偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理及應(yīng)用

莊春喜, 燕菲, 孫志峰, 劉西恩, 唐曉明, 蘇遠(yuǎn)大

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 聲學(xué)測(cè)井聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266580; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部, 北京 101149)

0 引 言

近年來(lái),聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)已成為石油勘探地球物理中的新研究熱點(diǎn)之一。該技術(shù)能夠?qū)缘刭|(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確成像定位[1-10],將測(cè)井徑向探測(cè)深度從井壁附近擴(kuò)展至數(shù)米乃至數(shù)十米范圍外,為油氣藏構(gòu)造描述及油田的勘探開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。國(guó)際上,Schlumberger公司1998年研制出BARS(Borehole Acoustic Reflective Survey)[11]儀器之后,2006年又推出了含有改進(jìn)的聲反射成像功能的新儀器Sonic Scanner[12];2004年,Tang X M[10]把偶極子用于單井反射聲波測(cè)井中,并提出了利用偶極橫波進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像的方法。Baker Hughes公司開(kāi)發(fā)出了基于XMACII儀器的聲反射成像處理軟件[13]。2009年,Tang X M[10]等利用四分量偶極數(shù)據(jù)對(duì)井旁裂縫和鹽丘內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行了成像,取得了顯著的應(yīng)用效果。在中國(guó),薛梅[14]、喬文孝等[15],楚澤涵等[16],何峰江[17],陶果等[18]針對(duì)單極聲源條件下的反射聲波,開(kāi)展了大量的研究工作。2005年中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司測(cè)井分公司的新型遠(yuǎn)探測(cè)聲波反射波測(cè)井儀器研制成功,并取得了一定的應(yīng)用效果。2011年,唐曉明等[19]全面系統(tǒng)地結(jié)合對(duì)偶極輻射聲場(chǎng)的數(shù)值模擬,加深了偶極遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特征及反射聲場(chǎng)的理解。2012年唐曉明和魏周拓[20-21]對(duì)新近發(fā)展的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)從基本原理、理論方法、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用到發(fā)展方向做了深入的分析和討論?？偠灾?與單極子反射縱波成像相比,偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的徑向探測(cè)深度更深,而且由于偶極子聲源具有方向性,采用多分量的偶極發(fā)射和接收,還可以確定井旁反射體的方位。值得指出的是,目前偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)處理都是基于現(xiàn)有正交偶極聲波儀器的測(cè)量條件下實(shí)現(xiàn),大大提高了交叉偶極測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的使用率。

本文從偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)基本原理出發(fā),結(jié)合現(xiàn)有的陣列聲波數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,開(kāi)發(fā)出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井處理技術(shù),形成了一套快速有效的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程。實(shí)際數(shù)據(jù)處理和分析表明,該技術(shù)處理操作簡(jiǎn)單,過(guò)程布局流暢,處理速度快,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的需要。

1 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的基本原理

1.1 基本方法和理論

偶極橫波測(cè)井過(guò)程中,井中偶極聲源工作時(shí)除了產(chǎn)生沿井壁傳播的彎曲波之外,同時(shí)還向井外地層輻射出彈性波。這些彈性波包括縱(P)波、在豎直(SV)和水平面(SH)內(nèi)偏振的2種橫波。圖1為利用正交偶極聲波測(cè)井儀進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)反射波測(cè)量的示意圖。井中遠(yuǎn)探測(cè)聲場(chǎng)的模擬是一個(gè)復(fù)雜的理論問(wèn)題,因?yàn)榫薪邮盏降穆晥?chǎng)受多種因素的影響,包括井中聲源向井外地層的輻射[22]、聲場(chǎng)在地層中的反射、及井對(duì)反射波的調(diào)制[23]等,考慮這些影響因素以及波在傳播路徑上的傳播效應(yīng),可以給出井中的接收到遠(yuǎn)探測(cè)聲波,其在頻率域內(nèi)的表達(dá)形式為

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

(1)

