1、,偶极声波成像测井,中国石油测井有限公司 长庆事业部,内容提要,偶极声波成像测井基本原理 偶极声波处理成果图简介 测井资料的质量控制 偶极声波的地质应用,1.1声波测井,声波发射器发射的声脉冲经过各种途径传播到接收器，接收器接收的声波波形其主要成分有滑行纵波、滑行横波、假瑞利波和斯通利波。,一、偶极声波成像测井原理,偶极子及多极子横波测井与以往在井下获得横波方法不同，其差异在于偶极子及多极子横波测井在井下是用非对称声源在井壁上直接激发以横波速度为界限值的弯曲波或扭转波；而传统的方法或是由井内的纵波声源以第二临界角向井壁入射，以产生转换的横波（滑行横波），或是根据井内流体中由于致导效应产生的管波
2、（斯通利波）来反演横波。传统方法的缺点是在“软地层”（地层横波速度Vs小于井液声速Vf，即VsVf）中不产生滑行横波，因而无法获得横波信息；此外用管波信息反演横波要受到井径、渗透层泥饼等多种因素影响，而且管波信息的记录精度、纵向分辩率都不利于横波信息的反演。,一、偶极声波成像测井原理,1.2偶极声波测井,硬地层中用单极声源时体波的传播情况及典型声波波列,普通的声波测井使用单极声波发射器，可向井周发射声波，声脉冲由井内流体折射进入地层时，使井壁周围产生轻微的膨胀，在硬地层中产生纵波和横波。一部分能量以滑行纵波模式传播，另一部分能量以滑行横波模式传播。在井眼和地层中传播的声波主要由两类波组成：体波
3、（纵波和横波）和导波（伪瑞利波和斯通利波），此外还有一些多次反射波。,软地层中用单极声源时体波 的传播情况及典型声波波列,岩石的密度和动态弹性系数等机械特性控制了声波的传播速度。由于软的固结松散的岩石具有较小的弹性硬度，使得软地层中声速相对较慢，横波速度小于井内流体声速，横波首波与井中钻井液波一起传播，不能产生临界折射的滑行横波，使得单极声波测井无法测出横波的首波。,偶极子声波源可看作是两个相距很近、强度相同、相位相反的点声源的组合。当偶极子声波源振动时，很像一个活塞，能使井壁的一侧压力增加，而另一侧压力减小，使井壁产生扰动，形成轻微的挠曲，在地层中直接激发出横波和纵波。为确保横波速度的测量精
4、度，交叉偶极子声波测井仪的一个新功能就是低频发射功能，此时发射工作频率低于1kHz，在这种工作模式下，信噪比最大可提高20dB，因此在大井眼井段和非常慢速的地层中能得到较好的测量结果，另外探测深度也有所增加。,软地层中用偶极声源时声波的传播情况及典型声波波列,偶极声波,DSI 偶极声波成像 Maxis-500,XMAC 正交偶极阵列 ECLIPS-5700,WAVESONIC 正交偶极阵列 EXCELL-2000,处理平台 GeoFrame,处理平台eXpress,处理平台Petrosite,目前国际上具有代表性的仪器,ECLIPS-5700测井系统中的交叉偶极子声波仪（XMAC-）是将单极阵
5、列和偶极阵列交叉组合在一起，两个阵列配置是完全独立的，各自具有不同的传感器的仪器组合。单极阵列包括两个单极声源和8个接收器。声源发射的声波是全方位的，即是柱状对称的。偶极横波是由两个交叉摆放（相差900）的偶极声源及8个交叉偶极接收器组成。,8 Receiver Array,XMAC测井原理,单极发射器,中心频率 5.5 kHz,单极发射器,偶极发射器,偶极发射器,弯曲棒,中心频率 1.5 kHz,与3700长源距声波相比，克服了以下缺陷1）长源距声波难以记录到软地层的横波信息。2）地层的硬度变化大，也无法获得地层横波信息。3）受井筒混响噪声影响大，信噪比低。 与3700长源距声波相比，具有更
6、大的技术优势1）单极和偶极阵列互相独立，记录全波列数据。2）单极阵列声系以记录纵波及斯通利波为主。3）偶极阵列声系主要记录地层横波。4）偶极横波具有了方向性。 确保提供的岩石机械特性参数准确可靠，提高了全波测井的地质应用效果,交叉偶极子阵列声波测井仪 (Cross Multipole Array Acoustic Tool),测量方式,单极方式：,偶极方式：,采用传统的单极声源发射器，可向井周围发射声波，使井壁周围产生轻微的膨胀作用，因此在地层中产生了纵波和横波，由此得出纵波和横波时差 。在疏软地层中，由于地层横波首波与井中泥浆波一起传播，因此单极声波测井无法获取横波首波 。,采用偶极声源发射
