],将测井径向探测深度从井壁附近扩展至数米乃至数十米范围外,为油气藏构造描述及油田的勘探开发提供了有力的技术支持。国际上,Schlumberger公司1998年研制出BARS(Borehole Acoustic Reflective Survey)[11]仪器之后,2006年又推出了含有改进的声反射成像功能的新仪器Sonic Scanner[12];2004年,Tang X M[10]把偶极子用于单井反射声波测井中,并提出了利用偶极横波进行远探测声波成像的方法。Baker Hughes公司开发出了基于XMACII仪器的声反射成像处理软件[13]。2009年,Tang X M[10]等利用四分量偶极数据对井旁裂缝和盐丘内部构造进行了成像,取得了显著的应用效果。在中国,薛梅[14]、乔文孝等[15],楚泽涵等[16],何峰江[17],陶果等[18]针对单极声源条件下的反射声波,开展了大量的研究工作。2005年中国石油渤海钻探工程有限公司测井分公司的新型远探测声波反射波测井仪器研制成功,并取得了一定的应用效果。2011年,唐晓明等[19]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年唐晓明和魏周拓[20-21]对新近发展的偶极横波远探测测井技术从基本原理、理论方法、现场应用到发展方向做了深入的分析和讨论。总而言之,与单极子反射纵波成像相比,偶极横波远探测的径向探测深度更深,而且由于偶极子声源具有方向性,采用多分量的偶极发射和接收,还可以确定井旁反射体的方位。值得指出的是,目前偶极横波远探测数据处理都是基于现有正交偶极声波仪器的测量条件下实现,大大提高了交叉偶极测井数据的使用率。

本文从偶极横波远探测基本原理出发,结合现有的阵列声波数据结构和现场实际需求,开发出了偶极横波远探测测井处理技术,形成了一套快速有效的偶极横波远探测测井成像处理流程。实际数据处理和分析表明,该技术处理操作简单,过程布局流畅,处理速度快,能够满足现场数据处理的需要。

1 偶极横波远探测的基本原理

1.1 基本方法和理论

偶极横波测井过程中,井中偶极声源工作时除了产生沿井壁传播的弯曲波之外,同时还向井外地层辐射出弹性波。这些弹性波包括纵(P)波、在竖直(SV)和水平面(SH)内偏振的2种横波。图1为利用正交偶极声波测井仪进行远探测反射波测量的示意图。井中远探测声场的模拟是一个复杂的理论问题,因为井中接收到的声场受多种因素的影响,包括井中声源向井外地层的辐射[22]、声场在地层中的反射、及井对反射波的调制[23]等,考虑这些影响因素以及波在传播路径上的传播效应,可以给出井中的接收到远探测声波,其在频率域内的表达形式为

RWV(ω)=S(ω)·RD(ω)·RF(ω)·RC(ω)·
ei ω D(1+i/2Qβ)/β/D

(1)

式中,RWV为井中接收到的远探测声波频谱;S为声源频谱;RD为声场辐射因子;RC为井对反射声场的接收因子(即接收响应);RF为波在地层反射体处的反射系数。这些因子都可以随圆频率ω变化,除以上因素外,波场还受传播效应的影响。影响之一为波在传播路径上的几何扩散1/D,其中D为从声源到反射体,再从反射体到井中接收器的总传播距离;其二是波在传播路径上的非弹性衰减exp(-ωD/2Qββ),其中Qβ和β分别为横波的品质因子和波速。

图1 用四分量偶极测井仪进行横波成像示意图

从式(1)可见,在一定声源辐射RD和接收条件RC下(两者满足互易原理),如果记录到的波形时间长度大于T,且反射波信号大于噪声信号,那么就可以从偶极数据中提取反射波信号,并对井旁的反射体进行成像和追踪。

