sonic scanner声波扫描仪.doc

Sonic Scanner声波扫描仪的工作原理及其应用摘 要：本文介绍了Sonic Scanner声波扫描仪的结构、工作原理、记录内容、并对仪器信号在油田中的应用进行了分析，对这种仪器在确定渗透性地层、探测并评价地层裂缝、获取地层方向特性参数、评价地层力学性质等方面的应用价值进行了分析和评价。关键词：Sonic Scanner声波扫描仪 渗透性地层 裂缝一、 Sonic Scanner仪器结构简介与电磁和核测井仪器相比，声波仪器下入井内会对其测量产生较大影响。Sonic Scanner仪器完全不同于其它仪器，其设计、材料和组件都经过特殊设计，可以对其影响进行模拟。这样在各向同性均质地层中，可以准确预测仪器的影响，在井场可以进行实时校正。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。图1. Sonic Scanner仪器结构图2. Sonic Scanner仪器的规格二、 Sonic Scanner仪器的工作原理Sonic Scanner仪器的发射器-接收器（TR）的几何尺寸和功能经过仔细设计，可以提供不同径向探测深度的纵波、横波、斯通利波和弯曲波慢度测量数据。这些模式下的测井速度为1800英尺/小时（549米/小时）。对于地层纵波和横波速度随距井眼距离增加而增加的典型情况，通过增加TR距离来提高探测深度。Sonic Scanner 仪器将这种长源距方法与井眼补偿TR短源距方法相结合，而且还增加了周向分布接收器。仪器在6英尺（1.8米）的接收器阵列上有13个轴向接收点。每个接收点有8个以45间隔绕仪器放置的接收器，仪器上总计有104个传感器。在接收器阵列的两端各有一个单极发射器，另一个单极发射器和两个正交定向偶极发射器位于仪器下部较远处Sonic Scanner仪器的三个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。两个偶极发射器都是一种振动装置，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：脉冲模式的传统偶极源产生一个很深的“咔哒”信号，Sonic Scanner仪器采用扫频产生线性调频脉冲信号。与窄带偶极源相比，线性调频脉冲模式维持每 图3. Sonic Scanner仪器个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量。两个偶极源是正交定向的。一个沿仪器参考轴振动，另一个与参考轴成90,这些装置产生很强的弯曲波型。弯曲波型沿井筒上下传播，同时根据频率不同，传到地层不同深度。 图4. Sonic Scanner仪器偶极发射器频率扫描三、 记录内容随着声波在井中传播理论的研究，知道发射器在井孔中激发出的声脉冲经过泥浆、地层传播到接收器。把携带了很多地层信息的声波都记录下来，通过数字信号处理，可获得波形信息，能提供的岩石力学属性包括体积模量、泊松比、杨氏模量、屈服强度、剪切模量和抗压强度等。由此开展地层弹性特征、破裂压力、地层渗透性、裂缝及油气识别等方面研究，有利于扩大声波在石油勘探中的应用。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。Sonic Scanner输出信息有纵波和横波DT，全波形，水泥胶结质量波形。包括交叉偶极子和多种距离的单极子测量结果。除了可以进行轴向和方位测量外,该仪器还可以进行径向测量，能够探测到井眼附近地层的慢度和远场慢度，其探测深度为井眼直径的23倍。这种新的Sonic Scanner声波扫描平台可以提供包括长短距离的井眼补偿单极子、交叉偶极子和水泥胶结质量测量等。其测量结果可以用于评价钻井环境和储集层有用信息。这些信息对提高采收率和最大化产量等决策方面有作用。正交偶极子声波测井仪的工作方式有：纵横波方式、斯通利波方式、偶极横波方式、正交偶极子方式。纵横波方式：单极子，高频声源激发，测量全波信息。用来计算孔隙度、识别岩性、识别气层、计算弹性力学参数。斯通利波方式：单极子，低频声源激发，测量斯通利波信息。用来识别裂缝，计算渗透率。偶极横波方式：偶极子声源发射，低频率激发，测量横波时差。用来计算孔隙度、判断岩性、识别裂缝、评价地层各向异性。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。用于计算纵、横波慢度，评价地层渗透率、各向异性以及非均质性等。四、 仪器应用Sonic Scanner仪器的应用：在地球物理方面：改善三维地震分析和地震闭合差、分析横波各向异性、流体替代输入。在地质力学方面：岩石力学分析、识别应力状况、确定孔隙压力、井眼轨迹导向和稳定性评价。在油藏描述方面：气层识别、渗透性评价、张开裂缝识别、选择性射孔，防砂效果最大化、安全压降窗口最大化、水力压裂优化。在井筒技术状况方面：水泥胶结质量评价1. 确定渗透性地层因为目前基本上没有针对流度的连续测井方法，因此须考虑其他方法。一个方法就是测量地层流度，也就是渗透率与黏度的比值。