0 引言
众所周知，常规声波测井的探测深度通常认为1~2 m，无法对井壁外更深的隐蔽储层做出有效评价。探测范围更远、成像精度更高的技术方法和测量手段一直是测井界的不懈追求[1⇓⇓⇓⇓⇓-7]。声波测井仪器在井内激发高频声波信号（1~20 kHz），声能量主要沿着井壁传播产生折射纵、横波和多种类型的面波（斯通利波、伪瑞利波和弯曲波等），但通过加大声源辐射功率可使更多能量透过井壁进入地层深处，当其遇到裂缝、洞穴或储层边界等波阻抗与地层存在差异的地质构造时，将以反射波形式回传到井孔被接收换能器记录。采用数字信号处理方法，从接收记录中提取这部分反射波，并对其做偏移成像，可获得井外反射体的位置、方位和形态等参数，这是远探测声波测井的基本原理。实际测量证明，远探测声波测井的径向探测范围可覆盖3~50 m，分辨率1 m左右，大大拓展了测井技术的探测范围。
本文在回顾该技术发展历程的同时，重点介绍了远探测声波测井资料处理解释核心方法、软件和现场应用效果。之后结合目前油田实际生产需求，深入分析现有技术面临的挑战，指出远探测声波测井技术的下一步发展趋势。
1 发展历程及方法原理
1.1 技术发展历程
20世纪末，中国学者开始远探测声波测井方法研究和仪器研制工作。2005年中国石油大港油田测井公司柴细元团队在楚泽涵教授的指导下研制成功第1支专门用于井外反射体探测的下井仪[1⇓-3]。通过加大源距、增加发射功率和阵列接收等方式首次在井下获得清晰的反射波信号，这是中国声波测井发展的一个重要的里程碑。2006年，在李宁的组织带领下，中国石油勘探开发研究院测井遥感所与物探技术研究所合作攻关，首次提出井下反射波叠前逆时偏移成像方法[4]。2009年6月，塔里木油田勘探开发研究院测井中心肖承文团队依据该方法成功在轮东2井6 720 m深度处距井壁8~22 m发现了缝洞体，并经酸化压裂后的导流曲线所证实，该井试油获高产工业油气流。进一步在哈得24、新垦6等30余口重点井开展规模应用，基本解决了井壁外30 m范围内的裂缝、断层和溶蚀孔洞的探测问题[5⇓-7]。于是2009年后，在中国石油测井攻关项目的进一步推动下，利用远探测声波识别发现井外隐蔽储层的应用研究迅速在国内外展开。
1.2 方法原理
远探测声波测井仪器主要由发射声系、隔声体、接收声系以及电子短节构成。在井下采用单极子源和单极子接收器的远探测技术称之为单极纵波远探测技术，这是远探测声波测井技术方法发展的开端。然而，由于单极子源辐射声场的轴对称性，最初研制的远探测仪器不具备对井外裂缝的方位分辨能力。为了解决这一问题，国内外学者提出两种技术方案：①Pistre等和乔文孝等提出将单极子接收器更换为沿着仪器环向分布的多个圆管或片状接收器，用于接收来自井外不同方位的反射纵波信号[8-9]；②唐晓明等和魏周拓等在已成功研制的正交偶极阵列声波测井仪器基础上，利用偶极子源的偏振特征发展横波远探测方法[10-11]。当前，单极纵波远探测和偶极横波远探测是远探测声波测井的两个主要发展方向，以下分别讨论。
1.2.1 单极纵波远探测
单极子源通常采用如图1a 所示的圆管结构的压电振子，其在沿径向膨胀和收缩的振动过程中始终保持圆管状的对称外形不变，在水平方向的辐射指向性基本为一圆面，如图1b 所示。单极子源主要向井外地层中均匀辐射纵波能量，当这些能量触碰到裂缝等声阻抗不连续界面时将产生反射纵波反传回井孔，单极子接收器也将接收来自井外各个方位的综合反射信息。因此，基于这种方法原理设计的单极纵波远探测技术及装备不具备对井外反射体的方位分辨能力。
1.2.2 偶极横波远探测
