聲波遙測地層測試技術研究

楊 東，孫 辰，瞿 勇，王建寶，田禎龍，張開栓

（中國石油渤海鉆探井下作業分公司，河北 任丘 062552）

隨著我國經濟的迅猛發展，石油資源的勘探和開采顯得尤為重要。隨著油氣勘探開發的不斷深入，鉆井技術將逐步進入精細化、信息化和自動化時代，人們希望更加準確并實時地了解井下工作狀況。井下隨鉆測量與信息技術是實現這一目標的關鍵，在生產井開采中，能夠及時而準確的掌握井下壓力、溫度等重要參數，對準確探測地層、地質結構及油藏儲量等有著非常重要的意義。將采集到的信息用何種方式傳輸到井上一直是隨鉆測井和生產井動態監測領域高度關注的問題。

井下信息傳輸方式可分為有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸有電纜傳輸、光纖傳輸和智能鉆桿傳輸。但是該方法最大的缺點是必須在停工之后才能將測井儀器通過電纜下放到井底，一年內要進行多次測試，耗資巨大，且經常由于電纜與油井套管之間的摩擦、碰撞出現斷線而使測量失敗。存在成本過高、結構連接復雜和通用性較差等問題。無線傳輸包括泥漿脈沖、電磁波和聲波。其中泥漿脈沖傳輸是目前廣泛應用的一種隨鉆測量傳輸方式。傳輸的優點是不需要特殊鉆桿和絕緣電纜，而是用鉆井液作為動力，在鉆井的同時實時地將井下數據傳輸到地面，缺點是數據傳輸速率較低，而且對井下液有依賴性。電磁波傳輸主要是通過地層介質來傳輸的，井下儀器將測量到的數據加載到載波信號上，由電磁波發射器向四周發射，然后通過地面檢波器將檢測到的信號進行解調、計算等最終獲得井下信息。由于電磁波易受井場電氣設備和地層電阻率的影響，使探測信號變得非常困難。隨著測量數據量的不斷增加，泥漿脈沖傳輸、電磁波傳輸都很難適應隨鉆大量數據傳輸的需求。因此開發新的隨鉆數據傳輸技術迫在眉睫，許多科研工作者致力于研究無線傳輸方式——聲波傳輸。該傳輸方式是利用聲波作為載波信號將井下信息傳輸至地面的無線傳輸技術，亦可以將地面信號傳送到井下，實現地面與井下的雙向通信。聲波傳輸能顯著提高數據傳輸速率，使無線隨鉆數據傳輸率達到100bit/s，提高了隨鉆測井技術，節約成本，帶來了很大的經濟效益。基于聲波的無線傳輸技術是一種被看好的技術，有望獲得更高的數據傳輸速率，并受外界影響因素更小。為此，多年來國內外許多公司、許多科研工作者致力于聲波傳輸技術的研究。本課題就是基于這樣一個石油工業生產的實際需要提出來的。因此，研究聲波傳輸技術在遙測地層測試技術研究。

1 地層測試聲波遙測原理

聲波信號在傳輸的過程中，存在非彈性碰撞和波形轉換等效應，造成聲波能量損耗和衰減，聲波在傳輸到一定距離后聲強會變得極其微弱，一般的聲學接收系統受制造工藝限制，本身產生不了響應，無法實現地面和井下儀器交互。本論文提出了一種聲波接力傳輸的技術，在管柱中間，間隔一定距離安置一個中繼接收器，負責信號的校正和傳輸。中繼傳輸技術避免了信號的衰減，較好地實現了聲波信號在井下的實時傳輸，保證了地面儀器與井下儀器的實時交互通信。這套聲波傳輸系統可以直接安裝在測試管柱上，可以在封隔器的上部或下部，操縱滑套開關，與地面半雙工通信，實現配合地層測試的目的。地層測試聲波中繼遙測示意圖，如圖1所示。

圖1 聲波中繼示意圖

地層測試時，根據聲波在油管柱中傳播的梳狀特性，預先將地層測試儀器的操作指令賦予一定的聲波頻率，井下地層測試儀器與地面控制設備之間通信采用令牌標識的方式，每一次通信稱為一次會話。一定頻帶范圍的聲波包含既定的井下測試儀器操作指令和令牌標識。一次會話活動，采用廣播通信，只有取得令牌的儀器才能進行信號的發送或接收，否則就將其丟棄。管柱中間的聲波中繼器只起到信息傳輸和信號頻譜校正的作用，規定其功能只能進行信號的接收、恢復和傳送。

整套地層測試系統采用廣播通信協議，每一次對話，信息中都含有地層測試儀的令牌和指令，每一個接收儀器，將接收到的信息中的令牌與本身含有的令牌進行比較，將信息接收，按接收的信息中的指令進行自身的動作。地層測試儀動作完成后，發出完成信息，產生聲波激勵，通過管柱上的中繼器傳送到地面控制設備，地面控制設備采用中斷方式應答地層測試儀發出的激勵響應，完成一次地層油氣測試。

