隨鉆超聲井眼成像可行性實驗研究

張 碩，高文凱，滕鑫淼，劉 珂，丁華華，禹德洲

1中國石油集團工程技術研究院有限公司 2中國石油勘探開發研究院

0 引言

隨著中國經濟的不斷發展，對油氣的需求量日益增加，非常規油氣資源的勘探開發已經成為增儲上產的重要領域。相比于常規油氣，非常規油氣勘探開發難度大，地質與工程條件復雜，施工風險高，增加了鉆井難度與開發成本。隨鉆測井技術能夠實時獲取地層參數和井眼信息，提高儲層鉆遇率，降低作業風險及成本。近年來，隨鉆測井技術快速發展，測量數據的準確度不斷提高，并且向著隨鉆成像測井技術方向發展。形成了隨鉆電阻率成像、隨鉆超聲成像、隨鉆伽馬成像等多種隨鉆成像技術，且成像質量已經接近或達到了電纜成像方式[1- 5]。

隨鉆超聲井眼成像技術以其成像分辨率高、適用于油基、水基鉆井液等特點得到了長足的發展。2019年，哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝三大油服公司分別發布具備隨鉆功能的超聲波井眼成像工具PixStar[6]、ImageTrak[7]、TerraSphere[8]，可以同時在油基鉆井液和水基鉆井液中生成高分辨率的井眼圖像，圖像能夠用于反應井眼幾何形狀，識別井壁裂縫、孔洞、層理等特征，幫助工程人員實時監測井眼工程狀況和質量，助力非常規油氣的優質、安全、高效勘探開發[9]。

綜上所述，筆者對隨鉆超聲井眼成像可行性進行了研究，介紹了隨鉆超聲井眼成像原理，搭建了實驗平臺，制定了實驗方案，分析了不同測量距離、不同待測物、不同傳輸介質對超聲波傳輸時間、超聲波回波幅值的影響。

1 隨鉆超聲井眼成像方法

隨鉆超聲井眼成像方法是一種在隨鉆工況下應用超聲波測量井徑大小和井壁特征信息，最終實現井眼成像的方法。如超聲波測量原理圖(見圖1)所示，超聲波換能器垂直向井壁發射超聲波脈沖并接收被井壁反射回的首次回波，跟隨鉆鋌移動的同時沿鉆鋌中心旋轉，以螺旋掃描的方式獲取360°井眼信息。鉆鋌中同時裝有電路系統，由主控電路、發射電路、采樣與儲存電路和工具面測量電路構成，具備實時發射激勵電脈沖信號、檢測換能器所處工具面角信息、對回波信號進行放大、濾波、采集與儲存處理、讀取超聲波傳輸時間信息與首次回波最大幅值信息等功能[10- 13]。

隨鉆超聲井眼成像方法利用超聲波在井眼中傳輸，井眼直徑不同時傳輸時間不同的特征，能夠根據超聲波信號的傳輸時間反推出各方位的井徑大小，從而得到井眼形狀；利用井壁組成介質不同時聲阻抗有差異，且超聲波在不同聲阻抗的井壁下反射回波幅值不同的特性，根據超聲波回波信號的幅值反演出井壁圖像。結合井眼曲線與井壁圖像，可以生成3D井眼圖像[14]。

圖1 超聲波測量原理圖

2 室內實驗

2.1 實驗裝置

2.1.1 總體設計

為進行隨鉆超聲井眼成像可行性實驗，研制并搭建了隨鉆超聲井眼成像方法實驗平臺，主要包括：三軸移動定位平臺、超聲波換能器(聚焦式)、花崗巖石板、信號發射電路、示波器、直流電源、水槽、清水/鉆井液等。實驗以三軸移動定位平臺作為換能器的承托裝置，模擬井下鉆鋌；以換能器作為超聲波信號的發射與接收裝置；以表面留有不同大小縫隙與孔隙的花崗巖石板作為待測物，模擬井壁；以清水與鉆井液作為超聲波的傳輸介質；以信號發射電路作為換能器的激勵源；以示波器作為信號采集裝置，用于讀取超聲波傳輸時間與回波幅值信息。實驗過程中，將花崗巖石板置于水槽底部，三軸移動定位平臺Z軸連桿連接換能器，平行置于花崗巖石板正上方。針對不同測量距離、不同待測物、不同傳輸介質三個變量進行實驗，測量超聲波的傳輸時間信息與回波幅值信息(由于首次回波幅值更易讀取與對比，測試過程中用首次回波的最大幅值信息代替回波幅值信息)，生成花崗巖石板表面圖像，驗證隨鉆超聲井眼成像方法的可行性，為后續開發隨鉆超聲井眼成像儀器提供理論支撐。