偶极子声源通常采用如图2a 所示的片状结构的压电振子，X+和X-方向的压电振子在振动过程中始终保持为同一方向，导致其在水平方向的辐射指向性基本为一旋转90°的“8”字形（见图2b ），Y+和Y-方向的压电振子组合振动后对应的辐射指向性则为“8”字形。因此，偶极子源X分量发射、偶极子接收器X分量接收波形通常称之为XX波形，同理可获得XY、YY和YX波形，这4组波形统一称之为偶极四分量波形。因为偶极子源不再是向地层中均匀辐射声波能量，基于这种方法原理设计的偶极横波远探测技术及装备对井外反射体具备了一定的方位分辨能力。
唐晓明等国内外学者系统研究了偶极子源激励横波的辐射声场特征，指出水平偏振横波（SH）具有较宽的辐射覆盖面积和较高的反射灵敏度，可用于确定井外反射体方位[12⇓-14]。如图3 所示，当井外存在一反射体时，偶极子源X或Y激励的声波能量在辐射平面内可分解为垂直偏振横波（SV）和水平偏振横波（SH）。SV横波在反射体位置产生反射和透射两种现象，其中反射波又包括SV-SV波和SV与纵波的转换波（SV-P）；SH横波不发生模式转换，反射波仅包含SH-SH波，特别当反射体为一充填流体的裂缝时，依据Zoeppritz方程SH横波反射系数达到最大值1，即发生全反射现象。上述反射波在辐射平面内又可合成为偶极四分量波形，反传回井孔被偶极子接收器接收，这便是基于四分量偶极横波反射波确定井外反射体方位的理论基础。
2 远探测测井处理解释关键方法及软件
2.1 裂缝反射波提取
在明确远探测声波测井方法原理之后，还需利用数字信号处理方法从实际测井资料中提取代表井外缝洞体的反射波并对其偏移成像，其中反射波提取是远探测处理解释的基础和关键，其提取精度将直接影响后续反射体成像质量。考虑井内钻井液和井外地层存在较大的声阻抗差异，绝大部分声波能量将被约束在井筒内形成沿井壁滑行传播的斯通利波等井孔模式波，仅有少部分能量能进入地层形成反射波。前人首先将研究目标聚焦在如何压制井孔模式波方面，提出了Radon变换和多尺度相关等一系列信号处理方法来滤除井孔直达波信号[15⇓⇓⇓⇓⇓-21]。蔡明等在研究接收换能器一致性等影响条件下，发展了基于参数估计的反射波提取方法，上述研究均取得一定成效[22]，然而，这也忽视了复杂井孔和地质条件下产生的多类型噪声对反射波形的影响，比如反射波在地层中传播时产生的能量耗散和多次波干扰等。武宏亮和刘鹏等通过分析远探测实测资料的声场特征，系统梳理出影响反射波提取精度的相干噪声和不相干噪声，前者主要包括岩性界面波和多次波，后者包括低频-高频噪声和坏道，通过深入探讨这4种噪声的产生机理、响应特征以及针对性判识方法，提出了一套井外缝洞体反射波分步提取方法，比如针对岩性界面波的倾斜中值滤波方法以及针对坏道噪声的匹配追踪射线束合成方法，并通过现场实例验证了方法有效性[23-24]。如图4 所示，研究区地质资料表明Y1井所在区域发育由断层及岩溶共同作用形成的缝洞系统，但在完钻后气测结果无油气显示，常规测井资料也解释为干层，表明该井未钻遇缝洞体。为了进一步求证Y1井外缝洞发育情况，利用反射波分步提取方法处理远探测数据，依次对低高频噪声、地层界面波以及多次波等多类型噪声进行压制，在此基础上提取到代表缝洞体的横波反射波信号（见图4 ），这表明井外储层中存在缝洞体。
2.2 测井观测系统偏移
