聲波測(cè)井技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

聲波測(cè)井技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

1聲波測(cè)井的地質(zhì)應(yīng)用聲波研究技術(shù)始于20世紀(jì)50年代初，已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展。它是地球物理勘探的重要領(lǐng)域之一。這是現(xiàn)代開(kāi)采方法之一。聲波測(cè)井是油氣勘探和開(kāi)發(fā)的重要手段,在國(guó)外20世紀(jì)80年代末到90年代初期,為了滿足復(fù)雜油氣藏勘探和開(kāi)發(fā)的需要,投入大量資金開(kāi)展偶極和多極聲波測(cè)井、聲波成像測(cè)井、聲波隨鉆測(cè)井、井間聲波測(cè)井新方法、儀器及應(yīng)用方面的研究。聲波測(cè)井的物理基礎(chǔ)是研究與巖石性質(zhì)密切相關(guān)的聲振動(dòng)沿鉆井的傳播特征,又因聲波測(cè)井的儀器具有快速,輕便的優(yōu)點(diǎn)。近十余年來(lái)在我國(guó)地質(zhì)工程領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用,并取得了較好的效果。我國(guó)聲波測(cè)井技術(shù)與國(guó)外相比,在測(cè)井儀器方面具有一定差距,但是在信號(hào)處理及測(cè)井資料處理方面已形成自己的特色。21.井聲波研究方法和技術(shù)評(píng)價(jià)2.1聲波測(cè)井技術(shù)聲波測(cè)井利用聲波在巖石等介質(zhì)中傳播時(shí),幅度的衰減、速度或頻率的變化等聲學(xué)特性來(lái)研究鉆井地質(zhì)剖面、判斷固井質(zhì)量等問(wèn)題的一種測(cè)井方法。目前聲波測(cè)井常用到的方法包括聲速測(cè)井、聲幅測(cè)井、偶極和多極子聲波測(cè)井、聲波全波列測(cè)井、聲波成像測(cè)井、井間聲波測(cè)井及隨鉆聲波測(cè)井等,不同聲波測(cè)井方法的特點(diǎn)及其優(yōu)缺點(diǎn)具體參見(jiàn)表1。隨著聲波測(cè)井技術(shù)的逐漸成熟,聲波測(cè)井已在我國(guó)油田勘探與開(kāi)發(fā)及地應(yīng)力計(jì)算、巖石物性方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是聲波測(cè)井在技術(shù)應(yīng)用研究上仍面臨一些問(wèn)題,這些問(wèn)題集中體現(xiàn)在:①聲波全波列測(cè)井中波形的分離和信息提取。目前主要的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、最大熵法、小波分析法等。雖然這些方法在對(duì)算法的更新上有推進(jìn)作用,但不能完全解決這方面的問(wèn)題;②聲波層析成像的關(guān)鍵技術(shù)(成像算法與分辨率)仍不完備。雖然基于射線理論的聲波層析成像技術(shù)已經(jīng)十分成熟,并且是工程物探重要的方法之一,然而由于成像精度受到觀測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試精度、成像方法和誤差控制等許多因素影響,在具體應(yīng)用過(guò)程中有時(shí)成像結(jié)果與實(shí)際情況相差較大無(wú)法獲得理想效果。2.2聲波測(cè)井技術(shù)現(xiàn)狀我國(guó)聲波測(cè)井技術(shù)主要應(yīng)用在油田、煤田和工程地質(zhì)三個(gè)方面,隨著聲波測(cè)井理論的不斷發(fā)展和完善,測(cè)井儀器的推新,聲波測(cè)井在這三方面的應(yīng)用顯示出其一定的優(yōu)勢(shì);但是隨著其應(yīng)用的擴(kuò)展,也表現(xiàn)出一定的缺陷。1)聲波測(cè)井的特點(diǎn)是記錄了地層的縱波、橫波及流體波的時(shí)差、幅度、頻率、相位等信息,而這些信息對(duì)于計(jì)算孔隙度、判斷巖性、定性識(shí)別流體性質(zhì)、評(píng)價(jià)巖石力學(xué)彈性參數(shù)等具有重要作用,并且還可以為較深的砂泥巖儲(chǔ)層估算巖石破裂壓力值,為油藏工程提供參數(shù),因此聲波測(cè)井是油氣勘探和開(kāi)發(fā)的重要手段。