最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例

最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例 最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实 例 第34卷第l期 2006年7月 石油钻探技术 PETR()1.EUMDRII1INGI'ECHNIQUES V()I.3{.NO.4 Ju1..2006 ._工具与设备 最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例 林楠王敬萌亢武臣杨锦舟马哲 (胜利石油管理局钻井J二艺研究院,lIJ东东营257017) 摘要:详细介绍了贝克休斯公司APX随钻声波测井仪,哈里伯顿公司CISS随钻声波测井仪,斯伦贝谢公司 新一代随钻声波测井仪sonicVISION的工作原理,技术优势及应用实例.重点介绍了APX随钻声波测井仪为声学仪 器优化配置而设计的计算机模型(FEA),与典型I.WD仪器等单向有线测井仪不同的全向发射器,以实现径向多极 子声源激发的6×4全向接收器阵列,具有多频调节功能的隔声带,有助于提高仪器信噪比的信号源,用于噪声探测 的加速度计和用于不同地层不同测量模式的四极子波技术等.较全面地了三大公司最新研制的随钻声波测井仪器 的技术性能和应用情况,为国内开展同类技术研究及仪器的研制,提供了可借鉴的资料,并建议我国应该研发具有自 主知识产权的随钻声波测井仪器. 关键词:随钻测井仪;声波测井仪;声波时差 中图分类号:TE927.6文献标识码:B文章编号:1001—0890(2006)04—0073—04 近年来,声波测井技术已成功应用于随钻测量 (MWD)和随钻测井(LWD)中.随钻声波测井技 术,为钻井施工和储层评价提供了全面的数据支持和 测井解释.在钻井施工中利用随钻声波测量数据可以 提高钻井效率,优化钻井作业,改善钻井安全.该技 术发展迅速,具有广阔的应用前景,但是目前主要被 斯伦贝谢,哈里伯顿和贝克休斯三大公司所垄断,国 内尚未见到相关仪器的使用报道.因此,尽快研究随 钻声波测井技术和开发随钻声波测井仪器,是目前国 内钻井工程技术领域面临的重要课题之一. l声波测井仪的测量原理_l 声波在不介质中传播时,其速度,幅值及频率 等声学特性均不相同,声波测井就是利用这一原理来 分辨所钻地层.声波测井,由发射探头T和接收探 头R组成的声系来完成,最早采用的声系为单发双 收声系,其测量原理如图1所示. 图1声波测量原理 当发射探头T被激发后,按一定的指向特性形 成逐渐扩散的声波场.发射信号穿过地层,先后被其 下方的R,R接收探头接收.假定发射探头T与最 近的接收探头R的距离为.,R,R:之间的距离是 ,又假定R在t时刻首次接到信号,R在t.时刻 首次接到信号.从公式一l/(t一t)中不难看出, 对于不同的地层,所测到的时差不同,相应的声速 也不相同,据此就可以判断临近地层的状况. 2国外随钻声波测井仪器及其应用 2.1APX随钻声波测井仪[2] 2.1.1结构与工作原理 APX随钻声波测井仪由贝克休斯INTEQ公司 生产,其结构见图2.该仪器声源以最佳频率向井眼 周围地层发射声波,声波在沿井壁传播的过程中被接 收器检测到并被接收,接收器采用了先进的嵌入技 术.将接收到的声波模拟信号转换为数字信号,获取 地层声波时差(At),而后将原始声波波形数据和预 处理的声波波形数据,存储在高速存储器内. 2.1.2主要技术性能 计算机模型(FEA).该模型是为声学仪器的优 收稿日期:20060112;改回日期:2006—04—11 作者简介:林楠(1968,),女.1990年毕业于山东广播电视大 学应用电子技术专业.中国石油大学(华东)在读硕士研究生.工 程师 联系电话:(0546)8553279 石油钻探技术 图2APX随钻声波测井仪示意 化配置而设计,同时具备有助于不同窗口模式的评价 和解释. 全向发射器.