Adjacent Borehole Imaging Method Based on Acoustic Remote Detection in Shallow Unconsolidated Formations
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摘要:
为满足超软地层钻井防碰与井眼轨迹描述的需要，基于声波远探测测井技术，提出了一种偶极纵波邻井井眼成像方法。首先，基于有限差分法模拟了井中偶极声源激发的邻井散射全波场，分析了不同类型散射波的幅度特征及方位特性；然后，分析了两井不共面对散射波幅度和到达时间的影响；最后，通过双井模型试验和现场实际测井数据，验证了偶极纵波邻井成像的可靠性。研究结果表明：偶极纵波相对于横波在超软地层邻井成像中更具优势；四分量旋转后成像最清晰的方位即为目标井方位；两井不共面也不会影响邻井成像。偶极纵波邻井井眼成像方法为浅海软地层钻井防碰和井眼轨迹描述提供了新的技术手段。
Abstract:In order to prevent drilling collision in significantly unconsolidated formations and describe borehole trajectories, a dipole P-wave imaging method for adjacent boreholes was developed based on acoustic remote detection logging technology. First, scattered full-wave fields of adjacent wells that were excited by dipole acoustic sources from wells were simulated based on the finite difference method, and the amplitude and azimuth characteristics of different scattered waves were analyzed. Then, the influence of non-coplanar wells on the amplitude and arrival time of scattered waves was studied. Finally, the reliability of dipole P-wave imaging for adjacent wells was verified by a model test of two wells and actual logging data measured in the field. The results indicated that the dipole P-wave was superior to S-wave in adjacent well imaging in significantly unconsolidated formations, and the clearest azimuth after four-component rotation was the azimuth of the target well. In addition, adjacent well imaging was not affected by non-coplanar wells. It was shown by the study results that the dipole P-wave imaging method for adjacent boreholes can provide a new technical tool to prevent drilling collision in shallow unconsolidated formations and describe borehole trajectories.
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声波远探测技术是近年来应用地球物理领域取得的重要成果。该技术以井中偶极声源辐射到井外地层中的声场能量为入射波，接收从井旁地质构造反射回来的声波，通过处理接收器记录的全波信号，对井外反射体进行成像。该技术已经应用于井旁裂缝、地层界面、断层、溶洞和矿体的识别[1]。声波远探测的一项潜在应用是对邻井井眼进行扫描成像，为目标井井眼轨迹描述与钻井防碰或者钻井救援工作提供技术保障[2]。利用声波远探测技术进行邻井探测，需要考察井中声源的辐射特性、目标井对弹性波的散射作用和测量井对接收信号的调制。为满足钻井防碰与井眼轨迹描述的需要，弥补目标井为裸眼井时电磁探测失效的不足，需开发适用于超软地层的偶极邻井探测声波测井技术。