在有效提取反射波信号的基础上，选取合适的偏移算法对井旁地质构造准确成像是远探测技术的另一项关键工作。为了准确获取反射体空间位置，成像算法一方面需具备较高成像精度，同时为了适应生产需求，还需具备较高计算效率。考虑到远探测方法利用高频弹性波探测裂缝，其成像方法可部分借鉴地震成像方法，但又存在其特殊性，比如地震观测系统具有长偏移距且高覆盖次数的特征，而测井观测系统仅利用孔径较短的几个接收器，并且直井条件下地层速度垂向快速变化，这与地震偏移算法预设的水平层状速度模型相悖。测井观测系统又具有“放炮”时间短（1 m可放7炮）、声源频率高等优势。因此综合考虑测井观测系统的优势和劣势，国内外学者发展了射线偏移和波动偏移两类偏移算法[25-26]。
Kirchhoff偏移是一种广泛应用的射线类偏移方法，其物理基础是声波传播的高频近似渐进理论。走时场计算对井外反射体的空间位置定位尤为关键，通常由程函方程和运动学射线追踪方程求得。考虑到声源附近走时场通常具有较大的曲率，还需对走时场进行因子分解，进而发展基于因子分解程函方程的走时计算方法。地震观测系统下的Kirchhoff叠前深度成像仅需考虑走时关系，在成像过程中借助长观测孔径和密集接收器的数据，通过多次叠加来消除成像噪声，但是测井观测系统不具备这一条件。因此，在考虑走时关系前提下，测井观测系统下的Kirchhoff偏移还需将接收端数据射线参数作为成像条件，从而降低成像过程中噪声影响。
逆时偏移算法通常采用有限差分求解正传和反传的声波波场，进而基于相同时间的正反传波场实施互相关成像，这是地震勘探领域里应用最广泛的波动类偏移方法，张宫、李宁和李雨生等引入该方法处理测井远探测数据[27⇓⇓⇓-31]，并针对测井数据存储量大、数值频散严重以及井外深部反射体成像不清晰等技术难题，发展了测井观测系统下的逆时偏移理论，提出最小二乘差分系数优化、归一化互相关成像条件等方法和手段来改善成像效率和质量，并通过多项测井实例验证了算法有效性。如图5 所示，针对Y1直井四分量横波反射波提取结果（见图4 ），实施不同方位反射波的逆时偏移成像，结果表明在方位北偏东60°，深度5 640~5 682 m，井外12~28 m发现大尺度反射体。根据远探测处理解释结果，对该井实施微侧钻，侧钻至斜深5 690 m漏失钻井液2.7 m3，表明钻遇了缝洞体，试油测试结果为日产油150 m3，日产气9×104 m3，获得高产工业油气流，验证了远探测缝洞体成像成果的准确性。
2.3 水平井远探测三维成像
水平井在增加储层钻遇率和扩大产油气面积方面发挥着重要作用，有助于大幅提升单井采收率和油气产量，这项钻井技术已在全球范围内的油田广泛使用，特别是在深层超深层以及页岩储层油气开发方面。尽管远探测技术研发初衷是评价竖直裸眼井外储层中大尺度裂缝，随着水平井的大规模应用，如何在识别井外储层内部裂缝的同时，对与水平井孔近乎平行的储层边界实施连续追踪，进而实现井外不同类型反射体的三维成像成为一项亟需解决的关键科学和应用问题，这对指导水平井地质导向和制定开发压裂方案具有重要意义[32⇓⇓⇓⇓⇓-38]。早在20世纪90年代，斯仑贝谢公司在水平井中开展声波测井过程中发现了与井孔近乎平行的地层界面反射信息，从而证明了远探测可以识别水平井外储层边界[39⇓-41]。刘鹏等和武宏亮等发展了水平井偶极横波远探测方法，指出储层边界反射能量主要集中在偏振方向与储层走向平行的SH横波反射波上，并初步实现了水平井外储层内部裂缝描述和储层边界的追踪成像[42-43]。
水平井远探测三维成像技术是利用远探测声波测井资料，在三维空间内对井外裂缝和储层边界等多类型反射体实施有效分离、提取和成像处理解释。水平井测井观测系统如图6 所示，主要包括垂直切片和水平切片两个部分。针对中高角度裂缝穿过水平切片的情况，需依靠SV横波反射波对裂缝成像；针对垂直切片内裂缝，则需依靠SH横波反射或散射信息。水平井外储层与相邻地层在岩性和物性上通常有所不同，导致两者边界位置出现较大的声阻抗差异，因此，利用水平井远探测技术识别储层边界反射信息，并进一步对其连续追踪成像具备理论可行性[44]。图7 展示了通过处理X1水平井远探测资料，得到的井外反射体三维成像结果：在水平切片中能观测到裂缝信息；而在垂直切片中不仅能观测到尺度较小、中高角度的裂缝，还能识别尺度较大、同相轴连续的储层边界。
