CN112068206B - 一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法。包括以下步骤：首先将在仪器坐标系x‑y中指向为x和y的正交偶极声源和接收器放置于探井中，激发x和y指向声源向井外地层辐射弹性波；用x和y指向的接收器分别采集四分量信号(xx,xy,yx,yy)；以相对于仪器x轴或固定方向的角度φ为变量，用四分量井外信号组成φ向发射和接收的合成信号XX，变化φ值得到使XX达到最大幅值时的角度φ0；若所测井外信号为弹性纵波，φ0即为目标井方位；若信号为偏振方向与井垂直的弹性横波，则φ0+90°为目标井方位；对最大幅值信号XX(φ0)成像，确定目标井与探井的距离。本发明可以获取钻井附近邻井的距离和方位信息，为油田开采中的井丛防碰和安全生产提供重要数据。

Description

一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法
技术领域
本发明属于应用地球物理声学测井技术领域，具体来说，本发明通过探测井中放置指向性声源向井旁目标井辐射弹性波场、分析目标井对波场的散射以及在探测井中测量目标井散射波的信号并对信号进行处理来实现目标井的探测和成像的方法。
背景技术
随着油气勘探开发的深入，低渗透、非常规及海洋等复杂油气田的高效开发面临技术瓶颈，双水平井、多分支井、救援井、丛式井等复杂结构井技术得到广泛应用，大大降低了钻井综合成本，提高了原油产量。复杂结构井开发的关键是高精度的邻井探测方法，以此实现井网加密时钻井防碰以及救援井与事故井的顺利联通(Oskarsen,et al.RotatingMagnetic Ranging Service and Single Wire Guidance Tool Facilitates inEfficient Downhole Well Connections.Society of Petroleum Engineers,2009)。
目前邻井探测技术的开发主要集中于主动电磁探测，该方法首先使用大功率电流激励套管使其产生磁场，然后在测量井中利用传感器接收邻井套管被电流激励产生的磁场，最后反演测量井与目标井之间的距离。但是该技术只适用于目标井为套管井的情况，且井间距离限制在20m以内(范家怿.丛式井邻井距离电磁探测方法研究.北京：中国石油大学(北京),2018)。
声波远探测技术是近年来应用地球物理领域中的一个重要进展，该技术以井中偶极声源辐射到井外地层中的声场能量作为入射波，接收从井旁地质构造反射回来的声场，通过处理接收器记录的全波信号，对井外反射体进行成像，已经成熟应用于井旁裂缝、地层界面、断层、溶洞和矿体的识别(唐晓明,古希浩,李杨虎,等.井孔与弹性波的相互作用：理论、方法与应用.地球物理学报,2020)。声波远探测的一项潜在应用是对相邻井孔进行扫描成像，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。
使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以及测量井对接收信号的调制；此外实际偶极声波测井仪器使用四分量数据(xx,xy,yx,yy)采集的方式，地层速度的不同也需要选用不同种类的弹性波进行成像。着眼于钻井防碰与井孔轨迹描述的现场需要，弥补目标井为裸眼井时电磁探测失效的不足，基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法亟待实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，测量井中设置指向性声源向井外激发P波、SH和SV横波，弹性波经目标井散射后返回至测量井，散射波信号被指向性接收器记录，适用于目标井为裸眼井或者套管井的情况，为井眼轨迹描述与钻井防碰提供了一种行之有效的解决方案。
为了实现不上述发明目的，本发明所采用的具体步骤如下：
步骤一、将在仪器坐标系x-y中指向为x和y的正交偶极声源和接收器放置于测量井中，激发x和y指向声源向井外地层辐射弹性波。
步骤二、记录仪器坐标轴(如x轴)相对于固定方向(如地球北极)的方位角。
步骤三、用x和y指向的接收器分别采集四分量信号(xx,xy,yx,yy)。
步骤四、将此四分量数据做分波处理，压制和剔除沿井筒传播的直达波，提取来自目标井的反射和散射波信号。
