CN1448730A - 反射波成象测井仪器及测井方法 - Google Patents

Abstract

一种反射波成象测井仪器及测井方法，特别是涉及石油钻探过程中的测量地层物理性质的测井技术。为了克服现有测井技术不能满足远探测测井需要的不足，提供一种反射波成象测井仪器及测井方法，该仪器发射阵列(2)安装有工作频率为10～15kHz的高频发射换能器(21)和工作频率为5～9kHz的低频发射换能器(22)；接收阵列(4)安装有响应频率为2～20kHz接收换能器(41)；隔声体(3)为固定长度隔声体(31)和可变长度隔声体(32)；测井方法包括反射波信号的处理和测井解释等。应用本发明可将井壁附近的径向探测距离从1m提高到10m，不破坏井壁，且反射波信号可控和可重复。

Description

反射波成象测井仪器及测井方法

技术领域

本发明涉及一种测量地层物理性质的测井技术，特别是涉及一种反射波成象测井仪器及测井方法。

背景技术

为了勘探地下石油和天然气资源层，通常在钻井后进行地球物理测井，以了解井剖面上地层的岩性、地层的分界面，尤其是油气储集层的深度及其孔隙度、渗透率和含油气饱和度。地球物理测井，是向井内设置一个被称为井下工具或探测仪的测量装置，该装置可以在井内上下移动，用位于地面的通过测井电缆连接井下工具的处理装置，处理由井下工具测到的信号。用声波发生器和在井下工具上设置的一个接收器，确定声波在地层中传播速度的测井方法也是众所周知的。

目前，各种地球物理测井方法(如微电扫描测井、感应测井、核法测井等)在井下所加的物理场强度有限和方法本身的限制，探测的径向距离有限，一般在1米左右，而石油天然气开采往往需要了解距井壁较远处的情况，例如储集层或邻近地层中是否有裂缝、距井壁较远处储集层中由于注水或注气产生的油-水界面的位置等。而现有的声波测井方法，由于测量记录的是沿井壁传播的滑行波(非均匀波)，其径向探测深度与声波信号的频率有关，仅为厘米级至数十厘米级；地震勘探方法虽然探测深度达到几百米，甚至可以达到几千米，但由于地震勘探方法的分辨率低，并且在井下进行地震勘探会破坏井壁，测量记录信号不可控，测量结果不能重复。因此，现有的地球物理测井技术和地震勘探技术都不能解决较远距离探测问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有测井技术不能满足远探测测井需要的不足，提供一种反射波成象测井仪器及测井方法，能够满足井壁径向探测距离为10m以内的测井要求。

为了达到上述目的，本发明反射波成象测井仪器，包括发射电子仓、发射阵列、隔声体、接收阵列、接收电子仓，且从上至下依次联接，发射阵列中安装有高频发射换能器和低频发射换能器；接收阵列安装有接收换能器；高频发射换能器的工作频率为10～15kHz，低频发射换能器的工作频率为5～9kHz；接收换能器的响应频率为2～20kHz；隔声体为固定长度隔声体和可变长度隔声体。

应用本发明反射波成象测井仪器的测井方法，包括波信号数据的读取、波信号的处理、反射波信号解释。

(1)反射波测井信号处理步骤如下：

A.信号分离：将波形记录中的纵波、横波和带低频干扰成分的波分离。

a.当井外反射界面与井壁平行或夹角为0°～20°时，采用分段压制方法分离纵波，当井外反射界面与井壁夹角为＞20°～＜90°时，采用中值滤波方法分离纵波；

b.采用分时间段压制幅度分离横波。

B.时差校正：时差校正公式 $t_i=\sqrt{t_0^2+{\left(\frac{x_i}{V\left(t_0\right)}\right)}^2}$

  式中：t_i——反射波到达时间

        x_i——源距

        V_(to)——时间t_o对应的速度

C.信号叠加：对信号进行叠加处理，增加反射波信号强度。

D.波场分离：利用在波形剖面上不同波成分之间速度的差异，采用F-K滤波或τ-p滤波。

     τ-p变换的离散形式为：

(正变换)(反变换)

步骤如下：

a.取一段深度的波形做τ-p正变换，将信号从x-t域变换到τ-p域，

b.在τ-p域中对干扰信号区域做压制或时变切除，

c.做τ-p反变换，将信号恢复回x-t域；

E.时距转换：采用平均速度公式进行时距转换，将时间剖面转换成距离剖面，转换公式为 $H=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{V}\left(t_0\right)t_0$

