声波测井课声幅

声波测井方法和应用 主讲人：章成广 长江大学 地球物理与资源学院 第二章 套管井中声波测井 在套管井中测量声波信号的声幅测井主要 用于评价固井质量，也称水泥胶结测井。 内容： 2.1 套管井中波成分 2.2 声波波型与固井质量关系 2.3 声幅测井及其应用（CBL，SBT） 2.4 变密度测井（VDL） 2.5 超声脉冲反射法测井（CET，USI） 井眼直径 8.5 英寸 套管外径 7 英寸 套管内径 d 6.4 英寸 水泥环厚 0.75 英寸 套管壁厚 b 0.3 英寸 仪器外径 c 3.63 英寸 泥浆环厚 1.38 英寸 源距 L3,5 英尺 钢速度 V217544英尺/秒 钢时差 57微妙/英尺 泥浆速度 V1 5250英尺/秒 泥浆时差 189微妙/英尺 水泥声速 V2900016000英尺/秒 水泥时差 11163微妙/英尺 砂岩骨架声速 18000英尺/秒 砂岩骨架时差 55.5微妙/英尺 V1V2V3V4 L abc 1223 J0 2.1 套管井中波成分 第二章 套管井中声波测井 接收器依次得到波有：套管波、地层波 水泥环波、泥浆波 滑行纵波 2.1 套管井中波成分 第二章 套管井中声波测井 1、套管波(纵波横波复合波):滑行波、一次反射波 及多次反射波（能量很弱），滑行波与一次反射波 到达接收器时间只差0.2us，可看作同时到达。 一次反射纵波 对于套管波到达接收器时间在全井段是不变的，只与源距 、套管、仪器尺寸有关 2.1 套管井中波成分 第二章 套管井中声波测井 1、套管波(纵波横波复合波) 套管波的声强（或幅度）大小与水 泥胶结好坏有关，设12为折射系数 , 23为反射系数,入射声强为J0,则 反射声强为: J=J01223 21= J0 21223 说明反射声强与套管水泥界面反射 系数23有关.胶结不好23就大,声强 幅度增大;管外是水泥还是泥浆或空 气,接收套管波相差45倍。 因此套管波幅度的大小可确定第一 界面水泥胶结质量。 V1V2V3V4 L abc 1223 J0 2.1 套管井中波成分 第二章 套管井中声波测井 2、水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波，只有一次或 多次反射波（sin2/sin3=V2/V3,V2V3), 由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密,一般水泥环的 能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计. 3、地层波：水泥地层(第二界面)胶结好时（V4V3), 一般出现地层波(滑行纵横波),地层波到达时间约在 T=Lt(裸眼井地层时差)左右,在砂岩中(V4V2)在套管波前到达,所以对套管波和 地层的识别存在困难。 4、泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变， T=189*5=945us，（变密度、全波列） 1、自由套管 (1)L=5ft，T=320us出现套管波，幅度大，固井声幅测井往往 以自由套管波幅度作刻度的； (2)套管波有规则，其周期可以计算套管波的频率(18kHz); (3)整个波型的包络线有高的振幅和能量,延续时间长; (4)无地层波,在945us左右出现泥浆波。 套管幅度受套管特性影响： (1)未胶结套管的衰减系数: a=(10/L)LN(J0/J)(分贝/米) a=2.4分贝/米,J=0.575JO(L=1米),源声强的57.5% (2)套管直径的影响: 套管直径本身对套管波衰减无关,反映 了泥浆对套管波的衰减影响,直径大衰减大,套管波幅度减小. (3)套管厚度的影响:自由套管时,厚度影响不明显,当外有水 泥时,套管波衰减与厚度有关,厚度大反射回井中套管幅度大, 衰减系数变小.