科技成果——随钻声波测井关键技术
声波测井仪器的原理及应用
声波测井仪器的原理及应用单位：胜利测井四分公司姓名：王玉庆日期：2011年7月摘要声波测井是石油勘探中专业性很强的一个领域。
它是一门多学科的应用技术，已经成为油田勘探、储量评估、油气开采等方面不可缺少的工具。
声波速度测井简称声速测井是利用声波在岩石中传播的速度来研究钻井剖面的一类物探方法，其方法是测量滑行波通过地层传播的时差 t（声速的倒数，单位us/ft）。
目前主要用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等方面，是主要测井方法之一。
数字声波测井仪，其中包括66667声波数字化通用短节和6680声波探头2部分。
能完成声波时差测井和水泥胶结测井，能与SL6000型地面系统和进口的5700型地面系统相配接。
正交多极子阵列声波测井(XMACII)将新一代的偶极技术与最新发展的单极技术结合在一起，提供了当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法。
当偶极子声源振动时，使井壁产生扰动，形成轻微的跷曲，在地层中直接激发出横波和纵波，根据正交多极子阵列声波资料得出的纵横、波速度比可识别与含气有关的幅度异常。
关键词：数字化；声波时差；声波变密度；阵列声波；声波全波列；目录第1章前言 (1)第2章岩石的声学特性 (2)第3章数字声波测井原理及应用 (3)3.1 数字声波测井原理 (3)3.2仪器的工作模式 (5)3.3时差计算 (5)3.4 数字声波测井仪器的性能 (6)3.5 SL6680测井仪器的不足 (7)3.6数字声波仪器小结 (7)第4章正交多极子阵列声波测井 (8)4.1 XMACII多极子阵列声波测井原理 (8)4.2 XMACII多极子阵列声波仪器组成 (9)4.3 XMACII多极子阵列声波的使用及注意事项 (10)4.4 应用效果及结论 (14)第5章声波测井流程及注意事项 (15)5.1 声波测井流程 (15)5.2 注意事项 (16)参考文献 (17)第1章前言第1章前言声波测井是近年来发展较快的一种测井方法。
随钻测井系统井下的设计
随钻测井系统井下的设计引言随钻测井LWD(Logging WhiIe Drilling)技术是将测井仪器安装在靠近钻头的部位，在地层刚钻开后就测量地层各种信息的一种测井方法。
它通过测量地层倾角和方位、钻头方向、钻压、扭矩等，进行钻井定向控制，测量地层的电阻率、自然电位、自然伽马、密度／中子、核磁、声波时差等。
LWD在钻井的过程中测量地层岩石物理参数，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理，形成地层评价。
由于当前数据传输技术的限制，大量的数据仍存储在井下仪器的存储器中，起钻后回放。
其测量结果克服了井眼扩径、泥浆入侵等一系列环境条件的影响。
随钻测井可实时提供地层和井深信息，对地层做出快速评价，优化井眼轨迹和地质目标，指导钻进。
特别是在疑难井、大斜度井、水平井中，它显示出比电缆测井更为重要的作用。
LWD 系统主要由2 部分组成：地面系统和井下系统。
如图1 所示。
地面系统包括：上位机PC、接口卡、专用电缆、增效箱以及其他附属配件。
其中主机装有LWD 系统专用地质导向钻井配套软件Insite。
井下系统包括：总线控制器(HCIM)、随钻自然伽马测量仪(DGR)、随钻电阻率测量仪(EWR)、随钻中子传感器(CNP)、随钻岩石密度传感器(SLD)、工具串振动传感器(DDS)、探管(PCD)。
由此可见，LWD 井下系统有大量传感器对不同参数进行测量，耗电量非常大。
由于每次钻井设备下井都要耗费大量人力物力，而且一旦下井，钻井设备会在地下持续长时间工作，而且钻井深度可达几千米，只能通过安装在钻头附近的电池供电。
随钻测井系统的供电由2 组锂电池(3．6 V)并联组成，每组6 节串联，构成21 V 直流电源。
电池储能是有一定限制的。
例如渤海油田的B20 井就是应用LWD 技术，测量井段为2 102～3 073 km，连续工作5 天。
其他应用LWD 钻井技术的石油井也是如此，有些LWD 传感器甚至要连续在。
随钻测井 LWD
geoVISION 侧向电阻 率
▪ 适用于高导电性泥浆环境 ▪ 提供钻头，环形电极以及三个方位聚焦纽扣电极的电阻率 ▪ 高分辨率侧向测井减小了邻层的影响 ▪ 钻头电阻率提供实时下套管和取心点的选择 ▪ 三个方位纽扣电极提供三种深度的微电阻率随钻成像，可解
