声速测井和声幅测井只记录滑行纵波首波的传播时间和第一个波的波幅利用井孔中声波的信息非常少。随着声波在裸眼井中传播理论的研究知道发射探头在井孔中激发出的波列携带了很多地层的信息如果把声波全波列都记录下来通过数字信号处理可获得纵波、横波和斯通利波等波形信息由此开展地层弹性特性、破裂压力、地层渗透性、裂缝及油气识别等方面研究有利于扩大声波测井在石油勘探中的应用。上世纪七十年代随着计算机和数据采集技术的迅速发展国外开始出现的长远距声波全波列测井也只是局限于纵波、横波的信息利用到了上世纪九十年代出现了交叉偶极子阵列声波测井大大拓宽了声波全波列测井的应用。本章主要介绍长源距声波测井、阵列声波测井、交叉偶极子阵列声波测井的测量原理、波形信息提取及应用解释等内容。第一节裸眼井中的声波全波列井中声波发射器发射的声脉冲经过泥浆、地层传播到接收器能接收到主要组分波有滑行地层纵波P、横波S、低频和高频伪瑞利波RL及斯通利波ST。第一个波列：从P波开始到后续震荡基础结束除了P波都称为漏泄模式波leaky mode.第二个波列从S波开始直至后续波振荡结束包括滑行横波、视瑞利波、斯通利波。0123-1-2-305001000150020002500幅度PSST高频RL低频RL时间 s0123-1-2-305001000150020002500幅度PSST高频RL低频RL时间s一、滑行纵波1滑行纵波是一种体波c沿井壁附近滑行传播速度为Vp轻微频散在测井频率段可忽略是PPP波。2一种非均匀波在地层中离井壁距离增加按负指数规律衰减能量集中在3p即Vp/f范围内在Z p内集中了滑行波能量63因此探测范围在一个p左右。3在井中传播方式：滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量在井壁上传播其波阵面是圆锥面若源 政治体制改革的目标距选择适当滑行纵波在全波中为首波幅度小传播速度快。4对于井内接收点滑行波的振幅随源离L增加是衰减的.直达波A1/Z 滑行纵波A 1/Z lnZ2。对于Zgte2.72m滑行波衰减快对于Zlte2.72m直达波衰减快。5存在共振频率a为井径i为贝塞尔函数Ji的零点为3.83、7.01….对于一般砂岩频率为10、20kHz。221112ciVVaf二、滑行横波1滑行横波是一种体波S沿井壁附近滑行传播速度为Vs轻微频散在测井频率段可忽略是PSP波。2一种非均匀波在地层中离井壁距离增加按负指数规律衰减能量集中在3s即Vs/f范围内在Z s内集中了滑行波能量63因此探测范围在一个s左右。3在井中传播方式：滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量在井壁上传播其波阵面是圆锥面若源
距选择适当滑行横波在全波中为次首波幅度较纵波幅度大。原因：横波波长较纵波短因此靠近井壁附近滑行横波幅度较滑行纵波幅度有更多能量。横波反射系数远小于纵波即有更多能量进入地层在相同的情况下有更多的能量转换为滑行横波。4对于井内接收点滑行波的振幅随源离L增加是衰减的。直达波A1/Z滑行横波A 1/Z2 。不像纵波滑行横波始终比泥浆直达波衰减快。5存在共振频率a为井径i为贝塞尔函数J0i
的零点为2.4、5.52….对于一般砂岩频率为8、18kHz。6当VsltVf时井中接收不到滑行横波。221112siVVaaf三、伪瑞利波伪瑞利波是表面波。表面波是瑞利勋爵于1885年首次提出的。他研究了弹性材料接触真空后在平面的响应发现一种波沿表面传播并且质点运动的幅度随距表面的距离减小。瑞利的发现预测了沿地球表面传播的波的存在这种波引起地震时毁灭性的震动。1是界面波当入射角
时产生沿井壁界面传播.其相速度介于泥浆波速度和地层横波速度之间.2是复合模式波存在多种模式是无几何衰减的高频散波存在截止频率.s3随着频率增加其相速度和速度都逐渐减小.4当频率趋于无穷大时相速度等于井内流体纵波速度而此时速度存在极小值比泥浆速度还小此时伪瑞利波幅度达到最大称为艾里相即伪瑞利波能量主要集中在艾里相