式中：V为对应的平均速度；

F.参数计算：根据深度或速度剖面上反射截面的位置和方向信息，计算该截面与井眼之间的距离、延伸角度。

(2)在对波信息数据处理后，得到反射波图象，对反射波图象进行定量分析和地质解释，步骤如下：

A.根据反射波的到达时间和倾斜方位，反演反射波信息所反映的界面或裂缝的距离和角度。

B.根据井眼轨迹变化信息，判断界面或裂缝的地质方位。

C.用反射波测井成象图与偶级横波测井处理的各向异性图、斯通利波反射系数图、地层倾角图、微电阻率成象图综合分析，详细描述地层面、裂缝、断层的特征。

本发明反射波成象测井仪器及测井方法的有益效果是，将井壁附近的径向探测距离从1m提高到10m左右，不破坏井壁，且反射波信号可控和可重复。

附图说明

图1是本发明反射波成象测井仪器示意图。

图2是本发明反射波成象测井仪器发射阵列结构示意图。

图3是本发明反射波成象测井仪器固定长度隔声体结构示意图。

图4是本发明反射波成象测井仪器可变长度隔声体结构示意图。

图5是本发明反射波成象测井仪器接收阵列结构示意图。

图6是本发明反射波成象测井仪器阻尼材料为橡胶加吸声陶瓷的隔声体。

图7是本发明反射波成象测井方法反射波信号处理流程图。

图中：1.发射电子仓，2.发射阵列，3.隔声体，4.接收阵列，5.接收电子仓，21.高频发射换能器，22.低频发射换能器，23.短绝缘隔套，24.长绝缘隔套，25.短绝缘隔套，31.固定长度隔声体，32.可变长度隔声体，33.刻槽，34.阻尼材料，35.外壳，36.外壳，37.螺钉，38.隔声体上部，39.隔声体下部，41.接收换能器，42.绝缘隔套。

具体实施方式

参照附图，反射波成象测井仪器主要包括发射电子仓1、发射阵列2、隔声体3、接收阵列4、接收电子仓5，且从上至下依次联接(图1)。发射阵列2安装有高频发射换能器21和低频发射换能器22；接收阵列4安装有接收换能器41。高频发射换能器21的工作频率为10～15kHz，最好为11～12kHz；低频发射换能器22的工作频率为5～9kHz，最好为6～7kHz；接收换能器41的响应频率为2～20kHz。

参照图2，发射阵列2中的高频发射换能器21和低频发射换能器22采用厚度(切向)方向极化的压电陶瓷长条拼接成圆管状发射换能器或采用2个径向极化的陶瓷圆管组合而成，应用相控阵技术，控制发射脉冲相位，使发射波在空间的某点以相同的相位叠加，从而得到聚焦效果。高频发射换能器21的数量为4只，沿发射阵列2的轴向均布在发射阵列2的上部，相互之间用短绝缘隔套23隔开；短绝缘隔套23的长度为3～5mm，最好为4mm。低频发射换能器22的数量为2只，沿发射阵列2的轴向均布在发射阵列2的下部，相互之间用短绝缘隔套25隔开；短绝缘隔套25的长度为3～5mm，最好为4mm；高频发射换能器21与低频发射换能器22之间用长绝缘隔套24隔开，长绝缘隔套24的长度为400～500mm，较好的为440～480mm，最好的是460～470mm。在发射时，4只高频发射换能器21可分别采用1个发射、2个发射、3个发射或4个发射，发射的延迟时间可调。

参照图5，接收阵列4中的接收换能器41采用4个径向极化的圆环串联而成，或采用2个径向极化的陶瓷圆管组合而成；接收换能器41的数量为4～8只，沿接收阵列4的轴向均布，相互之间用短绝缘隔套42隔开；短绝缘隔套42的长度为200～250mm，最好的是220～230mm。

高频发射换能器21、低频发射换能器22和接收换能器41必须安装在橡胶平衡油囊中并加以密封才可以使用，油囊厚度为2～3mm。绝缘隔套23、绝缘隔套24、绝缘隔套25和绝缘隔套42可选用绝缘性能好的材料制成，如聚四氟乙烯。

参见图3、图4，由于所需探测径向距离的不同，要求反射波成象测井仪器的源距(发射阵列2与接收阵列4之间的距离)也不同，因此本发明的隔声体3有固定长度隔声体31和可变长度隔声体32两种形式。可变长度隔声体32由隔声体上部38和隔声体下部39组合而成，隔声体上部38和隔声体下部39之间可以伸缩，调节可变长度隔声体32的长度，以满足不同源距的需要，可变长度隔声体32的调节长度范围为0～9m；隔声体上部38和隔声体下部39采用螺钉37连接，也可采用其它联接方式。本发明的隔声体3的源距调节范围为3～13m。