– 随钻测井技术和工具: • 岩性，工具测量曲线
• 工程应用软件和电脑技术
– 可视化的井眼轨迹位置和超前预测的工程应用软件 – 可实现基于网络的井下数据处理和存取 – 远程服
务
• 人员和作业程序
– 地质导向师进行实时导向服务 – 客户地质师 – 钻井工程师和定向井工程师
随钻测井技术和工具
斯伦贝谢随钻测井技术—Vision系列
井斜 well deflection, well deviation
• 井斜角就是井眼方向线与重力线之间的夹 角
井眼方向线与重力线都是有方向 的。井斜角表示了井眼轨迹在某 点处倾斜的大小。
斜度与分类
• 1.低斜度定向井：井斜小于15度
• 2.中斜度定向井：井斜在15-45度之间
• 3.大斜度定向井：井斜在46-85度之间
随钻测井
定义
• 随钻测井LWD ：一般是指在钻井的过程中 测量地层岩石物理参数，并用数据遥测系 统将测量结果实时送到地面进行处理。由 于目前数据传输技术的限制，大量的数据 存储在井下存储器中，起钻后回放
• 随钻测量MWD： 一般是指钻井工程参数 测量，如井斜、方位和工具面等的测量。 有时，MWD泛指钻井时所有的井下测量。
随钻测量与控制技术—概述
DRI
国外发展历程与现状
DRI
1. 发展历程回顾 /随钻测井LWD
Schlumberger、Halliburton和Baker-Hughes三大石 油服务公司掌握先进的LWD随钻测井技术，拥有完 备的LWD系列装备
他们经历了几十年的发展和积累，是主要技术和专 利的拥有者，是主要装备的生产者，是服务的主要 提供者，是市场的主要占有者
地面可调弯角
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国外发展历程与现状
1. 发展历程回顾 /导向钻井技术
DRI
滑动导向
旋转导向
摩阻大 低钻速 低钻压
转盘旋转钻进过 程中随钻完成导 向功能
摩阻小 钻速高 实效高 井眼清洁
20世纪90年代国际上开始了旋转导向钻井 轨迹光滑
系统的研究。
延伸能力强
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国外发展历程与现状
DRI
1. 发展历程回顾 /导向钻井技术
DRI
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国外发展历程与现状
1. 发展历程回顾 /随钻测量MWD
DRI
智能钻柱系统
无线电磁波随钻测量(EM-MWD)
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声波随钻测量系统
国外发展历程与现状
1. 发展历程回顾 /工程参数测量
地面仪表 间接测量
钻压 压力 流量
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MWD
参数随钻 直接测量
压力 扭矩 温度 振动 转速
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国外发展历程与现状
DRI
2. 国外发展现状 /随钻测量MWD /Halliburton
ABI Sensor－近钻头井斜传感器
PWD－随钻压力测量系统
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国外发展历程与现状
DRI
2. 国外发展现状 /随钻测量MWD /BakerHugues
声波测井-超声波成像测井4
声成像反映井壁宏观形态,探测较大裂缝；电成像反映地 层内部结构，对细小裂缝较灵敏。二者相互弥补，为识别岩性、 分析地层特征、评价储层、判断裂缝充填情况提供了重要手段， 在套管井中用声成像还能检测套管破损、变形情况。
超声波成像测井
声电成像测井资料的地质应用
三、应用
定性识别
●地层特征识别 ●诱导缝的识别 ●天然裂缝的识别 ●孔洞、井眼崩落及
超声波成像测井
一、概述
60年代末－Mobil公司第一套BHTV 80年代初－Shell公司改进BHTV 80年代末－三大测井公司井下电视商业化 80年代末和90年代初－中国成功研制井下电视 90年代初－
●Ultra Sonic Imager(USI) ●Ultra Borehole Imager(UBI) ●Circumferential Borehole Imaging Log(CBIL) ●Circumferential Acoustic Scanning Tool(CAST) ●Borehole Televiewer (BHTV) 华北油田测井公司