(这与声场能量分布有关,套管厚度一般1.905cm变化不明显; 2.2 声波波型与固井质量的关系 a=(10/L)LN(J0/J)(分贝/米) (4 ) 水 泥 凝 固 时 间 对 套 管 波 的 影 响 实验水泥块 凝固时间 实验水泥块 凝固时间 (4)水泥凝固时间对套管波的影响 2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好） 水泥凝固时间长,水泥强度大,套管波愈能透射到水泥 环向地层传播使套管波幅度下降,衰减系数增大.水泥 凝固时间受速凝剂、水灰比、水泥中杂质等影响，实 验考察3048小时进行声幅测井比较合适。 3、部分胶结 2.2 声波波型与固井质量的关系 3、部分胶结（窜槽） 2.2 声波波型与固井质量的关系 (1)套管波幅度介于自由套管和仅一界面胶结好的情形， (2)后续波有地层波,幅度不大(3600部分传播),到达时间与地层速 度有关. 问题1:泥饼影响:泥饼存在往往使水泥地层胶结不好（固结水 泥吸收泥饼水分，泥饼收缩） 问题2：窜槽影响：固井要求套管与地层间环行空间(3600)，全部 被水泥占有，如一部分没有水泥或水泥没有胶结,给油水运动形 成通道,造成窜槽(油层射孔出水). 是不是发生窜槽要看油水层是否被封隔开,发生窜槽就要进行补 挤水泥(成本很高). 问题3:微环影响:由于注水泥加压,套管膨胀,撤去压力套管收缩, 造成水泥与套管间形成微裂隙或水泥与地层间(往往在碳酸盐岩 中)产生微裂隙,微裂隙不会造成窜槽,但影响声耦合,测得的波形 类似部分胶结.区分微裂隙还是窜槽,要加压测量与未加压测量比 较.若幅度变小为微裂隙,无变化为窜槽. 3、部分胶结（窜槽） 2.2 声波波型与固井质量的关系 胶结程度=窜槽部分衰减系数/完全胶结衰减系数 2.2 声波波型与固井质量的关系 4、完全胶结（砂岩） 由于套管、水泥、地层之间声耦合好，进入套管的大部分能量 透射到地层，地层波幅度大，套管波幅度很小（与水泥抗压强 度有关）， 泥浆波叠加在地层波末端 地层纵波 2.2 声波波型与固井质量的关系 4、完全胶结（碳酸岩） 地层纵波 地层横波 2.2 声波波型与固井质量的关系 影响套管波大小除了套管特性、水 泥胶结情况、地层特性外，还与测 量仪器性能有关（例偏心倾斜、声 功率、频率等因素）。考虑到衰减 ，一般采用3、5ft短源距，频率 20kHz。 2.3 声幅测井(CBL) 1、确定水泥面 2、检查固井质量（一 界面胶结情况） 3、检查套管接箍，间 隙对能量衰减大，负 峰6070% 4、测定套管断裂位置 （在无水泥胶结地方 ，裂缝处套管波衰减 大，出现负尖峰） 5、判别管外气层 6、检查补挤水泥效果 2.3.1 声幅测井应用 半幅点 相对幅度 2.3 声幅测井(CBL) 2.3.1 声幅测井应用 第一次固井质 量不好，出水 第二次固井 质量好，封 堵上部水层 ，产油 水层 油层 泥岩层 2.3.2 声幅测井定量解释 mv 1、水泥抗压强度法 考虑到套管尺寸、厚 度、源距影响，采用 抗压强度来衡量固井 质量，计算值与出厂 值相等，胶结良好。 2.3.2 声幅测井定量解释 2、胶结指数法 2、胶结指数法 胶结指数=目的层衰减系数/ 完全胶结段衰减系数 一般大于80%，可认为胶结好。 问题：用相对幅度消除仪器的影 响，用胶结指数可消除井中环境 参数及井下条件引起的误差。 3、最小封隔长度法 固井胶结的水泥要有足够的强度 才能有效封隔地层，水泥胶结强 度与封隔长度有关。最小封隔长 度与套管尺寸有关，实验与实际 观察表明：在胶结指数为0.8时, 可根据套管直径确定最小封隔长 度。 13ft=4米 10ft=3米 2.3.3 声幅测井存在问题 2.3 声幅测井(CBL) 1、仪器偏心影响： (1)套管波幅度减小;(2)到达 时间提前;(3)后续波失真;在井剖面上套管波到达 时间不是固定的.采用扶正器来实现。 2、记录套管波的局限(头半周): 仅评价一界面, 不能评价二界面情况,窜槽有可能水泥地层胶结 不好引起的。利用地层波来解决。 3、水泥环间隙影响：间隙一般小于0.1mm,不足以 引起流体窜流,但对声耦合有影响,造成套管波幅 度与部分胶结相同。解决办法： (1)加压再测量 依次可能造成压裂套管、水泥环,(2)采用反射脉 冲反射法测井。 