2. 西部钻探钻井工程技术研究院
2. CNPC Xibu Drilling Engineering Company Limited, Drilling Research Institute
0 引言
随着油气勘探开发难度的加大，随钻垂直地震剖面(Vertical Seismic Profiling，VSP) 测量技术的应用价值日益凸现，尤其是其地层前探测范围远大于其他随钻测井工具。塔里木地区深井超深井碳酸盐溶洞精确定位和卡层问题仍难以解决，塔北地区溶洞一次性钻井成功率为59.5%。利用随钻VSP工具对该地区失利井进行二次定位，可使溶洞钻遇率提高至85%，潜山深度定位误差小于1%，显著降低钻探风险，节约钻井成本，提高钻井时效。
与地面地震相比，由于随钻VSP数据在井底获取，地震波传播路径相对较短，高频信号衰减较少，所以其具有信噪比高、分辨率高，以及运动学和动力学特征明显等优势。与常规电缆VSP相比，随钻VSP在钻井作业接单根期间进行测量，不干扰钻井作业，占用钻机时间少，施工风险小，钻井成本低。此外，随钻VSP能同时接收上行波和下行波，可为地面地震数据估算反褶积算子；多分量随钻VSP还可同时记录纵波及横波，实现多波多分量勘探。针对随钻VSP技术特点，笔者用数值模拟方法对一理论地质体模型进行模拟，并对模拟结果进行分析，旨在说明该方法的工作原理与有效性。
1 随钻VSP测量系统 1.1 系统构成如图 1所示，随钻VSP测量系统由地面震源、VSP井下测量工具、正脉冲无线传输系统、地面时钟同步装置以及数据处理系统等组成。与电缆VSP相比，随钻VSP测量系统所使用的检波器和水听器更耐受井下强烈振动冲击，其安装结构较特殊。
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| 图 1 随钻VSP测量系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of VSP while drilling system |
VSP井下测量工具是整个测量系统的重要组成部分，它集成了多个地震检波器、水听器、信号测量电路、数据采集与存储电路、系统电源监测电路以及数据高速下载接口等，其作用是实时采集井下接收的地震波信号并自动提取初至波时间(校验炮时间)。随钻VSP数据是否有效取决于井下测量工具与地面设备的精确同步，为此井下测量系统选用高精度晶振源作为时间记录的基准，地面时钟则以GPS时钟作为参考时钟源，有效保证了测量结果的准确性。正脉冲无线传输系统将校验炮时间数据实时上传至地面，根据该数据可得到时深转换关系用于将时间域地震剖面转化到深度域，并可将钻头位置标注于地震剖面上，为钻井工程师提供决策依据。
1.2 技术特点随钻VSP具有以下优点[1-3]：①出于井壁稳定性与安全性考虑，对于水平井段应当尽量避免为进行电缆VSP测量而重复下钻，随钻VSP则可以获取数据，并在地震剖面上标注钻头位置。②可以配合其他测井数据对钻头位置在地面地震剖面进行修正，钻井工程师可由此判断钻头当前的位置，并预测钻头前方的地质情况，大幅降低不确定性(由700 m降低到10 m)。③当进行岩石取芯操作时，可在非常接近目标层的位置取芯，以减少不必要的钻孔, 避免错失岩芯数据，节约时间和成本。④下套管作业时，可将套管准确地下入到目标层位，降低下套管成本。⑤VSP剖面具有更高的分辨率，可以观察到地面地震剖面无法观察到的不整合面，预测潜在异常孔隙压力，有效进行近盐丘勘察。
随钻VSP技术具有以下局限性：受钻井液脉冲传输速率的限制，对处理得到的全部速度信息无法实时上传。如何确保VSP地震传感器与井壁的耦合效果以及高精度井下时钟是随钻VSP技术需要克服的重点难题。
2 数值模拟将起伏地表地质体作为模拟对象，通过地震波场数值模拟分别获得地表地震记录数据和VSP数据。对地表地震数据采用时间偏移算法进行处理，获得时间域地表地震剖面；对VSP数据进行处理获得校验炮时间，利用校验炮把钻头定位于时间域地震剖面上，并与正演模型进行对比。
2.1 数值模拟方法数值模拟采用格子法[4]。该方法是一种时空域波动方程数值解法，其数值原理既不同于有限差分的“逐点满足运动方程”，也有别于有限元方法中的变分原理，而是利用微分方程的积分平衡形式。因此，可以利用非规则网格精确刻画地质构造，获得高精度模拟结果。
非均匀介质中的声波方程如下：
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(1) |
式中:p为压力，ρ和c分别为介质的密度和速度。
为便于精细刻画复杂构造，需采用由三角形单元构成的非规则、非结构化网格。图 2是离散化计算域局部网格示意图。以节点k为例，式(1) 基于积分近似形式为：
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| 图 2 离散化计算域局部网格示意图 Fig.2 Schematic diagram of local grid of discrete calculation domain |
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(2) |
