聲波測井技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

聲波測井技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

1聲波測井的地質(zhì)應(yīng)用聲波研究技術(shù)始于20世紀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)代開采方法之一。聲波測井是油氣勘探和開發(fā)的重要手段,在國外20世紀80年代末到90年代初期,為了滿足復(fù)雜油氣藏勘探和開發(fā)的需要,投入大量資金開展偶極和多極聲波測井、聲波成像測井、聲波隨鉆測井、井間聲波測井新方法、儀器及應(yīng)用方面的研究。聲波測井的物理基礎(chǔ)是研究與巖石性質(zhì)密切相關(guān)的聲振動沿鉆井的傳播特征,又因聲波測井的儀器具有快速,輕便的優(yōu)點。近十余年來在我國地質(zhì)工程領(lǐng)域逐漸推廣應(yīng)用,并取得了較好的效果。我國聲波測井技術(shù)與國外相比,在測井儀器方面具有一定差距,但是在信號處理及測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)評價2.1聲波測井技術(shù)聲波測井利用聲波在巖石等介質(zhì)中傳播時,幅度的衰減、速度或頻率的變化等聲學(xué)特性來研究鉆井地質(zhì)剖面、判斷固井質(zhì)量等問題的一種測井方法。目前聲波測井常用到的方法包括聲速測井、聲幅測井、偶極和多極子聲波測井、聲波全波列測井、聲波成像測井、井間聲波測井及隨鉆聲波測井等,不同聲波測井方法的特點及其優(yōu)缺點具體參見表1。隨著聲波測井技術(shù)的逐漸成熟,聲波測井已在我國油田勘探與開發(fā)及地應(yīng)力計算、巖石物性方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是聲波測井在技術(shù)應(yīng)用研究上仍面臨一些問題,這些問題集中體現(xiàn)在:①聲波全波列測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。雖然這些方法在對算法的更新上有推進作用,但不能完全解決這方面的問題;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系統(tǒng)和測試精度、成像方法和誤差控制等許多因素影響,在具體應(yīng)用過程中有時成像結(jié)果與實際情況相差較大無法獲得理想效果。2.2聲波測井技術(shù)現(xiàn)狀我國聲波測井技術(shù)主要應(yīng)用在油田、煤田和工程地質(zhì)三個方面,隨著聲波測井理論的不斷發(fā)展和完善,測井儀器的推新,聲波測井在這三方面的應(yīng)用顯示出其一定的優(yōu)勢;但是隨著其應(yīng)用的擴展,也表現(xiàn)出一定的缺陷。1)聲波測井的特點是記錄了地層的縱波、橫波及流體波的時差、幅度、頻率、相位等信息,而這些信息對于計算孔隙度、判斷巖性、定性識別流體性質(zhì)、評價巖石力學(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),因此聲波測井是油氣勘探和開發(fā)的重要手段。在油氣藏勘探和開發(fā)中主要解決儲油層分布、油井固井質(zhì)量的檢測、出砂等問題。目前,聲波測井對于薄層、薄互層及低孔隙度的信息分辨率低,這是聲波測井在油田應(yīng)用中的難點,近幾年出現(xiàn)的偶極和多極陣列聲波測井可對薄層儲油作出正確的劃分,但是成本較高,現(xiàn)場施工難度大。2)聲波測井在煤田勘探中優(yōu)勢是解決煤層的厚度、深度等技術(shù)問題。主要采用:聲波速度測井、聲波全波列測井、井下超聲成像測井。聲波測井技術(shù)的應(yīng)用,提高了對煤層定性定厚解釋的可靠性;但是在利用聲波測井時,井徑的影響會影響煤層和泥巖的區(qū)別,煤中石英會降低煤的孔隙度(利用聲波測井得到的數(shù)據(jù)計算)。3)聲波測井在工程勘察、施工和災(zāi)害地質(zhì)中的應(yīng)用是隨著我國大量基礎(chǔ)設(shè)施的興建和應(yīng)對我國近年頻繁發(fā)生的災(zāi)害性地質(zhì)事件而逐漸開展的,并且收到了較好的效果。目前用到的聲波測井方法有:聲波速度測井、聲波全波列測井、聲波層析成像測井、井下超聲成像測井。上述方法在實際應(yīng)用中各有其獨特的特點和優(yōu)勢:聲波速度測井可以劃分地層和換算相應(yīng)的巖石彈性參數(shù);聲波全波列測井在具有聲波速度測井的優(yōu)勢外,還可以得到橫波的速度,求得更全面的巖石彈性參數(shù);聲波層析成像測井可概括的、直觀的反映地質(zhì)體或工程體內(nèi)部波速場的分布情況,主要用于水泥材質(zhì)質(zhì)量的檢測;而井下超聲成像測井是利用超聲波對井壁進行掃描并根據(jù)井壁回波幅度和傳播時間進行成像測井,可以直觀的判斷巖性和巖石的物理特性。但是聲波測井受到井徑的影響,只能探測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,在聲波成像測井中無法獲得理想成像效果。3數(shù)字地層信息的數(shù)據(jù)處理隨著聲波測井技術(shù)的發(fā)展,對聲波測井處理和解釋的要求也越來越高。