处.0.71.31.01.71.5020406080100频率kHz归一化速度a相速度速度
0.71.31.01.71.5020406080100频率kHz归一化速度a0.71.31.01.71.5020406080100频率kHz归一化速度a相速度速度02040608010005102015频率kHz幅度
集里中学b02040608010005102015频率kHz幅度b伪瑞利波频散曲线和幅度曲线速度以井内泥浆速度归一化艾里相四、斯通利波1924年斯通利对波在两个固体界面的传播进行了研究发现了表面波的类似形式。在流体-井筒表面传播的波被称为斯通利波。1是界面波当波数时产生沿井壁界面传播.其相速度小于泥浆波速度.2单一模式波有轻微的频散特性.3在硬地层中无截止频率低频时相速度接近流体声速的0.9倍随频率增高速度稍增大高频时约为流体声速的0.96倍.4低频率斯通利波对地层渗透率非常敏感。当波遇到渗透性裂缝或地层时流体相对于固体震动在这些地层中产生粘滞扩散使波产生衰减而且速度变慢.开启裂缝也能导致斯通利波反射回发射器。反射波能量与入射波能量之比与裂缝开度有关。在井筒和地层界面传播的斯通利波
2122/vk010*******.00.71.2归一化速度频率kHza相速度速度36912150510152025频率kHz幅度01231.碳酸盐岩2.砂岩3.泥岩b36912150510152025频率kHz幅度01231.碳酸盐岩2.砂岩3.泥岩b斯通利波频散曲线和幅度曲线速度以井内泥浆速度归一化快地层单极发射器的典型波形对于软地层流体声速大于地层横波速度不能激发出滑行横波和伪瑞利波全波列中只出现滑行纵波和斯通利波见教材图5-3。虽然在一些记录中可以清楚地看到P波、S波和斯通利波的波至时间见右图。但是在更多情况下由于噪音高、井筒条件差或其它影响因素会使这些波至不清晰或相互混淆。第二节声波全波列测井原理一、长源距声波测井psps源距1m源距3m时间s3008001300psps源距1m源距3m时间s3008001300增大源距在时间轴上区分纵波和横波1、CSU长源距声系SchlumbergerT1、T2交替发射脉冲信号。T1发射R1、R2接收在这两个接收道上各记录一个声波全波列波形。以后T2发射R1、R2又各自记录一个声波全波列波形按次序将T1R1、T1R2、T2R1、T2R2的波形称为波形1、波形2、波形3、波形4。
2ft8ft2ftR1R2T1T2长源距声波测井仪声系示意图
韩绍功原型1242343122ccccccccccTTTTtllTTTTtll 8 101234ccccTTTT、、、式中分别为长源距声系深度上提9英尺8英寸后从四条波形中读出的纵波初始点声时。记录点为R1、R2的中点偏下1英寸。PSSTPSSTCSU 全波列波形特征图2、3700长源距声系Atlas3700仪器声系采用双发双收结构其组合方式为T1发射R2接收波形WF1源距9ftT1发射R1接收波形WF2源距7ftT2发射R1接收波形WF3源距为9ftT2发射R2接收波形为WF4源距为7ft。STST声系结构及记录的四道全波列波形3、阵列声波测井也
称数字阵列声波测井Digital Array Log阿特拉斯公司简称DAC分别在20世纪80年代末和90年代初推出。这种声波测井仪源距长、间距小一般为6in、接收探头个数多一般接收探头812个。就物理原理而言阵列声波测井仪器与长源距声波测井没有本质的差别发射和接收探头仍使用对称振动模式即单极子振动模式只是各种性能得到了进一步改善提高了信噪比降低了发射探头的频率有利于斯通利波记录和信息的提取。仪器项目斯伦贝谢阵列仪阿特拉斯阵列仪DACComputalog阵列仪DAT400仪器长度m11.612.38.63接收器阵列数8128发射器中心频率kHz129发射器频带宽度kHz518115120接收器112数字化精度A/D81211三种阵列声波仪的比较二、波形信息提取方法声波全波列测井资料包含的信息非常丰富各种组分波的传播速度、幅度衰减、频率主值以及波形包络等参数都与储层及性质有密切关系。这些参数可广泛用于非均质复杂储层的油气