2 井下遙測系統聲場特征

如果將管柱上的聲波發聲體看作一個點源發聲體，點源與它周圍的介質會組成一個復雜井下聲場系。發聲體產生激勵后，聲波會轉換成不同類型的波：反射波、透射波、沿著鉆井液傳播的直達泥漿波，沿著管柱傳播的直達柱波和沿著地層傳播的滑行波，如圖2所示。

圖2 井下聲場系

實際地層測試中有用的只有直達柱波，其它類型的波只能作為噪聲進行壓制，而且波在不同的傳輸介質中傳播時，頻率丟失，導致中繼器最終接收的波能量會有損失。受儀器制造最小分辨率的限制，中繼器只能接收一定閾值的波，衰減后聲波能量低于閾值的波，便不會被接收，最終會影響到井下測試儀器的動作。聲波頻率越高，聲波衰減越嚴重，導致聲波從激勵到響應，信號頻帶向低頻段偏移，高頻丟失，如圖3所示。

圖3 聲波衰減頻域圖

由圖3 看出，聲波信號傳播一定距離后，高頻部分發生了衰減，衰減后的信號幅度明顯小于衰減前的信號幅度，波形會產生畸變。使用不進行矯正的聲波激勵，錯誤的頻率激勵地層測試儀器時將可能產生錯誤的響應。因此，下一級信號源在響應信號之前，首先要對信號頻譜畸變校正和保幅處理[4]。只有經過校正后的聲波信號，恢復了原始頻率，能量達到儀器響應閾值，才能激勵下一級信號源和對應的地層測試儀器。

3 聲波調頻保幅處理

進行地層測試中，我們實際應用沿管住傳播的直達柱波，其它波系作為噪聲進行屏蔽。在實際中，只要合理優化接收體和發聲體之間距離，接收體就能首先接收到發聲體沿管住傳播的直達柱波，可以避免其它波系的干擾，因此實際中只要能夠恢復接收的直達柱波的頻率和增加相應下的聲波能量就可以了。聲波激勵信號在沿管住傳播的過程中，信號衰減影響因素復雜，當前還沒有一種簡單的理論將聲波在井下的影響因素研究透徹。本論文在綜合比較多種能量補償方法的基礎上，采用RalfFerber，WesternGeco 提出了一種能夠對聲波衰減吸收作用做模擬和補償的數字濾波技術[5-6]。這種技術可以處理聲波衰減因子隨時間隨機變化的情況，高頻和能量補償精確，容易恢復頻率和校正頻譜。最終采用公式（1）、式（2）完成信號頻譜能量補償，恢復發射聲波主頻。

式中：AR(f)——振幅譜；

φR(f)——相位譜；

f——聲波瞬時頻率；

fc——截止頻率；

Q(t)——時變衰減因子。

預先在中繼器中植入式（1）、式（3）衰減補償程序后，中繼器便會一級接一級地對發生源信號進行頻譜補償和波形校正，最終由地面操作儀器和地層測試儀器接收，做出正確的響應，完成一次地面處理設備和井下測試儀器的半雙工通信，直至完成整個地層測試過程。

4 現場應用

分別在西部油田兩口井進行無線聲波遙測DSP地層測試技術施工。兩口井測試儀器與地面雙向通信，均實現實時監測和過程控制。井X1-Y1 是一口注水井，在2012年實現了轉注。注水段3557～3573m，油層厚度為16m，注水層為32，滲透率12mD，孔隙度為0.109。井1 測試過程中，地面實時監測井下每個閥的工作狀態。井X2-Y2 是一口采油井，2009 年壓裂投產，井深3000m，滲透率為10mD，孔隙度0.110，測試層為4。分別在2014 年進行了一次壓力降落、恢復測試和流體采樣。井下流體采樣器通過聲學信號分別驅動采樣器開關。觸發采樣器利用極高的時間精度，保證了對井下流體采樣成功。通過無線遙測工藝對井下測試工具狀態的地面實時驗證，聲波激發井下測試工具和地面雙向交互，保證了井X1-Y1 測試成功，平均比傳統測試工藝節省工時26h。

5 結論

與傳統的DSP 相比，聲波遙測技術能夠使測試人員在DSP 測試過程中實時做出準確的判斷，降低測試時間，實現高效的測試目標。聲波在井下沿管住傳輸過程中，高頻丟失，影響頻率的穩定性。為保證聲波傳輸過程中信號頻率的穩定性和振幅一致性，通過在管柱體加入中繼站，進行聲波頻譜校正和能量恢復，避免了錯誤響應，使測試人員與儲層對話具有了新方式。