新型聲波測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)性暴露得越來越明顯并且無法滿足實際中的應(yīng)用。如傅立葉分析是信號處理的重要手段,但是傅立葉分析不能作局部分析,無法由函數(shù)的傅氏變換知道函數(shù)在任一點處的性態(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發(fā)技術(shù)的發(fā)展,人們對儲層的研究不斷深入,對測井處理和解釋的要求也越來越高。傳統(tǒng)的處理方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的需求。小波理論是近年來發(fā)展起來的一種新的數(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,它被認為是傳統(tǒng)的傅立葉方法的突破性進展,其優(yōu)于傅里葉變換之處主要在于它在時間域和頻率域都有良好的局部化性質(zhì),同時由于對高頻成份采用了逐漸精細的時間或空間或采樣步長,因此可以在任何細節(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、小波多分辨分析運用于聲波全波列測井波形的提取中;西安交通大學(xué)的強琳、劉貴忠利用小波變換具有良好的局部化特性,將其用于聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的壓縮;焦翠華等利用小波分析來提高聲波測井曲線縱向分辨率。3.2生物儀器和物理儀器近年來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,因為僅靠數(shù)據(jù)解釋建立起的物理模型已很難對復(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)是人類通過模擬神經(jīng)系統(tǒng)的記憶存儲與再現(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,揭示腦物理平面與誰知平面的相互聯(lián)系的作用機理,通過計算機實現(xiàn)學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、修正、確認和計算機信息處理系統(tǒng)。傳統(tǒng)的聲波測井解釋技術(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)為與地層的真實值不一致。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對解決非均質(zhì)地層的非線性問題有良好的實用效果。根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論,中國礦業(yè)大學(xué)的孔煒等進行了對擬聲波測井曲線和井點處的地震屬性使用線性回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進行統(tǒng)計,并將統(tǒng)計關(guān)系應(yīng)用到非井點處的地震屬性上,得到了三維擬聲波測井曲線數(shù)據(jù)體,夏克文等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于識別水泥膠結(jié)測井和確定聲波孔隙度等。此外,由于新興聲波測井技術(shù)的出現(xiàn),對大量的測井?dāng)?shù)據(jù)運算在聲波測井時要進行數(shù)值模擬,提出了應(yīng)用有限元法對反射聲波成像測井進行數(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)指的是運用計算機圖形學(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,并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機輔助設(shè)計、計算機視覺及人機交互技術(shù)等多個領(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)面臨的一個嚴峻問題是: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),并延長很多油田的產(chǎn)油壽命。在利用聲波測井進行油氣的勘探時數(shù)據(jù)極其龐大,而且分布不均勻,因而無法根據(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,從而能對原始數(shù)據(jù)做出正確解釋與評價,得到礦藏是否存在、礦藏位置及儲量大小等重要信息。這不僅可以指導(dǎo)打井作業(yè)、減少無效井位、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)濟效益及社會效益。4.井下聲波電視測井隨著電子、計算機等技術(shù)的發(fā)展,聲波測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。