2.1.2 核心組成部件

2.1.2.1 超聲波換能器

為滿足實際工況需求，選用中心頻率為290 kHz的聚焦式收發一體超聲波換能器(見圖2)。該換能器尾端留有黑色與紅色導線，用于傳輸激勵信號與超聲波回波信號[15]，前端配有彎曲輻射表面，用于產生會聚聲場，且聚焦中心位置聲場強度最大，有助于提高測量的分辨率與靈敏度。

圖2 換能器結構示意圖

2.1.2.2 三軸移動定位平臺

三軸移動定位平臺(見圖3)作為換能器的承托裝置，可以使換能器實現X、Y、Z三軸全方位勻速掃描，X、Y、Z方向的最大行程分別為170 mm、190 mm、70 mm，最小單次移動行程為分別1 mm、1 mm、1 mm，其性能可以滿足對二維或三維待測物進行超聲成像的應用需求。

圖3 三軸移動定位平臺

2.1.2.3 花崗巖石板

為模擬井壁，設計了一種花崗巖石板(見圖4)作為待測物，該待測物表面開有5條縫隙與4個圓形孔隙，縫隙1～5寬度分別為：2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，孔隙1～4直徑分別為：2 mm、4 mm、6 mm、8 mm。

圖4 花崗巖石板實物圖

2.2 實驗方案

2.2.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時間與回波幅值測試

在不同測量距離、不同待測物條件下進行超聲波傳輸時間與回波幅值測試，實驗參數如表1所示。

具體步驟為：①選用密度為1.0 g/cm3的清水作為傳輸介質，設置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸信息與回波幅值信息；②控制三軸移動定位平臺在Z軸方向向上移動5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸時間與回波幅值信息； ③重復步驟②，測量距離逐次增加5 mm，直到換能器距花崗巖石板70 mm，停止測量，記錄數據。④移動三軸定位平臺X、Y軸，將換能器分別置于花崗巖石板縫隙1～5、孔隙1～4上方，重復步驟①～③。

2.2.2 不同傳輸介質條件下超聲波傳輸時間與回波幅值測試

在不同傳輸介質條件下進行超聲波傳輸時間與回波幅值測試，實驗參數如表2所示。

表1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時間與回波幅值實驗參數

表2 不同測量距離、不同傳輸介質條件下超聲波傳輸時間與回波幅值實驗參數

具體步驟為：①選用密度為1.0g/cm3的清水作為傳輸介質，設置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸時間與回波幅值信息；②控制三軸移動定位平臺在Z軸方向向上移動5 mm，讀取此刻超聲波傳輸時間與回波幅值信息；③重復步驟②，測量距離逐次增加5 mm，直到換能器距花崗巖石板50 mm，停止測量，記錄數據；④分別選用密度為1.8 g/cm3、2.0 g/cm3的油基鉆井液作為傳輸介質，重復步驟①～③。

2.2.3 超聲波成像測試

進行超聲波成像測試，實驗參數如表3所示。

表3 超聲波成像實驗參數

具體步驟為：①選用密度為1.0 g/cm3的清水作為傳輸介質，設置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為35 mm，讀取此刻超聲波回波幅值信息；②以X方向1 mm，Y方向1 mm的步進間隔，對花崗巖石板表面進行二維掃描，記錄各測量點的超聲波回波幅值信息。

3 結果與分析

3.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時間與回波幅值測試

3.1.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時間測試

由表1中實驗1所得數據繪制出“不同待測物下測量距離—傳輸時間曲線圖”(見圖5)。由圖5分析可知，在任意相同的測量距離下，超聲波傳輸時間不隨待測物的改變而變化；測量距離與傳輸時間呈線性正相關，在任意相同的待測物下，超聲波傳輸時間隨著測量距離的增大而升高，表明超聲波傳輸時間對測量距離較為敏感，可以用于測量井下各個方位的井徑值信息，生成井眼曲線。

