第五章--声波测井课件...ppt

2020/5/23,声波测井,1,声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率变化等声学特性是不同的。声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础而提出的一种研究钻井地质剖面评价固井质量等问题的测井方法。声波测井分为声速测井和声幅测井。声速测井测量地层声波速度。地层声波速度与地层的岩性、孔隙度及孔隙流体性质等因素有关。根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质。,第五章声波测井,2020/5/23,声波测井,2,声波是一种机械波。根据声波频率（声波在介质中传播时，介质质点每秒振动的次数）可将声波分为：次声波（频率低于20Hz）；可闻声波（20Hz至20kHz）；超声波（频率大于20kHz）。根据声波测井的目的不同,采用的频率也不同.,第一节岩石的声学特性,2020/5/23,声波测井,3,一、岩石的弹性1、弹性力学的基本假设1）、物体是连续的，即描述物体弹性性质的力学参数及形变状态的物理量是空间的连续函数；2）、物体是均匀的，即物体由同一类型的均匀材料组成，在物体中任选一个体积元，其物理、化学性质与整个物体的物理、化学性质相同；3）、物体是各向同性的，即物体的性质与方向无关；,2020/5/23,声波测井,4,（4）、物体是完全线弹性的，在弹性限度内，物体在外力作用下发生弹性形变，取消外力后物体恢复到初始状态。应力与应变存在线性关系，并服从广义胡克定律。满足以上基本假设条件的物体称为理想的完全线弹性体，描述介质弹性性质的参数为常数。当外力取消后不能恢复到其原来状态的物体称为塑性体。物体是否是这类介质,取决于作用力的大小及作用时间。,2020/5/23,声波测井,5,声波测井中声源发射的声波能量较小，作用在地层上的时间也很短，所以可以把岩石看作弹性体。因此，可以用弹性波在介质中的传播规律研究声波在岩石中的传播特性。在均匀无限大的地层中，声波速度主要取决于波的类型、地层弹性和密度。一般用下述几个弹性参数描述岩石的弹性性质。,2020/5/23,声波测井,6,2、弹性力学参数1）、应力与应变物体在外力作用下发生弹性形变的同时，在物体内部产生的抵抗其形变的力称为内力。作用在单位面积上的弹性内力称为应力。根据应力方向与作用面法向的关系,应力分为:A、平行于体积元各面法向方向的应力称为正应力；B、垂直于体积元各面法向方向的应力称为切应力。,2020/5/23,声波测井,7,在外力作用下，若弹性体内的任意体积元发生体积变化，而边角关系不变，则称此形变为体形变。体积元的各边边长的变化率称为线应变。在外力作用下，若仅体积元形状发生变化，而体积不变，则称为剪切形变。体积元的边角关系的变化称为角应变（或切应变）。对于完全线弹性体，正应力只与线应变有关，切应力只与切应变有关。,2020/5/23,声波测井,8,2）弹性力学参数A、杨氏模量E杨氏模量E定义为弹性体发生单位线应变时弹性体产生的应力大小。,杨氏模量的单位是（牛顿/平方米）,2020/5/23,声波测井,9,B、泊松比弹性体在单轴外力作用下，当受力方向产生伸长时，自由方向缩小。泊松比定义为物体自由方向的线应变与受力方向的线应变之比的负值。它表示物体几何形变的系数，无量纲。对于一切物质，介于0到0.5之间。,2020/5/23,声波测井,10,C、切变模量弹性体所受的切应力与其方向上的切应变之比为弹性体的切变模量。切变模量的单位是（牛顿/平方米）,2020/5/23,声波测井,11,D、体积形变弹性模量K体积形变弹性模量K定义为在外力作用下，物体所受的体应力与物体体积相对变化之比。量纲为,除上述四个描述物体弹性性质的弹性参数外，还有另外一个参数，即拉梅常数。