在油氣藏勘探和開(kāi)發(fā)中主要解決儲(chǔ)油層分布、油井固井質(zhì)量的檢測(cè)、出砂等問(wèn)題。目前,聲波測(cè)井對(duì)于薄層、薄互層及低孔隙度的信息分辨率低,這是聲波測(cè)井在油田應(yīng)用中的難點(diǎn),近幾年出現(xiàn)的偶極和多極陣列聲波測(cè)井可對(duì)薄層儲(chǔ)油作出正確的劃分,但是成本較高,現(xiàn)場(chǎng)施工難度大。2)聲波測(cè)井在煤田勘探中優(yōu)勢(shì)是解決煤層的厚度、深度等技術(shù)問(wèn)題。主要采用:聲波速度測(cè)井、聲波全波列測(cè)井、井下超聲成像測(cè)井。聲波測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用,提高了對(duì)煤層定性定厚解釋的可靠性;但是在利用聲波測(cè)井時(shí),井徑的影響會(huì)影響煤層和泥巖的區(qū)別,煤中石英會(huì)降低煤的孔隙度(利用聲波測(cè)井得到的數(shù)據(jù)計(jì)算)。3)聲波測(cè)井在工程勘察、施工和災(zāi)害地質(zhì)中的應(yīng)用是隨著我國(guó)大量基礎(chǔ)設(shè)施的興建和應(yīng)對(duì)我國(guó)近年頻繁發(fā)生的災(zāi)害性地質(zhì)事件而逐漸開(kāi)展的,并且收到了較好的效果。目前用到的聲波測(cè)井方法有:聲波速度測(cè)井、聲波全波列測(cè)井、聲波層析成像測(cè)井、井下超聲成像測(cè)井。上述方法在實(shí)際應(yīng)用中各有其獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):聲波速度測(cè)井可以劃分地層和換算相應(yīng)的巖石彈性參數(shù);聲波全波列測(cè)井在具有聲波速度測(cè)井的優(yōu)勢(shì)外,還可以得到橫波的速度,求得更全面的巖石彈性參數(shù);聲波層析成像測(cè)井可概括的、直觀的反映地質(zhì)體或工程體內(nèi)部波速場(chǎng)的分布情況,主要用于水泥材質(zhì)質(zhì)量的檢測(cè);而井下超聲成像測(cè)井是利用超聲波對(duì)井壁進(jìn)行掃描并根據(jù)井壁回波幅度和傳播時(shí)間進(jìn)行成像測(cè)井,可以直觀的判斷巖性和巖石的物理特性。但是聲波測(cè)井受到井徑的影響,只能探測(cè)井壁周圍很窄范圍內(nèi)的情況,具有一定的局限性,此外由于成像算法等原因,在聲波成像測(cè)井中無(wú)法獲得理想成像效果。3數(shù)字地層信息的數(shù)據(jù)處理隨著聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展,對(duì)聲波測(cè)井處理和解釋的要求也越來(lái)越高。新型聲波測(cè)井儀可獲取極為豐富的地層信息,其數(shù)據(jù)量也增大了數(shù)百倍?？茖W(xué)和有效的數(shù)據(jù)處理和分析方法,已成為當(dāng)前聲波測(cè)井的主要課題之一。但是傳統(tǒng)方法的局限性和不適應(yīng)性暴露得越來(lái)越明顯并且無(wú)法滿足實(shí)際中的應(yīng)用。如傅立葉分析是信號(hào)處理的重要手段,但是傅立葉分析不能作局部分析,無(wú)法由函數(shù)的傅氏變換知道函數(shù)在任一點(diǎn)處的性態(tài)。3.1小波變換、小波多分辨、全波井的成像隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)儲(chǔ)層的研究不斷深入,對(duì)測(cè)井處理和解釋的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的處理方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求。小波理論是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的數(shù)學(xué)理論,小波的概念首先由地質(zhì)學(xué)家J.Morlet等人提出的,并成功地應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)處理。