单极子声源无法对井旁反射体的方位进行识别,而偶极声源及接收器系统具有一个非常有用的特征,那就是它的方位指向性和垂向覆盖性。图2所示为充液井孔中偶极声源的SH和SV波的辐射指向性。对于声源频率为200 Hz的低频情况,图2(a)给出了快速地层中SH和SV横波的远场辐射指向性,竖直方向代表充液井孔。图2(a)中外部和内部的实线分别表示利用低频近似法得到的SH及SV横波的远场辐射指向性。可以看出,SH横波在竖直平面内均匀辐射,呈圆形,而SV横波的辐射呈现上下对称的2个圆,且在水平方向存在零点;此外,SH横波的幅度恒大于SV横波。综上可知SH较SV对井外不同倾角的反射体具有更好的辐射覆盖性。这种低频条件下的偶极辐射指向性与单力源在无限大弹性介质中的情形相似,说明低频时,井孔对辐射声场几乎没有影响,但是随着频率增加,波长变短,井孔对辐射场的调制作用变得重要起来。图2(b)给出了声源频率为3 000 Hz时,快速地层中SH和SV横波的远场辐射指向性,计算所用频率在常规偶极测井的频率范围内。这时低频近似解所需的条件不再满足。图2(b)中的实线和虚线表示计算得到的SH和SV横波分别在竖直的yoz和xoz平面内的辐射指向性。与图2(a)低频的情况相比,图2(b)测井频率内SH和SV横波辐射波幅大大增加,辐射指向,特别是SH的指向,向水平面方向显著增强,说明此时探测与井平行或大致平行的反射体,比探测与井斜交的反射体更为有利。

若取辐射方向与y轴的夹角为φ,

则SH波和

图2 充液井孔中偶极声源的SH和SV波的辐射指向性(径向刻度为波幅,圆周标注了φ角的大小)

SV波波幅随方位变化为cosφ和sinφ。根据SH波和SV波的方位变化规律,可以采用在井中用2组正交的偶极发射和接收系统来接收SH和SV反射波。一组系统的指向为x向;另一组系统的指向为y向。接收到的信号实际上就是把入射的SH和SV波位移矢量投影到x和y方向,得到2个接收分量

(2)

式中,xx和xy分别为同向和交叉接收分量。类似地,把x向声源换到y方向,由此得到另2个接收分量

(3)

把4个接收分量组合起来,就可以得到SH和SV波

(4)

由式(4)可知,无论偶极的指向和接收方向如何变化,都能够从式(4)中确定SH和SV反射波,偏移成像得到井旁反射体的空间位置。

1.2 地质反射体方位的确定方法

偶极横波远探测测井的另外一个重要方面就是确定井旁反射体的走向。但是在正交偶极的测量过程中,必须考虑测井仪器在声波测量中的不断旋转。随着仪器旋转,声源指向相对于反射体的方位角φ也随之改变,从而影响反射波的振幅。所以在记录偶极波形数据的同时,测井仪器在每个位置处相对于固定方向的仪器方位AZ被记录,以下简要说明通过使用坐标变换把式(2)至式(4)的分量数据转换为固定坐标下的分量数据,从而得到反射体方位信息(见图3)。

图3 使用四分量正交偶极测井仪采集倾斜反射体SH和SV反射波

在图3中考虑固定的矩形X-Y直角坐标系(事实上,可以把X和Y方向分别指定为地理的正北方和正西方)。X轴与反射体走向成α角。X轴与仪器坐标x轴之间角度为测井时记录的仪器方位AZ,所以可以建立角度关系为

α=AZ+φ

(5)

通过式(5),将固定坐标的分量数据转换x-y坐标到X-Y坐标。用矩阵表示为

(6)

在固定坐标中,反射体方位α是固定的。尽管仪器方位在测量过程中会不断发生变化,但式(6)中固定坐标系下的四分量数据相对于反射体保持不变。从而,在固定坐标系中使用四分量数据,即可估算出实际反射体方位α0。如上所述,当反射体走向与偶极振动方向一致时,这个方位就是实际井旁的反射体走向,此时交叉分量数据消失(即,式(6)方阵的对角化)。根据式(6),可以得到相对于固定坐标系下任意方位α下的新的交叉分量数据

XY′=(XX-YY)cosαsinα+XYcos2α-YXsin2α

YX′=(XX-YY)cosαsinα+YXcos2α-XYsin2α

(7)

当正交分量数据消失时,就能确定反射体实际走向(α=α0)。交叉分量能量或反演目标函数可由采样时间长度T和深度范围Z内交叉分量的点积构建

E(α)=[YX′,YX′]=

(8)

为了使交叉分量达到最小,通过求解式(9),即可得到对应的反射体走向α0

(9)

应用式(9)于式(8),可以得到一个直接从分量数据计算α0的解析公式,具体为

(10)

可以看出在0～180 °范围内,式(8)的α0有4个解。2个代表式(8)的最大值,应被排除。另外2个相差90 °,他们的差异反映了SH和SV波差异的大小和方位敏感性。