步骤五、以相对于仪器x轴或固定方向的角度φ为变量，用四分量井外信号组成φ向发射和接收的合成信号XX＝xxcos2φ-sinφcosφ(xy+yx)+yysin2φ，变化φ值得到使XX达到最大幅值时的角度φ0。
步骤六、在超软地层中，使用纵波时差构建速度模型，φ0即为目标井方位；在硬地层和常规软地层中，使用横波时差构建速度模型，φ0+90°为目标井方位。
步骤七、根据速度模型进行时深转换，对最大幅值信号XX(φ0)成像，进一步确定目标井与探井的距离。
所述步骤三中四分量中的任一分量(如xy)，第一个字母表示声源指向(如x)，而第二个字母则表示接收的指向(如y)。
所述步骤四具体包括：首先波形数据进行滤波减小噪音干扰；然后构造压振器进行压振处理，减少直达波的周期；最后选用中值滤波、自适应滤波、F-K滤波等方法进行波场分离，去除直达波干扰，保留反射和散射波。
所述步骤五中，对于直井，固定方向一般选用地球磁北极；对于斜井和水平井，如果参照磁北极，井眼轨迹将影响走向的确定，所以选用参照井眼高端作为固定方位。
所述步骤六中，在超软地层情况下(例如浅海未疏松地层)，所测井外信号为弹性纵波，φ0即为目标井方位；在硬地层或常规软地层中，信号为偏振方向与井垂直的弹性横波(SH横波)，则φ0+90°为目标井方位。
所述步骤七具体为：对最大幅值信号首先进行共中心点叠加、倾角叠加进行增强处理，然后选用叠前偏移、叠后偏移、近平偏移、高斯束偏移成像，随后使用维纳滤波、各向异性扩散滤波对成像图进行降噪处理，最后根据成像图确定目标井与探井的距离。
本发明的优点及积极效果：在目标井为裸眼井或者套管井的情况下，满足邻井探测弹性波场的测量及分析，提供更有效的数据采集、处理和解释的方法，进而获取目标井距离和方位的信息，为油田开采中的井丛防碰和安全生产提供重要数据。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法工作流程图；
图2为本发明中邻井探测模型示意图；
图3(a)为本发明中散射横波四分量波形数据；
图3(b)为本发明中旋转横波四分量波形数据得到的各个方位信号的归一化幅度；
图4(a)为本发明中散射纵波四分量波形数据；
图4(b)为本发明中旋转纵波四分量波形数据得到的各个方位信号的归一化幅度；
图5为使用本发明中偶极横波探测方法得到的目标井成像图；
图6为使用本发明中偶极纵波探测方法得到的目标井成像图。
图中编号：1、测量井，2、接收器，3、声源，4、目标井。
具体实施方式
下面结合井孔与弹性波相互作用的具体原理和邻井探测实例对本发明方法作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本方法并能予以实施，但所举实例不作为对本发明的限定。
步骤一、将在仪器坐标系x-y中指向为x和y的正交偶极声源和接收器放置于测量井中，激发x和y指向声源向井外地层辐射弹性波。
偶极声源的辐射指向性为：
Figure BDA0002673363890000031
其中θ为声源到场点的辐射方向与z轴的夹角，
Figure BDA0002673363890000032
为辐射方向与z轴所在竖直平面的方位与x轴正方向的夹角；α、β、αf分别为地层纵波、横波和流体速度；k为轴向波数，kp0＝ωcosθ/α和ks0＝ωcosθ/β分别为地层纵波和横波的最速下降解；f、p和s分别为流体、地层纵波和横波的径向波数。
根据索末菲积分与贝塞尔加法定理，将测量井中声源辐射的球面波展开成柱面波叠加的形式，得到井外地层中辐射波的位移势函数。
Figure BDA0002673363890000041
其中S(ω)为声源函数，RD为井中声源的辐射指向性，εn＝1，In和Kn分别为第一类和第二类修正贝塞尔函数，(r0,
Figure BDA0002673363890000042
z0)为柱坐标系中声源所在位置。
辐射波入射至目标井后产生透射波与散射波，根据霍姆赫兹定理，井内流体与柱状分层固体介质中的位移函数可以分别使用其势函数来表示
Figure BDA0002673363890000043
其中φf为目标井内流体的位移势，φm、χm和Γm分别为第m层介质中的P、SH、SV波的位移势。
仿照辐射波位移势函数给出透射波与散射波的位移势函数的一般形式。
Figure BDA0002673363890000044
其中式中r1为套管内径，
Figure BDA0002673363890000045
αm和βm分别是第m层的纵波和横波的波速，αf为井内流体纵波。
Figure BDA0002673363890000046
和