小波分析是傅里葉分析發(fā)展的新階段,它被認(rèn)為是傳統(tǒng)的傅立葉方法的突破性進(jìn)展,其優(yōu)于傅里葉變換之處主要在于它在時(shí)間域和頻率域都有良好的局部化性質(zhì),同時(shí)由于對(duì)高頻成份采用了逐漸精細(xì)的時(shí)間或空間或采樣步長(zhǎng),因此可以在任何細(xì)節(jié)上聚焦成像,它的基本方法已在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。根據(jù)小波分析理論,將小波變換、小波多分辨分析運(yùn)用于聲波全波列測(cè)井波形的提取中;西安交通大學(xué)的強(qiáng)琳、劉貴忠利用小波變換具有良好的局部化特性,將其用于聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮;焦翠華等利用小波分析來(lái)提高聲波測(cè)井曲線縱向分辨率。3.2生物儀器和物理儀器近年來(lái)興起的包括一整套數(shù)據(jù)處理和感知的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在地質(zhì)學(xué)上扮演了重要的角色,因?yàn)閮H靠數(shù)據(jù)解釋建立起的物理模型已很難對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)和物理現(xiàn)象作出正確的解釋。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人類通過(guò)模擬神經(jīng)系統(tǒng)的記憶存儲(chǔ)與再現(xiàn)、聯(lián)想思維、目的行為以及更為不易捉摸的情感和靈感信息活動(dòng),揭示腦物理平面與誰(shuí)知平面的相互聯(lián)系的作用機(jī)理,通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、修正、確認(rèn)和計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)的聲波測(cè)井解釋技術(shù)由于建立在巖石顆粒均勻排列、孔隙流體均勻分布假定模型的基礎(chǔ)上,將地層巖性、孔隙率、滲透率等參數(shù)作線性研究,致使在復(fù)雜地區(qū)表現(xiàn)為與地層的真實(shí)值不一致。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)解決非均質(zhì)地層的非線性問(wèn)題有良好的實(shí)用效果。根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的孔煒等進(jìn)行了對(duì)擬聲波測(cè)井曲線和井點(diǎn)處的地震屬性使用線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將統(tǒng)計(jì)關(guān)系應(yīng)用到非井點(diǎn)處的地震屬性上,得到了三維擬聲波測(cè)井曲線數(shù)據(jù)體,夏克文等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于識(shí)別水泥膠結(jié)測(cè)井和確定聲波孔隙度等。此外,由于新興聲波測(cè)井技術(shù)的出現(xiàn),對(duì)大量的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)運(yùn)算在聲波測(cè)井時(shí)要進(jìn)行數(shù)值模擬,提出了應(yīng)用有限元法對(duì)反射聲波成像測(cè)井進(jìn)行數(shù)值模擬研究,以及利用小波與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合的小波神經(jīng)網(wǎng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等。3.3石油工業(yè)的典型領(lǐng)域現(xiàn)代的數(shù)據(jù)可視化(DataVisualization)技術(shù)指的是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來(lái),并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。多年前,人們就已經(jīng)找到了許多大型油氣田。目前石油工業(yè)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題是:如何尋找規(guī)模小而埋藏深的油氣田。