远探测测井技术发展综述

远探测测井技术发展综述
作者：刘晓敏
来源：《中国科技博览》2013年第35期
【摘要】近年来远探测测井技术发展迅速，探测范围扩展到几十米，填补了常规声波测井和井间地震之间的探测空白。

本文首先介绍了当前油气田对远探测技术的极大需求和廣阔的应用前景。

然后根据远探测技术的发展过程，介绍电法远探测、单极纵波声波远探测和偶极横波声波远探测技术的原理和各自的使用范围。

【关键词】远探测声波测井
中图分类号：TE 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―512―03
1 引言
随着石油勘探领域由构造油气藏向复杂油气藏转移，石油、天然气及矿藏勘探难度逐步增加，石油工程技术人员对地球物理勘探技术的要求也越来越高，人们也越来越渴望了解距井眼较远范围内的地层展部发育情况或裂缝、断层等的分布情况。

一般的裂缝识别测井方法探测深度太浅，如声成像测井只是探测井壁裂缝，电成像测井探测深度也只有3 cm，XMAC测井也只能定性给出近井壁3 m 以内裂缝发育情况，难以了解储层横向变化或井壁裂缝向外延伸发育情况。

在裂缝性储层中测井评价成果常与试油结果发生矛盾[1]。

因此，国内外专家学者近几十年来研究多种方法，用以探测井周围数米到数十米范围内的地层界面、裂缝、断层、溶洞和矿体等地层构造及地质体的大小和走向。

这项在井中对构造地质体进行测量，把常规测井技术的测量范围从井周一米左右提高到几十米的测井技术称为远探测测井技术。

随着远探测技术的逐渐成熟，远探测测井仪器的逐步完善，远探测成像测井能够对井眼周围几十米范围以内的裂缝、断层或地层界面进行成像分析，在分辨率及探测深度方面填补了测井技术与地震探测之间的空白，为井旁内部油气层的精细描述提供了新的技术手段。

远探测测井技术有着十分广阔的应用前景，可以显示井周围的地质界面；也可以探测井旁的倾斜结构体、裂缝或断层构造等；可以追踪水平井的油储边界；还可在钻井过程中探测钻头前面地层的信息，进行地质导向用以决定钻井的下一步走向和位置。

目前的远探测技术有声和电两种，声波的远探测技术分单极纵波法和偶极横波法两种。

下面分别介绍几种远探测技术的研究进展。

2 电法远探测
2.1 电法远探测的原理
电法远探测测井方法因为矿体（包括油气藏）与围岩导电性有明显差别，所以选用电阻率法作为测量手段。

为了获得足够大的探测深度，并能从观侧值中区分矿体产生的异常和干扰，采用低频交流电场。

为了探测埋藏较深的矿体，采用跨井眼测量。

考虑到存在高、低电阻率地层剖面及可能的井眼条件，采用套管作供电电极和点电极两种跨井眼的测量方式。

为了不漏掉较小的矿体，尽可能获得较大的异常值，测定电位异常。

因此，远探测测井可以使用两种方法，即跨井眼线源电阻率法和跨井眼点源电阻率法。

前者的测量条件是：一口井为套管井，一口井为裸眼井；后者则是：在二口裸眼井中进行测量。

电法远探测由井中的仪器向地层深部发射低频电磁波，用以探测井周围地质异常体与背景地质电阻率的差异造成的电阻率异常.用套管作供电电极或点电极的跨井眼低频电阻率测量，可用来探测远离井眼的电阻性矿体，并有可能对矿体进行定量解释；该方法的另一特点是可以探测距地面较深处的矿体，有可能反映出井底下方的油层。

2.2 电法远探测的缺点
虽然电法远探测技术能够探测到井周围地质异常体，但是，其存在严重的不足：低频电磁波的分辨率很低，所以电法远探测往往只能感知异常体的存在而难以确定其具体位置，而用于地质导向的方位电磁波的频率较高，只能探测数米范围内的地质体。

并且电法远探测测井方法能探测到多大的矿体取决于电位异常幅度值，其大小除与供电电流密度、井问距有关外，还决定于矿体的位置、半径和电阻率比值。

电法探测深度取决于如下条件：被探测地质体本身的因素，如：大小、形状、埋深及与围岩的电阻率差别；供电电极距（AB）的大小；观测精度；地形和不均匀体的干扰；外来电场的干扰。

如不考虑后面两个因素，其探测深度主要取决于前三个因素。

但是，当矿体较小、埋藏较深时，即使无限增加极距也无法探测到。

如对良导球体，当球心埋藏深度超过共半径的3-4倍时，无论怎样选择极距也难以探到。

对良导水平柱体，当柱心埋藏深度超过其半径的5～6倍时，也难以探到。

3 声波远探测
3.1 单极纵波法
3.1.1 单极纵波法远探测技术的发展
单极纵波法远探测利用井中单极子声源向井外辐射的纵波，并接收从井外地质体反射回来的波来确定地质体的位置。