,2020/5/23,声波测井,12,二、声波在岩石中的传播特性1、纵波和横波声波传播方向和质点振动方向一致的波叫纵波。声波传播方向和质点振动方向相互垂直的波横波。这两种波可同时在地层中传播，但液体和气体不能传播横波。2、纵波和横波速度声波在弹性介质中的传播速度定义为单位时间声波传播的距离,与介质的弹性和密度有关。在均匀各向同性介质中，纵波速度、横波速度的表达式为：,2020/5/23,声波测井,13,2020/5/23,声波测井,14,其中:-纵波速度;-横波速度;-介质体密度.,2020/5/23,声波测井,15,三、声波在介质分界面上的传播特性声波通过波阻抗（即声速与介质体密度的乘积）不同的两种介质的分界面时，会发生反射和折射，并遵循斯奈尔反射及折射定律，入射波、反射波、折射波在同一平面内沿不同方向传播。图5-1是声波的反射和折射示意图。折射定律的数学表达式是：,2020/5/23,声波测井,16,图5-1、声波在介质分界面上的反射及折射,2020/5/23,声波测井,17,其中：-入射角；-折射角；-入射波速度；-折射波速度。当、确定时，折射角随入射角的增大而增大，在。即当入射角增大到某一角度时，折射角可达到，见图5-1（b）。此时，折射波将在第二介质中以速度沿界面传播，在声波测井中叫滑行波，对应的入射角叫第一临界角。,2020/5/23,声波测井,18,第二节声波速度测井,声波速度测井简称声速测井，测量地层滑行波的时差（地层纵波速度的倒数，单位或）。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。一、单发射双接收声速测井仪的测量原理1单发双收声速测井仪这种下井仪器包括三个部分：声系、电子线路和隔声体。声系由一个发射换能器T和两个接收换能器R1、R2组成，其中，发射器和接收器之间的距离称为源距，,2020/5/23,声波测井,19,相邻接收器之间的距离称为间距。声波测井声系的最小源距为1米，间距为0.5米。如图5-2所示。2、单发双收声速测井仪的测量原理1）、井内声场分析发射器在井内产生声波，声波接收器记录首波(首先到达接收器的声波)到达时间。根据首波到达时间，确定首波的传播速度，测井时,确保首波是地层纵波。测井时,井内存在以下几种波：（1）、反映地层滑行,2020/5/23,声波测井,20,图5-2、井下声系示意图,图5-3、井内声波传播示意图,2020/5/23,声波测井,21,纵波的泥浆折射波；（2）、反映地层滑行横波的泥浆折射波；（3）、井内泥浆直达波；（4）、井内一次及多次反射波；（5）井内流体制导波（管波或斯通利波）。图5-3给出了井内声波传播的示意图。2）、单发双收声速侧井仪的测量原理如果发射器在某一时刻t0发射声波，根据几何声学理论，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收器，其传播路径如图5-4所示，到达Rl和R2的时刻分别为t1和t2，则时间差为：,2020/5/23,声波测井,22,如果在两个接收器之间的对着的井段井径没有明显变化且仪器居中，则可认为CE=DF，所以:,其中:为间距.,2020/5/23,声波测井,23,图5-4、声速测井原理图,2020/5/23,声波测井,24,3、单发双收声系的缺陷1)、井径扩大对时差曲线的影响在井眼几何尺寸变化的层段，时差曲线出现异常。在井眼扩大段的上及下界面分别出现时差增大和减小的尖峰。如图5-5所示。,图5-5、井径扩大对时差曲线影响的实例,2020/5/23,声波测井,25,2)、仪器记录点与实际深度点的偏移单发双收声波测井仪的记录点定义为两个接收器的中点。其实际深度点定义为到达两个接收器的折射波的折射点间的中点。声波测井的输出代表厚度为一个间距的地层平均速度，即仪器记录点上下0.25米厚地层的平均速度。