我國測井技術(shù)與國外的先進水平相比,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井儀主要有以下幾類:水泥膠結(jié)聲波測井儀、全波列聲波測井儀、聲波成像測井儀、偶極子聲波測井儀。固井后的水泥膠結(jié)評價是聲波測井傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。從20世紀50年代開始出現(xiàn)單發(fā)單收的聲幅測井儀,到20世紀80到90年代是水泥膠結(jié)聲波測井發(fā)展的高峰時期,但從總體上講,水泥膠結(jié)測井儀主要有三個發(fā)展方向,即①徑向方位上識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井儀是陣列聲波測井儀和數(shù)字陣列聲波測井儀,早年的長源距聲波測井儀因其在井下進行模擬量記錄,將退出市場。陣列聲波測井儀器的優(yōu)點是:數(shù)字記錄、信息采集規(guī)模大及精度高。國外在20世紀60年代初期研制成功了井下聲波電視;在20世紀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)展和進步(進入數(shù)字采集、傳輸、記錄階段),井下聲波電視測井的應(yīng)用有了較快的發(fā)展;20世紀90年代國外推出了超聲測井儀,如哈里伯頓公司的井周聲波掃描測井儀及斯侖貝謝公司的超聲成像儀。我國在20世紀70年代末成功研制了井下聲波電視測井儀器,并始終維持較先進的水平。但是與國外相比,存在一定的缺點:國內(nèi)沒有對井壁以外各聲學(xué)界面反射波進行記錄、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井在井下是用非對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)聲波成像測井無法在軟地層獲得橫波信息。其代表測井儀有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井儀(MAC)。5中國聲波研究技術(shù)的困難和發(fā)展趨勢5.1油氣勘探的基礎(chǔ)由于我國聲波測井技術(shù)發(fā)展較晚,雖經(jīng)過近幾十年的發(fā)展,在一些方面取得了一些成績,但是總體水平與國外聲波測井技術(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,需要聲波測井儀器既要提高橫向分辨率又必須提高探測深度。1)我國地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特殊性,給勘探和資料處理帶一定的困難。我國石油儲量近90%來自陸相沉積為主的砂巖油藏,天然氣儲量大部分來自非砂巖氣藏,地質(zhì)條件十分復(fù)雜。油田總體規(guī)模小,儲層條件差,類型多,巖性復(fù)雜,儲層非均質(zhì)性嚴重,物性變化大,薄層、薄互層及低孔低滲儲層普遍存在,給油氣勘探帶來了困難;并且我國油氣的淺層勘探已進入尾期,新的油氣分布多處在深層處。如我國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。我國在儀器方面與國外的差距尤為突出,雖然近幾年我國在儀器方面增加了投入,并且國內(nèi)也出現(xiàn)了一些有實力的儀器生產(chǎn)單位,一些儀器在國內(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)費為其年收入的的10%,而我國還不到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,聲波測井資料的自動處理也在提高,但是這要求一個好的處理軟件作為平臺。目前,我國軟件業(yè)整體居于中流水平,對于聲波測井軟件來講,也是如此。雖然國內(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。4)人才是一個行業(yè)和領(lǐng)域最重要的組成部分,沒有了人才,一切無從談起。目前,地質(zhì)、物探、測井等學(xué)科知識的綜合應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢,而我國測井技術(shù)人員知識結(jié)構(gòu)較單一,缺乏應(yīng)用的復(fù)合型人才。5.2聲波測井技術(shù)的創(chuàng)新由于聲波測井理論的成熟,伴隨著科技的進步,聲波測井技術(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)問題。特別是在21世紀,資源已成為制約我國向前快速發(fā)展的重要因素,而石油、天然氣占居各種資源的首位,聲波測井是油氣藏勘探、開發(fā)的重要手段;并且隨著國家一些大型基建項目的開工和國家對于災(zāi)害地質(zhì)的防護的需要,聲波測井技術(shù)在今后的發(fā)展中,將發(fā)揮越來越重要的作用。聲波測井為了滿足這些需要,必將有所創(chuàng)新。1)試驗研究。物理學(xué)是實驗的科學(xué),并且聲波測井屬于應(yīng)用領(lǐng)域,任何一點進步都離不開實驗。近年,實際生產(chǎn)、工程需要刺激了聲波測井的發(fā)展,理論研究相當(dāng)活躍;實驗研究必將內(nèi)容非常豐富。2)軟硬件發(fā)展勢頭迅猛,即軟件與儀器。硬件在數(shù)據(jù)