偶极横波测井仪应用综述.doc

偶极横波测井仪及应用综述 前言声波测井起初只是作为地震勘探中确定地层层速度的手段，逐渐发展成为孔隙度测井方法之一。后来，又出现了双发双收的补偿声波测井仪。在此基础上，又发展了声波首波幅度测井，用于检查水泥胶结的质量。由于上述声波测井仪源距较小，只观测纵波信号，很难观测到横波信号，为此，用加大源距、增加接收器的数目、减小接收器间隔的方法，先后生产了长源距声波测井仪和阵列声波测井仪。这两种声波测井仪都能记录声波全波信号，在硬地层亦能获得良好的横波测井资料。然而，在剪切强度较低的软地层，常规声波测井却受到了一定的限制，它不能获得地层横波首波。为了解决这个问题，国外的几家大测井公司先后都研制成功了自己的偶极横波测井仪。代表性的仪器有:哈里伯顿公司的低频偶极声波测井仪(LFD)、阿特拉斯公司的多极阵列声波测井仪(MAC和XMAC)和斯伦贝谢公司的偶极横波成象仪(DSI)。从目前的应用情况来看，都取得了良好的效果。本文在这三种仪器（见表）的基础上对偶极横波测井的特点、应用情况及今后的发展进行了综述。 偶极横波测井仪的特点和优点一 、发射器的改进常规声波测井仪的全方位的换能器在井眼流体中激发出纵波脉冲，然后纵波脉冲向地层传播。这些脉冲将使井壁产生轻微均匀的膨胀，在地层中激发出纵波和横波。他们都在地层中传播，进而在井眼流体中产生首波，而接收器探测到的正是首波。而不是直达的纵波和横波。只有当地层波的传播速度大于流体中产生的波的传播速度时，才产生首波。地层纵波总是快于流体波，但对横波来说却不总是这样。特别是在慢而胶结差的地层中，横波速度经常小于流体波速度，这样用单极声波测井就探测不到横波。如图所示。偶极横波测井仪使用了具有方向性的发射器和接收器。偶极发射器像一个活塞，它使井眼一侧的压力增大，而另一侧的压力减小，引起井壁出现小的扰动，这样可以直接向地层中激发纵波和横波。同时产生沿井眼向上的挠曲波。它是一种频散波，偶极声波测井仪可以记录到这种波（如图）。从挠曲波形中，也可以提取出横波时差。另外它的两个偶极发射器是相互正交的。由此可见，发射器的改进，直接引起了功能的飞跃提高。二、低频及大功率发射功能偶极横波测井仪具有低频发射功能。这就决定了横波在衰减较重的软地层中不容易发生频散，保 表 三种仪器的性能指标对比表：技术指标LFDXMACDSI外径（）9298.692长度（）9.610.715.5耐温（）177204175井中位置居中居中居中适用最小井径（）127114139适用最大井径（）356533457测速（） 测： 30测全波列 ：7.6交叉偶极 ：6.4单一模式： 18.3三种模式同测： 5.076in： 4.57工作方式单极时差模式单极全波和偶极线性全波模式交叉偶极模式偶极方式交叉偶极方式纵横波方式斯通利波方式首波方式接收器锅状接收器组（每组个， 相互正交，间距为6in）组（每组个，相互正交，间距为6in）发射器（个）单极21偶极2（相互正交） 2（相互正交）2（相互正交） 发射频率单极1521512偶极1.5.接收频率单极0.530120830偶极0.51100.085采集信息挠曲波，单极和偶极的纵横波，斯通利波等挠曲波，单极和偶极的全波列信号，慢度，Vp/Vs，传播时间，斯通利波等挠曲波，单极和偶极的纵波，快、慢横波和斯通利波等 主要应用 计算泊松比，识别自然裂缝，检测固井质量，计算孔隙度，计算渗透率，岩性识别，各向异性分析，岩石机械性能分析，合成地震记录，油气检测，流体分析等 图 图 上图为软地层中用单极声源时声波的传播 上图为在软地层中用偶极声源时声波的传播下图为软地层中用单极声源记录的波列 下图为软地层中用偶极声源仪记录的波列 证了测量精度，几乎不需要校正。它的大功率发射器改善了冲蚀段的信噪比，增强了抑制噪音的能力。另外，在这种模式下，探测深度也加大了。以DSI为例，常规声波测井探深一般为13cm，而DSI 探深可达：横波为1330cm，纵波为3060cm。