分析测量及记录过程可知，仪器记录点与声波在两个接收器对应地层中的实际传播路径的中点不重合，即,2020/5/23,声波测井,26,存在一定的深度误差，声波在地层中实际传播路径的中点偏向发射器一方，二者偏移的距离为：,其中：a为接收器到井壁的距离；为第一临界角。井内流体声速；地层纵波波速。,2020/5/23,声波测井,27,二、井眼补偿声速测井1、声系结构该仪器的井下声系包括两个发射器和两个接收器。它们的排列方式如图5-6所示。其中，两个接收器之间的距离（间距）为0.5米，T1、R1和R2、T2之间的距离为1米。2、井眼补偿原理1)、时差的确定图5-6是这种仪器对井径变化影响的补偿示意图。,2020/5/23,声波测井,28,图5-6、双发双收声波测井仪的井眼变化补偿示意图,2020/5/23,声波测井,29,测井时，上、下发射器交替发射声脉冲，两个接收器接收T1、T2交替发射产生的滑行波，得到时间差1、2，地面仪器的计算电路对1、2取平均值=（1+2）/2记录仪记录平均值对应的时差曲线。,2020/5/23,声波测井,30,2)、井眼补偿原理由图5-6可以看出，双发双收声速测井仪的T1发射得到的1和T2发射得到的2曲线，在井径变化处的变化方向相反，所以，取平均值得到的曲线恰好补偿掉了井径变化对测量结果的影响。双发双收声速测井仪还可以补偿仪器倾斜对时差造成的影响。另外，在一定程度上降低了深度误差。这是由于上,2020/5/23,声波测井,31,发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的上方；下发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的下方，当接收器对应地层速度及井径变化不大时，即可保证实际记录点与仪器记录点重合，不再出现深度误差。,2020/5/23,声波测井,32,三、长源距声波全波列测井声速测井只利用了纵波的速度信息，而声波全波列测井则记录声波的整个波列，不仅可以获得纵波的速度和幅度信息，横波的速度和幅度信息，还可以得到波列中的其它波成分，如伪瑞利波、斯通利波等。为石油勘探和开发提供更多的信息，所以声波全波列测井是一种较好的声波测井方法。,2020/5/23,声波测井,33,1、裸眼井中声波全波列成分在裸眼井中，接收器记录到的声波全波列波形图上，包括滑行纵波、滑行横波（硬地层）、伪瑞利波和斯通利波等各类井内声波，如图5-7所示。,图5-7声波全波列波形图,2020/5/23,声波测井,34,全波列波形图上各种波的速度、频率、幅度及衰减性互不相同。滑行纵波:速度快、幅度小、频率高,为首波。只在硬地层()才能产生滑行横波，它是波列中的次首波，其速度小于滑行纵波，但幅度大于滑行纵波。伪瑞利波是沿井壁传播的表面波，其能量集中分布在井壁附近很小的范围内，它具有频散性。低频成分,2020/5/23,声波测井,35,的相速度接近于地层横波速度，幅度明显大于滑行横波。斯通利波是在井内泥浆中传播的管波。其速度和幅度与井壁地层有关，速度低于井内泥浆介质的纵波速度，幅度,频率低。2、声波全波列测井的记录方式和记录的信息1）、记录方式声波测井仪的横向探测深度随声系源距增加而增大。由于钻井的影响，井壁周声系源距越大，测量结果受井眼本身和井眼周围条件的影响越小。,2020/5/23,声波测井,36,图5-8、声波全波列测井井眼补偿变化时差测量示意图,声波全波列测井通常采用的声系是R12R28T12T2。间距为2ft,最小源距为8ft.如图5-8所示.采用交替发射同时接收的方式记录地层信息.另外,为了降低井眼不规则产生的影响,取不同时刻测量时间差的平均值作为地层的时间差.其计算方法为:,2020/5/23,声波测井,37,其中：TT1、TT2为位置1处由T1发射，R1、R2记录到的首波旅行时；TT2、TT4为位置2处由T1、T2交替发射，R2记录到的首波旅行时；DT：源距为8ft的时差。