第六章声波测井.ppt

第六章声波测井（Acousticlog）,声波测井,研究方法：井内发射声波，使声波在井周围的地层或其它介质中传播，井内测量声波在传播时的速度或幅度变化,研究的对象：井孔周围地层或其它介质的声学性质(速度、幅度(能量）、频率变化等),应用：确定岩性，计算孔隙度，判断气层，检查固井质量,确定地层弹性参数等,物理及地质基础：不同介质的弹性力学性质不同,使其声波传播速度、衰减(幅度)规律不同,周期（T)：声波波动一次所用的时间，它相当于同一方向两个相邻波峰或谷之间的测量时间。,频率（f)：单位时间（每秒）声波波动的次数，是周期的倒数1Hz=1周/秒,声波测井使用的波频率:几百Hz几百KHz,波长（)：声波传播过程中，相位相同的两点间的距离=v/f(v-传播速度）,1基础知识,一.声波的周期、频率、波长,二.声波测井将岩石近似为弹性介质,理想的弹性介质：固相、连续、均匀、各向同性和完全弹性,三.岩石的弹性力学参数,（1）杨氏模量E：,物理意义：弹性体发生单位线应变时弹性体产生的应力大小，说明弹性体在外力作用下发生变形的难易程度,（2）泊松比：,是表示物体发生几何形变的系数,（4）体积密度：单位体积岩石的质量，g/cm3,所有介质泊松比的值都在0-0.5之间,常见岩石的平均值约为0.25,（3）切变模量：,切应力与切应变的比值,表示剪切变形的难易程度,流体=0，横波速度为零,（1）纵波速度Vp与横波速度Vs,四、岩石的声学参数,（2）声波时差（慢度slowness）,纵波时差：,横波时差：,单位：s/m或s/ft,（3）声阻抗Z（声速与密度的乘积）,（5）声衰减系数,为声衰减系数，它与介质的声速、密度及声波的频率有关,Z=,（4）声压P:声波传播而产生的压强单位：(poundpersquareinch)psi=1lb/in2,(平面波：只有物理衰减）,气体和液体对声波的粘滞和热传导衰减系数:,消除频率影响的衰减系数:,水的As=2510-15,空气的As=2.010-11,气体比液体的声衰减系数大3个数量级,换能器(探头)：,压电陶瓷晶体(锆钛酸铅)特性:,可以将电磁能转换为声能，又可以将声能转换为电磁能的器件。,五.井内声波的发射和接收,1.机械:弹性体,2.电学:电介质(有极分子),压电陶瓷晶体,压电效应：晶体在外力作用下产生变形时，会引起晶体内部正、负电荷中心发生位移而极化，导致晶体表面出现电荷累积(声-电)。,逆压电效应：将晶体置于外电场中，电场的作用使晶体内部正、负电荷中心发生位移，从而导致晶体表面产生变形(电-声)。,声系,发射探头T:将电能转换为声能,逆压电效应,接收探头R:将声能转换为电能,压电效应,单极子或对称声源(用于发射和接收纵波):,有限长的圆管,其原始极化方向是圆周方向,发射的波周向对称,没有周向分辨能力,声源指向角特性花瓣图,圆柱状声源,声压最大值方向,有限长圆管状换能器发射的声波有一定方向性,偶极子(dipole)声源,（弯曲波、偶极子波）,滑行纵波,滑行横波,斯通利波,视瑞利波,六.单极子声源在充液裸眼井中的声波全波列,硬地层全波列(声波测井用频率15-30kHz),软地层全波列(声波测井用频率15-30kHz),反射定理：,折射定理：,当v1,v2一定时，,如果v2v1,当2=900时,折射波以v2速度沿界面传播，称为滑行波(界面转换波).,1.滑行纵波和滑行横波(几何声学解释),临界角：产生滑行波的入射角称为临界角。,产生滑行纵波的入射角称为第一临界角ip,产生滑行横波的入射角称为第二临界角is,（1）产生条件:,V2V1,以临界角入射,非均匀波，63%能量集中在1个波长内，在3个波长内能量占98%,决定了声速测井的探测深度(1-3个波长)，一个波长0.20.3m左右，相当于储层的冲洗带,（2）滑行波能量分布,泥浆Vp=1600m/s,软地层:地层横波速度小于泥浆纵波速度,软地层不能产生滑行横波,(3)滑行纵波、滑行横波的特点,滑行纵波：,1.