声波测井课-全波.ppt

1、全波列测井方法和应用,章成广,地球物理与石油资源学院,内容提要,1、诸 论全波列测井发展 2、全波列组分和研究波特性 3、声系、记录方式和信息提取 4、全波测井地质应用,第一部分 诸 论 一、什么是声波测井 1、介质在流体中传播的波称声波，在固体中传播的波为弹性波机械振动波。 2、频率20020000Hz，次声波、声波、超声波 3、波的特性体波（纵波、横波），界面波（全反射波：伪瑞利波、斯通利波） 根据声波（或弹性波）在介质中传播原理，在井中测量声波传播速度、幅度等特性，以确定地层特性的测井方法,二、目的应用 1、确定孔隙度时差 2、识别岩性时差、幅度衰减 3、油气识别时差、幅度衰减、Vp/V

2、s 4、裂缝识别（或渗透性）低频斯通利波、波形、幅度衰减 5、固井质量、钻井工程（弹性系数、地层压力、破裂压力）、采油开发（弹性系数、岩石强度、出砂指数） 6、地震标定、构造确定、工程物探,诸 论,三、声波测井发展 声波测井40年代末50年代出现，先后出现有：声速测井、声幅测井、井下电视、长源距声波、偶极子及多极子横波测井、阵列声波测井等 模拟信号数字成像，数字化信息化成像化系列化 几个代表的发展阶段： 1. Wyllei (1956) 时间平均公式提出; 2. 70年代末长源距声波全波列测井出现; 3. 80年代中期阵列声波测井出现; 4. 90年代末偶极子及多极子横波测井出现; 5. 井下

3、声幅电视出现及井周声波成像方法的完善.,诸 论,三、声波测井发展 从声波测井发展特点来看，仪器的研制略超过方法理论的完善，即大致在理论方法指导下研制成功仪器，在测井资料前提下使方法完善。 声波测井理论70年代末发展起来（52年Biot） 弹性、孔隙介质、层状（横向）同性 从几何声学理论声学（波动理论），通过数学分析、数值模拟、实验测量使声波测井理论得到完善。,诸 论,测井仪器发展,单发双收 双发双收 长源距声波全波列测井 阵列声波测井 偶极子及多极子横波测井,测井仪器发展,测井仪器发展,测井仪器发展,几个重要的研究方向： 1.井中波形理论数值模拟 2.声波全波列信息提取及解释评价 3.孔隙介质

4、声学及声波测井资料的地质解释研究 4.声脉冲发射成像测井及水泥胶结测井方法研究 5.偶极子及多极子横波测井研究 6.井间声波探测井及振电效应探测技术研究,诸 论,面临问题及发展趋势,1.对储层的认识及地层的声学模型 2.反演问题多解性地质约束、物理约束 3.服务对象扩大（储层非储层） 4.联合反演(地质、地震、其它测井结合） 5. 声频谱测井（频率谱、幅度、应力场） 6.工程物探、生态环境 波的正确认识（岩石物理、波动理论）信息提取（数字信号处理）解释模型（地质）,诸 论,第二部分 全波列声波波型成分,全波列声波波型成分,全波列声波波型成分,1、滑行纵波特性： 1）滑行纵波是一种体波(c)，沿

5、井壁附近滑行传播，速度为Vp，轻微频散（在测井频率段可忽略），是PPP波。 2）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数规律衰减，能量集中在3p（即Vp/f）范围内，在Z= p内集中了滑行波能量63%，因此探测范围在一个p左右。 3)在井中传播方式:滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量,在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，滑行纵波在全波中为首波，幅度小，传播速度快。 4）对于井内接收点，滑行波的振幅随源离L增加是衰减的直达波A1/Z 滑行纵波A 1/Z (lnZ)2。对于Ze=2.72m,滑行波衰减快，对于Ze=2.72m,直达波衰减快。,全波列声波波型成分,1、滑行纵波特性：

6、 5）存在共振频率， a为井径；i 为贝塞尔函数J(i)的零点，为 3.83、7.01.;对于一般砂岩频率为10、20kHz。,全波列声波波型成分,2、滑行横波特性： 1）滑行横波是一种体波(S) ，沿井壁附近滑行传播，速度为Vs，轻微频散（在测井频率段可忽略），是PSP波。 2）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数规律衰减，能量集中在3s（即Vs/f）范围内，在Z= s内集中了滑行波能量63%，因此探测范围在一个s左右。 3)在井中传播方式:滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量,在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，滑行横波在全波中为次首波，幅度较纵波幅度大。 原因:横波波