声波远探测测井技术主要经历了单极纵波和偶极横波2个发展阶段。B. E. Hornby[3]最早提出使用单极纵波进行成像，通过井中单极子声源向井外辐射纵波，经反射体反射后被井中仪器接收，据此判断井外反射体的位置。国内外学者对单极纵波成像进行了大量的理论研究和模拟工作[4-5]。在理论研究的基础上，中国石油大港测井公司于2005年研制了远探测声波反射测井仪器，并取得了一定的应用效果[6]。但单极纵波方法存在如下不足：1）单极子声源无方向性，不能确定反射体的具体方位；2）单极纵波声源的激发频率通常为10 kHz左右的高频段，波衰减较快，制约了其探测范围。
针对单极纵波方法存在的不足，Tang Xiaoming[7]首次提出将偶极子应用于单井声反射成像测井，通过偶极声源向井外发射横波，并在井中接收由井外反射体反射回来的横波。相对于单极纵波方法，偶极横波远探测的最大优势在于偶极子声源的方位灵敏度，采用多分量发射和接收可以确定反射体的方位。此外，偶极声源的工作频率在2～5 kHz的低频段，因而其探测深度可达数十米。Tang Xiaoming等人[8]利用四分量偶极横波数据对井旁裂缝和盐丘内部的精细构造进行了成像。Wei Zhoutuo等人[9]对偶极辐射声场的数值模拟、远场辐射特征和反射声场的变化规律进行了系统研究。唐晓明等人[10]从井孔内外偶极声场的基本理论出发，推导了井外辐射远场的渐近表达式，并通过数值模拟计算和实例应用验证了该方法的可行性及有效性。Tang Xiaoming等人[11]利用互易定理从理论上分析了偶极声源激发横波辐射和接收的特性，并利用三维有限差分模拟验证了结果的正确性，分析结果表明，SH横波（水平偏振横波）分量具有更宽的辐射覆盖性及更高的反射灵敏度，是偶极横波远探测的重要依据。基于偶极横波远探测的基本原理，中海油田服务有限公司研发了偶极横波远探测测井仪，并对偶极横波远探测测井资料进行了成像处理，结果表明，偶极横波远探测测井资料能够反映井外70 m内的地质异常体[12]。对于井周构造远探测成像，国内外许多学者进行了大量的理论及应用研究，苏远大等人[13]首次通过数值模拟对比分析了来自井外地层界面和充液邻井产生的反射波特征，在此基础上提出基于邻井反射验证远探测的方法，并利用两口相邻试验井验证了邻井反射波成像清晰可见。
在常规硬地层中利用偶极SH横波进行邻井探测已有先例[14-16]。浅层丛式井钻遇的胶结疏松的地层，属于超软地层，由于在该类地层中横波难以激发及采样时间的限制，声波测井仪无法采集到地层的横波反射信息。值得注意的是，偶极声源会同时向地层辐射纵波，并且在软地层中纵波能量要强于通常用于成像SH横波的能量[17]，声波测井仪可以接收到井外的纵波反射信号，因此可利用偶极纵波对不同距离的丛式井同时进行成像，测量计算正钻井与邻井的间距和方位，据此对正钻井的井眼轨迹进行适当调整，以防止与邻井相碰[18-19]。
鉴于浅层地层胶结疏松，通常需要在钻井之后马上进行固井以防止井壁坍塌，不具备裸眼测井条件[20]。因此，笔者针对套管井环境，利用有限差分法数值模拟了偶极子声源从测量井辐射到地层中的各种极化波、传播至目标井进而被散射回测量井的弹性波场，分析了不同类型散射波的幅度特征、方位特性和目标井与测量井不平行对散射纵波幅度的影响，开展了双井模型试验，验证了利用散射纵波进行邻井成像的可行性。模拟和试验结果为在超软地层中利用偶极纵波进行邻井探测提供了理论基础。
1. 邻井散射数值模拟分析
为了模拟邻井引起的弹性波散射，建立了物理模型，如图1所示。测量井的井轴与z轴重合，测井仪器位于该井内。偶极声源位于坐标轴原点处，距离声源3.00 m处有一接收器阵列，接收器间距为0.15 m。目标井距离测量井5.00 m，其井轴与测量井井轴平行，位于xOz平面内且垂直于xOy平面。测量井与目标井均为套管井，测量井井中流体、套管、水泥环及井外地层尺寸以及弹性参数见表1。目标井水泥环的外半径为0.222 m，其他尺寸和弹性参数与测量井相同。声波测井过程中，偶极声源从测量井内向外辐射出弹性波，当其传播至目标井时会发生散射并传播回测量井被接收阵列记录下来，从而利用散射波信息对目标井进行成像[21]。
表 1 测量井模型尺寸及弹性参数Table 1. Model size and elastic parameters of the measuring well模型组成 纵波速度/
（m·s−1）横波速度/
（m·s−1）密度/
（kg·m−3）半径/
m井中流体 1 500 1 000 0.160 套管 6 098 3 354 7 500 0.169 水泥环 2 823 1 729 1 920 0.203 地层 1 724 450 2 000 ∞ 根据上述物理模型建立有限差分数值模型，模型计算区域在x方向上的坐标范围为（−0.45 m， 5.85 m），在y方向上的坐标范围为（−1.00 m，1.00 m），在z方向上的坐标范围为（−0.45 m，4.15 m）。网格大小为