Figure BDA0002673363890000047
Figure BDA0002673363890000048
(以及
Figure BDA0002673363890000049
等)为第m层介质中波动的振幅系数，可由井壁边界条件确定。
据目标井壁的边界条件建立矩阵方程求解得到散射波在频率-波数域的位移势函数，边界条件为
Figure BDA00026733638900000410
分别代表了边界处径向位移与正应力连续，切应力为零。
根据边界条件建立矩阵方程为
Figure BDA0002673363890000051
和
Figure BDA0002673363890000052
M矩阵的元素与返回井内流体的波有关，G矩阵与透过套管与水泥环，辐射进入地层的波有关，具体表达式参见(Tang,X.M.,and C.H.Cheng,2004,Quantitative boreholeacoustic methods:Elsevier Science Publishing Inc)。式中d和d′是4×1的向量，由入射波的类型决定。
当P波入射时
Figure BDA0002673363890000053
当SH波入射时
Figure BDA0002673363890000054
当SV波入射时
Figure BDA0002673363890000055
求解方程(6)可得到散射波的振幅系数，其中以纵波为例给出入射波在f-k域的位移势表达式
Figure BDA0002673363890000056
其中RD为纵波的辐射指向性函数。
根据位移势-位移关系得到散射纵波在f-k域的位移函数表达式
Figure BDA0002673363890000057
根据最速下降法对公式(11)的波数积分进行简化，由于测量井与目标井的距离符合远场的条件，即|kpr|＞＞1，同时|kpr0|＞＞1，散射波的远场位移表达式为
Figure BDA0002673363890000061
式中kp0＝(ω/α)cosδ，使用最速下降法减少了傅里叶变换的次数，提高了模拟方法的计算速度。
根据充液井孔中声源辐射与接收的互易性，测量井中接收到的信号可表示为
Figure BDA0002673363890000062
互易定理的运用简化了井孔对弹性波接收响应的复杂运算，
步骤二、记录仪器坐标轴(如x轴)相对于固定方向(如地球北极)的方位角。
步骤三、用x和y指向的接收器分别采集四分量信号(xx,xy,yx,yy)，其中四分量中的任一分量(如xy)，第一个字母表示声源指向(如x)，而第二个字母则表示接收的指向(如y)。
在(7)-(9)以及(12)式中使用不同
Figure BDA0002673363890000063
和
Figure BDA0002673363890000064
可以获得偶极四分量数据，结合图2所示邻井探测模型示意图，以偶极声源指向与双井所在平面夹角等于30°为例进行说明：
Figure BDA0002673363890000065
计算得到xx分量，
Figure BDA0002673363890000066
计算得到xy分量，
Figure BDA0002673363890000067
Figure BDA0002673363890000068
计算得到yx分量，
Figure BDA0002673363890000069
计算得到yy分量。其中纵波四分量数据如图3a所示，横波四分量数据如图4a所示。
步骤四、将此四分量数据做分波处理，压制和剔除沿井筒传播的直达波，提取来自井外的反射和散射波信号。其中包括首先对波形数据进行滤波减小噪音干扰；然后构造压振器进行压振处理，减少直达波的周期；最后选用中值滤波、自适应滤波、F-K滤波等方法进行波场分离，去除直达波干扰，保留反射和散射波。
步骤五、以相对于仪器x轴或固定方向的角度φ为变量，用四分量井外信号组成φ向发射和接收的合成信号XX＝xxcos2φ-sinφcosφ(xy+yx)+yysin2φ，变化φ值得到使XX达到最大幅值时的角度φ0。
步骤六、在超软地层中(例如浅海未疏松地层)，所测井外信号为弹性纵波，使用纵波时差构建速度模型，φ0即为目标井方位；如图3b所示，散射纵波波形归一化幅度指向30°或210°，在图3b中，粗实线为波形归，细实线为化幅度。在硬地层和常规软地层中，信号为偏振方向与井垂直的弹性横波(SH横波)，使用横波时差构建速度模型，φ0+90°为目标井方位；如图4b所示，散射横波波形归一化幅度指向120°或300°，在图4中，粗实线为波形归，细实线为化幅度。