7、长较纵波短,因此靠近井壁附近滑行横波幅度较滑行纵波幅度有更多能量。 横波反射系数远小于纵波，即有更多能量进入地层，在相同的情况下有更多的能量转换为滑行横波。,全波列声波波型成分,2、滑行横波特性： 4）对于井内接收点，滑行波的振幅随源离L增加是衰减的。直达波A1/Z滑行横波A 1/Z2 。不像纵波滑行横波始终比泥浆直达波衰减快。 5）存在共振频率， a为井径；i 为贝塞尔函数J0( i)的零点，为2.4、5.52.;对于一般砂岩频率为8、18kHz。 6）当VsVf时,井中接收不到滑行横波。,全波列声波波型成分,3、伪瑞利波： 1）它是全反射波（波数在k1ks=/V）即声射线入射角在（s，/2

8、）之间；由于存在许多声射线,伪瑞利波有许多模式波 2）它是一种界面波,在径向方向r,井内按J0(1a)振荡衰减（ 1为井中径向上波数），在地层中近似指数规律衰减;在Z 轴上不衰减； 3）相速度, 声波测井发射信号是声脉冲，看成不同频率、不同振幅的各种连续波组成。其速度随频率变化称频散。 频散性严重;存在截止频率只有声源频率高于截止频率时才激发此波; 随着频率的增加速度下降快,最后趋近泥浆速度。,导波特性,全波列声波波型成分,3、伪瑞利波： 4）群速度 存在极小值，低于泥浆波速度，此处为爱雷相，能量也为最大，称高频伪瑞利波；速度在VsV0之间为低频伪瑞利波，截止频率处能量幅度接近为零，并且速度为

9、横波速度，说明横波与伪瑞利波是分离的 5）低频时与横波密切，高频时与流体波密切，纵波对它影响可以忽略,J0(1a),全波列声波波型成分,全波列声波波型成分,4、斯通利波 1）它是一种界面波在井内、地层中传播成指数衰减，受流体波影响大，受横波影响小，纵波影响可忽略。 2）具有频散性质，无截止频率，说明在整个频段都能激发此波；在高速地层（VsV0)低频段V0.9 V0 , 高频段V0.96 V0;在低速地层(VsV0),频散严重,速度小于横波速度，约为0.6 V0。 3）能量主要集中在低频处，在小于5kHz范围内这种波的低频波也称为管波,导波特性,声波全波列测井,第三部分 声系、记录方式和信息提取

10、,CSU：R12R28 T12 T2 3700：T17 R12 R27 T2 T1R1、R2，T2R1、R2， WF1(10 )、WF2（8 ）、WF3（12 ）、WF4（10 ） 采样数：n=512，采样率：5us（960，2us） TC1、TC2、TC3、TC4；TS1、TS2、TS3、TS4 TST1、TST2、TST3、TST4 DTC、DTS、DTST tc=TC1-TC2+TC4 -TC2 /2l （L=8 ） tc=TC3-TC4+TC3 -TC1 /2l （L=10 ） ts =TS1-TS2+TS4 -TS2 /2l （L=8 ） ts= TS3-TS4+TS3 -TS1 /

11、2l （L=10 ）,声系、记录方式和信息提取 1.长源距声波全波列测井,1、长源距双发双收声系,用聚焦换能器发射、接收探头，可使源距增大23倍， 测量原理：CSU-双发四收(8 ) （1）T1R1、R2：TC1、TC2 t2 （2）上移9.8 (或10 ) T1、T2R2：TC2 、TC4 t1 （3）井眼补偿 t= （t1 +t2）/(2*2 ) 问题:源距10ft如何实现?,1、长源距双发双收声系,一、横波波形识别(VsVf)： 1）根据纵横波时差比变化范围，确定横波的初始波至点， 砂岩:DTS/DTC=1.51.8 (一般所有岩石1.42.2) TS1.51.8TC,横波初始波至在纵波

12、波至延续59周波后出现, 纵波频率为1618kHz 同相轴类比法确定横波初始波至。当某横波幅度小，横波显示不明显，可用这种方法。 一般根据上下围岩纵波、横波波至相位特性，有先把纵波波至点连接起来，然后把横波波至点连接起来，横波波至的连线类似于纵波。,声波全波列测井,P,S,ST,声波全波列测井,1、长源距双发双收声系,一、横波波形识别(VsVf)：,4) 用滑行波到达时间估计波至和时差,1.长短时窗能量比,2.相似相关系数和能量,二、长源距声波相似相关法,R(n,j)=1,两段波形完全相似 0.5 两段波形完全不相似 0 两段波形完全不相似 tmn=t2n-t1m K窗长波形采样点数； m基本

