1、,偶極聲波成像測井,中國石油測井有限公司 長慶事業(yè)部,內(nèi)容提要,偶極聲波成像測井基本原理 偶極聲波處理成果圖簡介 測井資料的質(zhì)量控制 偶極聲波的地質(zhì)應(yīng)用,1.1聲波測井,聲波發(fā)射器發(fā)射的聲脈沖經(jīng)過各種途徑傳播到接收器，接收器接收的聲波波形其主要成分有滑行縱波、滑行橫波、假瑞利波和斯通利波。,一、偶極聲波成像測井原理,偶極子及多極子橫波測井與以往在井下獲得橫波方法不同，其差異在于偶極子及多極子橫波測井在井下是用非對稱聲源在井壁上直接激發(fā)以橫波速度為界限值的彎曲波或扭轉(zhuǎn)波；而傳統(tǒng)的方法或是由井內(nèi)的縱波聲源以第二臨界角向井壁入射，以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的橫波（滑行橫波），或是根據(jù)井內(nèi)流體中由于致導效應(yīng)產(chǎn)生的管波

2、（斯通利波）來反演橫波。傳統(tǒng)方法的缺點是在“軟地層”（地層橫波速度Vs小于井液聲速Vf，即VsVf）中不產(chǎn)生滑行橫波，因而無法獲得橫波信息；此外用管波信息反演橫波要受到井徑、滲透層泥餅等多種因素影響，而且管波信息的記錄精度、縱向分辯率都不利于橫波信息的反演。,一、偶極聲波成像測井原理,1.2偶極聲波測井,硬地層中用單極聲源時體波的傳播情況及典型聲波波列,普通的聲波測井使用單極聲波發(fā)射器，可向井周發(fā)射聲波，聲脈沖由井內(nèi)流體折射進入地層時，使井壁周圍產(chǎn)生輕微的膨脹，在硬地層中產(chǎn)生縱波和橫波。一部分能量以滑行縱波模式傳播，另一部分能量以滑行橫波模式傳播。 在井眼和地層中傳播的聲波主要由兩類波組成：體

3、波（縱波和橫波）和導波（偽瑞利波和斯通利波），此外還有一些多次反射波。,軟地層中用單極聲源時體波 的傳播情況及典型聲波波列,巖石的密度和動態(tài)彈性系數(shù)等機械特性控制了聲波的傳播速度。由于軟的固結(jié)松散的巖石具有較小的彈性硬度，使得軟地層中聲速相對較慢，橫波速度小于井內(nèi)流體聲速，橫波首波與井中鉆井液波一起傳播，不能產(chǎn)生臨界折射的滑行橫波，使得單極聲波測井無法測出橫波的首波。,偶極子聲波源可看作是兩個相距很近、強度相同、相位相反的點聲源的組合。當偶極子聲波源振動時，很像一個活塞，能使井壁的一側(cè)壓力增加，而另一側(cè)壓力減小，使井壁產(chǎn)生擾動，形成輕微的撓曲，在地層中直接激發(fā)出橫波和縱波。為確保橫波速度的測量

4、精度，交叉偶極子聲波測井儀的一個新功能就是低頻發(fā)射功能，此時發(fā)射工作頻率低于1kHz，在這種工作模式下，信噪比最大可提高20dB，因此在大井眼井段和非常慢速的地層中能得到較好的測量結(jié)果，另外探測深度也有所增加。,軟地層中用偶極聲源時聲波的傳播情況及典型聲波波列,偶極聲波,DSI 偶極聲波成像 Maxis-500,XMAC 正交偶極陣列 ECLIPS-5700,WAVESONIC 正交偶極陣列 EXCELL-2000,處理平臺 GeoFrame,處理平臺eXpress,處理平臺Petrosite,目前國際上具有代表性的儀器,ECLIPS-5700測井系統(tǒng)中的交叉偶極子聲波儀（XMAC-）是將單極