与典型的I.WD仪器等单向的有线 测井仪不同,APX发射器使用一组圆柱形压电晶体, 对井眼和周围地层提供360.的覆盖范围,其声源能 够在10,18000Hz频率范围内调频,并可以以单极 子和偶极子发射. 全向接收器阵列.6×4接收器阵列,间距228.6 mm.这种全向结构类似于XMAC电缆测井系统, 接收器阵列与声源排成一条线,以实现径向多极子声 源激发. 隔声带.其作用是避免声波从仪器的发射器直接 向接收器传播.APX的隔声带空间设计为3in,具 有多频调节的功能,其信号衰减能力可达一40dB, 隔声效果极好. 信号源.实验室试验显示,该仪器信号源和仪器 外筒问的声音连接,在高频段(20,10000Hz)时 较好,在16kHz时最差,在钻柱表面肝浅槽有助于 提高仪器的信噪比. 接收器.该仪器的声源具有优化发射频率功能, 其接收器有几个比仪器本身信号低很多的波段.可以 显着减少接收器及钻柱连接的干扰.在关掉发射源的 情况下,该仪器测试到的信号主要来自于频率低于5 kHz的PDC钻头噪音. 用于噪声探测的加速度计.在接收器上安装了3 个加速度计,用来捕捉钻井液流动和钻进时钻柱振动 产生的噪音,然后通过优化滤波技术提取地层信号. 较大的动力范围.该仪器具有较大的信号采集动 力范.能够显着提高信号穿越地层的能力,有助于 信号的提取. 四极子波技术.首次采用四极子波发射技术,同 时兼容单极子和偶极子的信号发射和接收.这种多组 合发射器使仪器对于不同地层有不同的测量模式.有 更好的适应性. 2.1.3应用实例 APX随钻声波测井仪已在不同地层的直井和斜 井中进行了多次实地测试,其测试效果已得到证实. 在美国中部某井的大段砂泥岩层采用APX随钻声波 测井仪进行随钻测井,获得了优质的声波随钻测井实 测曲线.测量结果显示,APX测井曲线和电缆声波 测井曲线一致性很好,而且随钻测井质量水平曲线普 遍达到0.8,最高可达1.0.而在显示井径扩大方面, APX随钻测井仪器略显不足. 2.2CLSS随钻声波测井仪 2.2.1结构与工作原理 CISS随钻声波测井仪又叫补偿声波测井仪,由 哈里伯顿公司生产,其结构如图3所示,外壳是一个 光滑的圆柱筒.其工作原理与单发双收仪器基本类 似,发射器和接收器的工作主频范围为10,20000 Hz.因发射器和接收器为非全向的,它们安装在简 体的一侧.这种结构可以消除诸如井径,岩层厚度, 周波跳跃等对声波测量的不利影响.CISS记录的是 声波时差的平均值,对井眼因素的影响起到补偿作 用. 巨F隔离器 f发射器 节 2.2.2技术优越性 1)针对21j.9mlTl和311.1mm井眼设计. 井径适用地围171.,762.0mm. 2)具有较高的声绝缘性,其独特的声差隔离器 和高效的发射极,接收极,既可保证仪器具有高信噪 比和高抗干扰性能,又能提高在软地层的测井能力. 3)发射器和接收器的非全向性及其安装方式, 使该仪器具有测量自身与井壁间隙的能力.当井下装 置处于旋转状态时,这种结构有助于改善波形.识别 不规则井眼;另外,还可作为一个精度较低的井径测 第34卷第4期林楠等:最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例 量仪使用. 4)具有2MB存储量,并可扩充到68MB,便 于波形数据存储在仪器的井下内存储器中.其最大测 量范围为131.2,590.6"s/m. 2.2.3应用实例 图4是CISS随钻声波测井仪所测某一口直井的 声波时差(At)曲线,为便于对比,图中还给出了电 缆自然伽马曲线(第1道)和电缆声波测井曲线(第 3道).由图4可看出:该井井眼直径由254.0mm 变化到406.4mm,且在557.78,569.981TI井段极 不规则;CISS测井仪所测?f曲线与电缆测井所测 ?f曲线吻合得较好.CLSS测井仪所测声波时差和电 缆测井结果吻合得较好的原因在于:CISS测井仪在 测井中可以分别获取来自于上发射器和下发射器的两 个值,并由钻井液脉冲遥测系统发射到地面,当 上发射器和下发射器的?f值相符时,其与电缆测井 的?f值相符较好;当上发射器与下发射器的?f值不 相符时,则暗示测井数据可能存在问题,如557.78 , 569.981TI井段.