Δx=Δy=Δz=4.50mm ，完美匹配层的厚度为15个网格单元。声源的主频为3 kHz，声源函数为标准雷克子波。定义偶极声源的偏振方向与x轴正方向的夹角为偶极声源的偏振方位角。对于辐射到井外的弹性波，偶极声源的偏振方位角为0°（即偶极声源沿x轴方向偏振）时，提取xOz平面内3.185 8，5.658 9和12.575 4 ms时刻x方向分量的波场快照，结果见图2。从图2可以看出，偶极声源在超慢速地层套管井条件下能够激发出很强的P波（纵波），且其波束角很宽，仅在靠近测量井处幅度有所下降，而在邻井探测中该处的波通常不会对目标井造成的散射波有所贡献，并不影响散射P波的幅度。除了P波之外，从图2还可以看到较为明显的SV波（垂直偏振横波），但其波束角要明显小于P波。当从测量井中辐射出去的P波传播至目标井时，产生了明显的散射PP波（入射P波引起的散射P波）和散射PS波（入射P波引起的转换散射S波）。随着时间推移，从图2还可以看出，测量井辐射到地层中的SV波传播至目标井时会产生明显的SP波（入射S波引起的转换散射P波）和SS波（入射S波引起的散射S波）。
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图 2 声源偏振方位角为0°时，xOz 平面内不同时刻x方向分量的波场快照Figure 2. Wavefield snapshots of x-direction component in xOz plane with time at a polarized azimuth of acoustic source of 0°声源的偏振方位角为90°（偶极声源沿y轴方向偏振）时，提取得到5.407 4和13.832 9 ms时刻xOz平面内y方向分量的波场快照（见图3）。从图3可以看出，在这种情况下，在xOz平面内仅激发出了幅度较强SH波，当SH波传播至目标井时产生了较强的散射SS波（入射S波引起的S波散射）和非常微弱的散射SP波（入射S波引起的转换P波）。
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图 3 声源偏振方位角为90°时，xOz 平面内不同时刻y方向的波场快照Figure 3. Wavefield snapshots of y-direction component in xOz plane with time at a polarized azimuth of acoustic source of 90°图4为偶极声源偏振方位角分别为0°和90°时（偶极声源分别沿x轴和y轴方向偏振）接收器阵列接收到的同向分量波形。从图4可以看出，声源偏振方位角为0°时，可以接收到3个散射波波包，首先到达的是散射PP波，其次为散射PS波和散射SP波，最后到达的是散射SS波。由于该模型中测量井与目标井是平行的，因此散射PS波和散射SP波到达接收器的时间相同。声源的偏振方位角为90°时，由上文可知散射SP波很弱，因此在波形中仅能看到幅度较强的散射SS波。相比于散射PP波，由于超慢速地层的横波速度很慢，导致散射SS波到达接受器的时间很晚，现有测井仪通常无法采集到该散射波，若改进测井仪，一方面会增加研发成本，另一方面会使需采集的数据量增大；且散射SS波的波包宽度要明显大于散射PP波，这是由于横波的波长较短，其到达邻井产生的散射更加接近于反射，使目标井近井壁和远井壁处产生的散射波接近分离却并未完全分开，使该散射波波包较宽。
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图 4 偶极声源偏振方位角分别为0°和90°时井内接收到的同向分量波形Figure 4. Waveforms of co-directional components obtained from wells at a polarized azimuth of dipole acoustic sources of 0° and 90°为进一步比较各种类型散射波的幅度，绘制了散射PP波、散射PS波和SP波以及散射SS波幅度绝对值最大值随源距的变化曲线，如图5所示。从图5可以看出，散射PP波的幅度最大，其次为由辐射到地层中的SV横波引起的散射横波，由辐射到地层中的SH横波引起的散射横波与转换散射波幅度较小。由于SH波在竖直面的波束角较小（见图3（a））且目标井距离测量井很近，因此由SH横波引起散射横波的幅度随源距增大而减小，仅在小源距时与由SV横波引起的散射横波的幅度相当。综上所述，利用散射纵波进行邻井的成像更具优势。