评价和钻采工程参数选择。声波全波列测井资料的一般处理流程是首先识别和提取各道波形中纵波、横波、斯通利波等组分波的波至点接着计算各组分波的声波时差和幅度衰减然后对波形进行频谱分析提取各分波的主频、峰值及能量等参数。本节主要介绍常用的波形识别法以及慢度-时间相关法。1、波形识别法在全波列测井波形中纵波作为首波容易识别但横波往往受纵波后续波和伪瑞利波的影响不容易识别。当岩层横波速度大于井内流体声速时可以直接在全波列波形图上识别横波。1根据纵横波时差比变化范围确定横波的初始波至点。一般所有岩石1.4-2.2 TS—1.5-1.8TC2112tpts2根据纵波传播一周所需时间纵横波传播源距L所需时间差值就可以估计出纵波延续5-9个周波后出现横波。3同相轴
类比法一般根据上下围岩纵波、横波波至相位特性有先把纵波波至点连接起来然后把横波波至点连接起来横波波至的连线类似于纵波。波形识别法2、慢度-时间相关法STCSlowness-Time Coherence法是一种时域内的多道信号相关分析技术通过在一组全波波列中开设时窗以一定的慢度时差移动时窗来寻纵波、横波、斯通利波通过计算一系列相关系数由此计算出各成分波的时差。设时窗长度为微秒时窗移动的慢度时差为微秒/英尺时窗在第一道波形上的位臵为微秒其相关系数为TwsMmTmTMmmwwdtzmstrdtzmstrMs1020212111当窗口内波形上的信号对比关系最好时相干性就最大。这一深度的STC 图左下在慢度-时间平面内用颜显示相干性最大的相干性用红表示。相干性值投影到沿慢度轴的垂直条上然后以薄水平带的形式显示在STC投影曲线的对应深度右。将所有深度的相干性最大值连起来就得到每种波的慢度曲线。在STC法处理得到纵波、横波、斯通利波时差值之后可估算出各成分波在全波波形上的初至时间。在各成分波初至时间后开一时窗计算出窗口内信号的能量。一般用ENC、ENS、ENST表示纵波、横波、斯通利波的能量。三、阵列声波的井眼补偿原理接收阵列假发射阵列测量层段接收阵列假发射阵列测量层段通过对接收阵列中各个波列的差值计算可以消除传统触发电平法的相位误差和“周波跳跃”等现象而且提高了提取波形信息的精度。STC信息提取的阵列声波测井结果第三节多极子阵列声波测井方法多极子阵列声波测井是上世纪90年代和本世纪初出现的以斯伦贝谢公司的偶极横波成像仪DSI、Sonic Scanner多极阵列扫描声波测井仪和阿特拉斯公司的多极子阵列声波测井MAC、XMAC为代表推动了声波测井的发展。一、问题的提出单极子声源振动示意图压力脉冲源声波的辐射能量一般均匀分布的至少在横截面内声学上称这种源为单极子源Monopole但在慢速软地层横波
速度小于泥浆速度时得不到井壁临界折射横波信息。右图为单极子声源示意图。单极子源一般是圆管型的换能器以轴对称方式沿径向振动膨胀或缩小。偶极子声源振动示意图为了得到慢速地层横波速度这就促使偶极Dipole横波测井的发展。上世纪80年代初出现了偶极横波测井理论研究和实际测量表明低频偶极横波测井不管在快速还是在慢速地层都能得到地层横波速度。下图为偶极子声源示意图。偶极子源为非对称源沿径向只在一个方向上产生压力使井壁产生弯曲振动从而在地层中激发出偶极横波。二、偶极子及多极子声波测井原理1、脉动球源右图表示一个中心位于原点的球状稳态声源球表面做球对称的周期膨胀和收缩运动表面径向速度为球源的体积变化速度的幅度为这里。球源的作用exp0tiV00VSQ2004rS相当于向空间注入介质注入的体积速度是常作为声源强度的度量。脉动球源辐射的声场是当则得到点源辐射的声场QQexp14000rrikrikrQiP00rexp40ikrrQiP脉动球源2、偶极子声源右图表示两