,2020/5/23,声波测井,38,同理，也可以记录源距10ft的时差DTL，它等于：,其中：TT1、TT2为位置1处由T2发射，R1、R2记录到的首波旅行时；TT2、TT4为位置2处由T1、T2交替发射，R1记录到的首波旅行时；DTL：源距为10ft的时差。,2020/5/23,声波测井,39,2、记录的信息长源距声波全波列测井图，通常给出TT1、TT2、TT3、TT4四条首波旅行时间曲线，纵波时差DT曲线和按一定深度间隔采样记录的T1、T2发射,R1、R2接收的声波全波列波形图（WF1-4）和以颜色深浅反映波幅度大小的变密度图（VDL）。还可以给出横波时差DTS等其它曲线。,2020/5/23,声波测井,40,第三节声速测井的影响因素,一、地层厚度地层厚度的大小是相对声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层；小于间距的称为薄层。由于声速测井的输出（时差）代表0.5米厚地层的平均时差，因此它们的声速测井时差曲线存在一定差异。1、厚层1）在地层中部时差曲线出现平直段，该段时差值为地层时差值。当地层岩性或孔隙性不均匀时，曲线稍有波动，取地层中部时差曲线的平均值作为地层的时差值。,2020/5/23,声波测井,41,2）时差曲线的半幅点处对应于地层的上、下界面。2、薄层目的层时差受相邻地层时差影响较大。若相邻地层时差高于目的层的时差，则目的层时差增加；反之，目的层时差减小。不能应用曲线半幅点确定地层界面。3、薄互层间距大于互层中的地层厚度时,测井值不能反映地层的真实速度.,2020/5/23,声波测井,42,二、“周波跳跃”现象的影响在一般情况下，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的，对于疏松或含气地层，由于地层声吸收大，声波发生较大的衰减，这时常常是首波信号只能触发路径较短的第一接收器的线路。首波不能触发第二接收器，其线路只能被续至波触发，在声波时差曲线上出现“忽大忽小”的时差急剧变化的现象，这种现象就叫周波跳跃，如图5-9所示。,2020/5/23,声波测井,43,图5-9、周波跳跃现象,2020/5/23,声波测井,44,三、盲区双发双收声系测量的地层时差是上、下两个发射器分别工作时，由两个接收器记录的首波到达时间的平均值计算得到的。其时差大小反映两接收器对应地层速度.在低速地层，上发射时声波实际传播距离与下发射时声波实际传播距离出现完全不重合。此时，在仪器记录点附近一定厚度的地层对测量结果没有任何贡献，称之为“盲区”。即所测时差与记录点所在深度处地层速度无关。盲区厚度为：,2020/5/23,声波测井,45,其中：a-接收器到井壁的距离；-第一临界角。,2020/5/23,声波测井,46,第四节声波速度测井资料的应用,一、判断气层气和油水的声速及声衰减差别很大。因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，声波测井可以较好的确定含气疏松砂岩。气层在声波时差曲线上显示的特点有：1、产生周波跳跃它常见于特别疏松的砂岩气层中，如图5-10所示。这是由于含气疏松砂岩具有较高的孔隙度，且孔隙内含声吸收强的天然气，致使声波能量衰减大，产生周波跳跃。,2020/5/23,声波测井,47,图5-10气层周波跳跃实例,2、声波时差增大,2020/5/23,声波测井,48,二、划分地层由于不同地层具有不同的声波速度，所以根据声波时差曲线可以划分不同岩性的地层。1、砂泥岩剖面在砂泥岩剖面中，砂岩声速与砂岩胶结物的性质及含量有关。通常钙质胶结砂岩时差比泥质胶结砂岩的低，并且声波时差随钙质含量增加而减小，随泥质含量增高而增高。泥岩时差高。页岩时差介于砂岩和泥岩之间。砾岩时差较低。,2020/5/23,声波测井,49,2、碳酸盐岩剖面在碳酸盐岩剖面中，致密石灰岩和白云岩的时差最低,，如含泥质，时差稍有增高；当有孔隙或裂缝时，时差明显增大，甚至还可能出现周波跳跃现象。