因此,CISS测井仪提供的两条实 时?f曲线,可以提高对其他曲线有效性的判断,类 似于电缆测井的重复测井.另外,由于仪器的下发射 器有较好的绝缘性,因此下发射器的波形信噪比较 好,故校正后的?f值一般来说更有效. 电缆自然伽马随钻声波溯井电缆声波测井 曲线^PI曲线?f曲线?f 3l1006 . 喜囊一舳m:, 不 — 量 .…I咖I,.善,? 一 —j'一一 毒 图4CLSS仪器测井与其他测井方式的At曲线比较 2.3sonicVISION随钻声波测井仪 斯伦贝谢公司新一代随钻声波测井仪sonicVI— SI()N适用于171.5,}209.5和}228.6mm井眼, 能实时采集声波纵波,横波的时差数据,并能够将全 波波形和数据资料存储于井下存储器中,还能够将实 时测井获取的数据通过数据回放的形式进行后期处 理.这些数据可用于预测孔隙压力,探测气层和估算 非受缚液体等. 2.3.1仪器特点 1)信号发射器阵列由一个全方位单极发射器和 两个偶极发射器构成.单极信号发射器的频率范围为 1,12000Hz.主频率为5,6000Hz.此主频率是 其他类型单极全波声波仪器发射信号主频率的1,2或 13,这样可以增加横波和纵波的探测范围. 在交叉偶极信号发射器的设计过程中.基于信号 作用在仪器上的能量最小,将偶极信号发射器设计为 一 嵌块式排列,互为90.的弯曲棒,避免仪器本身激 发不必要的声波信号对仪器本身和对弯曲棒之间产生 信号干扰,利用它还可以发射—和—方向的 挠曲波信号. 2)隔声器能承受444.8kN的挤压或拉抻力, 具有隔绝超过90dB,频率高于500Hz的声波信号 的能力. 3)接收器阵列由位于8个共面环上的32个接收 器晶体组成,每个环上有4个接收器,接收器与仪器 轴垂直,接收器之间呈90.均匀排列,最上部的接收 器环距离单极源3.1lm,距偶极源2.80m.接收器 信号响应频率波段为0.5,20000Hz. 4)大部分功能可以通过在地面编程来控制,例 如交叉偶极信号源所发射信号脉冲的形状,周期,振 幅以及频率,单极输出信号选择,每个采样点上96 个波形的数字化程序控制等.具有每米6.5个采样 点,每个采样点上可记录96个波形数据的技术特性, 故该测井仪的测井速度可以达到548.6m/h. 5)可以在不同类型的地层中以不同方式测量不 同地层的声波单极纵波数据和单极横波数据,交叉偶 极挠曲波(斯通利波)和地层的各向异性等声波属 性,具有很高的应用前景. 2.3.2主要优势 1)实时项目测井和程序预处理技术.下井前, 输入声波程序参数,使复零.实时测井时,记录 纵波和横波数据,用户可以根据需要选择记录岩性特 性或进行实时地面解释. 2)实时质量控制和断点连接技术(数据可连接 性).测井过程中实施QC控制,即:停泵接单根时. 数据信号以断点的形式传到地面并被保存,开泵后, 能识别处于噪声干扰中的信号,使之与断点处的信号 连接. 3)宽带测量技术和高能发射器.采用宽带测量 技术降低了频率混淆和扩散效应,有助于提高地层信 号的强度,提高信噪比,发射器能发射出多频率的大 功率脉冲信号. 2.3.3应用实例 图5是sonicVISION随钻测井仪测得的测井曲 ? 6?石油钻探技术2006年7月 线.其中左网为内存声波曲线.右罔为实时声波曲 线,存储的曲线和实时测量的曲线一致.左图中的 处为断点连接,连接性好. 图5sonicVISION的测量曲线 3随钻声波测井仪器的比较 贝克休斯,哈里伯顿公司和斯伦贝谢公司的随钻 声波测井仪器的性能比较见表1. 4认识与建议 1)APX随钻声波测井仪,CISS补偿声波测井 仪和SonicVISION随钻声波测井仪的技术性能不同, 但都是从单极子逐步发展到偶极子,四极子的,而四 极子的随钻声波测井仪实时四极子横波测量尚未完 善,仍需进行改进.比较起来,以斯伦贝谢公司的 sonicVISION随钻声波测井仪更为可靠. 2)随钻声波测井技术在国内还没有进一步的研 究,但从随钻声波测井仪器的测量原理来看,都是依 据基本的电缆声波测井原理.