隨鉆前視聲波測(cè)井鉆頭前方聲場(chǎng)特征研究

楊書博，喬文孝，趙琪琪，倪衛(wèi)寧，吳金平

（1.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206；2.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京102206；3.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（北京）），北京102249；4.中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依834000）

鉆井過(guò)程中，鉆頭前方地質(zhì)異常體信息的不確定性，不僅會(huì)影響目的層的鉆遇率，還會(huì)極大地增加鉆井作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)[1–4]。因此，在鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取鉆頭與地質(zhì)異常體的距離以及地質(zhì)異常體的方位等參數(shù)至關(guān)重要。目前可行的解決方案主要有隨鉆地震技術(shù)[5–7]和隨鉆電阻率測(cè)井技術(shù)[8–13]，而適用于鉆前地質(zhì)異常體探測(cè)的聲波測(cè)井技術(shù)尚未得到廣泛研究。Tang Xiaom ing等人[14–18]研究了電纜和隨鉆反射聲波測(cè)井識(shí)別井旁地質(zhì)異常體的能力，但未考慮鉆頭前方存在地質(zhì)異常體的情況。王菁等人[19–20]研究了隨鉆條件下井孔（井眼）未貫通時(shí)的聲波測(cè)井響應(yīng)特征，但他們的研究均是基于傳統(tǒng)的隨鉆單極或偶極聲波測(cè)井儀器進(jìn)行的。然而，傳統(tǒng)的隨鉆聲波測(cè)井儀器難以滿足隨鉆前視聲波測(cè)井的測(cè)量要求，這是因?yàn)殡S鉆前視聲波測(cè)井的探測(cè)目標(biāo)主要是鉆頭前方的地質(zhì)異常體，而傳統(tǒng)的隨鉆聲波測(cè)井儀器的聲源和接收器不能在軸向上對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行控制，只有很少的一部分能量能夠向著鉆頭前方的地層輻射，并從地層中的地質(zhì)異常體處散射（或反射）回井孔，形成回波信號(hào)，嚴(yán)重影響了儀器對(duì)鉆頭前方地質(zhì)異常體的探測(cè)性能。因此，如何提高回波信號(hào)的幅度，是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。另外，隨鉆前視探測(cè)過(guò)程中儀器與地質(zhì)異常體表面近乎垂直，而傳統(tǒng)的隨鉆聲波測(cè)井儀器的聲源和接收器不能在周向上對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行控制，接收信號(hào)反應(yīng)的是井周360°范圍內(nèi)的測(cè)量響應(yīng)的平均特征，無(wú)法準(zhǔn)確獲得地質(zhì)異常體的方位信息。因此，如何在三維空間內(nèi)對(duì)鉆頭前的地質(zhì)異常體進(jìn)行準(zhǔn)確定位，也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。

相控陣聲波輻射器和接收站可以實(shí)現(xiàn)聲波的定向輻射和接收，已成功應(yīng)用于裸眼井、套管井和隨鉆測(cè)井中[17–18]。與傳統(tǒng)的聲波測(cè)井儀器相比，相控陣聲波測(cè)井儀器具有更大的探測(cè)深度和更高的測(cè)量分辨率，為解決隨鉆前視聲波測(cè)井中的難題提供了技術(shù)思路。因此，筆者基于相控陣技術(shù)，提出了一種適用于鉆前地質(zhì)異常體探測(cè)的隨鉆前視聲波測(cè)井方案，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 技術(shù)原理

將隨鉆單極聲波測(cè)井儀器改進(jìn)為相控陣聲波測(cè)井儀器，改進(jìn)后儀器的聲系由1個(gè)相控線陣（linear phased array,LPA）聲波輻射器和若干個(gè)相控圓弧陣（arcuate phased array, APA）聲波接收站組成（見(jiàn)圖1）。相控線陣聲波輻射器由軸向上均勻分布的6個(gè)輻射陣元（記為TE1—TE6）組成，每個(gè)輻射陣元獨(dú)立輻射聲波能量[17]；相控圓弧陣聲波接收站由周向上均勻分布的8個(gè)接收陣元（記為RE1—RE8）組成，每個(gè)接收陣元獨(dú)立接收聲波能量[18]?；诓ㄊ纬稍恚嗫仃嚶暡ㄝ椛淦骱徒邮照究梢苑謩e用于實(shí)現(xiàn)聲波能量的定向輻射和掃描接收[17–18]。

圖1 相控陣聲波測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the phased array acoustic logging tool