2.4 远探测声波测井处理解释系统
基于上述远探测关键技术方法，在CIFLog测井软件平台上研发了远探测声波测井处理解释系统。该系统主要包括直井远探测和水平井远探测两套子系统（见图8 ）。直井远探测子系统包含波形预处理及质控分析、裂缝反射波分步提取、反射波方位校正、井旁地层速度建模以及测井观测系统偏移成像5个软件模块。裂缝反射波分步提取软件模块考虑了复杂井孔和地质条件影响，通过分步处理方法实现了多类型噪声的滤除和压制。测井观测系统偏移成像软件模块包括Kirchhoff偏移和逆时偏移两套算法：利用Kirchhoff偏移可实现全井段和全方位井旁缝洞体快速偏移成像，利用逆时偏移可实现重点层段精细偏移成像。水平井远探测子系统则较为复杂，包含近井裂缝成像与定量表征、远探测裂缝成像和储层边界连续追踪3个部分，其中每个部分又由多个软件模块构成。总之，基于CIFLog测井平台研发的远探测声波测井处理系统覆盖了远探测处理解释全流程，为直井和水平井外裂缝和储层边界等多类型反射体识别、评价以及三维成像提供了有效技术手段。
3 现场应用
远探测声波测井技术的重要作用正在井外缝洞体识别、水平井套变预测、压裂效果评价和有利储层横向追踪等多个油气勘探开发领域不断展现出来。下面选取塔里木盆地超深层碳酸盐岩和四川盆地深层页岩气等典型储层的4项实例展示其应用效果。
3.1 井外缝洞体识别
Y2井经钻探后实施常规测井资料采集和处理解释，结果表明该井的目的层段岩性较纯，物性较差，基质孔隙度小于2%（见图9b ），测井解释为干层。对目的层段实施油嘴放喷后无油气显示。为进一步求证Y2井旁的缝洞发育情况，在目的层段加测了远探测声波测井资料。在对远探测波场特征分析基础上，先后实施了裂缝反射波提取和测井观测系统偏移处理。成像结果如图9b 所示，在北偏西15°走向偏移成像图中（第4道）可观察到奥陶系一间房组存在多组缝洞反射体。而在北偏东75°走向偏移成像图中（第5道）反射体数量明显减少，这表明Y2井外确实发育缝洞体，并且其走向主要为北北西向（北偏西15°方位）。进一步细致观察北偏西15°走向偏移成像图中红色实线标注的缝洞反射体，可以发现它们并没有穿过井孔，其间的最小距离也超过6 m，这也解释了利用常规测井资料（最大探测距离为3m）开展评价时其结果显示物性较差，以及常规测试无油气显示的原因。根据远探测处理结果，对Y2井目的层段酸压改造，改造之后的试油结论显示折日产油32.88 m3。这表明酸压沟通了井外裂缝和洞穴等有效反射体。
3.2 水平井套变预测
李宁、刘鹏和范华军等对此提出一套基于声波测井资料的多尺度裂缝评价方法，包括利用反射斯通利波提取和成像技术定量表征井外0~3 m范围内的近井筒裂缝，利用远探测声波测井技术识别井外3~25 m范围内的远井筒裂缝[47]。图10 展示了四川盆地页岩气储层X2水平井外裂缝/断层评价效果，从上到下依次为远井筒裂缝成像道、近井筒反射振幅道、近井筒裂缝成像道以及深度道。近井筒成像结果表明深度5 500~5 600 m范围内发育多组过井裂缝，反射振幅道中的红色竖线代表了过井裂缝数量，反射振幅强弱则表征近井裂缝发育情况，比如裂缝张开度、延伸长度等。远井筒成像结果同样表明该深度段裂缝发育，部分裂缝延深长度较远，达到了本井探测边界距离25 m。进一步分析基于地震蚂蚁体属性和随钻测井资料绘制的该井地质模型图，发现在深度5 530 m位置存在一条过井断层。这表明利用远探测声波测井技术不仅可以识别过井断层，还能识别与断层伴生的多组次级裂缝，从而准确预测水平井套变位置。