除了尋找新油田之外,新技術(shù)的出現(xiàn)還允許我們通過(guò)改善分析和回收方法,使現(xiàn)存油田處于最佳狀態(tài),并延長(zhǎng)很多油田的產(chǎn)油壽命。在利用聲波測(cè)井進(jìn)行油氣的勘探時(shí)數(shù)據(jù)極其龐大,而且分布不均勻,因而無(wú)法根據(jù)紙面上的數(shù)據(jù)作出分析,利用可視化技術(shù)可以從大量數(shù)據(jù)中,構(gòu)造出有關(guān)感興趣的等值面、等值線,并顯示其范圍及走向,用不同顏色顯示出多種參數(shù)及其相互關(guān)系,從而能對(duì)原始數(shù)據(jù)做出正確解釋與評(píng)價(jià),得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲(chǔ)量大小等重要信息。這不僅可以指導(dǎo)打井作業(yè)、減少無(wú)效井位、節(jié)約資金,而且必將大大提高尋找油藏的效率,從而具有重大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。4.井下聲波電視測(cè)井隨著電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展,聲波測(cè)井儀器正向著提高分辨率、增加信息量、提高抗干擾能力、彩色成像顯示、多源距、多頻率等方向發(fā)展。我國(guó)測(cè)井技術(shù)與國(guó)外的先進(jìn)水平相比,在信息采集的規(guī)模、精度和可靠性方面明顯落后,其差距在信息采集的硬件設(shè)備方面。目前常用到的聲波測(cè)井儀主要有以下幾類:水泥膠結(jié)聲波測(cè)井儀、全波列聲波測(cè)井儀、聲波成像測(cè)井儀、偶極子聲波測(cè)井儀。固井后的水泥膠結(jié)評(píng)價(jià)是聲波測(cè)井傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。從20世紀(jì)50年代開(kāi)始出現(xiàn)單發(fā)單收的聲幅測(cè)井儀,到20世紀(jì)80到90年代是水泥膠結(jié)聲波測(cè)井發(fā)展的高峰時(shí)期,但從總體上講,水泥膠結(jié)測(cè)井儀主要有三個(gè)發(fā)展方向,即①?gòu)较蚍轿簧献R(shí)判套管外水泥空間分布;②提高縱向分辨率;③檢查第二界面的膠結(jié)情況[22,23,24,25,26,27]。目前用到的全波列的測(cè)井儀是陣列聲波測(cè)井儀和數(shù)字陣列聲波測(cè)井儀,早年的長(zhǎng)源距聲波測(cè)井儀因其在井下進(jìn)行模擬量記錄,將退出市場(chǎng)。陣列聲波測(cè)井儀器的優(yōu)點(diǎn)是:數(shù)字記錄、信息采集規(guī)模大及精度高。國(guó)外在20世紀(jì)60年代初期研制成功了井下聲波電視;在20世紀(jì)70年代后期,由于電視及地面成像設(shè)備的技術(shù)水平的發(fā)展和進(jìn)步(進(jìn)入數(shù)字采集、傳輸、記錄階段),井下聲波電視測(cè)井的應(yīng)用有了較快的發(fā)展;20世紀(jì)90年代國(guó)外推出了超聲測(cè)井儀,如哈里伯頓公司的井周聲波掃描測(cè)井儀及斯侖貝謝公司的超聲成像儀。我國(guó)在20世紀(jì)70年代末成功研制了井下聲波電視測(cè)井儀器,并始終維持較先進(jìn)的水平。但是與國(guó)外相比,存在一定的缺點(diǎn):國(guó)內(nèi)沒(méi)有對(duì)井壁以外各聲學(xué)界面反射波進(jìn)行記錄、處理的設(shè)備,因而不能做出井周圍的三維成像立體圖。偶極子及多極子橫波測(cè)井與以往在井下獲得橫波方法不同,其差異在于偶極子及多極子橫波測(cè)井在井下是用非對(duì)稱聲源在井壁上直接激發(fā)以橫波速度為界限值的彎曲波或扭轉(zhuǎn)波,克服了傳統(tǒng)聲波成像測(cè)井無(wú)法在軟地層獲得橫波信息。其代表測(cè)井儀有1995年斯侖貝謝公司推出的偶極子橫波成像儀(DSI)和阿特拉斯公司推出的多極子聲波測(cè)井儀(MAC)。5中國(guó)聲波研究技術(shù)的困難和發(fā)展趨勢(shì)5.1油氣勘探的基礎(chǔ)由于我國(guó)聲波測(cè)井技術(shù)發(fā)展較晚,雖經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,在一些方面取得了一些成績(jī),但是總體水平與國(guó)外聲波測(cè)井技術(shù)仍有很大的差距,并且在發(fā)展中也面臨了一些困難,在生產(chǎn)和工程中,需要聲波測(cè)井儀器既要提高橫向分辨率又必須提高探測(cè)深度。