對(duì)于相控線陣聲波輻射器，通過(guò)控制各輻射陣元所施加激勵(lì)信號(hào)之間的延遲時(shí)間等參數(shù)，可使聲場(chǎng)在靠近鉆頭的方位滿足同相位疊加條件，從而定向增強(qiáng)輻射到鉆頭前方的能量（見(jiàn)圖2（a））。因此，相控線陣聲波輻射器有助于提高回波信噪比。對(duì)于相控圓弧陣聲波接收站，將相鄰幾道獨(dú)立接收的波形進(jìn)行延遲疊加處理，可以得到任意方向的掃描接收波形。當(dāng)掃描接收方位角與入射波的方位角完全相同時(shí)，接收子陣中各陣元接收的波形滿足同相位疊加條件（見(jiàn)圖2（b）），掃描接收波形的幅度得到明顯增強(qiáng)；反之，當(dāng)掃描接收方位角與入射波的方位角不同時(shí)，掃描接收波形的幅度不會(huì)增強(qiáng)，甚至可能削弱。因此，相控圓弧陣聲波接收站有助于提高隨鉆聲波測(cè)井儀器方位測(cè)量的準(zhǔn)確度。

圖2 相控陣原理示意Fig.2 Schematic diagram of phased array princip le

2 計(jì)算模型及方法

采用三維直角坐標(biāo)系有限差分算法[21]，分別模擬鉆前存在地層界面時(shí)單極聲波測(cè)井儀器和相控陣聲波測(cè)井儀器的測(cè)量響應(yīng)。計(jì)算模型如圖3所示。模型中，井軸與z軸平行，x方向的坐標(biāo)為0.50 m，y方向的坐標(biāo)為1.00m；RDa為軸向參考方向，RDc為周向參考方向。

圖3 隨鉆前視聲波測(cè)井計(jì)算模型示意Fig.3 Calculationm odel of “l(fā)ook-ahead”acoustic LWD

鉆頭前方存在一個(gè)地層界面，地層界面滿足方程x－0.5y－2z+1=0，即井軸與地層界面的夾角β為60.79°，地層界面的方位角θ為116.57°。隨鉆單極儀器的聲系由1個(gè)單極聲波輻射器和10個(gè)單極聲波接收器組成；隨鉆相控陣儀器的聲系由1個(gè)相控線陣聲波輻射器和10個(gè)相控圓弧陣聲波接收站組成。聲源中心點(diǎn)在z方向的坐標(biāo)為8.50 m，井底中心點(diǎn)到聲源中心點(diǎn)的距離5.00m，前視距離為3.00m。聲源所施加的激勵(lì)信號(hào)的峰值頻率為10 kHz。相控陣測(cè)量時(shí)，相鄰輻射陣元間距為6.0 cm，相鄰輻射陣元所施加的激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間為20μs。接收陣元RE1—RE8的方位角分別為0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°。在各相控圓弧陣聲波接收站中正對(duì)地層界面的方位（116.57°）設(shè)置了一個(gè)虛擬接收陣元，以實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的最有利接收。計(jì)算模型中各介質(zhì)的參數(shù)見(jiàn)表1。

此外，計(jì)算了各種條件下無(wú)界面模型中的聲場(chǎng)，以獲得井孔直達(dá)波波形。無(wú)界面模型的計(jì)算參數(shù)與有界面模型的計(jì)算參數(shù)相同，只是鉆頭前方?jīng)]有地層界面。用有界面模型的接收波形減去無(wú)界面模型的接收波形，可得回波波形。

表1 計(jì)算模型中各介質(zhì)參數(shù)Table 1 Param etersof each media in calcu lation model

3 測(cè)井響應(yīng)分析

3.1 波形特征

單極測(cè)量和相控陣測(cè)量得到的不同時(shí)刻的波場(chǎng)快照如圖4所示。相控陣測(cè)量時(shí)的井孔直達(dá)波和回波與單極測(cè)量時(shí)的井孔直達(dá)波和回波的類型相同，但相對(duì)幅度不同。根據(jù)傳播路徑的不同，接收站接收到的波主要包括TR、TBR、TIR、TBIR和TIBR波等5類（見(jiàn)表2）。TR和TBR波均與地層界面無(wú)關(guān)，統(tǒng)稱為井孔直達(dá)波；TIR、TBIR和TIBR波均與地層界面有關(guān)，統(tǒng)稱為回波。本算例中，在井孔中傳播的波可以分為鉆鋌波、滑行縱波、內(nèi)斯通利波和外斯通利波等4種形式（地層為軟地層，單極聲源不能在井孔中產(chǎn)生滑行橫波）；在地層中傳播的波可以分為地層縱波和地層橫波2種形式。鉆鋌波、縱波、橫波、內(nèi)斯通利波和外斯通利波分別記為C、P、S、inST和outST。當(dāng)井孔中傳播的波或者地層中傳播的波到達(dá)井底時(shí)，各種波均會(huì)產(chǎn)生模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，在井孔中可以轉(zhuǎn)換為C、P、inST和outST等4種二次波，在地層中可以轉(zhuǎn)換為P和S等2種二次波。