5、陣列和偶極陣列交叉組合在一起，兩個陣列配置是完全獨立的，各自具有不同的傳感器的儀器組合。單極陣列包括兩個單極聲源和8個接收器。聲源發(fā)射的聲波是全方位的，即是柱狀對稱的。偶極橫波是由兩個交叉擺放（相差900）的偶極聲源及8個交叉偶極接收器組成。,8 Receiver Array,XMAC測井原理,單極發(fā)射器,中心頻率 5.5 kHz,單極發(fā)射器,偶極發(fā)射器,偶極發(fā)射器,彎曲棒,中心頻率 1.5 kHz,與3700長源距聲波相比，克服了以下缺陷 1）長源距聲波難以記錄到軟地層的橫波信息。 2）地層的硬度變化大，也無法獲得地層橫波信息。 3）受井筒混響噪聲影響大，信噪比低。 與3700長源距聲波相比

6、，具有更大的技術(shù)優(yōu)勢 1）單極和偶極陣列互相獨立，記錄全波列數(shù)據(jù)。 2）單極陣列聲系以記錄縱波及斯通利波為主。 3）偶極陣列聲系主要記錄地層橫波。 4）偶極橫波具有了方向性。 確保提供的巖石機械特性參數(shù)準確可靠，提高了全波測井的地質(zhì)應(yīng)用效果,交叉偶極子陣列聲波測井儀 (Cross Multipole Array Acoustic Tool),測量方式,單極方式：,偶極方式：,采用傳統(tǒng)的單極聲源發(fā)射器，可向井周圍發(fā)射聲波，使井壁周圍產(chǎn)生輕微的膨脹作用，因此在地層中產(chǎn)生了縱波和橫波，由此得出縱波和橫波時差 。在疏軟地層中，由于地層橫波首波與井中泥漿波一起傳播，因此單極聲波測井無法獲取橫波首波 。,

7、采用偶極聲源發(fā)射器，使井壁產(chǎn)生繞曲波，低頻繞曲波速度近似地層橫波速度，解決了在疏軟地層的橫波測量問題。,交叉偶極方式：,正交發(fā)射，正交接收。用以研究地層各向異性,單極發(fā)射器由一個柱狀的壓電晶體組成，發(fā)射中心頻率為5KHZ、帶寬為1-12KHZ的單極聲波信號。比傳統(tǒng)的單極全波發(fā)射的頻率低2-3倍，聲波的穿透能力強，探測深度深，信號衰減小，測量結(jié)果受井眼環(huán)境影響較小。也有利于斯通利波的測量。,2,在機械設(shè)計上，有相當高的物理強度和柔韌性。能進行油管或鉆桿傳輸電纜測井，可有效隔離聲波在儀器內(nèi)部和外表面的傳播。,1,井下儀器的特點,井下儀器串的特點,操作模式簡單，一次測井輸出信息量大。對于每一個發(fā)射序

8、列或每一個深度點,可獲得40條陣列波形，其中包括8條單極波形、32條XX、XY、YX、YY偶極波形。對每個接收器波形信號的記錄，可有效地檢查每個接收器的工作狀態(tài)，以便及時查找出問題和進行維修。,4,井下儀器串的特點,1、各向異性成果圖 2、巖石機械特性分析成果圖 3、壓裂效果診斷圖,二、偶極聲波處理成果圖簡介,全波波形,各向異性成像圖,快橫波方位,各向異性 方位頻率統(tǒng)計,井徑、GR,時差各向異性,徑向應(yīng)力 切向應(yīng)力 初始剪切 應(yīng)力,泊松比 速度比 破裂壓力梯度,楊氏模量 剪切模量 體積模量,縱、橫、斯通利波時差,井徑、GR,時差各向異性,各向異性成像圖,快橫波方位,能量比,井徑、GR,各向異性

9、 方位頻率統(tǒng)計,快慢橫波時差,徑向應(yīng)力 切向應(yīng)力 初始剪切 應(yīng)力,泊松比 速度比 破裂壓力梯度,楊氏模量 剪切模量 體積模量,縱、橫、斯通利波時差,井徑、GR,3、測井資料質(zhì)量控制,1、測前測后應(yīng)分別在自由套管中測量10m時差曲線，對套管檢查的縱波時差數(shù)值應(yīng)在187s/m5s/m（57s/ft5s/ft）以內(nèi)； 2、首波波至時間曲線變化形態(tài)應(yīng)一致； 3、對于低滲儲層，要求降低測量速度，以保證波列記錄齊全可辨，硬地層的縱波、橫波、斯通利波界面清楚，幅度變化正常； 4、在12m井段內(nèi)，相對方位曲線變化不應(yīng)大于360度；,3、測井資料質(zhì)量控制,5、曲線應(yīng)反映巖性變化，縱、橫波數(shù)值在純巖性地層中與理論