首波(测井用源距的情况下),2.幅度小,3.基本无频散(速度与频率有关）,滑行横波：,1.次首波,2.幅度比纵波大,3.基本无频散,2.视瑞利波(测井目前没有利用),面波，井壁地层与井内液体界面上在地层中沿井壁表面传播质点运动轨迹是椭圆，短轴在井轴方向,视瑞利波特点：,(1)紧跟在横波后，无明显的波至点，很难提取，对横波而言是噪声,(2)幅度大,(3)有频散，相速度群速度,（4）有截止频率,3、斯通利波(管波),面波，井内液体与井壁地层界面上在井内沿井壁表面传播质点运动轨迹是椭圆，长轴在井轴方向,斯通利波特点：,(1)S波之后,(2)幅度最大,(3)频散很轻微(群速度近似等于相速度),(4)无截止频率，能量主要集中在低频段,应用前景：,(1)渗透率,(2)裂缝,速度频散曲线,2声波速度(纵波)测井,声系（发射探头、接收探头）,电子线路（产生电脉冲、放大接收信号）,二.单发双收声速测量原理,VpVm,发射探头有方向特性,保证有以临界角入射的波,(单极子),2.接收探头能接收到的不同路径的波,（1）直达波,（2）反射波,（3）滑行波（惠更斯原理）,从时间上将滑行波与直达波和反射波区分开,3.使滑行波成为首波的条件,(1)滑行波所经历的时间最短的路径,费尔玛时间最小原理：,声波以临界角入射到两种介质的分界面上后，沿边界以地层速度滑行，以临界角方向折回泥浆到达接收探头的路径所用时间最短。,L,A,B,C,D,证明(自学）,T可以看成是x的函数，要使T(x)最小，需满足T(x)=0,L,A,B,C,D,滑行波：,直达波：,(2)使滑行波先于直达波到达R源距L选择（第一条件）,滑行波先于直达波到达接收探头必须满足:,即：,化简：,最低速泥岩V2=1800m/s，泥浆V1=1600m/s标准井径=0.25m,探头直径=0.05m,临界源距,声速测井L=1m,(3)在仪器外壳上刻槽(第二条件),作用：,使沿外壳传播的波多次反射，能量衰减,延长传播路径和时间,使不同相位的波相互叠加,(4)全波列测井源距为：,2.438m3.65m,发射探头,接收探头,间距(span),R1，R2的中点，为深度记录点（规定的）,源距,4.单发双收声系,测量滑行纵波到达R1R2的时间差,A,B,C,D,E,F,滑行纵波到达R1、R2的时间差：,当井眼规则时：,5.单发双收声速测井的原理,?,?,探测深度：,纵向分辨率：间距,1-3倍波长（滑行波的能量范围）,测量的是范围内的地层速度的平均值,探测特性,声波时差t:,声波时差：,声波传播单位距离(1m或1ft)所用的时间，记为t，单位s/m或s/ft,曲线：,仪器匀速移动，记录声波时差随井深变化曲线。,间距选择：,大小决定纵向分辨率，减小可以提高分辨率，但声波经过岩层所需时间变短，测量相对误差增大。,我国常规:=0.5m;高分辨率:=0.15m,三.井眼补偿声速测井,1.井眼扩大对单发双收声系时差的影响,扩径井段上界面,增大,扩径井段下界面,减小,2.双发双收井眼补偿声速测井,最终记录的声波时差为：,T1和T2交替发射声脉冲，分别测量时差和。,优点,T1,T2,R1,R2,（基本）消除了扩径的影响,可消除（减小）深度误差,缺点,分辨率降低,对低速地层会出现“盲区”,盲区,实际传播路径中点：,位置A:测量TR1传播时间,位置B:测量TR2传播时间,位置C:测量TR1传播时间,3.单发双收实现井眼补偿的方法（时间延迟）,计算补偿声波时差,TR2传播时间,A,B,C,作业题:上图声系如何得到补偿时差,可以得到几个分辨率的时差,四.