13、曲线自m采样点开始取窗长 n对比曲线自n采样点开始取窗长,0.2Rm的最大值处认为纵波的波至,CSU全波波形,纵波,横波,斯通利波波,基本波形,对比波形,STC处理示意图,R0.8 质量为可靠的 R0.6 质量为不可靠,CSU波形相似相关处理结果,1.加汉明窗函数,（0n79）,（n79）,2互功谱幅度和相位,3.时差和衰减值,三、长源距声波频谱法,CSU波形频谱,横波 纵波,PDP方法提取CSU全波信息,第三部分 声系、记录方式和信息提取 2.阵列声波成像测井,声波全波列测井,阵列声波成像测井(DSI)XMAC,阵列声波成像测井,1、纵横波方式：单极子高频声源发射，中心频率为12kHz。记录

14、8条全波列波形，源距L=9英尺，采样间距为10us，采样点为512。测量全波信息。 2、斯通利波方式：单极子低频声源发射，中心频率4.9kHz。记录8条波形，源距L=9英尺，采样间距为40us，采样点为512。测量斯通利波时差。,声波全波列测井,声波全波列测井,阵列声波成像测井,3、上或下偶极横波方式：偶极子声源发射（F4.7kHz)，记录8条全波列波形，源距L=11英尺或11.5英尺，采样间距为40us，采样点为256。测量横波时差。 4、专家方式：利用上下偶极子交叉发射， T(X)R(X)R(Y),16条波形 T(Y)R(X)R(Y),16条波形,声波全波列测井,阵列声波成像测井,MAC,

15、声波全波列测井MAC,声波全波列测井,阵列声波成像测井,STC法提取波形信息,z0-为源距, z-为间距 t0-为延期时间 T-为采样间隔,相关系数: 设窗长为TW( s),时窗 移动时差为S( s/ft),时 窗在第一道波形上位置 为,01.,能量:对选定时窗内的 信号作付氏变换,在有 效频带内计算幅度谱,声波全波列测井,L=9ft,l=6in 3.5ft,MA5井DSI纵横波方式全波波形,P,S,ST,MA5井DSI斯通利波方式全波波形,MA5井DSI偶极方式横波波形,YN2井MAC纵横波方式全波波形,P,S,ST,YN2MAC斯通利波,ST,STC法相关系数:,=,=,信号能量:,阵列声

16、波STC法,波形频率特性分析,1.在时域上加时窗滤波,2.频域上滤波,3.求取频率特性参数,TZ103井DSI全波信息提取STC,KL2井DSI全波波形信息提取（STC法）,MA5井DSI全波信息提取（STC法）,YN2井MAC全波信息提取（STC）,YN2井斯通利波信息提取（STC）,MA5井纵横波频率特性,MA5井DSI斯通利波频率特性分析,KL2井DSI滤波的纵横波,KL2井DSI全波频率特性,频谱法原理,当波沿着井壁传播时，其特性的变化归因于它们的相速度和衰减。设A()为第一个接收器接收的波幅,相位为 (),当波传播时,它的幅度变化可由衰减系数a ()表示,相位变化由波数k ()表示,

17、在某一距离Z处的波可表示为:,a衰减系数；Q品质因子；C相速度；相位差； 圆频率；k波数。当波存在P个组分波, Z=(n-1)d, (n=1,M),不同源距的波形可表示为:,频谱法原理,第n个接收器波形频谱预测公式：,系数,满足的特征方程：,令,接收器n的预测波时间序列表达式：,时差估算的目标函数：,P=1时波形预测方案,KL2井DSI全波信息提取（频谱法）,KL2井DSI全波信息提取（频谱法）,MA5井求取的斯通利波时差,阵列声波测井,1.利用偶极横波测井资料评价地层的各向异性 2.利用全波测井方法识别裂缝 (1)反射斯通利波分离和反射系数求取 (2)应用斯通利波归一化微差能量评价裂缝 3.