超声波成像测井二方法原理下井仪器结构超声波成像测井二方法原理声波的反射脉冲回波信号超声波成像测井二方法原理换能器声脉冲在井壁的扫描线示意图v为测井速度n为转速为声脉冲频率数据采集超声波成像测井二方法原理幅度成像声阻抗幅度成像声阻抗幅度低阻抗小幅度低阻抗小幅度高阻抗大幅度高阻抗大传播时间成像井眼半径成像传播时间成像井眼半径成像时间长半径大时间长半径大时间短半径小时间短半径小对井壁进行扫描对井壁进行扫描记录回波幅度记录回波幅度回波传播时间回波传播时间
超声波成像测井
二、方法原理
超声波成像测井
二、方法原理
数字声波井周成像测井(CBIL) Circumferential Borehole Imaging Log 以脉冲回波的方式，对整个井壁进行扫描，记录: ●回波幅度图像BHTA ●回波传播时间图像BHTT
随钻测井及地质导向钻井技术
泥浆
立管压力
叶片连续转动，波形连续变化
时间
二、随钻测量技术
随钻测井及地质导向钻井技术
报告提纲
一、地质导向钻井技术概述 二、随钻测量技术 三、LWD地质导向仪器 四、地质导向技术应用实例 五、结论与认识
一、地质导向钻井技术概述
按照预先设计的井眼轨道钻井。
任务是对钻井设计井眼轨道负责，使
实钻轨迹尽量靠近设计轨道，以保证
现
几何导向
井眼准确钻入设计靶区。（由于地质
（2）井口设备：进行随钻测量时, 必须要用电缆把探管送至井下, 并通 过电缆给井下仪器供电, 同时把井下探管测量到的那些数据信息输送到地面 计算机。另外, 随钻测量时井下采用动力钻具, 循环泥浆。因此, 井口设备 完成两个功能: I.电缆密封；Ⅱ.保证泥浆正常循环。
二、随钻测量技术
2、MWD技术
MWD（Measurement While Drilling）无线随钻测量仪，是对 定向井、水平井井眼轨迹随钻监测并指导完成井眼轨迹控制的测量 仪器。 MWD无线随钻测量仪器在油田勘探开发各个阶段中，为高难 度定向井、水平井、大位移井、分支井提供高精度导向测量。同时 由于实时无电缆传输的优势，满足了滑动钻井和旋转钻井的要求， 为各种井型提供高效率的井下工程及地质数据传输，从而大幅度地 提高钻井效率和降低整体钻井成本。并为后续多地质参数的测量提 供了挂接条件和数据结构平台，使随钻测井进而实现地质导向成为 可能。
二、随钻测量技术
1、有线随钻测量技术
探管工作原理
探管坐标系及参数定义 井斜角（INC）：井眼轴线上任一点的井眼切线方向线，与通过该点的重 力线之间的夹角。
G2 INCarctg X
GY2
GZ
LWD技术简介
2.2 LWD技术简介随钻测井（LWD——Logging While Drilling）是在随钻测量（MWD——Measurement While Drilling）基础上发展起来的、用于解决水平井和多分枝井地层评价及钻井地质导向而发展起来的一项新兴的测井综合应用技术。
随钻测井和随钻测量都是在钻井过程中同步进行的测量活动，实施随钻测井和随钻测量时都必须将测量工具装在接近钻柱底部的钻铤内，。
不同的是随钻测量主要测量井斜、井斜方位、井下扭矩、钻头承重等钻井工程参数，辅以测量自然伽马、电阻率等地球物理信息，用以导向钻井；而随钻测井则以测量钻过地层的地球物理信息为主，可以在钻井的同时获得电阻率、密度、中子、声波时差、井径、自然伽马等电缆测井所能提供的测井资料。
与MWD相比，LWD能提供更多、更丰富的地层信息。
2.2.1 L WD系统组成及工作方式随钻测井系统一般由井下仪器和井场信息处理系统两大部分组成。
前导模拟软件是井场信息处理系统的核心；井下仪器提供实时测量数据。
前导模拟软件完成大斜度井和水平井钻井设计、实时解释和现场决策，指导钻井施工。
随钻测井系统有实时数据传输方式和井下数据存储方式两种工作方式。
1）实时数据传输方式：将随钻测井仪在钻进时测量得到的信息实时传至驱动器，驱动器驱动脉冲发生器将这些信息采用特定的方式编码后传至地表压力传感器，地面信息处理与解码系统再将其转化为软件界面上可供显示或打印的数字化、图形化格式，为客户提供最终产品。
2）井下数据存储方式：将随钻测井仪器起下钻或钻进时采集到的信息存储于仪器的存储器内，待仪器的数据下载接口起至转盘面上约1.5米处，通过数据下载线将其传输到地表计算机内供处理、显示，一般可以在30min内提交处理好的数据磁盘并打印成图。
2.2.2 L WD主要功能及优点主要功能：测量井斜、方位、工具面等井眼几何参数。