式中,RWV為井中接收到的遠(yuǎn)探測(cè)聲波頻譜;S為聲源頻譜;RD為聲場(chǎng)輻射因子;RC為井對(duì)反射聲場(chǎng)的接收因子(即接收響應(yīng));RF為波在地層反射體處的反射系數(shù)。這些因子都可以隨圓頻率ω變化,除以上因素外,波場(chǎng)還受傳播效應(yīng)的影響。影響之一為波在傳播路徑上的幾何擴(kuò)散1/D,其中D為從聲源到反射體,再?gòu)姆瓷潴w到井中接收器的總傳播距離;其二是波在傳播路徑上的非彈性衰減exp(-ωD/2Qββ),其中Qβ和β分別為橫波的品質(zhì)因子和波速。

圖1 用四分量偶極測(cè)井儀進(jìn)行橫波成像示意圖

從式(1)可見(jiàn),在一定聲源輻射RD和接收條件RC下(兩者滿足互易原理),如果記錄到的波形時(shí)間長(zhǎng)度大于T,且反射波信號(hào)大于噪聲信號(hào),那么就可以從偶極數(shù)據(jù)中提取反射波信號(hào),并對(duì)井旁的反射體進(jìn)行成像和追蹤。

單極子聲源無(wú)法對(duì)井旁反射體的方位進(jìn)行識(shí)別,而偶極聲源及接收器系統(tǒng)具有一個(gè)非常有用的特征,那就是它的方位指向性和垂向覆蓋性。圖2所示為充液井孔中偶極聲源的SH和SV波的輻射指向性。對(duì)于聲源頻率為200 Hz的低頻情況,圖2(a)給出了快速地層中SH和SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性,豎直方向代表充液井孔。圖2(a)中外部和內(nèi)部的實(shí)線分別表示利用低頻近似法得到的SH及SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性?？梢钥闯?SH橫波在豎直平面內(nèi)均勻輻射,呈圓形,而SV橫波的輻射呈現(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)的2個(gè)圓,且在水平方向存在零點(diǎn);此外,SH橫波的幅度恒大于SV橫波。綜上可知SH較SV對(duì)井外不同傾角的反射體具有更好的輻射覆蓋性。這種低頻條件下的偶極輻射指向性與單力源在無(wú)限大彈性介質(zhì)中的情形相似,說(shuō)明低頻時(shí),井孔對(duì)輻射聲場(chǎng)幾乎沒(méi)有影響,但是隨著頻率增加,波長(zhǎng)變短,井孔對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)制作用變得重要起來(lái)。圖2(b)給出了聲源頻率為3 000 Hz時(shí),快速地層中SH和SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性,計(jì)算所用頻率在常規(guī)偶極測(cè)井的頻率范圍內(nèi)。這時(shí)低頻近似解所需的條件不再滿足。圖2(b)中的實(shí)線和虛線表示計(jì)算得到的SH和SV橫波分別在豎直的yoz和xoz平面內(nèi)的輻射指向性。與圖2(a)低頻的情況相比,圖2(b)測(cè)井頻率內(nèi)SH和SV橫波輻射波幅大大增加,輻射指向,特別是SH的指向,向水平面方向顯著增強(qiáng),說(shuō)明此時(shí)探測(cè)與井平行或大致平行的反射體,比探測(cè)與井斜交的反射體更為有利。

若取輻射方向與y軸的夾角為φ,

則SH波和

圖2 充液井孔中偶極聲源的SH和SV波的輻射指向性(徑向刻度為波幅,圓周標(biāo)注了φ角的大小)

SV波波幅隨方位變化為cosφ和sinφ。根據(jù)SH波和SV波的方位變化規(guī)律,可以采用在井中用2組正交的偶極發(fā)射和接收系統(tǒng)來(lái)接收SH和SV反射波。一組系統(tǒng)的指向?yàn)閤向;另一組系統(tǒng)的指向?yàn)閥向。接收到的信號(hào)實(shí)際上就是把入射的SH和SV波位移矢量投影到x和y方向,得到2個(gè)接收分量

(2)

式中,xx和xy分別為同向和交叉接收分量。類(lèi)似地,把x向聲源換到y(tǒng)方向,由此得到另2個(gè)接收分量

(3)

把4個(gè)接收分量組合起來(lái),就可以得到SH和SV波

(4)