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图 5 不同类型散射波幅度绝对值的最大幅度随源距的变化曲线Figure 5. Variation curve of maximum amplitude of absolute value of different scattered wave amplitudes with source distance为了验证该散射纵波仍具有方位特性，模拟了不同声源偏振方位角下散射波幅度的变化，结果如图6所示。从图6可以看出：随着偏振方位角增大，散射PP波幅度逐渐变小；偏振方位角为90°时，该散射波消失。当偶极声源对着目标井方向偏振时，其散射波幅度最大；当声源偏振方向与上述方向垂直时，散射波幅度最小；其余偏振方位角产生的散射PP波幅度位于二者之间。因此，实际应用过程中可对不同方位的偶极波波形数据分别进行成像，成像最清晰的方向即为目标井所在的方位，这与偶极横波成像方法得到的方位相差90°。
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图 6 散射PP波幅度随偶极声源偏振方位角的变化Figure 6. Variation of scattered PP wave amplitude with polarized azimuth of dipole acoustic sources2. 双井非平行情况下的散射PP波幅度
实际钻井过程中，测量井与目标井往往不是恰好平行的，为了研究目标井倾斜对散射PP波幅度的影响，建立了如图7所示的物物理模型。模型中，测量井固定不动，其井轴始终与z轴重合，通过旋转目标井来得到目标井与测量井存在夹角时的物理模型。目标井的旋转方式有2种：旋转方式1如图7（a）所示，以（5 m，0 m，2 m）为中心（其中2 m是根据声源与最远接收器的中点位置所选取），使目标井井轴在xOz平面内沿逆时针旋转；旋转方式2是保持旋转中心不变，使目标井井轴在yOz平面内沿逆时针旋转，如图7（b）所示。
图8（a）所示为目标井按照旋转方式1旋转时散射PP波波形的变化。从图8（a）可以看出，随着旋转角变大，散射PP波的到达时间逐渐变早，这是由于入射波与散射波传播路径变短引起的，同时可以看出散射PP波的幅度并没有明显变化。图8（b）所示为目标井按照旋转方式2旋转时散射PP波波形的变化。从图8（b）可以看出，随着旋转角变大，散射PP波的幅度轻微减小，但不明显，即便是测量井与目标井相互垂直时，依然可以测量到明显的散射PP波。因此，在利用散射PP波进行邻井位置探测时，测量井井轴与目标井井轴的夹角对测量结果影响较小，实际测井时可以不予考虑。
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图 8 目标井与测量井井轴存在夹角时的散射PP波波形Figure 8. Waveforms of scattered PP wave under an angle between axes of target well and measuring well3. 试验井测试与实例验证
为验证偶极纵波邻井探测成像效果，在河北燕郊邻井试验井场进行了远探测试验。试验模型如图9所示，该试验井为南北向2口套管井，2口井的间距在0～180 m井段维持在5 m左右，目标井的井斜角为5°，套管内径为0.165 m。井外地层纵波波速2 100 m/s，横波波速800 m/s左右，属于超软地层。
试验时，将远探测声波仪在南向测量井中进行上提采集，对采集到的偶极纵波数据进行远探测声波成像处理以实现北向目标井的探测。图10所示为100～180 m井段试验数据的处理结果。图10中第3道为偶极XX波形变密度图，可以看出，试验测得的数据质量较高；将四分量偶极纵波数据经直达波消除之后，利用第2道的纵波时差曲线进行偏移成像，得到偶极纵波南北方向（第4道）和东西方向（第5道）邻井成像结果，从成像结果可以看出北向井所处的位置、距离和井眼轨迹，且南北向成像效果最强，因此可判断邻井所在的方位为南北向，与试验井所处的位置一致，验证了超软地层中利用偶极纵波探测邻井方法的有效性。
图11所示为海上某井（200～500 m井段）邻井偶极纵波成像结果（测井资料来源于海上油田浅层）。图11中，第1道为井深，第2道为声波测井仪采集得到的单极波形，第3道偶极波形，第2道和第3道中的纵波到达时间一致。提取偶极波形中反射波的弱信号，然后使用纵波时差进行偏移成像，四分量旋转后得到各方位成像图（见图11第4道和第5道）。第4道为南东向成像图，显示200～500 m井段井外8 m存在目标邻井；第5道为正西向成像图，显示正西向存在另外一口邻井，其在200～450 m井段的井外9 m处，该邻井在450～480 m井段开始造斜，从井外9 m延伸至13 m，2口井的成像图与井位图一致，验证了超软地层中利使用偶极散射纵波探测邻井方法的可靠性，为井眼轨迹描述和钻井防碰提提供了一种行之有效的方法。
