2. 中国石油大学(华东)深层油气重点实验室, 青岛 266580;
3. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 青岛 266071
2. Key Laboratory of Deep Oil and Gas, China University of petroleum, Qingdao 266580, China;
3. China Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China
声波远探测技术是将声源与接收器布置在同一井中,通过向井外地层辐射弹性波并接收来自井外远处地质体的反射信号,实现井外地质构造成像,在隐蔽油气储层、地热储层和大洋科学钻探的综合评价以及储层改造设计中发挥重要作用(Amer et al., 2019; Bradley et al., 2017;Hornby et al., 2018;Tang,2016;Lee et al., 2019).在探测尺度和分辨率上,该技术填补了常规测井和地震勘探之间的空白(郝仲田等,2014;吴晓光等,2016).该技术可以利用仪器辐射到地层的纵波和横波进行成像.最早是使用单极辐射的纵波进行成像(Hornby,1989).单极纵波远探测的不足是:其声源振动没有方向性并且接收换能器只测量来自反射体的声压信号(Tang and Cheng, 2004),对反射体方位不敏感.最新的进展是使用偶极辐射的横波进行三维成像(Tang and Cheng, 2004).相比于传统的单极纵波方法,偶极横波远探测最大的优势是利用偶极横波的方位灵敏性对反射体进行方位/走向探测.四分量偶极数据使得对井外反射体的连续成像成为可能.四分量偶极横波远探测实现方位探测的原因是仪器使用指向发射和接收的正交测量系统,换能器测量来自反射体的速度信号以及横波有偏振特性(唐晓明和魏周拓,2012).
反射体方位探测遇到的主要挑战是反射波信噪比低.与地震勘探相比,来自井外远处的反射波信号具有幅度低、相干性弱、被井筒直达波强烈干扰等特点.同时,井下高温高压的测井环境还会产生随机噪声.此外,仪器偏心、井径变化及地层岩性突变等情况,还会存在沿着井壁上下传播的干扰反射波(如井壁反射波).这些不利因素的存在使得准确的方位探测变得困难.Tang和Cheng(2004)、Tang和Patterson(2009)分别提出利用SH横波与SV横波能量比和交叉分量能量最小化来反演反射体方位,但这些方法由于反射波信噪比低以及虚假反射波的干扰在业界未得到广泛应用.根据偶极辐射特性(曹景记等, 2014, 2016),Lee等(2019)提出对四分量数据进行旋转,通过对比不同方位的成像信号强弱来识别反射体走向,该方法的精度依赖于旋转角度的疏密程度,同时精度的增加以成像处理时间成指数增长为代价.考虑经济性和实用性,该方法在实际应用中只能实现反射体走向的定性判断.
本文首先数值模拟分析偶极反射横波幅度随声源指向的变化规律,并在此基础上提出利用余弦平方函数拟合反射波幅度,建立反射体方位快速反演方法.利用数值模拟和物理实验分析了反射横波的方位特性和反演有效性.通过现场数据处理和对比分析,说明本文方法不仅可以得到反射体离井距离和倾角,还能快速精确地反演反射体走向.本文工作为四分量偶极横波远探测技术提供了实用而有效的处理方法.
1 原理和方法 1.1 反射横波幅度随声源指向变化规律图 1为充液井孔三维有限差分法(Wei and Tang, 2012)计算模型图.在直角坐标xyz系统中,模型大小为6 m×6 m×8 m,充液井孔半径0.1 m,偶极声源位于(1,1,0.3)处,差分网格大小为0.01 m,时间步长1.65 μs.声源主频为3 kHz.地层1的纵波速度为3000 m·s-1,横波速度1800 m·s-1,密度为2000 kg·m-3;地层2的纵波速度为4500 m·s-1,横波速度为2650 m·s-1,密度为2400 kg·m-3.井内流体速度为1500 m·s-1,密度为1000 kg·m-3.井旁地质界面始终垂直于xoz面,距离井轴4 m.偶极声源振动指向按照图中箭头所示方向进行移动,从垂直反射面到平行反射面旋转.声源指向垂直于(平行于)反射界面设定为0°(90°)方位.反射界面与x轴夹角为80°.偶极源到接收器距离为2.2 m.