3、膏盐剖面在膏盐剖面中，无水石膏与岩盐的声波时差有明显的差异，岩盐部分因井径扩大，时差曲线有明显的假异常，所以可以利用声波时差曲线划分膏盐剖面。,2020/5/23,声波测井,50,三、确定地层孔隙度1、威利时间平均公式地层声速和地层孔隙度有关，大量数据表明，在固结、压实的纯地层中，地层孔隙度和声波时差存在线性关系，即威利时间平均公式，如图5-11所示：,式中由声波时差曲线读出的地层声波时差，,2020/5/23,声波测井,51,图5-11声波时差与孔隙度的关系图,2020/5/23,声波测井,52,孔隙中流体的声波时差；岩石骨架的声波时差。地层孔隙度。2、威利时间平均公式的应用威利时间平均公式即使用条件:孔隙均匀分布、压实的纯地层，因此，由威利时间平均公式求出的声波孔隙度（），对于不同的地层情况要分别处理。,2020/5/23,声波测井,53,1)、固结压实的纯地层，分两种情况A、粒间孔隙的石灰岩及较致密的砂岩（孔隙度为1825）可直接利用平均时间公式计算孔隙度，不必进行任何校正。B、孔隙度为2535的砂岩，其声波孔隙度需要引入流体校正系数。气层：流体校正系数0.7；油层：流体校正系数为0.80.9。即,2020/5/23,声波测井,54,其中：a流体校正系数；声波孔隙度；流体校正后的地层孔隙度。2)、固结而压实不够的砂岩对于此类地层，要引入压实校正。压实校正的大小用压实校正系数Cp表示，Cp与地层埋藏深度、年代及地区有关,如图5-12所示。压实校正后的孔隙度为：,2020/5/23,声波测井,55,图5-12压实校正系数与地层深度的关系1-胜利油田正常层系；2-胜利沙4段；3-兴隆台、曙光油田；,2020/5/23,声波测井,56,其中：Cp压实校正系数；压实校正后的声波孔隙度。3)、泥质砂岩由于泥质声波时差较大，按上式计算的孔隙度偏大，必须进行泥质校正。由下式计算地层孔隙度。,2020/5/23,声波测井,57,四、其它应用1、异常地层压力预测地层压力指地层孔隙流体压力。沉积岩层的流体压力等于其静水压力，并对应一个正常压力梯度。在一些地区地层压力高于或低于有正常压力梯度计算的数值，即地层压力出现异常。地层压力高于正常值的地层称为异常高压地层；地层压力低于正常值的地层称为异常低压地层。,2020/5/23,声波测井,58,对泥岩时差研究发现，它可以成功地预测邻近储层的地层压力。在半对数坐标系上作泥岩时差与深度的关系。在正常压力下，数据点都落在正常压实趋势线上；高压异常地层的数据点落在趋势线的右侧，时差增大；低压异常地层的时差小于正常值，数据点落在趋势线的左侧。如图5-13所示。,2020/5/23,声波测井,59,图5-13、地层异常压力检测,地层压力的计算方法：1）、正常地层压力的计算某一深度地层的正常压力等于地层压力梯度与地层深度的乘积。单位是。,2020/5/23,声波测井,60,其中：D地层深度；（m）g重力加速度；孔隙流体的平均体密度。2）、异常地层压力的计算应用等效深度法计算异常地层压力。根据地层孔隙度仅与颗粒之间的压应力有关，在地层压力趋势线上找到具有相同孔隙度的正常压力层，由下式计算异常地层压力：,2020/5/23,声波测井,61,其中：异常地层压力；正常压力层深度；异常压力层深度；深度内地层平均密度。,2020/5/23,声波测井,62,2、岩石强度分析岩石强度指岩石承受各种压力的特性。根据声波、地层密度测井资料，可以连续计算自然条件下岩石的各种弹性模量，以对岩石强度进行全面分析。用测井资料计算的岩石弹性模量为动态弹性模量，与实验室采用静压应变测量的弹性模量（静态弹性模量）不同。根据均匀各向同性的线弹性介质的波速与弹性模量的关系，可以计算地层的各种弹性模量。,2020/5/23,声波测井,63,2020/5/23,声波测井,64,其中：、分别为地层的纵波、横波时差；（微秒/米）,地层密度；克/立方厘米；E、K、分别为杨氏模量、体积弹性模量、拉梅常数及剪切模量，.,2020/5/23,声波测井,65,与地层强度有关的复合弹性模量B及斯仑贝谢比R:,2020/5/23,声波测井,66,B的单位为。