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图 11 海上油田某井邻井偶极纵波成像结果Figure 11. Dipole P-wave imaging results of adjacent well of a well in offshore oilfield4. 结论与认识
1）在套管井和超慢速地层条件下，利用偶极散射纵波进行邻井成像比横波更具优势，四分量旋转后成像最清晰的方位即为目标井所在方位。
2）测量井与目标井往往不是恰好平行的，但测量井井轴与目标井井轴的夹角对测量结果的影响较小，两井不共面的情况不会影响邻井成像。
3）从试验和现场数据中提取偶极纵波进行偏移成像处理，实现了邻井方位的有效探测，验证了超软地层中偶极纵波探测邻井方法的有效性和可靠性。
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图 2 声源偏振方位角为0°时，xOz 平面内不同时刻x方向分量的波场快照
Figure 2. Wavefield snapshots of x-direction component in xOz plane with time at a polarized azimuth of acoustic source of 0°
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图 3 声源偏振方位角为90°时，xOz 平面内不同时刻y方向的波场快照
Figure 3. Wavefield snapshots of y-direction component in xOz plane with time at a polarized azimuth of acoustic source of 90°
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图 4 偶极声源偏振方位角分别为0°和90°时井内接收到的同向分量波形
Figure 4. Waveforms of co-directional components obtained from wells at a polarized azimuth of dipole acoustic sources of 0° and 90°
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图 5 不同类型散射波幅度绝对值的最大幅度随源距的变化曲线
Figure 5. Variation curve of maximum amplitude of absolute value of different scattered wave amplitudes with source distance
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图 6 散射PP波幅度随偶极声源偏振方位角的变化
Figure 6. Variation of scattered PP wave amplitude with polarized azimuth of dipole acoustic sources
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图 8 目标井与测量井井轴存在夹角时的散射PP波波形
Figure 8. Waveforms of scattered PP wave under an angle between axes of target well and measuring well
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图 11 海上油田某井邻井偶极纵波成像结果
Figure 11. Dipole P-wave imaging results of adjacent well of a well in offshore oilfield
表 1 测量井模型尺寸及弹性参数
Table 1 Model size and elastic parameters of the measuring well
模型组成 纵波速度/
（m·s−1）横波速度/
（m·s−1）密度/
（kg·m−3）半径/
m井中流体 1 500 1 000 0.160 套管 6 098 3 354 7 500 0.169 水泥环 2 823 1 729 1 920 0.203 地层 1 724 450 2 000 ∞ 
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期刊类型引用(7)
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百度学术
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