由此可见，偶极横波测井的探测深度有了很大的提高，效果自然明显。三、独特的接收器部分接收器部分含有八组接收器阵列，其间距为6英寸，跨度为42英寸。每组接收器阵列包含两个检波器对，一个与上偶极发射器方向一致，另一个与下偶极发射器的方向一致。对于偶极方式，每对 检波器的信号是分开传输的；对于单极来说，则是合在一起传输的。 四、可任意组合的多种工作模式偶极横波测井仪具有多种工作模式(表)，他们可以进行任意的组合，用于采集数字化波形。由表工作模式可以看出，间距为英寸的个接收器组成的阵列可以产生线性时差；同一深度处可以同时采集线性和交叉偶极波形数据；同一位置可以采集单极和偶极数据；在慢速非固结地层中可以记录横波慢度。 表仪器工作模式 工作特征 XMAC 单极时差模式上单极发射，下四个接收组接收。采用“深度导出式”计算单极全波模式由两个单极发射器发射，可采集个单极全波信号偶极线性全波模式由两个偶极发射器发射，采集到个偶极线性全波信号 交叉偶极模式两个正交的偶极发射器发射信号，与此相对应的两组接收器接收信号。同一方向上接收的信号为线性信号，正交方向上接收的信号为交叉信号。最后可得到12个线性偶极信号和12个交叉偶极信号。DSI上下偶极模式与上偶极/下偶极对应的8个检波器，采集8个波形（40us、512个数据）交叉偶极模式上/下偶极发射器均激发信号，8阵列接收器对应的16个检波器同时工作，接收来自上偶极和下偶极的162=32个波形 斯通利波 模式由低频脉冲激发单极换能器，8个接收器阵列采集8个波形（10us、512个数据）纵横波模式由高频脉冲激发单极换能器，8个接收器阵列采集8个波形（10us、512个数据，此时16个检波器合为8个） 首波检测模式主要用于提取单极纵波时差，由高频脉冲激发单极换能器，8个接收器阵列记录与阈值交叉的8个波形 偶极横波测井仪的主要应用 一、裂缝识别1)利用纵横波能量法识别裂缝声波体波对裂缝有敏感的反映，这是由声波传播的固有特点所决定的。裂缝对体波的影响有:各种波相对时差增大;各种波相出现程度不同的能量衰减,波形的幅度减小;模式转换引起杂乱显示;出现反射现象。在低角度裂缝和网状裂缝发育段，纵、横波能量均有较大的衰减；在直劈裂缝发育段,纵、横波能量均有衰减，横波衰减尤为严重；切入井壁较浅的诱导缝，由于偶极识别测井的探测深度较大，对纵、横波的能量衰减影响不大，用能量衰减基本上可划分出此类裂缝。2)利用斯通利波衰减法识别裂缝斯通利波是一种导波，在低频的情况下近似为管波。它在井筒内沿井壁表面传播，其能量从井壁开始向两侧呈指数衰减。在井眼中，管波的传播类似于活塞运动，使得井壁在径向上膨胀和收缩。井壁上由于裂缝的存在会导致斯通利波传播速度的变化，产生斯通利波的反射，导致斯通利波的能量衰减。如图所示。裂缝对斯通利波的影响可归纳为:斯通利波的能量小，时差增大。在水平裂缝处出现斯通利波的反射，斯通利波出现“人”字形图,“人”字出现的位置为裂缝位置。出现斯通利波的模式转换。时差增大。裂缝的倾角对斯通利波的能量衰减有影响，裂缝倾角增加引起斯通利波幅度变化的数值大约正比于裂缝与井壁切割面值的增加。当裂缝的倾角为450时，它对斯通利波衰减的影响将增加20%;当裂缝的倾角为700时。这种影响将增加一倍。也就是说，在裂缝宽度恒定的情况下，斯通利波的能量衰减随裂缝倾角的增加而增加。 裂缝对斯通利波的影响是由流体在裂缝中的流动引起的，因此，斯通利波识别的仅仅是开口裂缝。 图 3)利用横波各向异性识别裂缝其原理是利用两个交叉偶极发射器，向地层沿两个垂直方向定向发射信号。如果地层是均匀的，则两个信号同时到达。反之具有一定的时间差和相位差。根据这些差异可以判断地层的各向异性，并评价裂缝和应力状态。构造性裂缝通常有很好的方向性，通常其走向相互平行。走向一致的裂缝会引起横波分裂，形成快、慢横波。由于裂缝中流体影响，平行裂缝走向偏振的横波的传播速度要大于垂直于裂缝走向偏振的横波的传播速度。如果横波偏振的方向与裂缝走向成一定的交角，横波将分裂成偏振平行于裂缝走向的快速高能横波分量和垂直于裂缝走向的低能慢速分量。