由式(4)可知,無(wú)論偶極的指向和接收方向如何變化,都能夠從式(4)中確定SH和SV反射波,偏移成像得到井旁反射體的空間位置。

1.2 地質(zhì)反射體方位的確定方法

偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的另外一個(gè)重要方面就是確定井旁反射體的走向。但是在正交偶極的測(cè)量過(guò)程中,必須考慮測(cè)井儀器在聲波測(cè)量中的不斷旋轉(zhuǎn)。隨著儀器旋轉(zhuǎn),聲源指向相對(duì)于反射體的方位角φ也隨之改變,從而影響反射波的振幅。所以在記錄偶極波形數(shù)據(jù)的同時(shí),測(cè)井儀器在每個(gè)位置處相對(duì)于固定方向的儀器方位AZ被記錄,以下簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)使用坐標(biāo)變換把式(2)至式(4)的分量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)下的分量數(shù)據(jù),從而得到反射體方位信息(見(jiàn)圖3)。

圖3 使用四分量正交偶極測(cè)井儀采集傾斜反射體SH和SV反射波

在圖3中考慮固定的矩形X-Y直角坐標(biāo)系(事實(shí)上,可以把X和Y方向分別指定為地理的正北方和正西方)。X軸與反射體走向成α角。X軸與儀器坐標(biāo)x軸之間角度為測(cè)井時(shí)記錄的儀器方位AZ,所以可以建立角度關(guān)系為

α=AZ+φ

(5)

通過(guò)式(5),將固定坐標(biāo)的分量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換x-y坐標(biāo)到X-Y坐標(biāo)。用矩陣表示為

(6)

在固定坐標(biāo)中,反射體方位α是固定的。盡管儀器方位在測(cè)量過(guò)程中會(huì)不斷發(fā)生變化,但式(6)中固定坐標(biāo)系下的四分量數(shù)據(jù)相對(duì)于反射體保持不變。從而,在固定坐標(biāo)系中使用四分量數(shù)據(jù),即可估算出實(shí)際反射體方位α0。如上所述,當(dāng)反射體走向與偶極振動(dòng)方向一致時(shí),這個(gè)方位就是實(shí)際井旁的反射體走向,此時(shí)交叉分量數(shù)據(jù)消失(即,式(6)方陣的對(duì)角化)。根據(jù)式(6),可以得到相對(duì)于固定坐標(biāo)系下任意方位α下的新的交叉分量數(shù)據(jù)

XY′=(XX-YY)cosαsinα+XYcos2α-YXsin2α

YX′=(XX-YY)cosαsinα+YXcos2α-XYsin2α

(7)

當(dāng)正交分量數(shù)據(jù)消失時(shí),就能確定反射體實(shí)際走向(α=α0)。交叉分量能量或反演目標(biāo)函數(shù)可由采樣時(shí)間長(zhǎng)度T和深度范圍Z內(nèi)交叉分量的點(diǎn)積構(gòu)建

E(α)=[YX′,YX′]=

(8)

為了使交叉分量達(dá)到最小,通過(guò)求解式(9),即可得到對(duì)應(yīng)的反射體走向α0

(9)

應(yīng)用式(9)于式(8),可以得到一個(gè)直接從分量數(shù)據(jù)計(jì)算α0的解析公式,具體為

(10)

可以看出在0～180 °范圍內(nèi),式(8)的α0有4個(gè)解。2個(gè)代表式(8)的最大值,應(yīng)被排除。另外2個(gè)相差90 °,他們的差異反映了SH和SV波差異的大小和方位敏感性。

2 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像資料的處理流程

圖4給出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程圖,這里將其分為4個(gè)處理步驟。

第1步,數(shù)據(jù)加載。加載的數(shù)據(jù)可以是四分量交叉偶極數(shù)據(jù)(xx,xy,yx,yy),2個(gè)(xx和yy)或者是單個(gè)同向分量(xx或yy)的數(shù)據(jù),也可以是常規(guī)的單極陣列數(shù)據(jù)。圖5所示第1道是單分量偶極原始波形數(shù)據(jù)的變密度圖?？梢钥闯?原始波形中主要包含了沿井傳播的彎曲波,無(wú)法直觀地從原始波形中觀察到反射波信息。要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于單分量波形數(shù)據(jù)的成像結(jié)果不包含方位信息,并且反射體成像會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的情況;2個(gè)同向的雙分量波形數(shù)據(jù)雖不包含方位信息,但可以消除或改善反射體成像的斷續(xù)情況;而四分量波形數(shù)據(jù)可以對(duì)井周任意方位進(jìn)行成像,觀測(cè)到的反射體具有較好的連續(xù)性。正如1.2小節(jié)所述,數(shù)據(jù)加載中還需要提供儀器方位曲線AZ,主要目的是將原始波形數(shù)據(jù)由儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地固定坐標(biāo)系,以校正儀器旋轉(zhuǎn)對(duì)成像結(jié)果的影響,為下一步確定反射體方位。