1)我國(guó)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性,給勘探和資料處理帶一定的困難。我國(guó)石油儲(chǔ)量近90%來(lái)自陸相沉積為主的砂巖油藏,天然氣儲(chǔ)量大部分來(lái)自非砂巖氣藏,地質(zhì)條件十分復(fù)雜。油田總體規(guī)模小,儲(chǔ)層條件差,類型多,巖性復(fù)雜,儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重,物性變化大,薄層、薄互層及低孔低滲儲(chǔ)層普遍存在,給油氣勘探帶來(lái)了困難;并且我國(guó)油氣的淺層勘探已進(jìn)入尾期,新的油氣分布多處在深層處。如我國(guó)2005年在大慶油田勘探的慶深氣田位于深層火山巖中。2)在儀器方面。我國(guó)在儀器方面與國(guó)外的差距尤為突出,雖然近幾年我國(guó)在儀器方面增加了投入,并且國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些有實(shí)力的儀器生產(chǎn)單位,一些儀器在國(guó)內(nèi)也占有分量,但其信息采集的規(guī)模、精度和可靠性與國(guó)外儀器相比仍存在很大的差距,特別是與斯侖貝謝、哈里伯頓和阿特拉斯三大公司相比(三大公司投入的研究經(jīng)費(fèi)為其年收入的的10%,而我國(guó)還不到2%),2004年5月,斯倫貝謝公司宣布推出新的隨鉆聲波測(cè)井儀器——sonicVISION儀器。3)軟件方面。在信息技術(shù)高度發(fā)展的情況下,聲波測(cè)井資料的自動(dòng)處理也在提高,但是這要求一個(gè)好的處理軟件作為平臺(tái)。目前,我國(guó)軟件業(yè)整體居于中流水平,對(duì)于聲波測(cè)井軟件來(lái)講,也是如此。雖然國(guó)內(nèi)幾家公司在此方面做出了較好的發(fā)展,但是軟件工程化、商業(yè)化有待大力改進(jìn)。4)人才是一個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域最重要的組成部分,沒(méi)有了人才,一切無(wú)從談起。目前,地質(zhì)、物探、測(cè)井等學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì),而我國(guó)測(cè)井技術(shù)人員知識(shí)結(jié)構(gòu)較單一,缺乏應(yīng)用的復(fù)合型人才。5.2聲波測(cè)井技術(shù)的創(chuàng)新由于聲波測(cè)井理論的成熟,伴隨著科技的進(jìn)步,聲波測(cè)井技術(shù)現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于水電、鐵道、冶金、工業(yè)和民用建筑領(lǐng)域,成功地解決了資源和工程勘察中的有關(guān)問(wèn)題。特別是在21世紀(jì),資源已成為制約我國(guó)向前快速發(fā)展的重要因素,而石油、天然氣占居各種資源的首位,聲波測(cè)井是油氣藏勘探、開(kāi)發(fā)的重要手段;并且隨著國(guó)家一些大型基建項(xiàng)目的開(kāi)工和國(guó)家對(duì)于災(zāi)害地質(zhì)的防護(hù)的需要,聲波測(cè)井技術(shù)在今后的發(fā)展中,將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。聲波測(cè)井為了滿足這些需要,必將有所創(chuàng)新。1)試驗(yàn)研究。物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué),并且聲波測(cè)井屬于應(yīng)用領(lǐng)域,任何一點(diǎn)進(jìn)步都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。近年,實(shí)際生產(chǎn)、工程需要刺激了聲波測(cè)井的發(fā)展,理論研究相當(dāng)活躍;實(shí)驗(yàn)研究必將內(nèi)容非常豐富。2)軟硬件發(fā)展勢(shì)頭迅猛,即軟件與儀器。硬件在數(shù)據(jù)