声波时差曲线的应用,1.确定孔隙度,威利公式(Willieequation),t：纯岩石声波时差,tma：岩石骨架声波时差,tf：孔隙流体声波时差,cp：压实校正系数,骨架及流体时差值(m/s)砂岩182168灰岩156白云岩143硬石膏164淡水620盐水608,(1)确定孔隙度需已知岩性和孔隙流体（泥浆滤液）,说明：,(2)反映岩石粒间孔隙度,2.识别气层和裂缝（周波跳跃）,周波跳跃：,地层对声波衰减过大，使接收探头（第二个）未能检测到首波波至，而触发信号是续至波，导致声波时差变大，或忽高忽低的变化,门槛(阈值)检测技术,滑行波幅度(能量)衰减原因:,物理衰减：衰减系数,反射和折射能量分配(反射和折射系数),产生周波跳跃的地质原因：,气层：,裂缝：,思考题：发生周波跳跃,还能否用时差求孔隙度,物理衰减，使幅度减小,声波在裂缝间多次反射和折射造成衰减,3(长源距)声波全波列测井,一.声系(CSU系列),WF1,WF2,WF3,WF4,2ft,8ft,2ft,间距:,最小源距：,最大源距：,每个波形采样512个点，采样间距5s,(单极子),二.记录内容,：T1R1传播时间,：T1R2传播时间,：T2R1传播时间,：T2R2传播时间,：源距为8ft的井眼补偿时差,：源距为10ft的井眼补偿时差,全波列波形记录,源距为8ft的纵波时差,：T1R1传播时间,：T1R2传播时间,：T1R2传播时间,：T2R2传播时间,1.纵波时差(CSU),BakerHughes公司的3700系统声波测井仪器,每个波形的记录960个点,采样间距为2s、4s或8s,Halliburton（DDL)源距:10-13英尺,间距:1英尺,2.波形分析与处理得到横波及斯通利波时差,自学,岩石弹性参数,四.全波资料的应用,4声波幅度测井,一、套管井固井后井孔附近介质分布,厚7.5211.51mmVp=54005700m/s,厚2060mmVp=27404880m/s,第一界面：套管与水泥环界面第二界面：水泥环与地层界面,泥浆：VP=1600m/s,二、套管井中声波全波列,(传播介质),1.套管波：套管中传播的波,2.水泥环波：在水泥环中传播的波,能量很小(由于胶结好有微裂缝，胶结不好不够致密),3.地层波：在地层中传播的波,4.泥浆波：是沿泥浆传播直接到达接收探头的波,三.影响套管波幅度的因素,四.套管波幅度与第一界面胶结质量的关系,a.泥浆吸收b.界面吸收c.反射和折射能量分配d.在套管中传播时能量的衰减,（1）胶结好，向外散失能量多，套管波幅度小,（2）胶结不好，向外散失能量少，套管波幅度大,声耦合,五、固井声幅测井（CBL-cementbondlog),1）声系：单发单收声系,源距为1m,1、测量原理,2）按套管波第一正峰到达时间对其幅度进行采样（固定门声幅）,3）再将幅度(电压)展宽放大，经积分电路平滑后输出直流电压,4）记录电压随深度变化曲线,5)在固井后24-48小时测量,只测套管波-评价第一界面,相对幅度40%，胶结质量差,2、应用,检查第一界面的固井质量,相对幅度=目的层声幅/自由套管处声幅,水泥面上返位置,1.记录方式(源距1.5m),(1)记录前12-14个波的幅度和到达时间,六、声波变密度测井（VDL-variabledensitylog),(2)R将声信号转化成与幅度成正比的电信号,(3)放大后送地面检波，保留前12-14个波的正半周,(4)用正半周的幅度（电压）调节示波器上12-14个光点的辉度,(5)波到达时间以x轴的位移量表示(波的类型）,(6)在胶片上记录光点的辉度,评价第一及第二界面,(全波列),(1)波列顺序(时间)：前3个波为套管波（直线）4-6个为水泥环波（弱）7个以后为地层波（曲线）,2.