随钻地质测井：采用实时和记忆方式同时进行地层参数的测量-- 电阻率、伽马、岩石密度、中子孔隙度。
斯伦贝谢水平井随钻测井地质导向技术介绍
L a te ra l S tra tig ra p h ic U n c e rta in ty
为什么进行实时钻井地质导向？
-地质模型的主要不确定性因素
The Plan: The Plan:
Target 1 40 ft Target 2
T heR eality: he R eality: T
EcoScope – 多功能随钻测井
多功能随钻测井仪：安全的结合钻井和地层评价
传感器于一体。 多功能随钻测井仪地层评价测量包括 – 20条电阻率，中子孔隙度，密度 ，PEF测量 – ECS 岩石岩性信息 – 多传感器井眼成像和测径器 – 地层Σ 因子测量碳氢饱和度 钻井和井眼稳定性优化 – 环空压力数据优化泥浆比重 – 三轴震动数据优化机械钻速 更安全、更快、更优化！ – 减少组合钻具时间 – 较少的化学放射源，高机械钻速同时得到高 数据质量 – 测量点更靠近钻头，减少口袋长度！
-斯伦贝谢水平井随钻测井地质导向技术介绍
2010.5
随钻测量的价值观
客户需求
日进尺
油藏
高效钻井
减少非生产 时间 提高机械钻速 面积
钻井与测量
优化 地质导向 最大化
油层泄油
动力和方向
目录
斯伦贝谢钻井与随钻地质导向技术简介
—斯伦贝谢随钻地质导向定义 — 斯伦贝谢钻井与随钻地质导向技术核心
— 斯伦贝谢主要随钻地质导向技术及在国内气藏中应用
井下附加动力 可使用X5或Xceed 承受更大钻压，输出 更高扭矩
26” -17 ½” Bit Sizes 14 ¾” -12 ¼” Bit Sizes
14 ¾” -12 ¼” Bit Sizes 9 7/8” -8 ½” Bit Sizes
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科技成果——随钻声波测井关键技术技术开发单位
中国科学院声学研究所
适用范围
油田勘探与开发
成果简介
（1）课题来源与背景：随钻声波测井技术在我国油田勘探与开发，特别是在非常规油气藏的水平井钻井测井中有着重大需求。
她可以实时评价地层岩性和孔隙性，进行地层孔隙压力异常预测，给出岩石力学参数，为钻井施工安全提供决策依据。
在我国该项技术与装备属于技术空白，一直被对国外油田技术服务公司长期垄断。
（2）技术原理及性能指标：随钻声波测井基本测量原理主要是由发射换能器产生声波，经过钻井泥浆进入地层，在地层中传播，再由接收换能器组合通过泥浆接收到包含地层信息的压力信号。
然后通过数字处理的方法，分析和提取地层信息。
存储式单极子随钻声波测井实验样机主要包括发射换能器1只、接收换能器4只、隔声体1个、电池插件1个、发射电路插件1个、数据采集与处理电路插件1个。
仪器主要性能指标：最高耐温150℃，最高耐压100MPa，工作频率10-15kHz。
（3）技术的创造性与先进性：仪器核心部件如换能器技术获得发明专利1项，申请在审1项，机械结构短节测量装置获得实用新型专利3项；在我国较早地获得了随钻声波测井实际资料，填补了国内
空白。
（4）技术的成熟程度，适用范围和安全性：目前该项技术处在工程应用示范阶段。
（5）应用情况及存在的问题：该项技术已经在我国某油田完成了三口井的测试检验，最大井深1250米，承受住了井下连续工作72小时、耐高温、耐高压、强震动和泥浆冲蚀等恶劣环境考验，并且能在井下存在钻柱系统的振动与冲击的实时钻进过程中依然可以正常工作。
在我国，我们较早地获取了第一手的随钻声波测井资料，目前处于国内领先水平，具有较强的应用前景。
（6）历年获奖情况：“随钻声波测井关键技术及实验样机研发”项目曾获得2015年度中国科学院声学研究所“科研项目重大进展奖”。
效益分析
由于国内石油公司对随钻声波测井技术存在着迫切需求，势必会加速推动该成果的应用示范与成果转化，这将节省钻井成本，应用前景十分广阔。
在随钻声波测井实验样机工程化推广应用方面，可以充分利用中科院声学所与中石油、中石化等石油技术服务公司已经建立起来的良好战略合作关系，加大样机应用示范进度和应用范围，不断积累现场试验经验，优化样机性能，为样机产业化奠定坚实的物理技术基础和技术支撑。
应用情况
该项技术已经在我国某油田完成了三口井的测试检验，最大井深
1250米，承受住了井下连续工作72小时、耐高温、耐高压、强震动和泥浆冲蚀等恶劣环境考验，并且能在井下存在钻柱系统的振动与冲击的实时钻进过程中依然可以正常工作。