2.4 变密度测井VDL 2.4.1 变密度测井原理 变密度测井是为了解决二界面胶结情况而提出的。 其井下仪器为单发单收系统，L=5ft（一般与声幅测 井一起测量CBL：L=3ft），以调辉方式记录整个波 形（模拟信号），通过对波形按幅度大小以灰度等 级来显示的（数字信号）。 显示只保留波形正半周（或负半周），幅度大以黑 色显示，幅度小以灰色显示，去掉的半周以白色显 示，这样以黑白间互线条组成了变密度测井。 1、套管波： 直线条（320us ） 2、地层波： 曲线条，变化的 3、泥浆波： 近直线条 2.4.1 变密度测 井原理 地层波包括纵波 、横波，由于 VPVS 横波到达时间晚 TS=1.51.8TP 2.4.1 变密度测井原理 2.4 变密度测井VDL 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL （1）自由套管 大部分能量通过套管传播回 到接收器，很少有能量进入 地层中。 全波列波形中套管波幅度很 大，地层波非常弱或没有。 变密度曲线左端套管波为黑 白反差明显呈整齐直线条； 右端地层波为灰白模糊不清 的曲线条或缺失，没有地层 波为套管波后续波，右端呈 灰白间隔的直线条。 声幅曲线为高幅值 1、检查固井质量 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL 1、检查固井质量 （2）仅一界面胶结好 大部分能量通过套管透射到 水泥环中，很少进入地层中 。 全波列波形中套管波幅度 弱，地层波也非常弱或没有 。 变密度曲线左端套管波为 灰白模糊不清直线条或缺失 ；右端地层波为灰白模糊不 清的曲线条或缺失，泥浆波 呈灰白间隔的直线条。 声幅曲线为低幅值 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL 1、检查固井质量 （3）部分胶结 一部分能量在套管中传播， 也有相当大能量透射到地层 中。 全波列波形中套管波幅度 中等，地层波也呈中等强度 变密度曲线左端套管波为 灰白间隔直线条；右端地层 波为灰白间隔的曲线条。 声幅曲线为中等幅值 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL 1、检查固井质量 （4）两个界面都胶结好 套管、水泥和地层连成一体 ，大部分能量通过套管透射 水泥，再透射到地层中。 全波列波形中套管波幅度 很弱，地层波很强 变密度曲线左端套管波为 灰白模糊不清直线条或缺失 ；右端地层波为黑白反差明 显的曲线条。 声幅曲线为低幅值 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL 2、检查窜槽 CBL对一界面窜槽现象 评价是有效的，但二 界面窜槽是无能为力 的，例上下两层CBL都 为低幅值，但油层射 开出水，通过变密度 测量，显示地层波很 弱，可确定为二界面 窜槽。 没有地层波 2.4.2 变密度测井资料解释 2.4 变密度测井VDL 3、检查压裂 为了增产需要，对低产油层需要进行压裂 。经压裂后，地层存在大量的裂缝，声波 传播其能量衰减很大，传播时间也增大， 通过压裂前后两次变密度测井对比，可检 查压裂效果。 压裂前地层致密地层波幅度大，变密度黑 白反差明显；压列后裂缝发育地层波幅度 小，变密度灰白模糊显示，弯曲率也大。 假定模型为轴对称，第i层 波动方程为: 结合边界条件解得井内压力响应为： 套管井几何模型示意图 套管井中声波传播数值模拟 不同地层的自由套管全波波形（频率13kHz) (a) V=6100m/s (b) V=4175m/s (c) =2771m/s 套管波 导波 套管井中声波传播数值模拟 不同地层的完全胶结的全波波形（频率13kHz) (a) V=6100m/s (b) V=4175m/s (c) =2771m/s 地层波 导波 套管井中声波传播数值模拟 套管波幅度与 水泥环厚度关系 套管波幅度与 一界面间隙宽度的关系 (当环隙宽度大于10mm时，套管波幅度变化很小） 