相控陣測(cè)量時(shí)，不同源距的116.57°方位（地層界面所在方位）接收陣元接收到的井孔直達(dá)波和回波波形如圖5所示。分析各模式波的到時(shí)曲線可知，井孔直達(dá)波中，TR-C波到時(shí)最早，TBRoutST-outST波到時(shí)最晚，TR波的到時(shí)隨著源距的增大而增長(zhǎng)，TBR波的到時(shí)隨源距的增大而縮短。回波中，TBIR-C-P-P波到時(shí)最早，TIR-P-P、TBIR-C-P-P、TBIR-P-P-P、TIBR-P-P-C和TIBR-P-P-P波的到時(shí)十分接近，發(fā)生混疊，形成了一個(gè)混合波包；TIR-P-S、TIR-S-P和TIR-S-S波到時(shí)較晚。由于模式轉(zhuǎn)換次數(shù)較少，混合波包中TIR-P-P波的能量占主導(dǎo)地位。因此，類似于方位反射聲波測(cè)井[16–18]，將混合波包作為主要研究對(duì)象，統(tǒng)稱為P-P回波。

圖4 不同時(shí)刻的波場(chǎng)快照Fig.4 Snapshots of wave fieldsat different times

3.2 基于相控線陣聲波輻射器的定向輻射效果

單極測(cè)量和相控陣測(cè)量時(shí)，源距為3.00m時(shí)的井孔直達(dá)波與回波波形如圖6所示。單極測(cè)量時(shí)，回波波形的幅度放大了800倍。相控陣測(cè)量時(shí)，接收陣元的方位角為116.57°（地層界面所在方位），回波波形的幅度放大了85倍。由圖6可知，單極測(cè)量回波的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于井孔直達(dá)波的幅度，P-P回波峰峰值約為井孔直達(dá)波峰峰值的1/800；相控陣測(cè)量P-P回波的峰峰值約為井孔直達(dá)波峰峰值的1/85，幅度比明顯增大。

表2 接收波形的傳播路徑及形式Tab le 2 Transm ission pathsand form sof received waveform s

圖5 不同源距下相控陣測(cè)量的接收波形Fig.5 Received waveforms at different offsets in phased array measurement

圖6 源距為3.00m時(shí)單極測(cè)量和相控陣測(cè)量的井孔直達(dá)波與回波波形Fig.6 Direct and echo waveforms in the monopole and phased array measurementsat an offset of 3.00m

源距為3.00m時(shí)，單極測(cè)量接收器接收到的回波波形與相控陣測(cè)量116.57°方位（地層界面所在方位）接收陣元接收到的回波波形如圖7所示（其中，單極測(cè)量時(shí)的回波波形的幅度放大15倍）。由圖7可知，相控陣測(cè)量P-P回波的峰峰值約為單極測(cè)量P-P回波的峰峰值的15倍。因此，與單極測(cè)量相比，相控陣測(cè)量時(shí)的回波信號(hào)具有更高的信噪比，且更容易從混合信號(hào)中提取出來(lái)。

圖7 源距為3.00m時(shí)單極測(cè)量的回波波形和相控陣測(cè)量的回波波形Fig.7 Com parison of echo waveform s in themonopole and phased array measurem entsat an offset of 3.00m

3.3 基于相控圓弧陣聲波接收站的獨(dú)立接收效果

相控陣測(cè)量時(shí)，不同源距的相控圓弧陣聲波接收站的獨(dú)立接收回波波形如圖8所示。由圖8可知，獨(dú)立接收時(shí)，90°方位（近似地層界面的方位角）接收陣元所接收到的P-P回波到時(shí)最早、幅度最大。分別開(kāi)窗統(tǒng)計(jì)獨(dú)立接收模式下P-P回波的峰峰值，并進(jìn)行歸一化處理，得到了P-P回波的歸一化幅度隨方位角的分布曲線（見(jiàn)圖9）。由圖9可知，源距分別為3.00，3.60和4.20m時(shí)，相控圓弧陣聲波接收站獨(dú)立接收到的P-P回波幅度最大值所對(duì)應(yīng)的方位角均為90°（地層界面的方位角為116.57°）。由此可知，當(dāng)鉆頭前方存在一個(gè)地層界面時(shí)，基于相控圓弧陣聲波接收站的獨(dú)立接收回波波形可以近似獲得該地層界面的方位角。但是，由于相控圓弧陣聲波接收站獨(dú)立接收模式的方位測(cè)量準(zhǔn)確度較低，測(cè)量結(jié)果與地層界面真實(shí)方位角有較大誤差（在本算例中約為27°）。