2 偶极横波远探测测井成像资料的处理流程

图4给出了偶极横波远探测测井成像处理流程图,这里将其分为4个处理步骤。

第1步,数据加载。加载的数据可以是四分量交叉偶极数据(xx,xy,yx,yy),2个(xx和yy)或者是单个同向分量(xx或yy)的数据,也可以是常规的单极阵列数据。图5所示第1道是单分量偶极原始波形数据的变密度图。可以看出,原始波形中主要包含了沿井传播的弯曲波,无法直观地从原始波形中观察到反射波信息。要强调的是,对于单分量波形数据的成像结果不包含方位信息,并且反射体成像会出现断续的情况;2个同向的双分量波形数据虽不包含方位信息,但可以消除或改善反射体成像的断续情况;而四分量波形数据可以对井周任意方位进行成像,观测到的反射体具有较好的连续性。正如1.2小节所述,数据加载中还需要提供仪器方位曲线AZ,主要目的是将原始波形数据由仪器坐标系转换到大地固定坐标系,以校正仪器旋转对成像结果的影响,为下一步确定反射体方位。

第2步,预处理。现场原始波形数据质量往往无法满足成像的需要。从图5的第1道原始波形可以看出,其波形数据周期多、后续反射波幅度小、反射波信噪低。首先,针对不同振型的波形,进行滤波处理,在频率域中去除一些低频、高频和噪声;然后,针对弯曲波持续周期较长的特征,对其进行压振处理,以达到减少波形周期、增强后续波、压制干扰波的目的。图5第2道为压振处理之后的单分量阵列波形变密度图,从图5中可以看出周期繁多、能量分散的原始波形在预处理后波形明显周期减少,能量分布集中。对沿井传播的直达弯曲波压制明显。需要强调的是,对于偶极横波远探测来说,针对多个周期的弯曲波进行的压振处理,是偶极横波远探测处理中关键一步。

图4 偶极横波远探测测井成像处理流程图

第3步,成像处理。包含2个主要步骤:波场分离和偏移成像。针对上述压振之后的波形进行反射波的上下行波场分离,用以分离直达波和反射波,在对反射波进行上下行分离。针对不同的波列特征,可采用中值滤波、自适应滤波或F-K滤波等各种波场分离方法,以达到压制井中的直达波,增强反射波信噪比的目的;之后,针对上下行反射波,对其进行类似于地震成像处理的反射波偏移成像,不同的是本文所采用的成像处理方法在处理效率上有大幅度的提高,能够大大缩短成像处理时间,提高野外数据处理效率。该处理流程中,主要使用了3种偏移成像方法:叠前偏移、叠后偏移和近平偏移。叠前偏移和叠后偏移适用于低倾角或倾角适中的反射体;而对于水平井或者反射体与井大体平行的情况,则选择近平偏移。在偏移成像之前,通常会对反射波波形数据进行共中心点(CMP)道集叠加处理,以压制干扰波,增强有效波,优化成像结果。

第4步,成像过滤或者成像后处理。实际波形数据往往是反射波信噪比较低、易受干扰,即便是通过了上述3个步骤的处理得到了成像结果,往往成像结果中会掺杂一些噪声信号,对于后续的远探测成像解释提出了极大地挑战。为此,需要对成像结果进行进一步的过滤处理(数值图像处理技术),以达到压制干扰噪声、突显有效反射体的目的,成像结果过滤处理包括去掉平行于井轴的垂向干扰和垂直于井轴的横向干扰。图5第3道为成像处理后的结果,可以看出,井眼和反射体周围存在不同程度的噪声干扰,经过成像过滤处理之后,即可得到图5第4道所示的过滤处理结果,成像效果更整洁、清晰。

3 应用效果分析

图6为砂泥岩地层偶极横波远探测测井成像结果与超声井壁测井成像结果对比图。远探测成像数据为四分量交叉偶极数据,图6中仅显示了东西方向和南北方向2个成像方位的处理结果。从图6中南北向远探测成像结果可以清楚地看到井旁存在不同倾角的反射体,并且反射体的连续性较好,该井段是中速地层,径向成像深度为25 m。对比图6中东西向和南北向成像结果,可以看到南北向成像的信号幅度要大于东西向成像的信号幅度,说明反射体位于北北东—南南西方向,有些反射体只能在南北向看到而东西向却没有,说明反射体正南正北走向。图6中最右侧为箭头所示深度段的超声井壁成像图(2 238～2 243 m和2 264～2 272 m),从超声井壁成像图上可以看出,井壁附近存在大量不同倾角的裂缝,并且大部分裂缝的倾向为南北方向,通过对比可以确定远探测的成像反射体即为斜交井眼的裂缝,从而将超声井壁得到的裂缝与延伸进入地层的裂缝联系了起来,其径向延伸范围最大可达25 m。通过对比发现,远探测成像结果与超声井壁成像结果的解释吻合。