套管波幅度 一界面间隙宽度水泥环厚度 套管井中声波传播数值模拟 地层波仅对一界面 有无环隙敏感 （对环隙宽度不敏感） 地层波对二界面 环隙敏感 地层波 一界面间隙宽度 二界面环隙宽度 套管井中声波传播数值模拟 导波幅度与一界面 间隙宽度关系 导波幅度与二界面 间隙宽度关系 导波幅度 一界面间隙宽度二界面环隙宽度 套管井中声波传播数值模拟 模拟实验 水泥胶结模型实验原理图 水 泥 套 管 水泥环缺失渐变模型 不同胶结情况实验波形对比图 套管波 地层波 伪瑞利波 部分胶结 仅一界面胶结 自由套管 完全胶结 套管波幅度与环空水泥胶结率（胶结度数/3600）的关系 完全胶结地层波与一界面有间隙套管波频谱对比图 地层波 套管波 CBL全波波形处理 CBL全波波形处理 伪瑞利波 地层波 套管波 一界面胶结差 CBL全波波形处理 地层波 斯通利波 完全胶结 CBL全波波形处理 部分胶结 CBL全波波形处理 部分胶结 CBL全波波形处理 CBL全波波形处理 CBL全波波形处理 CBL全波波形处理 CBL全波波形处理 好 差 中等 CBL全波波形处理 一界面胶 结结指数 二界面胶 结结指数 环环空水 泥胶结结 率 连续连续 深 度 （m） 结论结论 0.80.80.81.5不窜窜 0.50. 8 0.50. 8 0.50. 8 可能窜窜 0.50.50.51 窜窜 CBL全波波形处理 综合理论、实验及对实测波形的处理，可得： 1、利用套管波特征信息可较好地评价一界面胶结状况，利用伪瑞利波特 征可反映环空缺失情况；当第一界面胶结较好时，利用地层波特征信息 可较好地评价二界面胶结状况； 2、影响水泥候凝时间的主要因素为温度、水泥浆密度和缓凝剂，各因素 具有一定的影响规律，根据规律可推得现场在固井48小时后测井一般能 满足需要； 3、实测波形中套管波的频率范围在1724kHz之间，地层波频率在 1017khz之间，高频伪瑞利波频率在30kHz左右，可通过滤波从全波中提 取各波成分； 4、实测波形受岩性影响大，在泥质含量高或是扩径的井段， CBL经常为高值。在利用CBL/VDL测井资料评价固井质量时需作岩性校正 。 5、利用全波信息所提取的特征值：一、二界面胶结指数、环空水泥胶结 率、伪瑞利波振幅谱极大值、套管波和地层波功率谱极值面积与极大值 、自相关函数极值面积与极小值能很好地对应水泥胶结状况，为评价固 井质量提供了充分的依据。 2.5 超声脉冲反射法测井 超声脉冲反射法测井（也称超声测井）是为了消除微裂 隙或流体间隙而提出的。这种的下井仪器有8个换能器， 各自8个450，以螺旋方式分布,因此可测量8个方向的水泥 胶结情况。每个换能器的直径为1英寸，以自发自收的方 式垂直接收井壁的反射信号，声源频率为2MHz，保证声 波在套管、水泥等介质能按几何声学规律传播。 由于是垂直发射接收声信号，声波波长仍然远大于流体 间隙宽度，不影响声耦合。（一般间隙小于1/4波长，就 不会引起声波传播的变化） 原理 超声脉冲反射法测井 这种测量方法采用门电路，第一个门记录套管水泥界 面（一界面）的反射波，第二个门记录水泥地层界面 （二界面）。由于套管、水泥、地层的声阻抗不同，而 水泥胶结的好坏大大影响水泥的声阻抗，因此可根据在 一界面和二界面接收到的反射波能量不同，来确定各界 面水泥胶结的情况。 2.5 超声脉冲反射法测井 R1 R2 R3第一门 套管水泥 第二门 水泥地层 0III 2.5 超声脉冲反射法测井 R1 R2 R3 第一门 套管水泥 第二门 水泥地层 1)自由套管:套管外为水泥,声能很少传到套管外,因此第一门第二 界面(一界面)反射声强很大,第二门记录不到第三界面(二界面)的 反射波.(或一界面胶结不好） 2)仅套管与水泥胶结:套管内的声能传给水泥,第一门第二界面反 射声强很小,而水泥与地层胶结不好,第二门记录到第三界面的反 射声强很大. 3)套管、水泥与地层都胶结好:套管内的能量传给水泥，水泥内 的能量又传给地层，第一门第二界面反射声强很小, 第二门记录 到第三界面的反射声强也很小. 