图 2展示xx分量在不同偶极指向情况下对应的反射横波波形,为方便分析,图中仅显示了反射横波部分.从图中可看出,偶极指向为90°时(0°时),反射横波幅度最大(小).为进一步分析接收的反射横波幅度随偶极指向的变化规律,对图 2中不同方位的反射横波幅度进行归一化,如图 3实心黑色线所示.随着偶极偏振方向与x轴夹角增大,即偶极指向从垂直到平行于反射体走向,接收的反射横波幅度逐渐增加.当声源偏振方向平行反射体走向,此时反射横波幅度达到最大值.井周环向方位扫描时,可根据该变化特征,判断接收反射横波幅度最大的方位为反射体走向.
反射横波幅度变化特征可以使用偶极辐射理论解释(Tang and Patterson, 2009).偶极声源的辐射特性主要包括过井孔平面内对不同倾角反射体的覆盖探测特性和垂直井孔平面对反射体的方位灵敏探测特性.图 4为过井孔平面内偶极辐射指向性图,指示偶极对不同倾角反射体的辐射能量.偶极辐射指向性受频率大小、井孔尺寸以及地层参数影响,详细计算方法及不同参数的指向性分析见文献Tang等(2014)和曹景记等(2014, 2016).从图中可看出SH波较SV波对井外不同倾角的反射体具有更好的辐射覆盖特性和更强的辐射能量.特别是井外反射体与井近乎平行时(图 4中90°倾角位置),SH波能量最强,而SV波可以忽略不计,即SH>>SV(或SV≈0).除此之外,SH波在反射界面(剪切间断面)不发生波形转换.因此SH波主导反射横波随声源偏振方向的变化规律,其主要影响垂直井孔平面内对反射体的方位探测特性.SH波对井外反射界面具有较好的方位指向性和较高的探测灵敏度,是偶极反射横波进行方位远探测的重要理论基础.
在垂直井孔平面内,声源发声方向平行于反射界面走向时接收到反射SH波,如图 3的90°方位;垂直于反射界面接收到反射SV波,如图 3的0°方位.对比反射波幅度,SH波幅度明显大于SV波.介于两者之间的任何角度发声,接收的反射横波为SH和SV波组合.当界面与井轴不平行时(如图 4,与井孔夹角为80°),在0°方位依然能接收到微弱反射SV波.这是图 3中方位角小于20°时,反射横波幅度并未减小为零的原因.在不考虑SV波影响情况下,反射波幅度随方位的变化特征可使用余弦平方函数进行拟合,如图 3红色星线所示.由于反射横波主要成分为SH波,余弦平方函数能较好的拟合反射波随方位的变化特征(SH波与拟合函数关系见后文).值得注意的是,余弦平方函数相移90°时拟合误差最小,该角度正是反射体走向.下文将从实际数据处理角度,建立方位反演方法.
1.2 四分量数据的反射体方位反演方法图 5为偶极反射横波成像测井示意图.仪器坐标系采用笛卡尔坐标系(x,y,z).偶极声源位于原点(0,0,0),沿x轴指向并对井外反射体辐射横波.x轴指向与反射体走向的夹角为ϕ.在低频条件下,偶极声源的远场辐射声场与无限大介质的单力源相同(Ben-Menahem and Kostek, 1991),因此可以采用矢量投影将其分解到两个正交的方向上,即位于图 5中垂直于反射界面和平行于反射界面的两个方向.激发出在这两个平面内偏振的SV和SH波,反射回井中后分别被仪器x和y方向的接收器接收.声源振动发声并在同向和交叉方向采集波形可以得到四分量偶极数据(xx、xy、yx、yy):
(1) |
根据前文所述偶极接收器接收的反射横波以SH波为主,特别是当反射体与井近乎平行时更是如此.此时式(1)简化为
(2) |
从式(2)可以看出,反射横波随方位角呈余弦平方变化,这与上文拟合结果吻合.偶极方位指向性和该公式的形式是本文建立反射体方位反演方法的重要基础.