18、利用斯通利波信息等资料求取地层渗透率,声波全波列测井,声波振动模式：,垂直传播,水平传播,SH水平振动,P水平振动,SV垂直振动,SV水平振动,SH水平振动,P垂直振动,各向异性地层中偶极横波分离,利用偶极横波资料评价地层各相异性,1.接收的偶极横波信号,2.从交差偶极横波信号中分离快慢横波,3.利用STC方法提取快慢横波及快横波方位确定,4.各向异性系数确定,MA5井上偶偶极横波波形,xx平行,xy垂直,MA5井下偶偶极横波波形,yx垂直,yy平行,MA5井各向异性分析,TZ103井各向异性分析,阵列声波测井,2. 射斯通利波信息提取 (1)反射斯通利波分离和反射系数求取 (2)应用斯通利波

19、归一化微差能量评价裂缝,声波全波列测井,声波全波列测井,1.R8-R1依次进入裂缝R 2.源距Z0进入裂缝Z0 3.发射器进入裂缝h,反射斯通利波分离,1.对斯通利波作加权平滑滤波,余弦型2N+1点加权平均因子,2.反射斯通利波和反射系数,TZ24井反射斯通利波分离,TZ24井反射斯通利波识别裂缝,归一化斯通利波微差能量计算原理图（接收器模式）,T1 R(8,6) T2, R(7,5) T3, R(6,4) T4, R(5,3) T5, R(4,2) T6, R(3,1),K=2,归一化斯通利波微差能量计算原理图（发射器模式）,T6 T3 1, 4 2, 5 3, 6 4, 7 5, 8,K=

20、3,归一化斯通利波微差能量计算公式：,接收器模式,深度校正公式：,发射器模式,归一化斯通利波微差能量计算公式：,深度校正公式：,补偿模式,归一化斯通利波微差能量计算公式：,深度校正公式：,其深度与接收器模式和发射器模式校正后的深度对应,TZ24井斯通利波微差能量识别裂缝,阵列声波测井,3.利用斯通利波信息等资料求取地层渗透率,弹性地层,孔隙地层,斯通利波时差求地层渗透率,YD2斯通利波信息求取地层渗透率,MA5井斯通利波信息求取地层渗透率,声波全波列测井,第四部分 资料应用与解释,1、识别岩性,石灰岩1.9,白云岩1.8,含水砂岩,含气砂岩1.6,声波全波列测井,声波全波列测井,声波全波列测井

21、,声波全波列 相测井,转换系数T=01.0 颗粒骨架(粒状灰岩和块状砾岩)横波转换系数0.8 泥质骨架支撑横波转换系数0.5,2、计算孔隙度,声波全波列测井(孔隙类型),声波全波列测井,声波全波列测井(识别裂缝),1.低角度横波幅度衰减大 2.高倾角纵波幅度衰减大,声波全波列测井,声波全波列测井(各向异性),声波全波列测井(渗透率),声波全波列测井(渗透率),声波全波列测井,四、 资料应用与解释 7.识别气层,渗透性井壁时全波波形随气饱和度变化,P,S,ST,非渗透性井壁时全波波形随气饱和度变化,P,S,ST,YD2井岩心速度比与含水饱和度的关系,声波全波列测井,声波全波列测井,用纵横波时差等

22、资料确定地层流体压缩系数,饱和水速度比,流体压缩系数,声波全波列测井,声波全波列测井,YN2 MAC全波资料识别油气,YN2 MAC全波资料识别油气,MA5井声波法识别油气,KL2井声波法识别油气,KL2井声波法识别油气,TZ103井声波识别油气,YD2井声波法识别油气,TAI2井声方法识别油气层,凝析气层,50415045 气:4.2万 油:40,TAI2井声法识别油气处理结果,含气油层,含气水层,51015112 气:2.5万 油:34.3,利用水层地层的Vp/Vs指示气层,Gastagna(1985) Vp=5.81-9.42Por-2.2Vcl Vs=3.89-7.07Por-2.04

23、Vcl Vp/Vs=A+Bts William(1990) 砂岩水层 Vp/Vs=1.182+0.0042ts 泥岩 Vp/Vs=1.276+0.00374ts,TZ103井纵横波速度比差与孔隙度关系,TZ103井岩石压缩比与孔隙度关系,TZ103井纵横波速度比差与含气饱和度指示关系,TZ103井岩石压缩比与含气饱和度指示关系,YD2井纵横波时差比差与孔隙度关系,YD2井纵横波时差比差与流体压缩关系,KL2井岩石压缩比与孔隙度关系,KL2井纵横波时差比与流体压缩系数关系,KL2井岩石压缩比与气饱和度指示关系,地层压力、破裂压力剖面预测研究,孔隙地层压力 岩石弹性、岩石强度 应力和破裂参数 压裂