第2步,預(yù)處理。現(xiàn)場(chǎng)原始波形數(shù)據(jù)質(zhì)量往往無(wú)法滿足成像的需要。從圖5的第1道原始波形可以看出,其波形數(shù)據(jù)周期多、后續(xù)反射波幅度小、反射波信噪低。首先,針對(duì)不同振型的波形,進(jìn)行濾波處理,在頻率域中去除一些低頻、高頻和噪聲;然后,針對(duì)彎曲波持續(xù)周期較長(zhǎng)的特征,對(duì)其進(jìn)行壓振處理,以達(dá)到減少波形周期、增強(qiáng)后續(xù)波、壓制干擾波的目的。圖5第2道為壓振處理之后的單分量陣列波形變密度圖,從圖5中可以看出周期繁多、能量分散的原始波形在預(yù)處理后波形明顯周期減少,能量分布集中。對(duì)沿井傳播的直達(dá)彎曲波壓制明顯。需要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)來(lái)說(shuō),針對(duì)多個(gè)周期的彎曲波進(jìn)行的壓振處理,是偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)處理中關(guān)鍵一步。

圖4 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程圖

第3步,成像處理。包含2個(gè)主要步驟:波場(chǎng)分離和偏移成像。針對(duì)上述壓振之后的波形進(jìn)行反射波的上下行波場(chǎng)分離,用以分離直達(dá)波和反射波,在對(duì)反射波進(jìn)行上下行分離。針對(duì)不同的波列特征,可采用中值濾波、自適應(yīng)濾波或F-K濾波等各種波場(chǎng)分離方法,以達(dá)到壓制井中的直達(dá)波,增強(qiáng)反射波信噪比的目的;之后,針對(duì)上下行反射波,對(duì)其進(jìn)行類(lèi)似于地震成像處理的反射波偏移成像,不同的是本文所采用的成像處理方法在處理效率上有大幅度的提高,能夠大大縮短成像處理時(shí)間,提高野外數(shù)據(jù)處理效率。該處理流程中,主要使用了3種偏移成像方法:疊前偏移、疊后偏移和近平偏移。疊前偏移和疊后偏移適用于低傾角或傾角適中的反射體;而對(duì)于水平井或者反射體與井大體平行的情況,則選擇近平偏移。在偏移成像之前,通常會(huì)對(duì)反射波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行共中心點(diǎn)(CMP)道集疊加處理,以壓制干擾波,增強(qiáng)有效波,優(yōu)化成像結(jié)果。

第4步,成像過(guò)濾或者成像后處理。實(shí)際波形數(shù)據(jù)往往是反射波信噪比較低、易受干擾,即便是通過(guò)了上述3個(gè)步驟的處理得到了成像結(jié)果,往往成像結(jié)果中會(huì)摻雜一些噪聲信號(hào),對(duì)于后續(xù)的遠(yuǎn)探測(cè)成像解釋提出了極大地挑戰(zhàn)。為此,需要對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的過(guò)濾處理(數(shù)值圖像處理技術(shù)),以達(dá)到壓制干擾噪聲、突顯有效反射體的目的,成像結(jié)果過(guò)濾處理包括去掉平行于井軸的垂向干擾和垂直于井軸的橫向干擾。圖5第3道為成像處理后的結(jié)果,可以看出,井眼和反射體周?chē)嬖诓煌潭鹊脑肼暩蓴_,經(jīng)過(guò)成像過(guò)濾處理之后,即可得到圖5第4道所示的過(guò)濾處理結(jié)果,成像效果更整潔、清晰。