式中:m为绕节点k的三角形单元个数，Skl是节点k周围第l个三角形单元中的虚线段。
利用动力学计算中的集中质量模型，即假设沿表面分布的被集中到各节点，则式(2) 左端的面积分可近似为
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(3) |
式中:下标l表示该物理量对应围绕节点k的第l个三角形单元，bk和ak是三角形单元的几何参数，其值是该节点对应的边长在坐标轴上投影的
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(4) |
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(5) |
式中:下标r为三角形单元的3个节点，A为三角形单元的面积。
给定t时刻各节点上的p，由式(3) 可求得各节点上p的二阶时间导数，基于时间域3点中心差分公式，可由t-Δt和t时刻的p，求得t+Δt时刻的p，这样就完成了p在时间上的更新。
2.2 数值模拟实例利用格子法对一个起伏地表非规则网格地质模型进行数值模拟。如图 3所示，分别记录钻头处在2个深度的传感器信号(1 635和2 800 m)。图 4是地震波场模拟结果。通过对检波器信号初至波时间进行分析，可以得到以上2个深度的初至波时间分别为0.458 s和0.750 s。通过数值模拟还可得到一组常规地震剖面数据，利用时间偏移算法获得相应的时间域地震剖面(见图 5)。利用前面得到的校验炮时间，可以将钻头位置定位在时间域地震剖面上。观察定位结果可以发现，“深度一”处的关键点在时间剖面的上的定位比较准确；“深度二”在时间剖面上的定位略有误差，该误差由获取该剖面偏移算法造成。在实际应用中，地震剖面中的反射界面位置也存在类似的不确定性，需要结合其他随钻测井数据对地震剖面进行实时更新。
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| 图 3 地质体速度模型及深度点位置 Fig.3 Geologic body velocity model and depth point location |
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| 图 4 数值模拟结果(1 940 ms波场) Fig.4 Numerical simulation results (1 940 ms wave field) |
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| 图 5 时间域地震剖面 Fig.5 Time domain seismic profile |
3 结束语
随钻VSP技术是油气勘探新区获得突破、老区深入挖潜必不可少的关键技术。该技术采用井下接收方法，检波器接近反射点，减少了近地表吸收衰减对资料的影响。因此，VSP地震资料具有高信噪比、高分辨率、丰富的运动学和动力学特征等优点，可以精细研究层间多次波的产生、P波到S波的转换等现象，是建立地下地层结构与地面地震之间精确标定关系的桥梁。
介绍了随钻VSP测量系统组成及其各部分功能，分析了随钻VSP的技术特点。数值模拟结果表明：校验炮数据可在地震剖面上有效确定钻头位置，但校验炮时间自动提取算法的应用效果受数据质量的影响较大。研究结果可为下一步研究相关算法提供重要依据。
| [1] | RASMUS J C, ESMERSOY C, SEYDOUX J, et al. LWD for imaging, wellbore placement, and formation evaluation[J]. Journal of Petroleum Technology, 2006, 58(5): 52–53. 10.2118/0506-0052-JPT |
| [2] | HALDORSEN J, CENGIZ E, ANDREW H, et al. Optimizing the well construction process:Full-waveform data from while-drilling seismic measurements in the South Caspian Sea[R]. SPE 155885, 2003. |
| [3] | UNDERHILL W, ESMERSOY C, HAWTHORN A, et al. Demonstrations of real-time borehole seismic from an LWD tool[R]. SPE 71365, 2001. |
| [4] | ZHANG J, LIU T. P-SV-wave propagation in heterogeneous media:Grid method[J]. Geophysical Journal International, 1999, 136(2): 431–438. 10.1111/j.1365-246X.1999.tb07129.x |