解释 USI超声成像测井(MUST) 工作频率 195650kHz USI超声成像测井(MUST) 自 由 套 管 USI超声成像测井(MUST) 完 全 胶 结 USI超声成像测井 1.仪器偏心 ECCE(in) 2.套管接箍(CCL),黑色为射孔 3.内半径曲线,平均效果 4.原始声阻抗成像 5.套管反射成像 6.胶结成像综合显示 兰色代表液体,绿色代表钻井液 黄色代表已胶结,红色代表微环 7.带门槛值的声阻抗成像 USI超声成像测井 优点： 1、克服平均声路法流体间隙的影响； 2、能确定全井周水泥胶结的好坏；克服平均声路法窜槽的方位 问题。 问题： 1、频率高，有利于波形分辨，泥浆套管、套管水泥、水泥 地层的反射波；但存在衰减问题； 2、频率低，改善了泥浆的衰减，但不利于波形的分辨；由于套 管、水泥尺寸小，超声波传播时间短，容易引起波之间的叠加。 SBT分区胶结测井 SBT分区胶结测井 六个独立极板，贴紧套管内壁 提供各自600的短源距补偿声波 衰减率测量。 优点：1）提供6个600扇区即井 周3600的水泥胶结定量分析， 改善了微间隙的影响； 2）受井中气体、快速地层或 重泥浆的影响小； 3）探测出水泥窜槽(小到150) 或水泥空隙，克服多解性； 4）对一般的仪器偏心不敏感 5）定量分析水泥环与套管的 胶结状况SBT； 6）定性分析水泥环与地层的 胶结状况VDL。 特点 环状声路 ：水平、 垂直 SBT分区胶结测井 a1=20log(A12/A13) a2=20log(A43/A42) 补偿衰减=10log(A12*A43） /(A13*A42) L=6in l=6in F=100kHz 工作频率 三个波长 左右 SBT 主测井显示图 类似于常规测井图,显 示最小衰减曲线、平均 衰减率，自然伽玛，套 管接箍曲线（CCL）振 幅（mV）曲线，VDL或 特征曲线图。 最小衰减率曲线与平均 衰减率差值（阴影部分 ），反映了水泥环中存 在的窜槽大小。 SBT分区胶结测井 SBT分区胶结测井 SBT 分区阵列显图 1）水泥图（变衰减测井 图），采用五级灰度显 示水泥的胶结程度， ）最浅灰色代表最低一 级水泥胶结程度或地层 地层坍塌；黑色代表率 减率达到了与水泥抗压 强度规定值所对应的率 减值80%（与套管尺寸、 重量有关） 2）六条补偿率减率曲线 ； 3）方位曲线。 声幅测井 声幅测井 超声成像测井(井下电视) UBI超声成像测井(井下电视) 采用自发自收方式 1)旋转34周/秒及磁北信 号;工作频率250或500kHz 2)一周4802000次分别率 高; 3）测速12米/分（国外5 英尺/分），随着深度变化 换能器向井壁作连续超声 波扫描，旋转120180周( 条)/米;8.35.5mm 应用:识别裂缝及岩层产状 、岩性、套管破裂 1、测量原理 井周成像测井(井下电视) 泥浆衰减：J=J0e-2 r,衰减系数由两部分组成：吸收衰减、固相散射衰减 泥浆对超声衰减影响 吸收衰减： =1+2+3 1)粘滞吸收(泥浆内摩擦)系数: 1 =22/3V3f 1=4.7*10-4(厘米-1) 2)热传导吸收衰减系数(泥浆压缩和膨胀造成温度变化,一部分声能转化为热能) k-热传导系数, Cv 、Cp-定容和定压热容量 3）驰豫吸收(泥浆压缩和膨胀过程中,伴有泥浆中分子的内外自由度能量的重新 分配过程(驰豫过程),这一过程需要一定时间(驰豫时间)。驰豫过程中有规则的 声振动转化为无规则热运动的附加能量耗散。 -低频容变粘滞系数；-与驰豫时间有关系数 2、泥浆对超声衰减影响 泥浆固相颗粒对超声的散射衰减 1）散射衰减系数：泥浆中含有固相颗粒（膨润土、漂珠、硅藻土等），会引 起一部分声波散射，形成散射衰减，其系数为 N单位体积小球数（与密度有关） a固相颗粒半径（远小于波长的小球） 例：膨润土4=22.647*10-6(-1)(1/厘米),泥浆密度越大，散射衰减系数增加越快 ;在同样泥浆密度下,颗粒半径增大n倍,颗粒数N减少1/n3倍,则散射系数增大 n3。 2）泥浆添加剂对散射系数的影响：为了防止高压井喷，需要增加泥浆比重， 其方法增加固相含量（膨润土、重晶石等）， 采用盐水