然而流度数据并非只要需要就能得到，因为孔隙度评价只是初步的, 电缆取芯需要额外入井作业，而整体取芯则价格昂贵。斯通利波分析是一种提供直接连续测量流度的有效方法。在井眼条件较好的情况下，斯通利波可以在砂岩和碳酸盐岩储层中得到连续流度测量剖面。这些数据作为岩心渗透率在连续地层上的扩展，可以节省取芯费用，或为确定射孔层段而对渗透性进行快速评价。斯通利波对仪器的存在所产生的影响非常敏感，将这种影响减到最小极其重要。Sonic Scanner仪器的设计，配合广泛的实验室和现场测试，可非常精确地预测仪器在不同环境下对声波测量的影响。用斯通利波计算的流度与用MDT 预测试得到的流度有很好的相关性。靠近油水界面的一个地层的地层和流体特性输入参数采用Platform Express 综合电缆测井仪器的测井数据确定。当井眼条件较好时，可用从斯通利波得到的连续流度曲线快速估计渗透率，以便选择取样点和射孔段，而且连续流动性曲线可以作为较长井段岩心或地层测试器渗透率点的补充。图4的例子显示了Sonic Scanner斯 通利波如何用于连 续流度分布测量并 快速评价渗透率。其他斯通利渗透率 的应用包括地层评价、试采策略和设计以及油藏建模。第4道Sonic Scanner测量得到的流度曲线。红颜色点子是MDT模块式地层测试器测试的地层流度值，二者具有很好的 图5. Sonic Scanner测量的流度曲线一致性。2. 探测并评价地层裂缝 当一口井选择正确的水力压裂液的时候，了解各向异性的机制非常重要，尤其是有应力诱发的各向异性或有天然裂缝有关的固有各向异性(Intrinsic Anisotropy)。除了评价天然张开裂缝和钻井诱导缝，Sonic Scanner仪器还用于评价各向异性类型。在FMI电阻率成像测井所示的裂缝近乎垂直。它们最初被解释为钻井诱导缝。Sonic Scanner仪器的斯通利波测量结果清楚地表明了裂缝是天然开口断裂，而不是钻井诱导缝。这一额外声波数据无疑防止了作业者作出不正确的解释，这会导致选择高凝胶(high-gel)压裂液，而这可能会破坏天然断裂的渗透率。在这种情形中, 密闭压裂（encapsulated breaker）效果很差，而需更有效的措施设计。另外，除了避免流体漏失，这些数据对于预防完井作业中的水泥漏失也是至关重要的。例如，在美国落基山地区，需要水力压裂裂缝才能经济开采硬岩石储层，但该地区极度不平衡的原地应力产生天然裂缝。如果在一口井中遇到天然裂缝，必须调整注水泥和增产设计，以防止水泥进入天然裂缝系统。例如，可利用用于固井和增产的纤维基处理剂来减少流体滤失。增产计划需要考虑主应力的大小和方位。为了优化完井设计，需要了解井眼周围和地层的裂缝和应力特征。与井筒相交的开启裂缝会引起斯通利波反射和衰减。通过分析斯通利波波形可以定量确定这些变化，作为裂缝开度反演的输入。但是，冲刷、井眼不规则和岩性的突变也会引起斯通利波反射，在分析中必须考虑这些因素。 图6. 斯通利波测量结果3. 获取地层方向特性参数Sonic Scanner仪器在高频率时，单极源产生清晰的纵波、横波和斯通利波，而在低频率时则主要产生斯通利波。X和Y偶极发射器产生弯曲波。频散曲线显示了非频散横波至、轻微频散斯通利波至和高频散弯曲波至的慢度与频率之间的关系。弯曲波频散曲线的低频极限与地层的横波首波和真横波慢度一致。两条弯曲波曲线一致，表明不存在方位各向异性。高频单极源不能产生直接横波，但却产生漏泄纵波。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。X和Y偶极发射器产生具有慢地层低频响应特征的弯曲波。频散数据包括轻微频散的斯通利波和漏泄纵波，但没有横波首波。在没有横波首波时，根据弯曲波的低频极限估算横波慢度。弯曲波不象在快地层那样频散，但比预计的均匀各向同性地层的频散强。在低频时，两个弯曲波频散曲线在不同慢度拉平，表明方位各向异性。弯曲波形已经数学转换旋转到快慢横波方向。通过将观察到的频散曲线与模型假设的均匀各向同性地层对比，根据各向异性类型，分析来自Sonic Scanner仪器的弯曲波频散曲线对地层分类。在均匀各向同性地层中，横波不分裂成快慢组分，因此，观察到的两条弯曲波频散曲线有同样的慢度与频率特征波形，与模型曲线重叠。在固有各向异性情况下，如页岩和裂缝性地层中，快慢横波频散曲线处处分离，并且趋向频率为零时的真慢度。在经历了钻井破坏和接近破裂的均匀各向同性地层中，两条频散曲线相同，但与均匀各向同性地层模型频散相比，在高频率时表现出较大慢度。在应力诱发各向异性地层中，快慢横波频散曲线交叉，这种特征是由近井应力集中引起的。当只有一种物理机理控制波的特征时，频散曲线间这种简化的关系才成立。当存在多种机理时，如既有应力诱发各向异性又有固有各向异性时，曲线就有可能非常不同。图7. 弯曲波频散曲线用于识别地层各向异和非均质性4评价地层力学性质声波测量一般是深度的一维函数，很少在二维中同时作为深度和不同方位的函数。而且解释几乎总是基于这种最佳条件假设，即无限均质地层和各向同性的一项有争议的假设，因为存在着裂缝走向，地层倾角，非均衡应力，以及钻井对地层的损失。Sonic Scanner仪器可以进行全面的地层三维描述，通过多个发射-接收源距，宽带频率