在计算复合模量前，需要对测井资料作烃影响校正。对于砂岩，B表示出砂指数。经验表明，当含油砂岩的B3时，在正常压差下采油不出砂；当2B3时，出少量砂；当B2时，采油过程中会出较多的砂，应采取防砂措施。与B相比，R能更好地反映地层的强度和稳定性。经验表明，可作为判别含油气砂岩出砂的门槛值，小于此值则可能出砂。,2020/5/23,声波测井,67,3、预测地层破裂压力梯度利用声波资料还可以预测地层破裂压力梯度。破裂压力梯度（FPG）等于：其中：FPG-破裂压力梯度，psi/ft；D-深度，ft；-地层泊松比，小数，无量纲；,2020/5/23,声波测井,68,-上覆地层压力，psi；-地层压力（孔隙流体压力），psi。1psi=6.8891000Pa.1Pa=1牛顿/平方米,2020/5/23,声波测井,69,在没有横波资料的情况下，可由声波与密度测井求出的伪q因子计算泊松比：=0.125q+0.27其中：、分别为声波孔隙度和密度孔隙度。,2020/5/23,声波测井,70,3、裂缝检测声波全波列测井资料能够指示地层裂缝。由于声波通过裂缝时，其幅度都会减小，表现在波形图上就是声波幅度减小。声波幅度衰减程度取决于波的性质（类型、频率）、裂缝倾角（水平裂缝、低角度裂缝、高角度裂缝）、裂缝张开度等因素。水平缝对横波幅度影响大；高角度裂缝对纵波幅度影响大。垂直传播的纵波和横波其衰减量与裂缝倾角的函数关系如图5-14所示。,2020/5/23,声波测井,71,图5-14、纵波（P）和横波（S）的衰减量与裂缝角度的关系,2020/5/23,声波测井,72,目前用于检查固井质量的声幅测井有水泥胶结测井、变密度测井等测井方法。一、水泥胶结测井（CBL）1、水泥胶结测井的原理套管波：沿井轴方向在套管内传播的声波，其时差大约为57微秒/英尺。一界面：套管和水泥环间的界面。二界面：水泥环和地层间的界面。自由套管：套管外为流体介质。水泥面：套管外固体水泥与泥浆之间的界面。,第五节固井质量评价,2020/5/23,声波测井,73,串槽：固井后，由隔层相隔的两个或多个渗透性地层流体通过一界面或二界面相通的现象。1）、水泥胶结测井的声系结构水泥胶结测井的井下仪如图5-15所示，声系为单发单收声系，源距1米。发射器发射的声信号的频率为20千赫。2）、水泥胶结测井的原理水泥胶结测井的主要目的是利用套管波幅度检查套管和水泥环间的胶结程度。其测量原理为：,2020/5/23,声波测井,74,图5-15水泥胶结测井原理图,2020/5/23,声波测井,75,A、套管波的产生，声波以临界角入射到套管内壁，在套管内激发套管波；B、套管波沿套管传播时，在井内产生临界折射波，此波被井内接收器接收并记录其首波幅度；C、套管波幅度与一界面的胶结程度有关，一界胶结良好，套管波幅度低；一界胶结差，套管波幅度高。这样，就得到了一条随深度变化的套管波幅度曲线，以反映一界面胶结情况。,2020/5/23,声波测井,76,2、套管波幅度的影响因素1）、测井时间：为保证灌入到管外环行空间的水泥充分凝固，一般在固井后24小时到48小时测井最好，过早或过晚都会造成测井值的失真。2）、水泥环的厚度：实验证明，水泥环厚度大于2厘米，其对测井曲线的影响基本固定；小于2厘米，随水泥环厚度的减小，测井值升高（失真），因此，在对资料进行解释时，应参考井径曲线。,2020/5/23,声波测井,77,3）、井内泥浆气侵：井内泥浆气侵造成声波幅度的降低，造成胶结良好的假象。4）、仪器偏心：与井内泥浆气侵一样，仪器偏心也造成声幅的降低，造成胶结良好的假象。3、水泥胶结测井曲线的应用水泥胶结测井曲线如图5-16所示。图中曲线分两部分：1）、自由套管部分；2）、管外有固体水泥部分。,2020/5/23,声波测井,78,图5-16水泥胶结测井曲线实例,202