个相位相反的点声源声源的坐标是是点源的距离其中点源到声场的距离为。根据前面建立的点声源声场的公式得理想偶极子是。000z02zd偶极子声源
21RR4exp4exp4exp022110rikrzQdiRikRRikRQiPQd0单极子、偶极子和四极子声源偶极源主要激发弯曲波及纵波和横波首波。弯曲波沿井筒的传播可以想象成类似于某人站在树下摇晃树干时扰动沿树上行的情形。如果树干顶部固定而且直径也不变这种类比更形象。弯曲波波形振动片声源弯曲波位移传播方向泥浆泥浆振动片声源弯曲波位移传播方向泥浆泥浆偶极子振动片声源及激发弯曲波ab硬地层硅橡胶垫片>齿轮磨损修复
Vs2300m/s软地层Vs1200m/s多极子频散曲线泥浆波速度1500m/sa 随频率降低弯曲波和旋转波的速度都变大并在某个特定的频率即截至频率上速度趋近于井壁地层的横波速度b相速度都比速度快c有爱瑞相d软地层中频率变化都与快地层相似。但截至频率低且在截至频率附近速度随频率变化即频散效应明显。三、多极子声波阵列测井仪器介绍目前现场投入使用的单极子和偶极子组合阵列声波测井主要有斯伦贝谢公司配备在MIXS-500测井系统上的偶极声波成像仪DSIDipole Shear-wave Image、Sonic Scanner多极阵列扫描声波测井仪国外市场阿特拉斯公司配备在ECLIPS-5700测井系统上的多极阵列声波测井仪MAC及正交偶极子阵列声波测井仪XMAC及哈里伯顿公司配备在EXCELL-2000测井系统上的正交偶极子声波测井仪WAVESONIC。Sonic Scanner多极阵列扫描声波测井仪斯仑贝谢Sonic Scanner 仪器在6 英尺接收器阵列上有13 个轴向接收点每个接收点有8个周向分布的接收器总计104个传感器。三个单极发射器能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿。两个正交的偶极发射器能产生弯曲波用于描述慢地层和各向异性地层的横波慢度。正交偶极阵列声波测井仪工作方式:1纵横波方式单极子高频声源激发测量全波信息计算孔隙度、识别岩性、识别气层、计算弹性力学参数2斯通利波方式单极子低频声源激发测量斯通利波信息识别裂缝、计算渗透率3偶极横波方式偶极子声源发射低频率激发测量横波时差计算孔隙度判断岩性、识别裂缝、评价地层各向异性4正交偶极子方式正交偶极子声源交替发射测量正交偶极波形计算纵、横波慢度评价地层渗透率、各向异性以及非均质性等声源特点单极发射器都能产生更强的压力脉冲。这些发射器能产生清楚的纵波和横波低频率斯通利波以及进行固井评价所需的高频能量。偶极发射器一种振动装臵由电磁马达组成其
中电磁马达安装在悬挂在仪器上的一个圆筒上。这种机构产生一个高压偶极信号而不会引起仪器外壳的颤动震源可采用两种模式驱动脉冲模式产生一个很深的“咔哒”信号传统偶极源扫频模式产生线性调频脉冲信号挪威海上一个快地层的波形左。单极发射器上在高频时左产生清晰的P 波、S 波和斯通利波而低频右主要产生斯通利波。偶极发射器产生的弯曲下记录在X左和Y 右接收器上。频散分析右显示斯通利波轻微频散弯曲波非常频散以及横波数据无频散。leakystleakyst美国一个慢地层的波形。高频单极源不能产生直接横波但却产生漏泄纵波左上。在低频率下单极源产生斯通利波但除此之外还产生很强的漏泄纵波右上。从频散图形上看斯通利波和漏泄波存在频散弯曲波频散严重可以利用弯曲波和漏泄波截止频率推测地层纵波、横波慢度。第四节声波全波列测井的应用声波全波列测井及正交偶极横波测井能提供地层纵波、横波、斯通利波等波形资料这些资料可用于裂缝识别和评价、岩层渗透性评价、油气层识别和评价、岩石机械特性分析和地层各向异性分析等在油田勘探与开发中有广泛的用途。一、确定地层岩性1. 用时差比值DTRDTS/DTC来鉴定岩性DTCs/ft406080DTSs/ft10080100120140160石