10、骨架值接近； 6、重復測井與主測井的波列特征應(yīng)相似；縱波時差重復曲線與主測井曲線形狀相同，重復測量值相對重復誤差應(yīng)小于3。 7、要求目的層段測量偶極聲波波列，并連續(xù)上下50米的測量，以保證資料的有效利用。,可提取準確的縱、橫波及斯通利波信息，提供楊氏模量、彈性模量、泊松比等巖石物理參數(shù)，預測巖石強度，巖石破裂壓力； 確定巖性 識別含氣層 利用斯通波幅度衰減導出滲透率，評價有效天然裂縫及滲透性 利用巖石機械特征參數(shù)做井壁穩(wěn)定性分析 為鉆井工程、壓裂施工、油氣層開采等方面提供某些有用參數(shù)，如巖石強度、地應(yīng)力、巖石破裂壓力、安全生產(chǎn)壓差等所需參數(shù) 地層各向異性分析提供裂縫及其發(fā)育方位，提供地應(yīng)力方位

11、等地質(zhì)信息 套管井的壓裂診斷,四、偶極聲波的地質(zhì)應(yīng)用,4.1確定巖性,根據(jù)已知巖性作tc與ts的交會圖，從圖中可以看出氣層砂巖、砂巖、鹽巖、石灰?guī)r、白云巖的時差比值都是不同的。,4.1巖性識別,白云巖Vp/Vs=1.8 石灰?guī)rVp/Vs=1.86 與橫軸平行 純砂巖或含氣砂巖Vp/Vs=1.58 近似直線 含水砂巖，呈斜線,4.1確定巖性,由此得出在聲波信息中時差比值tR = ts / tc可以用來鑒定巖性，尤其可以將三種主要的沉積巖區(qū)分開來。如果是兩種巖性混合組成的巖層，橫波與縱波的時差比值tR與兩種巖性成分的含量有關(guān)，借此可以求出 這兩種巖性的百分含量。例如石灰?guī)r的白云巖化程度可以從tR或

12、顆粒密度確定。隨著白云巖含量增加， tR減小，顆粒密度增加；對砂巖來說，用tR可以確定泥質(zhì)含量，隨著砂巖中泥質(zhì)含量增加，和自然伽馬數(shù)值也增大。,確定巖性,從圖中看出砂巖氣層時差比值在1.6左右，隨著泥質(zhì)含量的增加，時差比值增大，泥巖處可高達1.9左右。用聲波時差比值確定巖性結(jié)果與綜合程序處理的剖面結(jié)果一致。,確定巖性,從圖中看出石灰?guī)r時差比值為1.9，白云巖時差比值為1.8，在石灰?guī)r中隨著白云巖含量的增加，時差比值減小，硬石膏時差比值略高于石灰?guī)r ，若再結(jié)合巖石的體積密度就能很好地區(qū)分這些巖性。,儲層的含氣時，對縱橫波有不同的影響，可以由橫波與縱波的一系列相關(guān)的交會圖進行分析。通過對儲層的分段

13、做橫波與縱波的交會圖，可以看出在5490-5508m井段，氣層的明顯特征為橫波及縱波時差出現(xiàn)較大的變化，縱波及橫波出現(xiàn)大的跳躍現(xiàn)象。在5832.6m以下這種變化明顯減弱，基本上反映已不含氣。,4.2含氣分析,縱橫波速度比識別氣層,縱橫波速度比特征值 氣層 1.431.63 致密差氣層1.441.66 巖性差氣層1.551.64 煤層1.341.67 干層1.622.13 水層1.671.95,泊松比的變化范圍,泥巖,泊松比識別氣層,泊松比特征值 氣層 0.0160.20 致密差氣層0.030.21 巖性差氣層0.140.21 煤層-0.140.22 干層0.200.36 水層0.220.32,