变密度测井图分析固井质量,(2)固井质量,第二界面都胶结好：地层波颜色深（幅度大）,第一界面胶结好：套管波颜色浅（幅度小）,思考题：第一界面胶结不好时，是否能评价第二界面胶结情况,a.自由套管（套管外无水泥）,第一、第二界面均未胶结：,VDL图上：左端（前三个波相）是黑白分明，整齐的一些直线条带；右端为灰白相间的一些直线条带（套管后续波，无地层波）或灰白模糊不清的一些曲线条带（地层波很弱）。,c.第一界面胶结良好；而第二界面胶结不好：,b.有良好的水泥环，且和第一，第二界面胶结良好：,(3)变密度测井图的一些基本显示,VDL图上：左端模糊不清，右端为黑白分明的曲线条带。,VDL图上：左端和右端都模糊不清。,测量原理示意图,七、井周声波扫描成像测井(井壁反射波幅度）,1.中心部件是一个超声换能器，即是发射探头又是接收探头,2.它由一个马达驱动，沿着仪器轴转动，每秒几周(3-6),3.转动时发射超声波脉冲(250-512次/周)，频率从250到500KHz,4.脉冲沿井眼泥浆传播,到井壁反射返回换能器,6、换能器接收的信号通过测井电缆传输到地面，再经过计算机图象处理转换成图像(反射波的幅度),5、测量参数：,（1）旅行时间主要反应井径的变化,（2）反射信号幅度井壁地层声阻抗的变化,（3）井眼方位和井斜数据,大多数岩石和普通钻井液，R值大于0.5，反射能量高于透射能量,7、反射系数：R=（Z2Z1）/（Z2Z1）,不利条件组合在一起时，如大比重钻井液、未压实的泥岩时，R可低达0.2,对大多数常见岩石,R变化相对较小,通常在10%-20%的级别，这给出了R对岩性变化的灵敏度的概念,8.主要应用,(1)判断岩性：根据声阻抗的差别,(2)检查射孔质量,孔眼显示为Z值小的暗色，面积为孔眼大小,(3)检查套管破损情况,破裂：Z值小的暗色条纹,(4)确定地层面和裂缝面,UBI分辨率:0.2-0.4in,FMI的分辨率:0.2in(5mm),井周声波成像测井代表性的仪器：Halliburton：CAST（CircumferentialAcousticScanningTool）Schlumberger：UBI（UltrasonicBoreholeImaging）BakerHughes：CBIL（CircumferentialBoreholeImagingLogging）,5偶极子声波测井简介,发射探头：单极子+偶极子,多种工作模式,接收探头：偶极子阵列（单极、偶极）,Schlumberger公司：DSI(DipoleShearSonicImager)，是MAXIS-500测井系统的一个子系统,BakerHughes公司：MAC(MultipoleArrayAcoustilog)及XMAC，是ECLIPS-5700测井系统的子系统,Halliburton公司：LFD(LoFrequencyDipole)和正交偶极子阵列声波测井仪WaveSonic，EXCELL-2000测井系统的子系统,单极子声源在硬地层中井内外的声波传播示意图及声波测井仪器记录到的典型波形,单极子声源在软地层中井内外的声波传播示意图及声波测井仪器记录到的典型波形,偶极子声源在软地层中井内外的声波传播示意图及声波测井仪器记录到的典型波形,DispersionCurvesin8.5in.Borehole,一、声系,DipoleShearSonicImagerTool,DSI简介,二、DSI有五种工作方式：,(1)上、下偶极方式（记录弯曲波）,()Stoneley方式(单极子发射,低频),()纵横波模式(单极子高频、全波列),()正交偶极方式(评价地层的各向异性),(5)初至探测模式（纵波）,第六章作业,1.计算并画出单发双收声系的时差曲线示意图：地层：厚度h=5m的砂岩层(Vp=3850m/s),上下围岩为泥岩(