在固定长度隔声体31、可变长度隔声体32的外壳35、壳体36上沿圆周有纵向和横向交错的刻槽33(见图3、图4)，以延长声波传播路径，衰减声波能量，使声波幅度减小；还可以采用橡胶和吸声陶瓷组合为阻尼材料34(见图6)，有效的隔绝声波沿仪器外壳的传播。

应用本发明的反射波成象测井仪器，激发发射阵列2中的高频发射换能器21和低频发射换能器22，发射声脉冲，并以2/3倍的第一临界角入射到井壁，进入地层，如果井外地层结构发生变化，封装在接收阵列4中的宽带高灵敏度接收换能器41，就可以接收到反映不同地层结构的声波信号，如地层的纵波(P波)、横波(S波)、斯通利波(ST波)以及纵波反射波(PP波)、横波反射波(SS波)纵横转换波(PS波)和横纵转换波(SP波)等。

应用本发明反射波成象测井仪器的测井方法，包括波信号数据的读取、波信号的处理、反射信号解释。波信号数据的读取后，为了得到比较单一的反射波，对读取的波信号进行以下处理(见图7)：

A.信号分离：主要将波形记录中的纵波、横波和其它带低频干扰成分的波从波列中分离出去。

a.当井外反射界面与井壁平行或夹角较小(0°～20°)时，可以根据到达时间上的差异，采用分段压制方法分离纵波；当井外反射界面与井壁夹角较大(＞20°～＜90°)时，由于反射波同相轴表现为倾斜线，而纵波的同相轴基本保持垂直线，可以采用中值滤波方法分离纵波。

b.利用横波与反射波之间明显的时间差异，采用分时间段压制幅度分离横波。

由于反射信号幅度非常小，而且在反射信号出现的时段内还可能存在其他干扰波，因此经过初步分离后的反射信号依然无法用于实际处理和解释。为了提高资料的信噪比，还必须进行时差校正、叠加等步骤。

B.时差校正：由于反射波的时距曲线为双曲线形式，因此在每一深度记录的8条波形中，各道反射波之间存在一定的时间差异，无法直接对阵列波形进行多次叠加，因此必须首先消除这些差异。时差校正通常可以采用如下公式： $t_i=\sqrt{t_0^2+{\left(\frac{x_i}{V\left(t_0\right)}\right)}^2}$

    式中：t_i——反射波到达时间

          x_i——源距

          V_(to)——时间t_o对应的速度

C.信号叠加：经过增强的反射信号幅度虽然得到了相对增强，但因为信号本身幅度较弱，所以信噪比依然难以满足后续处理要求。由于干扰信号通常是无规则出现的，因此为了提高信噪比，压制噪声和其他干扰，可以通过对信号进行叠加处理，达到增加反射波信号强度的目的。

D.波场分离：在叠加后的波形剖面上，界面反射信号已经得到明显增强，但受纵波后续波和井壁反射纵波的影响，处理起来仍有较大困难。波场分离的目的就是为了压制干扰，得到准确的井外反射界面的有关参数。利用在波形剖面上不同波成分之间速度的差异，可以采用F-K滤波或τ-p滤波来压制干扰波。

τ-p变换的离散形式为：(正变换)

(反变换)

处理步骤如下：

a.取一段深度的波形做τ-p正变换，将信号从x-t域变换到τ-p域；

b.在τ-p域中对干扰信号区域做压制或时变切除；

c.做τ-p反变换，将信号恢复回x-t域。

经过处理后的波形剖面中，若还存在一定的干扰，可以通过对信号的进一步分析，采用相应的处理方法来减小其影响。

E.时距转换：从波形剖面上得到的是时间信息，要通过时距转换变成反射界面的距离(位置)信息。

经过叠加处理的波形包含的是时间信息，可以反映反射界面的形态，但不能准确反映其位置和角度等信息。为了得到比较准确的位置信息，在反射截面与井筒之间的夹角不大时，可以采用平均速度公式进行时距转换，将时间剖面转换成距离剖面，一般情况下采用转换公式为： $H=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{V}\left(t_0\right)t_0$