7、器，使井壁产生绕曲波，低频绕曲波速度近似地层横波速度，解决了在疏软地层的横波测量问题。,交叉偶极方式：,正交发射，正交接收。用以研究地层各向异性,单极发射器由一个柱状的压电晶体组成，发射中心频率为5KHZ、带宽为1-12KHZ的单极声波信号。比传统的单极全波发射的频率低2-3倍，声波的穿透能力强，探测深度深，信号衰减小，测量结果受井眼环境影响较小。也有利于斯通利波的测量。,2,在机械设计上，有相当高的物理强度和柔韧性。能进行油管或钻杆传输电缆测井，可有效隔离声波在仪器内部和外表面的传播。,1,井下仪器的特点,井下仪器串的特点,操作模式简单，一次测井输出信息量大。对于每一个发射序列或每一个深度点
8、,可获得40条阵列波形，其中包括8条单极波形、32条XX、XY、YX、YY偶极波形。对每个接收器波形信号的记录，可有效地检查每个接收器的工作状态，以便及时查找出问题和进行维修。,4,井下仪器串的特点,1、各向异性成果图 2、岩石机械特性分析成果图 3、压裂效果诊断图,二、偶极声波处理成果图简介,全波波形,各向异性成像图,快横波方位,各向异性 方位频率统计,井径、GR,时差各向异性,径向应力 切向应力 初始剪切 应力,泊松比 速度比 破裂压力梯度,杨氏模量 剪切模量 体积模量,纵、横、斯通利波时差,井径、GR,时差各向异性,各向异性成像图,快横波方位,能量比,井径、GR,各向异性 方位频率统计,
9、快慢横波时差,径向应力 切向应力 初始剪切 应力,泊松比 速度比 破裂压力梯度,杨氏模量 剪切模量 体积模量,纵、横、斯通利波时差,井径、GR,3、测井资料质量控制,1、测前测后应分别在自由套管中测量10m时差曲线，对套管检查的纵波时差数值应在187s/m5s/m（57s/ft5s/ft）以内； 2、首波波至时间曲线变化形态应一致； 3、对于低渗储层，要求降低测量速度，以保证波列记录齐全可辨，硬地层的纵波、横波、斯通利波界面清楚，幅度变化正常； 4、在12m井段内，相对方位曲线变化不应大于360度；,3、测井资料质量控制,5、曲线应反映岩性变化，纵、横波数值在纯岩性地层中与理论骨架值接近； 6
10、、重复测井与主测井的波列特征应相似；纵波时差重复曲线与主测井曲线形状相同，重复测量值相对重复误差应小于3。 7、要求目的层段测量偶极声波波列，并连续上下50米的测量，以保证资料的有效利用。,可提取准确的纵、横波及斯通利波信息，提供杨氏模量、弹性模量、泊松比等岩石物理参数，预测岩石强度，岩石破裂压力； 确定岩性 识别含气层 利用斯通波幅度衰减导出渗透率，评价有效天然裂缝及渗透性 利用岩石机械特征参数做井壁稳定性分析 为钻井工程、压裂施工、油气层开采等方面提供某些有用参数，如岩石强度、地应力、岩石破裂压力、安全生产压差等所需参数 地层各向异性分析提供裂缝及其发育方位，提供地应力方位等地质信息 套管
11、井的压裂诊断,四、偶极声波的地质应用,4.1确定岩性,根据已知岩性作tc与ts的交会图，从图中可以看出气层砂岩、砂岩、盐岩、石灰岩、白云岩的时差比值都是不同的。,4.1岩性识别,白云岩Vp/Vs=1.8 石灰岩Vp/Vs=1.86 与横轴平行 纯砂岩或含气砂岩Vp/Vs=1.58 近似直线 含水砂岩，呈斜线,4.1确定岩性,由此得出在声波信息中时差比值tR = ts / tc可以用来鉴定岩性，尤其可以将三种主要的沉积岩区分开来。如果是两种岩性混合组成的岩层，横波与纵波的时差比值tR与两种岩性成分的含量有关，借此可以求出 这两种岩性的百分含量。例如石灰岩的白云岩化程度可以从tR或颗粒密度确定。随
12、着白云岩含量增加， tR减小，颗粒密度增加；对砂岩来说，用tR可以确定泥质含量，随着砂岩中泥质含量增加，和自然伽马数值也增大。,确定岩性,从图中看出砂岩气层时差比值在1.6左右，随着泥质含量的增加，时差比值增大，泥岩处可高达1.9左右。用声波时差比值确定岩性结果与综合程序处理的剖面结果一致。,确定岩性,从图中看出石灰岩时差比值为1.9，白云岩时差比值为1.8，在石灰岩中随着白云岩含量的增加，时差比值减小，硬石膏时差比值略高于石灰岩 ，若再结合岩石的体积密度就能很好地区分这些岩性。,储层的含气时，对纵横波有不同的影响，可以由横波与纵波的一系列相关的交会图进行分析。通过对储层的分段做横波与纵波的交
13、会图，可以看出在5490-5508m井段，气层的明显特征为横波及纵波时差出现较大的变化，纵波及横波出现大的跳跃现象。在5832.6m以下这种变化明显减弱，基本上反映已不含气。,4.2含气分析,纵横波速度比识别气层,纵横波速度比特征值 气层 1.431.63 致密差气层1.441.66 岩性差气层1.551.64 煤层1.341.67 干层1.622.13 水层1.671.95,泊松比的变化范围,泥岩,泊松比识别气层,泊松比特征值 气层 0.0160.20 致密差气层0.030.21 岩性差气层0.140.21 煤层-0.140.22 干层0.200.36 水层0.220.32,2772.027