图6 砂泥岩地层偶极横波远探测测井成像结果与超声井壁测井成像结果对比图

图7为碳酸盐岩地层横波远探测测井成像结果。图7中第1道是原始偶极波形变密度图,第2道是成像结果图。成像数据为交叉偶极xx方向数据(测井只记录了xx方向数据),故图7中反射体的方位无法确定,并且如果仪器旋转则会出现成像反射体断续的情况。从图7中可以清晰地看到井旁地层内大量过井的反射体,这些反射体都具有良好的过井延续性,见图7中红色箭头所示。另外,蓝色箭头所示为角度较低的反射体,仍然能够得到清晰的成像结果。结合其他测井资料分析结果,该井井斜基本为零,经计算图7中高角度反射体的倾角为46 °左右,过井的反射体为地层内高角度裂缝带。

图7 碳酸盐岩地层远探横波测测井成像结果

图8是西部某井井旁缝洞型构造的偶极横波远探测测井成像图。从图8中可以清晰的看出,井旁25 m范围内存在多处反射体,这些反射体在东西和南北方向成像的构造形态很不相同。图8的上部构造多呈线型,且多分布于南北向,图8的下部构造多为弧形,且多分布于东西向,根据1.1小节和1.2小节分析可知,线型构造与弧形构造的走向几近正交。结合其他资料分析结果,综合判断该层段的反射体为碳酸盐岩地层的缝洞型构造,并且该井试油资料显示该井段有高产工业油流产出。

图8 西部某井井旁缝洞型构造的偶极横波远探测测井成像图

4 结 论

(1) 偶极横波远探测资料处理中,SH或SV横波提供了使用偶极声波测井仪进行反射波成像的基础。它不仅可以得到井旁反射体的空间位置,也可以通过四分量数据旋转,反演得到井旁反射体的走向。

(2) 大量现场数据的处理与检验表明,该方法技术可靠,处理高效,结果合理,能够满足现场数据处理的需要。该技术能够有效探测特殊储层中的地质构造,例如地层中的裂缝带和碳酸盐岩地层的缝洞型构造等,可为井旁储层结构的精细探测提供技术支持和依据。

(3) 偶极横波远探测测井成像处理技术能够真实反映井旁地质构造,较传统的单极纵波技术看得更远,而且成像结果包含方位信息。

参考文献:

[1] Hornby B E. Imaging of Near-boreholeStructure 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]∥ the 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. Single-well 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: 278.

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

[8] Li Y, Zhou R, Tang X, et al. Single-well Imaging with Acoustic Reflection Survey at Mounds [C]∥ Oklahoma, USA, the 64th EAGE Conference & Exhibition, Florence, Italy, 2002, paper P: 141.

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

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

[11] Schlumberger Geo-quest. Geoframe BARS User’s Guide [R]. Kanagawa: Schlumberger K K, 1998: 1-6.

[12] 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]∥ the SPWLA 46th Annual Logging Symposium, New Orleans, Louisiana, United States, 2005, 6: 26-29.

[13] Zheng Y, Tang X. Imaging Near-borehole Structure Using Acoustic Logging Data with Pre-stack F-K Migration [C]∥ The 75th Ann. Internat. Mtg: Soc. of Expl. Geophys, 2005.

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

[15] 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.

[16] 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.

[17] 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.

[18] 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.

[19] 唐晓明, 魏周拓. 声波测井技术的重要进展——偶极横波远探测测井 [J]. 应用声学, 2012, 31(1): 10-17.

[20] 唐晓明, 魏周拓. 利用井中偶极声源远场辐射特性的远探测测井 [J]. 地球物理学报, 2012, 55(8): 2798-2807.

[21] 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 (华东), 2011.

[22] Meredith J. Numerical and Analytical Modeling of Down-hole Seismic Sources: the Near and Far Field [D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1990.

[23] Peng C. Borehole Effects on Down-hole Seismic Measurements [D]. Massachusetts: Massachusetts Institute of Technology, 1993.