正交偶极测井过程中,仪器会由于电缆扭矩的变化及仪器扶正器与井壁摩擦而发生旋转.为了消除仪器旋转对反射波测量的影响,保证反射体沿着井轴成像的连续性,需要将正交偶极测量的原始数据从仪器坐标系变换到固定坐标系下.由仪器声源向反射体走向(或法向)投影,经反射再投影于接收器指向所采集的四分量数据可以组成2×2对称矩阵(Tang and Cheng, 2004),将此矩阵通过坐标变换或旋转得到任意固定坐标系下的四分量数据:
(3) |
式中α为固定坐标系X轴(一般为磁北极)与反射体走向的夹角.XX、XY、YX、YY为新坐标下四分量数据.对相对于某一特定方位记录的仪器方位角AZ,式中α可通过仪器与固定坐标之间的方位表示:
(4) |
式中AZ为X轴与仪器坐标x轴之间角度.对(3)式中由四分量数据(XX,XY,YX,YY)组成的2×2矩阵可以进一步进行坐标旋转,通过调整方位角α使对称矩阵对角化,即:
(5) |
此时的方位角便为确定反射体走向.
根据式(5),当反射体走向与偶极x指向一致时,交叉分量数据消失.由此Tang和Cheng(2004)提出利用交叉分量能量最小化来反演反射体走向的方法.该方法需要不断旋转四分量数据,类似于偶极横波各向异性处理(Esmersoy et al., 1995).由于需要大量最优化计算,该方法对实际的微弱反射信号进行快速定量分析存在困难.
四分量数据确定反射体方位的方法比较复杂,但在忽略SV波的条件下,反射体方位可以用“xx和yy主分量”做快捷分析(Tangand Patterson,2009).该方法通过对比反射信号在两个分量上的相对强弱,来确定反射体的方位,特别适合与井平行反射体(如图 4中90°位置).当反射横波只存在xx分量(yy分量)时,反射体就在x(y)声源指向方向;若是两个分量都有反射横波能量,则反射体方位介于两个分量之间的方位.这种通过对比两分量上成像信号的相对强弱变化的方法只适用于定性分析反射体走向和实际资料的初步解释.
目前,基于四分量数据识别反射体方位的实用方法是:利用式(5)将α从0°到180°(由式(3)知,α与α+π结果相同)等间隔(如每45°)旋转数据,对不同方位数据采用相同的成像处理参数,实现井周环向方位扫描,称为“偶极方位扫描成像”.反射体方位识别是在“方位扫描成像图”中对比不同方位的成像强弱,幅度最强方位即为反射体的走向.该方法依赖于肉眼观测,同时其精度取决于方位扫描的角度间隔.角度间隔越小,井周方位剖分越密,则反射体方位识别越准确,然而减小角度间隔意味着需要增加成像处理时间.角度间隔每减小一半(如由90°减为45°),井周方位扫描则加密一倍,而所需的方位剖面数增加两倍(由2个方位增加为4个剖面),最终成像处理时间在原来基础上增加两倍.远探测成像处理主要是借鉴地震方法(Tang and Cheng, 2004),声波沿着井轴测量长度达几百米甚至上千米,产生大量3维数据(测井深度维-波形时间维-阵列接收器维),方位剖面数量的增加将极大占用数据处理机时,也增加资料解释的时间.采用以下的方法,可以快速有效地求取反射体的方位.
根据偶极辐射特性(见图 4)和式(2)可知,井中接收的反射波幅度以SH波为主.当忽略SV波时,反射横波幅度随方位角呈余弦平方的变化规律.根据井中不同方位反射横波幅度与余弦平方的相似性,将反射波幅度与余弦平方进行最小二乘拟合,可快速反演反射体方位.反射体方位反演的目标函数表示为
(6) |
式中M表示0°~180°之间多方位扫描成像的剖面个数,如角度间隔为90°,则M=2;角度间隔为45°,则M=4.αi表示旋转波形的第i个方位角.AMP表示反射波幅度峰峰值.Norm表示对反射波幅度归一化.f(α)为拟合的目标函数.min表示对目标函数进行最小二乘拟合求解.α0表示反射体方位,当反射成像剖面的方位与该方位重合时,拟合函数与归一化的反射波幅度数据在该方位均趋于1,此时目标函数,即二者之间的拟合误差为最小.式(6)为单参数最小值问题,可用单参数的最优化方法快速得到反射体方位角.
拟合过程是对余弦平方函数进行相移,并比较其与实际反射波数据的相似性.实际成像数据和余弦数据在数值上存在量级差异,为避免在反演过程中出现“大数吃小数”现象,需对各个方位的反射波幅度进行归一化处理,使实际数据和余弦平方函数统一到同一参考尺度,反演的精度和灵敏性因此得到提高,最优化时收敛速度加快.