1998年，Schlumberger公司推出了利用单极纵波法进行单井反射波成像的井旁声波反射成像测井仪BARS（Borehole Acoustic Reflection Survey），BARS是一种超长源距声波测井仪，采用类似于地面地震勘探测量中的偏移处理技术，可以对井眼以外的井旁3-10m的声波不连续界面进行精细成像，其分辨率比地面地震和垂直地震剖面VSP高两个数量级。

BARS可以识别砂岩和泥岩顶底界面以及过井断层和裂缝，弥补了其他测井资料横向识别裂缝的不足；国内，在薛梅、楚泽涵（2002）研究指出通过采用地震工作方式的反射波测井和将声波信号频率降低到10kHz，探测深度可以到达10-15m，并且采取增加源距的方法抑
制管波和区分岩性；乔文孝、车小花等（2004）通过制作不同材料、不同倾角的缩小比列模型井，对反射声波成像测井进行物理模拟；大港油田集团公司，针对单极声源条件下的反射声波，于2005年研制了新型远探测声波反射波测井仪器，能够对井眼周围l0米范围以上的地层界面、裂缝或断层构造进行成像分析，在分辨率及探测深度方面填补了测井与地震之间的空白（图1）。

3.1.2单极纵波法远探测技术的原理
单极纵波法远探测的原理与二维地震方法相似，测量的主要目的是用反射纵波对地层的反射面进行成像。

声反射成像测井以辐射到井外地层中的声场能量作为入射波，探测从井旁裂缝或小构造反射回来的声场。

当仪器上的声源被激发时，
图1 不同测量方法纵向分辨率和探测深度关系对比图
其产生的声波可以按照传播方向分为2类，一类是直接沿井传播的波，包括滑行纵波、滑行横波、导波以及Stoneley波，即井中的模式波，这即为常见的声波测井波形数据；另一类是声源辐射到井外的能量，它在地层中被地质构造界面反射回到井中并被仪器的接收器所接收，这些波在声波测井中称为反射波，它们的振幅比起井中的模式波通常要小得多。

当测井仪器位于地层的上部或下部时，声波能量在地层的下界面或上界面反射回来被接收器接收，这些波即为测井声波中的反射波，如图2所示。

因此对这些反射波进行偏移处理，以得到井壁外面地层构造图像。

测井声波数据与常规地震勘探数据之间的主要区别是声波测井数据中井中模式波振幅很大。

这些模式波需经过剔除处理后，才能对声波数据中振幅小得多的次波（反射波）进行偏移处理。

声反射成像测井技术可以用来显示与井相交的地质界面，还可以用来探测井外面的裂隙或断层。

图2 反射纵波测井示意图
3.1.3 单极纵波法远探测技术的应用及不足
单极纵波远探测声波成像测井能够探测和定性识别近井反射界面，提高声波反射波测井技术水平，为深部复杂油气储层的精细描述提供新的技术手段。

其主要应用有：在垂直井中，能探测井旁3—10米的高角度裂缝；在垂直井中，可以对断层进行横向追踪；在垂直井中，能识别高角度层界面；在水平井中，能探测地层界面；在一定程度上识别井旁孔洞性储层。

但是单极纵波远探测技术也存在着不足之处：由于采用无方向性的单极声源激发，因而该方法不能确定反射体的方位，只给出地层三维空间中界面的二维图像；另外，单极纵波的频率一般在10kHz左右，较高频率的波衰减造成其探测范围有限，约为数米到十数米的范围。

3.2 偶极横波远探测技术
3.2.1 偶极横波远探测技术的发展
基于声波单极纵波法存在诸多不足和问题，Tang X.M在2004年首次将偶极子用于单井反射声波测井中，提出了偶极横波的远探测声波成像方法。

偶极横波远探测声波成像方法采用偶极子声源在井中向井外发射横波，并在井中接收由井外地质体反射回来的横波。

Tang X.M.和Patterson D.J（2009）利用四分量偶极数据对井旁裂缝和盐丘内部的精细构造进行了成像。

偶极声源使用的工作频率约为2-5kHz，与单极纵波法相比，由于频率较低，偶极横波探测方法横向探测距离更远，可达二、三十米的范围。

此外，由于偶极子声源的指向性具有方向性，采用多分量的偶极发射和接受，可同时确定反射体的位置和方位。

偶极声源的这些优良特性使得偶极横波法不但能确定地层机构體存在的位置，还能确定其具体的方位，较单极纵波法有很大的优越性。

3.2.2 偶极横波远探测技术的原理
通常，在偶极声源工作的同时，它还向井外地层辐射出弹性波。

井外辐射的弹性波包括纵（P）波，及在竖直（SV）和水平（SH）面内偏振的两种横波。

其中，SV波和SH波的偏振方向如图3所示。

图中显示了利用正交偶极测井仪进行远探测反射横波测量的示意图。

声波测井仪器测到的反射波依赖以下几个因素：地层和井眼流体之间的声阻抗差、地层的类型、声源频率、声源的远扬声场辐射特性及井孔对入射波的接收调制、反射界面处的反射系数、声波在地层中的非弹性衰减以及声波测井仪器的结构和构造。