24、裂缝高度 资料处理与评价,提 纲,测井资料确定岩石弹性参数,纵波速度：,横波速度：,体积弹性模量：,切变模量：,压缩系数：,泊松比：,测井资料确定岩石弹性参数,岩石典型的本构关系,0,A,B,C,D,E,Q,P R,硬化,弹性,软化,破裂,岩石破裂基本类型,最小主应力或围压3,压缩,拉力,1,3,破裂时的最大主应,1,三轴压缩,单轴拉伸,单轴压缩,t,c,破裂时主应力之间关系,3,1,t,切应力、正应力之间关系,库仑（Coulomb）破裂准则,S0聚合强度，、内摩擦系数、内摩擦角C0单轴抗压强度 =300时，C0=S0/0.289,库仑（Coulomb）破裂准则的图示,=,库仑（Coulomb

25、）破裂准则,内摩擦系数、内摩擦角、破裂方位角及系数q变化,一般砂岩=0.61.0, =600 67.50, =300450,平均为32.60,格里菲斯（Griffith）破裂准则,在三维应力作用下，有：,T0单轴抗张强度 三个应力中有两个为零时，第三个一定等于单轴抗压强度C0，此时有 C0=12T0,岩性强度,聚合强度（砂岩）：,抗压强度：,聚合强度（碳酸岩）：,抗切强度：,岩性强度,孔隙地层压力 岩石弹性、岩石强度 应力和破裂参数 压裂裂缝高度 软件设计 资料处理与评价,提 纲,发展情况: Hubbert和Wills(1957) (2) Mattews和Kelly(1967) (3) Eat

26、on(1969),(4) Stephen(1982) (5) Andeson(1973),(6) 考虑抗强,楼一栅静弹性模量公式(1990),地层破裂压力计算原理,在井壁上（r=a），应力分量:,式中：Tx、Ty分别为水平方向上最大和最小的主应力（TxTy0）；Tr、分别为离井轴r距离并与Tx按反时针方向成角处的径向、周向法应力和井周向切应力分量,当,上覆地层压力对水平应力的贡献为:,地层破裂压力计算原理,时，周向应力最大，容易发生切变破裂。,当,上覆地层压力对水平应力的贡献为:,破裂压力计算原理,时，周向应力最小，容易发生张性破裂。,Tx=Ty地层破裂压力计算,1. 井中三个压力,2. 三个

27、破裂参数,自然破裂:,人工压裂:,切变破裂(坍塌):,径向应力: 周向应力: 径周向应力:,地层破裂压力计算,水平应力:,切变破裂:,张性破裂:,水平应力不等地层破裂压力计算,1. 井中三个压力,2. 四个破裂参数,自然破裂:,人工压裂:,切变破裂:,拉伸破裂:,Pm4=Pp-u,静弹性应变模式,水平最大、最小地应力：,静弹性模式破裂压力：,华北油田动静弹性模量关系,计算公式中各参数确定,1. 上覆地层压力,2. 孔隙流体压力,Pp= gbHa- g（b-w）Hn,当Vcl0.1时,当Vcl0.1时,1. 没有横波时差,2.没有地层密度,GS12-18井地层破裂压力剖面,GS8-16井地层破裂

28、压力剖面,地层破裂压力评价方法,ZH4x1井泥岩层段声波时差正常趋势线,应用及效果分析,谢 谢!,ZH4X1井地层压力及破裂压力处理成果图,应用及效果分析,ZH4X2井各层位储层压力预测表,ZH4X2井地层压力测试表,相对误差为4%,应用及效果分析,张海 井与张参 1井对比图,张海2-1井,张参1井,2-1,1.45,应用及效果分析,张参1井井眼稳定性分析成果图,应用及效果分析, 设计钻井泥浆密度 制定固井方案和酸化压裂设计，指导优质钻井 保护油气藏及合理增产,应用及效果分析, 破裂压力与井眼稳定性分析,C29井破裂压力与井眼稳定性成果分析图,应用及效果分析,预测破裂压力58.2MPa 实测破裂压力60.5MPa,采油出砂强度分析是在不出砂的情况下所承受的最大压降。在非固结的高孔隙度砂岩中进行高强度开采时，出砂是普遍的问题。进行砂岩强度分析就可以预测采油出砂时的压差，把生产压降控制在安全水平下开采，否则砂岩将遭到破坏，使井受到损坏或被堵塞。 油层实际开采时，生产压差（流压与静压之差）要小于临界生产压 差DP。,应用及效果分析, 采油出砂分析,C29井砂岩强度成果分析图,应用及效果分析,井泊松比与体积压缩系数对比图,C29,应用及效果分析,定性判断气层,C29井砂岩储层压力表,应用及效果分析,能准确的提供地层孔隙压力及破裂压力剖面