一般而言,四个点可确定曲线形态,所以即使周向方位扫描仅有4个剖面,式(6)的方法也能较精确的反演反射体的真实方位.本文将进一步以实际数据展示这种条件下上述方位反演的稳定性.由于井下环境复杂,仪器偏心、井径变化和岩性变化界面等会产生井壁直达反射波,同时测井环境还受随机噪声影响,这些虚假信号甚至与来自地层深部的弱反射信号幅度相当,影响井外有效信息的判别.但这些虚假信号不具有随方位变化规律,在方位成像剖面中幅度没有较大变化,此时式(6)的拟合误差变大.这样通过拟合误差可以识别真实反射体和虚假反射.
下面,我们使用物理实验说明反演方法的可行性.在物理实验方面,柳俊杰(2015)和吕宗扬(2017)使用缩尺模型井研究了声源指向对反射横波幅度影响,进一步验证了反射横波幅度与声源指向的变化规律.模型井材料为POM(聚甲醛树脂),该材料纵波速度2300 m·s-1,横波速度990 m·s-1.模型井外径30 cm,高30 cm,井眼直径1.4 cm.实验所用激励信号的主频为40 kHz.模型井置于水槽中,反射界面为固-液界面,界面与井眼夹角为75°.声源从0°(声源指向反射界面)、22.5°、45°、67.5°和90°(声源平行反射界面)依次旋转测量.从实验波形中提取反射横波并进行归一化,如图 6所示.可以看出,声源指向从垂直于反射界面到平行于反射界面变化时,反射横波幅度逐渐增加,这与数值模拟结果一致.采用本文的反演方法,余弦平方曲线在相移91°后拟合误差最小.在考虑实验误差情况下,该结果可满足反演要求.数值模拟结果和物理实验模拟表明:利用余弦平方相移方法可以满足反射体走向的精确反演.
为验证本文反演方法的实用性和可靠性,下面采用四分量数据进行偶极横波方位远探测的现场实例分析.图 7所示测井井段长度为80 m,地层为泥页岩沉积.第一道给出自然伽马(GR)和地层横波时差(DTS).地层横波时差为500~600 μs·m-1.时差曲线将用于反射横波偏移成像,以确定反射体离井距离.第二道为仪器相对于北极的方位,可以看出仪器在井中测量时不断旋转.波形道给出四个分量偶极波形数据(xx,xy,yx,yy),可以看到在直达弯曲波之后的反射波.值得注意的是该反射波随着仪器的旋转,在xx和yy分量交替出现.这是由于偶极声源的偏振具有指向性,对反射体有方位识别能力.当声源偏振方向平行于反射界面走向,此时能接收到最强的反射波.随着仪器旋转,反射波在四分量波形中交替出现,是偶极方位探测性的重要标识.
目前常用方位扫描成像的方法来估算反射体方位.即使用正交偶极四分量数据对井周0°~180°范围内每隔10°进行方位扫描,得到18个方位成像剖面.图 8为两个正交方位(30°和120°)的三维成像图(为了节省篇幅起见,其他方位的成像图未给出).反射体能量在120°方位较强,而在30°方位最弱,可以定性估计反射体方位在120°左右,这就是偶极横波远探测确定方位的方法.但这种估算方法的准确度依赖于对井周方位扫描的疏密程度,同时受解释人员视觉感官影响,属于定性方位识别方法.
取图 8中深度为X295 m处(图中蓝色截面) 18个方位反射波能量进行方位剖面显示,如图 9.可以看出,该深度点上反射体在100°~140°之间幅度最强,离井孔距离约为7 m.下面我们通过本文提出的方法定量反演反射体的方位并说明其实用性.
首先分析井周方位扫描剖面数量不等时,方位反演的稳定性.井周扫描角度间隔不同,得到的成像剖面数量也不同.图 10a至图 10d扫描角度间隔分别为10°、30°、40°和50°,则在0°~180°范围内每个测井深度点分别有18、6、4和4个成像值.图中给出了现场数据反射波能量、拟合误差最小时的余弦平方曲线及反演的方位.可以看出,余弦平方曲线很好地拟合现场数据,同时反演的方位都为121.1°.图 10a至图 10d用于拟合的实际数据逐渐减少,但方位反演结果较稳定,说明该反演方法抗噪性较强.