圖5 不同待測物下測量距離—傳輸時間曲線圖

3.1.2 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波回波幅值測試

由表1中實驗2所得數據繪制出 “不同待測物下測量距離—回波幅值曲線圖”(見圖6)。由圖6分析可知，在任意相同的測量距離下，待測物不同，回波幅值存在差異，且隨著孔隙與縫隙的增大，回波幅值逐漸減小，表明超聲波回波幅值可以用于識別井壁上的孔隙與縫隙等特征，實現井壁成像；在任意相同的待測物下，當測量距離由5 mm增大到35 mm時，回波幅度呈上升趨勢，當測量距離由35 mm增大到70 mm時，回波幅值呈下降趨勢，當測量距離為35 mm時，回波幅值最大，表明該款換能器在測量距離為35 mm時超聲波聚焦效果最強。

圖6 不同待測物下測量距離—回波幅值曲線圖

3.2 不同傳輸介質條件下超聲波傳輸時間與回波幅值測試

3.2.1 不同傳輸介質條件下超聲波傳輸時間測試

由表2中實驗3所得數據繪制出“不同傳輸介質下測量距離—傳輸時間曲線圖”(見圖7)。由圖7析可知，在任意相同的測量距離下，鉆井液密度影響超聲波傳播時間，且隨著鉆井液密度的增加，傳輸時間增加；在密度為1.0 g/cm3的清水、1.8 g/cm3的油基鉆井液和2.0 g/cm3的油基鉆井液中，傳輸時間隨著測量距離的升高呈線性增加，表明在高密度鉆井液中也可以實現井徑測量。

圖7 不同傳輸介質下測量距離—傳輸時間曲線圖

3.2.2 不同傳輸介質條件下超聲波回波幅值測試

由表2中實驗4所得數據繪制出“不同傳輸介質下測量距離與回波幅值曲線圖”(見圖8)。由圖8分析可知，當測量距離相同時，隨著鉆井液密度的升高，超聲波的衰減增大，回波幅值減??；在1.8 g/cm3的油基鉆井液和2.0 g/cm3的油基鉆井液中，隨著測量距離的增加，回波幅值減小，當測量距離為50 mm時，回波幅值衰減為0，表明在一定測量范圍內，可以在高密度油基鉆井液中實現井壁成像。

圖8 不同傳輸介質下測量距離—回波幅值曲線圖

3.3 超聲波成像測試

由表3中實驗5所得數據繪制出 “超聲波回波幅值成像結果”(見圖9)。圖像由數個像素點構成，每個像素點代表在某一點測得的回波幅值；像素點顏色越深，代表當前位置的超聲波回波幅值越低，像素點顏色越淺，代表當前位置的超聲波回波幅值越高。因此，由圖9可以明顯觀察出花崗巖石板表面特征，包括五條縫隙與四個孔隙，且成像效果清晰，實現了超聲波成像。

圖9 超聲波回波幅值成像結果

4 結論與建議

(1)研究了隨鉆超聲井眼成像方法，該方法通過讀取超聲波的傳輸時間和首次反射回波的最大幅值信息，推算井徑信息與井壁特征信息，最終實現井眼成像。

(2)設計搭建了室內隨鉆超聲井眼成像方法實驗裝置與實驗平臺，進行了大量測試。實驗結果表明：①超聲波傳輸時間與測量距離呈線性正相關(即測量距離越大，傳輸時間越長)，受待測物影響較小，與鉆井液密度呈正相關(即鉆井液密度越大，傳輸時間越長)；②超聲波回波幅值與測量距離呈負相關(即測量距離越大，回波幅值越小)，受待測物影響較大，隨著待測物大小形狀的改變，幅值大小有明顯的差異，與鉆井液密度呈負相關(即鉆井液密度越大，回波幅值越小)。

(3)室內實驗結果表明：①超聲波傳輸時間信息可以用于井徑的測量及井眼形狀的識別；②超聲波回波幅值信息可以用于井壁縫隙與孔隙等特征的識別與成像；③隨鉆超聲井眼成像方法可以適用于高密度的油基鉆井液中。

(4)由于實驗環境以及實驗裝置的限制，室內實驗仍有缺陷和不足，建議在已有實驗的基礎上繼續進行大量實驗，同時優化實驗設備與實驗平臺，進一步驗證隨鉆超聲井眼成像方法的可行性并分析影響超聲波成像的因素。