3.4 基于相控圓弧陣聲波接收站的掃描接收效果

基于波束形成原理，分別對(duì)各相控圓弧陣聲波接收站的獨(dú)立接收回波波形進(jìn)行了掃描接收處理[18]。對(duì)于每個(gè)相控圓弧陣聲波接收站，方位角間隔為1°，從0°方位角到360°方位角，共合成360道波形。相控陣測(cè)量時(shí)，不同源距接收站的掃描接收回波波形如圖10所示（圖10顯示尺度為圖8顯示尺度的2倍。為了便于顯示，圖10中的方位間隔為15°。由圖10可知，75°～135°范圍內(nèi)P-P回波的幅度明顯強(qiáng)于其他方位回波的幅度。

圖8 不同源距下相控圓弧陣聲波接收站的獨(dú)立接收回波波形Fig.8 Individual-reception echowaveformsof APA acoustic receiver stationsat different offsets

分別開(kāi)窗統(tǒng)計(jì)掃描接收模式下P-P回波的峰峰值，并進(jìn)行歸一化處理，得到了P-P回波的歸一化幅度隨方位角的分布曲線（見(jiàn)圖11）。由圖11可知，源距分別為3.00，3.60和4.20m時(shí)，相控圓弧陣聲波接收站掃描接收到P-P回波幅度最大值所對(duì)應(yīng)的方位角均為112°（地層界面的方位角為116.57°）。由此可知，當(dāng)鉆頭前方存在一個(gè)地層界面時(shí)，基于相控圓弧陣聲波接收站掃描接收回波的波形可以較為準(zhǔn)確地獲得該地層界面的方位角。在本算例中，測(cè)量結(jié)果與地層界面真實(shí)方位角的平均誤差約為4.6°。與獨(dú)立接收模式相比，基于掃描接收模式的相控圓弧陣聲波接收站的方位測(cè)量準(zhǔn)確度更高。

圖9 不同源距下獨(dú)立接收P-P回波最大幅度隨方位角的分布曲線Fig.9 Distribution curvesof maximum amp litude for individual-reception P-P echo waves w ith azimuths at different offsets

圖10 不同源距相控圓弧陣聲波接收站的掃描接收回波波形Fig.10 Scanning-reception echo waveformsof APA acoustic receiver stationsat different offsets

圖11 不同源距下掃描接收P-P回波最大幅度隨方位角的分布曲線Fig.11 Distribution curves of maximum am p litude for scanning-reception P-P echo waves w ith azimuths at different offsets

4 結(jié)論與建議

1）建立了隨鉆前視聲波測(cè)井三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬模型，模擬了隨鉆條件下鉆頭前方存在一個(gè)地層界面時(shí)的單極和相控陣聲波測(cè)井響應(yīng)。鉆前地質(zhì)異常體的存在會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)回波信號(hào)，為后續(xù)開(kāi)發(fā)工業(yè)樣機(jī)提供了理論依據(jù)。

2）采用對(duì)比分析方法，驗(yàn)證了相控陣聲波測(cè)井技術(shù)在鉆前地質(zhì)異常體探測(cè)中的優(yōu)越性。相控線陣聲波輻射器解決了單極聲波輻射器的輻射指向性無(wú)法控制的問(wèn)題，通過(guò)定向增強(qiáng)輻射到鉆頭前方地層中的聲波能量，可以使P-P回波的幅度明顯增大；相控圓弧陣聲波接收站解決了單極聲波接收器無(wú)方位分辨能力的問(wèn)題，通過(guò)統(tǒng)計(jì)相控圓弧陣掃描接收到不同方位P-P回波的幅度，可在一定誤差范圍內(nèi)判斷鉆前地質(zhì)異常體所在的方位。

3）本文僅是理論探索研究，研究結(jié)果均是在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上得到的，建議今后根據(jù)實(shí)際隨鉆測(cè)井資料進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)模型。