图 10a至图 10c的现场成像值中有一个方位为120°,与反演的最终方位比较接近这种情况不同,图 10d中离反射体准确方位较近的成像剖面是100°和150°方向,最大值在100°方位,如果使用目前常用的方位估算方法,则该反射体方位将被估算为100°方位,这与反射体实际方位有较大误差.虽然从图中拟合后的曲线形态上也难直接看出反射体的具体方位,但余弦平方曲线是在相移121.1°后拟合误差最小.根据反射横波能量与余弦平方的相似性,反射横波在该方位达到最大值,即此时为SH波,该方位为反射体的方位(走向).这说明只要在0°~180°方位内,井周扫描4个方位,不管扫描的方位是否接近反射体真实方位,该方法都可准确地反演反射体真实方位.本文反演方法的优势是,将目前反射体方位估算精度严重依赖于井周方位扫描数量的方法,变为只需4个方位就能确定反射体方位,在减少处理时间的同时,还能保证方位反演精度.
下面,我们将本文方法应用于整个井段的现场数据,并进行反射体空间形态探测.图 11的第一道和第二道分别为30°和120°方位成像结果,其中30°主要为噪声信号,而与其正交的120°方位上反射波幅度较强,该方位以SH波成像为主.对井外的强反射像体进行追踪,得到反射体的离井距离,如图中第二道的蓝色虚线,其形态与反射波最大振幅一致,可以从该曲线中确定反射体与井眼的空间距离.第三道彩色图为各个深度和方位上反射波能量剖面.反射波能量最大处所对应的方位为该深度点反射体方位,这与正交偶极各向异性处理的显示方式类似(Patterson and Tang, 2001).对不同深度点追踪最大值即得到反射体方位(走向)曲线.第五道为反射体方位的玫瑰图,每个玫瑰图统计的井段长度为18 m.从图中可以看出,反射体方位为120±20°,为EEN-WWS向.第五道为反射体倾角的玫瑰图,从图中可以看出处理井段为高倾角反射体,基本与井平行.第六道为拟合误差,用于质量监控分析.在处理的井段内存在三种情况,在第六道中分别用不同颜色标出.在绿色井段内拟合误差小,从第二道可以看出清晰的反射体成像,同时第三道中对应的反射波能量较强,此时识别的反射体方位、离井距离和倾角等参数比较可信;与之相比,在蓝色井段内,拟合误差较大,虽然该井段也给出了反射体方位、离井距离和倾角等参数,但此时这些参数可信度较低,同时第二道和第三道也证实反射波能量较弱;在底部的红色井段是人机交互后,解释为无反射体井段,该井段内不进行反射体识别,第三道至第六到的曲线被赋无效值(一般为-999.25或-32767),曲线绘图时将不显示.实际数据处理中,拟合误差高的蓝色井段在确认无反射体后,也可通过人机交互标记为红色,本文为阐述质量监控方法,对该井段未做交互处理.第七道给出两个深度点处理结果.从不同方位的成像图中看出,深度X296 m和X340 m处反射体离井距离分别为7.6 m和7 m,且成像图中深度X296 m的反射波幅度更强.在深度X296 m处,反射波幅度随方位变化特征明显,与余弦平方拟合效果好.在深度X340 m处,反射波幅度随方位变化幅度小,此时与余弦平方拟合效果差.这样通过本文方法,使用四分量正交偶极数据得到反射体方位、离近距离和倾角等空间几何属性.
偶极的指向性发射和接收以及SH横波辐射特性,可以确定反射体的走向.根据偶极辐射特性,本文提出一种采用余弦平方快速确定反射体走向的反演方法.数值模拟结果和实验室物理模拟均表明偶极声源对井旁反射体具有较高的方位灵敏度,同时本文方法能准确反演反射体走向.现场实例表明使用四分量偶极横波数据可以在最少为4个剖面的情况下,准确反演反射体方位,在此基础上确定反射体离井距离和倾角.本文方法在提高解释精度同时还减少处理解释时间.本文工作为四分量偶极横波声波远探测提供了实用而有效的处理方法.本文方法的高效性,也为声波远探测在随钻地质导向的应用奠定了基础.
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