3.3 压裂效果评价
随着压裂作业在深层超深层和非常规油气藏中应用越发广泛，人们也越来越关注此项技术带来的影响。一方面，水力压裂可以增加储层裂缝数量以及裂缝之间的连通性，对油气的增产有非常大的贡献；但另一方面，由这种技术带来的微地震、环境污染等问题也不容忽视，如何有效评价水力压裂效果变得尤为重要。李宁等提出一种时移远探测方法[48]，即在压裂之前测试一次远探测资料，通过处理可获取井旁天然裂缝成像结果；在压裂之后再测试一次，通过处理可获取井旁天然裂缝和压裂裂缝的综合成像；最后，对比两种成像结果的差异，便可获取井旁数十米范围内压裂缝发育情况。他们利用时移远探测方法在塔里木盆地深层碳酸盐岩和新疆油田页岩油储层开展应用，并取得一定成效[49]。
3.4 有利储层横向追踪
四川盆地二叠系茅口组具有储层类型多、分布范围广等特点，自20世纪以来一直是西南油气田勘探开发的重要层系。滩相白云岩是茅口组主要储层类型之一，表现为溶蚀裂缝和孔洞发育、储层单层厚度薄、白云岩化程度强弱不均等典型特征，直接利用地震勘探方法识别白云岩薄储层面临巨大挑战。X3井是以茅口组为目的层的一口水平井，其钻探目的是在白云岩薄储层箱体内穿行近千米（见图12 ）。该井钻井完毕后实施了测井资料采集，通过处理解释常规测井资料发现仅在斜深4 950~5 030 m范围内钻遇了白云岩储层，表明水平井实际轨迹与设计存在较大偏差，常规测井方法无法有效判断白云岩储层与水平井孔相对位置关系。
通过处理X3水平井远探测资料，实现了水平井外垂向近百米、横向近千米范围的白云岩薄储层带及其下部两套岩性界面的成像（见图12 ），明确了白云岩带（水平条带）与水平井孔位置关系：在深度段1，储层位于井孔下方10~40 m；在深度段2，井孔穿过储层；在深度段3，储层位于井孔上方3~10 m。基于水平井远探测处理解释结果，向油田提供的试油建议为：针对段1，向下定向射孔，大型酸压沟通下部储层求产；针对段2，直接酸压求产；针对段3，向上定向射孔，大型酸压求产。油田采纳了该建议，经试油获高产工业气流，折日产气166.66×104 m3，验证了远探测方法能够有效探测水平井外储层边界，从而实现对有利储层的横向追踪。
4 前景展望
远探测声波测井技术实现了对井外多类型反射体的有效识别，促使测井探测范围由“一孔之见”变为“一孔远见”，大大拓展了测井技术的应用范围，并从支撑油气勘探扩展到支撑油气开发，从评价常规储层缝洞体发育情况扩展到非常规储层。同时，它使测井-地震、测井-钻井、测井-开发等多学科交叉研究变得更为可行。以下结合目前油田实际生产需求和技术面临挑战，指出远探测声波测井处理解释方法的重要发展方向。
4.1 井震融合成像及储层反演
Hampson-Russell公司率先研发的Strata软件1991年在中国石油勘探开发研究院安装展示后，迅速在国内油田推广应用，这是因为其核心是创新的“测井约束下的地震反演”方法。该方法通过在直井中采集声波时差和密度测井资料，经计算得到地层反射系数，再通过与地震子波的褶积处理，得到高分辨率井旁地震道。这种解决问题的思路第一次科学地将测井和地震两种不同学科的资料处理进行完美融合，极大推动了地球物理储层反演领域的发展和突破[50]。