灰岩白云岩砂岩气层1.91.81.71.6砂岩水层盐岩
DTCs/ft406080DTSs/ft10080100120140160石灰岩白云岩砂岩气层1.91.81.71.6砂岩水层盐岩砂岩、石灰岩、白云岩的DTC、DTS分布横波时差DTS与纵波时差DTC比值与岩性密切相关因此可以作DTS与DTC的交会图不同岩性分布范围不同由此可以确定岩性。1.520时差比值深度孔隙度和流体体积分
析硬石膏20泥质石灰岩白云岩地层体积分析DTCDTS4014040140残余油500可动油水01001.520时差比值深度孔隙度和流体体积分析硬石膏20泥质石灰岩白云岩地层体积分析DTCDTS4014040140残余油500可动油水0100碳酸盐岩岩性鉴定图岩性时差比砂岩气层1.6砂岩水层1.72石英岩1.671.78砂岩1.582.08粘土1.936石灰岩1.9白云岩1.8盐岩1.77石膏2.49硬石膏1.85不同岩性纵横波时差比值右图为酸盐岩岩性鉴定图从图中看出石灰岩时差比值为1.9白云岩为1.8在石灰岩中随着白云石含量增大时差比值减小。图中底部为硬石膏时差比值稍高于石灰岩。另外在石灰岩、白云岩中时差比值与孔隙度无关。2.用幅度衰减/转换系数来鉴定岩性当声波发射器T发射声脉冲时将R1、R2接收器接收的波形曲线算出频谱曲线令S1f、S2f分别为R1、R2的频谱曲线则有12fSfTfS称为转换系数变化范围0-1。一般而言岩性不同其转换系数也不近相同。例如课本中图5-30所示对于颗粒骨架支撑的岩性横波转换系数为0.8以上泥质骨架支撑的岩性横波转换系数在0.5左右。fT二、确定地层孔隙度利用地层纵波、横波时差都可以求取地层孔隙度但用横波时差的效果要比纵波好。有两种办法确定横波时差与孔隙度的关系一个是用实验室岩心分析资料与现场声波全波列测井资料来研究横波时差与孔隙度的关系另一个是综合已有的纵波时差与孔隙度关系及纵波时差与横波时差关系而确定。fmcmVVDTRDTS1横波时差与孔隙度关系三、识别裂缝1、利用纵、横波信息识别裂缝a速度变化：对水平或低角度裂缝声波在岩层中传播要通过该裂缝时差就会增加裂缝密度越大声波时差增加越多。水平裂缝发育的井段时差曲线上会出现明显的周波跳跃但是对井壁残余气饱和度高的气层即使是孔隙型储集层也可以出现周波跳跃要借助其它测井资料将两者区分开来。b幅度衰减：声波通过裂缝的幅度衰减与裂缝倾角和声波全波中各
机器人定位技术子波的波型有关。一般地说低倾角裂缝横波幅度衰减大些高倾角裂缝纵波幅度衰减大些。如下图所示：当裂缝接近水平或接近垂直时纵波衰减很小裂缝倾角在35o80o纵波衰减较大70o的垂直裂缝纵波衰减最大。横波在30o以下低倾角裂缝衰减很大裂缝倾角在40o65o衰减很小倾角大于80o横波衰减又有所增加。纵横波相对幅度与裂缝倾角的关系据克波洛夫三、识别裂缝2、利用斯通利波信息识别裂缝a利用斯通利波时差、幅度衰减识别裂缝低频斯通利波管波在井内传播像一个活塞运动使井壁径向上产生膨胀和收缩裂缝带处井内和地层中的流体可以自由连通使管波能量的消耗。所以它对与井眼相交的渗透性裂缝较为敏感地层或裂缝带的渗透性越好斯通利波的时差越大斯通利波的衰减也越显著。b利用反射斯通利波识别裂缝对于低频斯通利波波列记录的时间很长对裂缝和层界面非常敏感往往出现反射斯通利波因此分离出反射斯通利波有利于地层裂缝识别和评价。反射斯通利波信号越强裂缝越发育。TZ24井斯通利波归一化微差能量识别裂缝处理成果图4478-4493m段ST 能量衰减明显判断该深度段存在开放性裂缝。利用反射斯通利波识别裂缝的关键技术是如何分离斯通利波目前一般有两种方法加权平滑滤波法简单、直观但不能分离出斯通利波波形上、下行反射波影响到反射系数的精度。法能有效地得到裂缝地层的斯通利波波形上、下行反射波从而对裂缝评价更精细。反射系数可表示成
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