    式中：V为对应的平均速度。

当反射界面与井眼夹角较大时，应用该公式计算存在明显偏差，所以不能应用。

F.参数计算：根据深度(距离)或速度剖面上反射截面的位置和方向信息，计算该截面与井眼之间的距离、延伸角度等解释参数。通常采用简单的几何方法就可以实现。

在对波信息数据处理后，得到反射波图象，对反射波图象进行定量分析和地质解释，步骤如下：

A.根据反射波的到达时间和倾斜方位，反演反射波信息所反映的界面或裂缝的距离和角度。

B.根据井眼轨迹变化信息，判断界面或裂缝的地质方位。

C.用反射波测井成象图与偶级横波测井处理的各向异性图、斯通利波反射系数图、地层倾角图、微电阻率成象图综合，详细描述地层面、裂缝、断层的特征。

Claims (8)

1.一种反射波成象测井仪器，包括发射电子仓、发射阵列、隔声体、接收阵列、接收电子仓，且从上至下依次联接，其特征在于：所述的发射阵列(2)安装有高频发射换能器(21)和低频发射换能器(22)；接收阵列(4)安装有接收换能器(41)；所述的高频发射换能器(21)的工作频率为10～15kHz，低频发射换能器(22)的工作频率为5～9kHz；接收换能器(41)的响应频率为2～20kHz；所述的隔声体(3)为固定长度隔声体(31)和可变长度隔声体(32)。

2.根据权利要求1所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的高频发射换能器(21)的工作频率为11～12kHz，低频发射换能器(22)的工作频率为6～7kHz。

3.根据权利要求2所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的高频发射换能器(21)的数量为4只，沿发射阵列(2)的轴向均布在发射阵列(2)的上部，高频发射换能器(21)之间安装有短绝缘隔套(23)；低频发射换能器(22)的数量为2只，沿发射阵列(2)的轴向均布在发射阵列(2)的下部，低频发射换能器(22)之间安装有短绝缘隔套(25)；高频发射换能器(21)与低频发射换能器(22)之间安装有长绝缘隔套(24)。

4.根据权利要求1所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的接收换能器(41)的数量为4～8只，沿接收阵列(4)轴向均布，相互之间安装有绝缘隔套(42)。

5.根据权利要求1所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的可变长度隔声体(32)的长度调节范围为0～9m。

6.根据权利要求5所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的固定长度隔声体(31)、可变长度隔声体(32)的外壳(35、36)上沿圆周有纵向和横向交错的刻槽(33)。

7.根据权利要求5所述的反射波成象测井仪器，其特征在于：所述的固定长度隔声体(31)、可变长度隔声体(32)采用的阻尼材料(34)为橡胶加吸声陶瓷组合。

8.一种应用权利要求1所述的反射波成象测井仪器的测井方法，包括波信号数据的读取、波信号的处理、反射波信号解释，其特征在于：

(1)反射波测井信号处理步骤如下：

A.信号分离：将波形记录中的纵波、横波和带低频干扰成分的波分离；

a.当井外反射界面与井壁平行或夹角为0°～20°时，采用分段压制方法分离纵波，当井外反射界面与井壁夹角为＞20°～＜90°时，采用中值滤波方法分离纵波；

b.采用分时间段压制幅度分离横波；

B.时差校正：时差校正公式 $t_i=\sqrt{t_0^2+{\left(\frac{x_i}{V\left(t_0\right)}\right)}^2}$

  式中：t_i——反射波到达时间

        x_i——源距

        V_(to)——时间t_o对应的速度

C.信号叠加：对信号进行叠加处理，增加反射波信号强度；

D.波场分离：利用在波形剖面上不同波成分之间速度的差异，采用F-K滤波或τ-p滤波，

     τ-p变换的离散形式为：(正变换)(反变换)

步骤如下：

a.取一段深度的波形做τ-p正变换，将信号从x-t域变换到τ-p域，

b.在τ-p域中对干扰信号区域做压制或时变切除，

c.做τ-p反变换，将信号恢复回x-t域；

E.时距转换：采用平均速度公式进行时距转换，将时间剖面转换成距离剖面，转换公式为： $H=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{V}\left(t_0\right)t_0$

式中：V为对应的平均速度；

F.参数计算：根据深度或速度剖面上反射截面的位置和方向信息，计算该截面与井眼之间的距离、延伸角度；

(2)对反射波图象进行定量分析和地质解释，步骤如下：

A.根据反射波的到达时间和倾斜方位，反演反射波信息所反映的界面或裂缝的距离和角度；

B.根据井眼轨迹变化信息，判断界面或裂缝的地质方位；

C.用反射波测井成象图与偶级横波测井处理的各向异性图、斯通利波反射系数图、地层倾角图、微电阻率成象图综合，详细描述地层面、裂缝、断层的特征。

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