14、77.0m 压裂 产气：12062m3/d 无阻：15109m3/d,2355.02359.0m 压裂 产水：10.5m3/d,气层识别成果图,2752.02756.0m 压裂 产气：37017m3/d 无阻：44031m3/d,气层识别成果图,2508.02511.0m 压裂 产气：125876/6.0m3/d 无阻：277790m3/d,气层识别成果图,2768.02772.0m 压裂 产气：8354m3/d 无阻：8520m3/d,气层识别成果图,一般开口裂缝对斯通利波的影响较大，其储渗空间的流体会造成声阻抗界面，使得斯通利波发生反射和干涉，在斯通利波变密度图上出现干涉条纹。用斯通利波评
15、价裂缝时，应特别注意泥饼的影响。当井壁存在泥饼时，将阻止流体在井眼和裂缝储层之间的流动，斯通利波能量衰减不明显，易造成错误解释。同时还应注意层界面、大井眼、非均匀岩石构造的影响，它们在不同程度上引起斯通利波及全波波列有衰减现象。,4.3斯通利波评价裂缝有效性,39,4.3斯通利波评价裂缝有效性,4.4 岩石机械力学特性和井眼稳定性分析,利用正交偶极声波测井资料计算地层岩石力学参数，估算地层机械强度、理想泥浆密度。,1、地层横波各向异性产生的机理 地层横波各向异性的大小与快慢横波速度（时差）的变化量有关，时差横波各向异性的大小定义为： 时差各向异性=（慢横波时差-快横波时差）/（慢横波时差+快横
16、波时差）/2,4.5交叉偶极测量方式各向异性分析,正交偶极声波接收的四条波形信号,交叉偶极技术采用正交偶极发射，正交阵列接收的方式获得偶极波形，用四分量旋转技术得到地层横波各向异性信息。,2、地层横波各向异性的影响因素造成地层横波各向异性的原因很多，常见的大致有四类： （1）地层裂缝的影响地层高角度裂缝常常引起地层各向异性，并且随着裂缝角度的增高，各向异性变得强烈，快横波方位与裂缝走向一致；低角度裂缝横波各向异性不明显；网状缝的无规律性，使得各向异性互相抵消，往往表现出较小的各向异性。,4.5交叉偶极测量方式各向异性分析,（2）地层倾角的影响高倾斜地层（40），一般也表现为高各向异性值。低倾斜
17、地层（40）时，地层各向异性不明显。 （3）溶蚀孔洞的影响以溶蚀孔洞为主地层由于互相抵消作用，一般情况下，横波各向异性不强。,4.5交叉偶极测量方式各向异性分析,（4）地层构造应力的影响构造应力不均衡使横波发生分离现象，从而形成较强的各向异性。FMI图象上往往出现明显的诱导裂缝或应力释放缝及井壁崩落等现象。这时，快横波方位与地层最大水平主应力方向一致，因此，在这种情况下，可以用快横波方位确定地层最大主应力方向。,4.5交叉偶极测量方式各向异性分析,横波各向异性反映高角度裂缝的开口度信息,裂缝评价,横波非均质性：在裂缝地层，尤其是高角度裂缝地层，横波呈现明显的非均质性，即有明显的各向异性显示。,
18、在裂缝地层及水平应力不平衡的地层，地层横波会分裂为快横波和慢横波，二者偏振方向互相垂直，其中快横波偏振方向与地层高角度裂缝的走向及最大水平主应力方向一致。,xx井下古裂缝识别,xx井裂缝特征图,xx井马家沟组裂缝特征图,31383150m 发育方位1200,xx井各向异性地应力分析,xx井石千峰组反映地层应力特征图,由于压裂后所形成的裂缝多为垂直缝或高角度缝，因此可以通过对比压前压后储层的各向异性来评价裂缝，进而评价压裂效果。,4.6压裂效果诊断,Before,After,红色标记了射孔段 射孔后地层显示了各向异性 压裂高度可以测量本井裂缝延伸高度为17米,4.6压裂前后各向异性处理结果对比,（1）斯伦贝谢DSI处理结果的分析,（1）斯仑贝谢DSI处理结果的对比,裂缝 延伸 底界 为 1326.0米,4.6压裂前后各向异性处理结果对比,（2）哈里伯顿Wavesonic处理结果的分析,A、原始偶极波形的对比,裂缝 延伸 底界 为 1327.0米,4.6压裂前后各向异性处理结果对比,裂缝 延伸 高度 为 17.0米,4.6压裂前后各向异性处理结果对比,裂缝 向上 延伸 至 2626.0米,4.6压裂前后各向异性处理结果对比,（3）阿特拉斯XMAC处理结果的分析,谢谢大家,请多提宝贵意见！,