14、2772.02777.0m 壓裂 產(chǎn)氣：12062m3/d 無阻：15109m3/d,2355.02359.0m 壓裂 產(chǎn)水：10.5m3/d,氣層識別成果圖,2752.02756.0m 壓裂 產(chǎn)氣：37017m3/d 無阻：44031m3/d,氣層識別成果圖,2508.02511.0m 壓裂 產(chǎn)氣：125876/6.0m3/d 無阻：277790m3/d,氣層識別成果圖,2768.02772.0m 壓裂 產(chǎn)氣：8354m3/d 無阻：8520m3/d,氣層識別成果圖,一般開口裂縫對斯通利波的影響較大，其儲滲空間的流體會造成聲阻抗界面，使得斯通利波發(fā)生反射和干涉，在斯通利波變密度圖上出現(xiàn)干涉條

15、紋。 用斯通利波評價裂縫時，應(yīng)特別注意泥餅的影響。當井壁存在泥餅時，將阻止流體在井眼和裂縫儲層之間的流動，斯通利波能量衰減不明顯，易造成錯誤解釋。同時還應(yīng)注意層界面、大井眼、非均勻巖石構(gòu)造的影響，它們在不同程度上引起斯通利波及全波波列有衰減現(xiàn)象。,4.3斯通利波評價裂縫有效性,39,4.3斯通利波評價裂縫有效性,4.4 巖石機械力學特性和井眼穩(wěn)定性分析,利用正交偶極聲波測井資料計算地層巖石力學參數(shù)，估算地層機械強度、理想泥漿密度。,1、地層橫波各向異性產(chǎn)生的機理 地層橫波各向異性的大小與快慢橫波速度（時差）的變化量有關(guān)，時差橫波各向異性的大小定義為： 時差各向異性=（慢橫波時差-快橫波時差）/

16、（慢橫波時差+快橫波時差）/2,4.5交叉偶極測量方式各向異性分析,正交偶極聲波接收的四條波形信號,交叉偶極技術(shù)采用正交偶極發(fā)射，正交陣列接收的方式獲得偶極波形，用四分量旋轉(zhuǎn)技術(shù)得到地層橫波各向異性信息。,2、地層橫波各向異性的影響因素 造成地層橫波各向異性的原因很多，常見的大致有四類： （1）地層裂縫的影響 地層高角度裂縫常常引起地層各向異性，并且隨著裂縫角度的增高，各向異性變得強烈，快橫波方位與裂縫走向一致；低角度裂縫橫波各向異性不明顯；網(wǎng)狀縫的無規(guī)律性，使得各向異性互相抵消，往往表現(xiàn)出較小的各向異性。,4.5交叉偶極測量方式各向異性分析,（2）地層傾角的影響 高傾斜地層（40），一般也表

17、現(xiàn)為高各向異性值。低傾斜地層（40）時，地層各向異性不明顯。 （3）溶蝕孔洞的影響 以溶蝕孔洞為主地層由于互相抵消作用，一般情況下，橫波各向異性不強。,4.5交叉偶極測量方式各向異性分析,（4）地層構(gòu)造應(yīng)力的影響 構(gòu)造應(yīng)力不均衡使橫波發(fā)生分離現(xiàn)象，從而形成較強的各向異性。FMI圖象上往往出現(xiàn)明顯的誘導裂縫或應(yīng)力釋放縫及井壁崩落等現(xiàn)象。這時，快橫波方位與地層最大水平主應(yīng)力方向一致，因此，在這種情況下，可以用快橫波方位確定地層最大主應(yīng)力方向。,4.5交叉偶極測量方式各向異性分析,橫波各向異性反映高角度裂縫的開口度信息,裂縫評價,橫波非均質(zhì)性：在裂縫地層，尤其是高角度裂縫地層，橫波呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性，即有明顯的各向異性顯示。,在裂縫地層及水平應(yīng)力不平衡的地層，地層橫波會分裂為快橫波和慢橫波，二者偏振方向互相垂直，其中快橫波偏振方向與地層高角度裂縫的走向及最大水平主應(yīng)力方向一致。,xx井下古裂縫識別,xx井裂縫特征圖,xx井馬家溝組裂縫特征圖,31383150m 發(fā)育方位1200,xx井各向異性地應(yīng)力分析,xx井石千峰組反映地層應(yīng)力特征圖,由于壓裂后所形成的裂縫多為垂直縫或高角度縫，因此可以通過對比壓前壓后儲層的各向異性來評價裂縫，進而評價壓裂效果。,4.6壓裂效果診斷,Before,After,紅色標記了射孔段 射孔后地層顯示了各向異性 壓裂高度可以測