解决适应钻井条件下的 测量方法而研制?米的.笔者认为研制随钻声波测井 仪的思路为:自Jf究能有效实施的宽带测量技术,没计 国外随钻声波测井仪器的性能比较 高能发射以保证声波信号接收的发射和接收装置;设 计能有效地阻止声波在仪器内部或仪器表面直接从发 射端向接收端传播的隔声带. 3)国内I.WD技术的研究处于起步阶段,而且 仅限于对随钻伽马和电阻率的研究,在这方面与西方 发达国家的差距很大,必须积极追赶,加快研制步 伐,提升整体水平和核心竞争力,缩短与国际先进水 平的差距. 参考文献 冯启宁.测井仪器原理[M].山东东营:石油大学出版社. 1991. JamesLeggett.能大幅度提高测井质量的声波随钻测井仪器 APX:J].j!国锋.吴玲.崔维江译.国外测井技术.2003. 18(3):50—5. [审稿张绍槐] TechnicalPerformancesandApplicationsoftheNewlyDevelopedSonicLWDTools LinNanWangJingmengKangWuchenYangJinzhouMaZhe tDrillingTchnologResearthInstitute.Sllell, gliPetroleumAdmTtrutnDongying,Sbundong257017. (717,?") Abstract:Thispaperintroducesindetailworkingprinciples,technicaladvantages.andcasestudiesofBak— erHughesINTEQ'sAcousticPropertiesExplorer(APX)tool.HalliburtonSCompensatedI.ong—SpacedSonic (【,ISS)tOOlandSchlumbergerSnewgenerationsonic—while— drillingtOOl.sonicVISI()N.ASemphasizedin— tegrate,thispaperfLallydescribesthecomponentsofAPXtOOlsuchashighfunctionalsoftwareandhardware foracousticapparattin,onlni— directionalIm)grammableacouslicsourcewhichiSdifferentfromtraditionalIWD toolsandotherwirelinetools.6×4omni— directionalreceiverarray.whichcouldperformmutipoleacousticCOV— erageoftheborehole,extendedisolatorwithfunctionofmuhiplefrequencesroodulation,cou plingbetween sourceandcollarwhichenhancesS/(signal—tO— noise),acceleratorsfornoisedetectedanduniquequadruple technologywhichcouldbeusedindifferentformationanddifferentmeasurementmodeetc.Thepaperalsocom— pletelyanalysesperformancesandapplicationsofthenewlydevelopedtoolsbythethreemajorcompanies.and proposessuggestionsforindependentlydevelopingsimilartoolsinChina,offeringreferentialinformationfor R8Dactivitiesathorne. Keywords:loggingtoolwhiledrilling;sonicloggingtool;intervaltransittime