远探测声波测井技术的快速发展为井震结合提供了全新的视角和方向，这是因为该技术能够直接测量得到井筒外的反射波信号，这就为与地面地震反射波信号进行融合提供了最直接的手段，有助于形成全新的井震结合正反演算法。基于远探测井震融合成像及储层反演面临的主要技术难点包括远探测和地震数据深度匹配困难、频带差异大以及尺度不一致等，目前已在远探测和叠后地震的储层边界融合成像方面取得初步进展。
4.2 页岩储层裂缝成像
页岩储层是中国当前以及未来油气勘探开发的重要领域，与碳酸盐岩和致密砂岩储层相比，页岩岩石物理性质性质较“软”，以大庆古龙页岩油为例，白垩系青山口组一段纵、横波波速度一般为2 900 m/s和1 600 m/s，相较于碳酸盐岩储层，纵、横波速度分别下降53%和52%[51]。无论单极纵波远探测还是偶极横波远探测，声波在页岩储层中传播时将会有更多声能量被地层吸收，转换为热能，导致现有远探测技术对非常规页岩储层中的裂缝探测不“远”、成像不“清”，存在典型技术不适用性。因此，在硬件上如何研制高温高压狭小井筒空间内大功率声源探头，以弥补声能量严重耗散；在处理方法上，如何准确计算声波测井频率下页岩储层纵横波品质因子，进而发展远探测反射波真振幅恢复方法是远探测技术未来发展方向之一。
页岩储层本身还表现为强各向异性特征，以四川盆地深层页岩气为例，SH横波与SV横波速度差异高达15%，已发展的远探测各向同性介质偏移方法不再适用，具体表现为叠加去噪失效、裂缝成像不聚焦等特征。有关强各向异性储层条件下的小尺度裂缝远探测响应机理不清，裂缝和储层边界成像方法不明确，亟需开展相关研究工作。
4.3 多尺度压裂缝网评价
现有远探测技术受强振幅井孔模式波影响，无法有效探测井旁3 m范围内压裂裂缝。斯通利波对充填压裂液的近井压裂缝敏感，当其沿着井孔传播时，在裂缝位置将产生明显反射信号，发展基于斯通利波的近井压裂缝成像及定量评价方法能够有效弥补远探测对压裂缝的探测盲区。另一方面，微地震监测技术的探测范围不受井筒约束，通常能指示井外数百米范围内压裂事件，但该技术受地面检波器布置和地层速度建模等因素影响较大，裂缝识别准确率较低。多尺度压裂评价将是今后压裂效果评价的主要方向，具体思路为联合斯通利波、远探测和微地震等多种方法，研究从近井到远井、从小尺度到大尺度压裂裂缝的三维成像关键技术。
4.4 随钻地质导向测井
基于远探测声波测井的随钻地质导向技术是测井未来重要发展方向之一，这将在深层超深层和页岩等储层边界两侧存在较大声阻抗差异的地层环境中发挥重要作用。远探测随钻地质导向技术攻关主要包括两个方面：①研制随钻远探测声波测井仪，通过苏远大等提出的钻杆刻槽等方式有效压制钻铤波噪声，提升采集波形质量[57]；②研发井下实时处理算法和软件模块，确保钻头周围的储层成像结果及时反馈到地面。
4.5 远探测声波测井仪器革新
5 结语
本文综述了远探测声波测井技术的发展历程、方法原理、关键处理解释方法、软件系统以及现场应用成效，并指出了未来的发展方向。在关键处理解释方法方面，重点介绍了裂缝反射波提取、测井观测系统偏移、三维成像以及基于CIFLog测井平台构建的远探测声波测井处理解释系统。在现场应用方面，远探测声波测井技术已在多个油气勘探开发领域展现出重要作用，包括井外缝洞体识别、水平井套变预测、压裂效果评价和有利储层横向追踪等。展望未来，远探测声波测井技术的发展将集中在以下几个方向：井震融合成像和储层反演、页岩储层裂缝成像、多尺度压裂效果评价、随钻地质导向以及测井仪器革新。总之，远探测声波测井技术作为一项前沿的地球物理技术，在油气勘探与开发领域的应用前景广阔。随着该项技术的不断进步和创新，预计将为油气工业发展带来更多的突破和贡献。