3 應(yīng)用效果分析

圖6為砂泥巖地層偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果與超聲井壁測(cè)井成像結(jié)果對(duì)比圖。遠(yuǎn)探測(cè)成像數(shù)據(jù)為四分量交叉偶極數(shù)據(jù),圖6中僅顯示了東西方向和南北方向2個(gè)成像方位的處理結(jié)果。從圖6中南北向遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果可以清楚地看到井旁存在不同傾角的反射體,并且反射體的連續(xù)性較好,該井段是中速地層,徑向成像深度為25 m。對(duì)比圖6中東西向和南北向成像結(jié)果,可以看到南北向成像的信號(hào)幅度要大于東西向成像的信號(hào)幅度,說(shuō)明反射體位于北北東—南南西方向,有些反射體只能在南北向看到而東西向卻沒(méi)有,說(shuō)明反射體正南正北走向。圖6中最右側(cè)為箭頭所示深度段的超聲井壁成像圖(2 238～2 243 m和2 264～2 272 m),從超聲井壁成像圖上可以看出,井壁附近存在大量不同傾角的裂縫,并且大部分裂縫的傾向?yàn)槟媳狈较?通過(guò)對(duì)比可以確定遠(yuǎn)探測(cè)的成像反射體即為斜交井眼的裂縫,從而將超聲井壁得到的裂縫與延伸進(jìn)入地層的裂縫聯(lián)系了起來(lái),其徑向延伸范圍最大可達(dá)25 m。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果與超聲井壁成像結(jié)果的解釋吻合。

圖6 砂泥巖地層偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果與超聲井壁測(cè)井成像結(jié)果對(duì)比圖

圖7為碳酸鹽巖地層橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果。圖7中第1道是原始偶極波形變密度圖,第2道是成像結(jié)果圖。成像數(shù)據(jù)為交叉偶極xx方向數(shù)據(jù)(測(cè)井只記錄了xx方向數(shù)據(jù)),故圖7中反射體的方位無(wú)法確定,并且如果儀器旋轉(zhuǎn)則會(huì)出現(xiàn)成像反射體斷續(xù)的情況。從圖7中可以清晰地看到井旁地層內(nèi)大量過(guò)井的反射體,這些反射體都具有良好的過(guò)井延續(xù)性,見(jiàn)圖7中紅色箭頭所示。另外,藍(lán)色箭頭所示為角度較低的反射體,仍然能夠得到清晰的成像結(jié)果。結(jié)合其他測(cè)井資料分析結(jié)果,該井井斜基本為零,經(jīng)計(jì)算圖7中高角度反射體的傾角為46 °左右,過(guò)井的反射體為地層內(nèi)高角度裂縫帶。

圖7 碳酸鹽巖地層遠(yuǎn)探橫波測(cè)測(cè)井成像結(jié)果

圖8是西部某井井旁縫洞型構(gòu)造的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像圖。從圖8中可以清晰的看出,井旁25 m范圍內(nèi)存在多處反射體,這些反射體在東西和南北方向成像的構(gòu)造形態(tài)很不相同。圖8的上部構(gòu)造多呈線型,且多分布于南北向,圖8的下部構(gòu)造多為弧形,且多分布于東西向,根據(jù)1.1小節(jié)和1.2小節(jié)分析可知,線型構(gòu)造與弧形構(gòu)造的走向幾近正交。結(jié)合其他資料分析結(jié)果,綜合判斷該層段的反射體為碳酸鹽巖地層的縫洞型構(gòu)造,并且該井試油資料顯示該井段有高產(chǎn)工業(yè)油流產(chǎn)出。

圖8 西部某井井旁縫洞型構(gòu)造的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像圖

4 結(jié) 論

(1) 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)資料處理中,SH或SV橫波提供了使用偶極聲波測(cè)井儀進(jìn)行反射波成像的基礎(chǔ)。它不僅可以得到井旁反射體的空間位置,也可以通過(guò)四分量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn),反演得到井旁反射體的走向。

(2) 大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理與檢驗(yàn)表明,該方法技術(shù)可靠,處理高效,結(jié)果合理,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的需要。該技術(shù)能夠有效探測(cè)特殊儲(chǔ)層中的地質(zhì)構(gòu)造,例如地層中的裂縫帶和碳酸鹽巖地層的縫洞型構(gòu)造等,可為井旁儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè)提供技術(shù)支持和依據(jù)。

(3) 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理技術(shù)能夠真實(shí)反映井旁地質(zhì)構(gòu)造,較傳統(tǒng)的單極縱波技術(shù)看得更遠(yuǎn),而且成像結(jié)果包含方位信息。

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