快/满横波的能量差异和速度差异通常用百分各向异性来表示: Pe= 式中，Pe一为能量百分各向异性;Eq一为快速横波的时差; Es1一为慢速横波的能量。 Pt=式中，Pt一时差的百分各向异性; Tss1一为慢速横波的时差; Tsq一为快速横波的时差。用横波分解和分量旋转技术可以提取快/慢横波的时差，指示快速横波的方位，进行快慢横波的能量处理。 4) 利用VDL（声波变密度图）识别裂缝 低角度裂缝和网状裂缝在VDL图象上显示基本上与层面相似；纵波、横波和斯通利波的能量均有较大的衰减，各种波至出现模式转换，全波信息较为模糊，斯通利波出现“人”字型图，“人”字出头的位置为裂缝的发育位置。对于高角度裂缝，由于纵波的传播方向平行于裂缝面，与传播方向一致，纵波能量衰减相对较小。横波的传播方向垂直于裂缝面，能量衰减较为严重，反映在VDL图上，横波波至模糊不清。5)利用T/R,差值评价裂缝其特征和检测裂缝的原理是当声波仪处于井眼裂缝或井眼扩大附近时,其发射器和接收器时差的差值不为零，即两种时差值不相等。P、S、ST时差的差值与裂缝的大小、特性有关，如果这些波的T/R的差值与其它数据结合起来，可以确定裂缝的高度、宽度和倾角.这种评价裂缝的方法不受地层界面反射的影响，可以把裂缝与井眼不规则区分开来。二、估算地层渗透率其原理是利用斯通利波能量衰减来指示有效裂缝渗透性。斯通利波不是体波,而是一种制导波，在低频的情况下斯通利波可近似为管波。地层中裂缝、孔洞及孔隙性渗透层都可以在斯通利波上得到反映。渗透性越好其对斯通利波的声吸收能力越强，斯通利波泄漏的能量越大,表明渗透性最好。井壁的岩性越软，对斯通利波的声吸收越大。图显示出了两口井的一段测井曲线，同时还显示出了计算的斯通利波能量的经标准化的能量差。它表明在孔隙层斯通利波的能量衰减很大，指示该层具有很好的渗透率。 三、岩石机械特性分析利用偶极横波测井仪测量数据可以得到高质量的纵横波资料,结合密度测井资料,进而计算泊纵比和其它动态弹性模量。这些数据(表)是确定岩石强度和地应力等的重要依据。1)进行岩石机械特性分析,可以确定井眼稳定性。钻井过程中井眼的稳定性不仅受泥浆柱的压力、地应力、孔隙压力、岩石强度的影响，而且还受岩石水化应力、泥浆支撑效率等诸多因素的影响，它是井壁所受各种力的综合反映。如果地层岩石本身强度大于维持井眼稳定所需的平衡力，井眼趋于稳 图定，相反则井眼不稳定，在这种情况下，泥浆密度过大则井漏。过小则井眼垮塌或缩径，安全的泥浆比重可表示为:P ( P 式中，K一构造应力系数;一最小水平主应力;一最大水平主应力;一有效应力系数;一岩石的内摩擦角;一岩石的固有抗剪强度;PP一地层孔隙压力;Im一地层的原状指数;St一岩石固有的抗张强度。表 利用纵横波时差计算动态弹性参数表泊松比剪切模量G杨氏模量E体积模量体积压缩系数岩石压缩系数Biot弹性系数a正比于孔隙压力表中 a=1.341010, 单位g/cm3, 单位ms/ft。2)岩石机械恃性分析的另一个重要应用就是识别在生产过程中可能出砂的层位。在钻井中，临界出砂压降的定量预测对完井方案的设计是非常重要的。图为使用偶极横波测井仪测取的纵波和横波时差以及体积密度，用相关程序进行处理得出的岩石机械特性、井眼稳定性和出砂强度分析的综合成果图。 四、地层各向异性测量在研究问题时，将地层视为各向同性往往会给问题的解决带来方便。但是有时却与实际不符合。岩石的物理性质与方向有关，普遍存在着在垂直方向与水平方向上不同。这是由于形成过程中，以外力作用形成的颗粒沉积在层理上具有一定的方向性，另外局部的地应力控制的平行微裂缝也将导致其它的方向性，地层各向异性包括水平各向异性和纵向各向异性。它将导致横波传播的各向异性，反映在测井资料上，即存在快横波和慢横波（如图）。根据快慢横波现象可以估算地层的各向异性。五、在储层预测中的应用 横波合成记录标定地震剖面，提高纵向分辨率利用声波测井资料建立合成地震记录，可以定量确定地面地震记录中的时一深转换关系。