步骤七、根据速度模型进行时深转换，对最大幅值信号XX(φ0)成像，进一步确定目标井与探井的距离。
以下，结合具体的实际测井数据，进一步说明本发明所述基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法的应用效果。图5为火山凝灰岩地层中使用偶极横波探测方法得到的目标井成像成果图。图5中第一道为井段处理深度；第二道是测量井中仪器记录的井径(虚线)和自然伽马(实线)曲线，显示了该井段井壁状况良好，没有明显的扩径和缩径现象。第三道给出了xx分量波形数据的变密度图，从图中可以看出，仪器记录的沿井传播的直达波的幅度较大，而来自目标井孔的反射波信号较弱。通过对波形数据进行滤波、波场分离和偏移成像等处理后，得到目标井孔的成像结果，如第四道所示。由图可知，在X30～X40m深度范围内，井外10m存在一个与测量井平行的竖直目标井，该结论也与实际资料吻合。
图6为浅海未固结地层中使用偶极纵波探测方法得到的目标井成像成果图。图6中第一道为井段处理深度；第二道是测量井中仪器记录的自然伽马(实线)曲线和根据第三道波形数据提取出的偶极纵波时差(虚线)。从第二道可以看出纵波时差略小于水，说明井孔被超软地层包围。第四道展示了四分量合成数据偏移成像后的一个高角度反射体，距井为6-8m。经地表井位分布图验证后，证实这是井旁的一个高角度邻井。对于间距仅数米的邻井，钻井继续下钻需要不断检测两井之间的距离，防止碰撞发生。
以上所述实例仅是为充分说明本发明方法所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权力要求书为准。

Claims (6)

1.一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，
步骤一、将在仪器坐标系x-y中指向为x和y的正交偶极声源和接收器放置于测量井中，激发x和y指向声源向井外地层辐射弹性波；
步骤二、记录仪器坐标轴相对于固定方向的方位角；
步骤三、用x和y指向的接收器分别采集四分量信号(xx,xy,yx,yy)；
步骤四、将此四分量数据做分波处理，压制和剔除沿井筒传播的直达波，提取来自目标井的反射和散射波信号；
步骤五、以相对于仪器x轴或固定方向的角度φ为变量，用四分量井外信号组成φ向发射和接收的合成信号XX＝xxcos2φ-sinφcosφ(xy+yx)+yysin2φ,变化φ值得到使XX达到最大幅值时的角度φ0；
步骤六、在超软地层中，使用纵波时差构建速度模型，φ0即为目标井方位；在硬地层和常规软地层中，使用横波时差构建速度模型，φ0+90°为目标井方位；
步骤七、根据速度模型进行时深转换，对最大幅值信号XX(φ0)成像，进一步确定目标井与探井的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，所述步骤三中四分量中的任一分量，第一个字母表示声源指向，而第二个字母则表示接收的指向。
3.根据权利要求1所述的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，所述步骤四具体包括：首先波形数据进行滤波减小噪音干扰；然后构造压振器进行压振处理，减少直达波的周期；最后选用包括中值滤波、自适应滤波或F-K滤波方法进行波场分离，去除直达波干扰，保留反射和散射波。
4.根据权利要求1所述的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，所述步骤五中，对于直井，固定方向选用地球磁北极；对于斜井和水平井，如果参照磁北极，井眼轨迹将影响走向的确定，所以选用参照井眼高端作为固定方位。
5.根据权利要求1所述的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，所述步骤六中，在超软地层情况下，所测井外信号为弹性纵波，φ0即为目标井方位；在硬地层或常规软地层中，信号为偏振方向与井垂直的弹性横波，则φ0+90°为目标井方位。
6.根据权利要求1所述的一种基于井孔与弹性波相互作用理论的邻井探测方法，所述步骤七具体为：对最大幅值信号首先进行共中心点叠加、倾角叠加进行增强处理，然后选用叠前偏移、叠后偏移、近平偏移、高斯束偏移成像，随后使用维纳滤波、各向异性扩散滤波对成像图进行降噪处理，最后根据成像图确定目标井与探井的距离。
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