然而通常在声波测井资料与地震检验炮记录之间会观察到一种总时差，或叫偏差。在纵波地震资料/声波测井资料之间的这种偏差一般为10O0ft(l-3ms)。因此，通常在与地震资料对比之前，要对声波测井资料进行偏差校正。偶极横波测井仪出现之后，它可以帮助我们定量确定这种偏差，已经记录到，偶极横 图波数据与横波垂直地震剖面(VSP)数据之间的偏差是用纵波地震数据观察到的偏差的6-10倍。类似这样的结果有助于研究估算这种偏差的综合模型，从而更准确地建立时-深转换关系。另外，偶极子横波成像测井仪使用比常规测井仪低得多的频率，横波资料纵向分辨率相对纵波资料要高得多。图7为纵横波合成地震记录的对比图。很明显，利用横波测井资料做合成地震记录对纵波剖面进行标定，能提高纵向分辨率。 偶极横波资料对于解释VSP资料也是很有用的，尤其是对于大偏移源距VSP资料，井眼处的纵波和横波速度是分析非零偏移源距VSP资料时所必备的参数。同样，准确的横波资料也是进行幅距分析(AVO)模拟的基础。持别是，泊松比对于解释含气层反射波的异常(AVO)特征非常有用。因此，掌握准确的横波资料，将改善我们分析和解释地震资料的能力。 图储层参数预测在其它因素相同时，孔隙度大的岩石波速低，这是因为岩石孔隙度不仅会改变岩石密度，而且会有效地改变岩石的弹性常数。研究指出，孔隙总体积改变对速度的影响是主要的，这种变化反映在地震剖面上，则影响地震振幅等的变化。因而，地震剖面实际已经包含了地层孔隙度的信息。利用测井 数据计算的孔隙度和地震数据井旁地震道的关系，找相关性，求取最大相关系数下的数学关系式，利用地震网格点的地震数据计算区域上的孔隙度值。这样便可将垂向的孔隙度曲线做成平面孔隙度分布等值图。六、 岩性分析、气层探测与划分偶极横波测井可以提高对孔隙度的估算精度和对慢速地层的岩性分析。 在软地层中，纵横波速度比随沉积物压实程度的降低而增大；含水砂岩中， 纵横波速度比随孔隙度的增加、压实程度和有效地应力的降低而增加。纵波在气层中传播速度明显变小,而横波却变化不大。因此,纵横波速度比可用来作为探测气层的一种方法。在具体应用中，对于纯岩性，含气时其比值一定降低，但在分析中应考虑如下因素的影响:第一:岩性的影响。地层中一般纯岩石较少，由于岩性的差异也将造成纵横波速度比的不同，所以当两个储层的岩性不一致时，必须对比值作岩性校正，然后才能作比较。 第二:孔隙度影响。岩性相同而孔隙度不同，其比值也会不同。含气层孔隙度越大，其比值将越小。因此在使用时最好用比值与孔隙度进行交会，可以消除孔隙度的影响，而突出地层流体性质对比值的贡献。 图第三:裂缝的影响。当储层中有裂缝发育，尤其是垂直裂缝时，纵波的传播不受流体性质的影响，而横波受裂缝的影响较大，因而该方法的应用效果将大大降低。 七、孔隙度计算横波不能在流体中传播，其传播速度主要受骨架的矿物成份、岩石的压实程度、单位体积中骨架体积的百分比等因素的影响。对于岩性基本相同各向同性的岩石，横波时差主要受岩石孔隙度的影响。 在岩性基本不变的情况下，用横波时差可以更准确的确定储层的孔隙度。 八、估算应力剖面用于水力压裂设计。应力差可影响水力压裂的高度，这个应力差可通过用偶极横波仪波形得出的动态弹性模量计算出来，它与岩石物理处理结果一起可得到水力压裂层位周围的应力分布详细信息。九、应用于套管井中,检测固井质量应用偶极横波测井仪，在各种井况下都可得到高质量的纵横波信息，清楚地反映套管与水泥环的胶结以及水泥环与地层的胶结状态，达到检测固井质量的目的. 偶极横波测井中存在的问题及发展方向 在偶极子横波测井中,往往会出现很多意想不到的异常情况:1)井斜严重的软质砂岩中，疏松砂岩中的非线性效应可以引起应力的各向异性，这进一步引起“双横波”现象。2）在测量的横波资料中，存在着声波速度变化的情况，近接收器的单极横波时差小于远接收器的横波时差。实验证明：距井眼1英尺以外的的地层，其横波时差明显的增加。3）数字模拟证明：井眼附近