声波全波列测井_新

第五章声波全波列测井声速测井和声幅测井，只记录滑行纵波首波的传播时间和第一个波的波幅，利用井孔中声波的信息非常少。随着声波在裸眼井中传播理论的研究，知道发射探头在井孔中激发出的波列携带了很多地层的信息，如果把声波全波列都记录下来，通过数字信号处理，可获得纵波、横波和斯通利波等波形信息，由此开展地层弹性特性、破裂压力、地层渗透性、裂缝及油气识别等方面研究，有利于扩大声波测井在石油勘探中的应用。上世纪七十年代，随着计算机和数据采集技术的迅速发展，国外开始出现的长远距声波全波列测井，也只是局限于纵波、横波的信息利用；到了上世纪九十年代出现了交叉偶极子阵列声波测井，大大拓宽了声波全波列测井的应用。本章主要介绍长源距声波测井、阵列声波测井、交叉偶极子阵列声波测井的测量原理、波形信息提取及应用解释等内容。第一节裸眼井中的声波全波列井中声波发射器发射的声脉冲经过泥浆、地层传播到接收器，能接收到主要组分波有滑行地层纵波（P）、横波（S）、低频和高频伪瑞利波（RL）及斯通利波（ST）。第一个波列:从P波开始到后续震荡基础结束,除了P波都称为漏泄模式波(leakymode).第二个波列从S波开始,直至后续波振荡结束,包括滑行横波、视瑞利波、斯通利波。0123-1-2-305001000150020002500幅度PSST高频RL低频RL时间(s)0123-1-2-305001000150020002500幅度PSST高频RL低频RL时间(s)一、滑行纵波1）滑行纵波是一种体波(c)，沿井壁附近滑行传播，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3p（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A1/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。5）存在共振频率，a为井径；i为贝塞尔函数J１(i)的零点，为3.83、7.01….;对于一般砂岩频率为10、20kHz。221112ciVVaf二、滑行横波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3s（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。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A1/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。221112siVVaaf三、伪瑞利波伪瑞利波是表面波。表面波是瑞利勋爵于1885年首次提出的。他研究了弹性材料接触真空后在平面的响应，发现一种波沿表面传播，并且质点运动的幅度随距表面的距离减小。瑞利的发现预测了沿地球表面传播的波的存在，这种波引起地震时毁灭性的震动。1)是界面波,当入射角时产生,沿井壁界面传播.其相速度介于泥浆波速度和地层横波速度之间.2)是复合模式波,存在多种模式,是无几何衰减的高频散波,存在截止频率.s3)随着频率增加,其相速度和群速度都逐渐减小.4)当频率趋于无穷大时,相速度等于井内流体纵波速度,而此时群速度存在极小值(比泥浆速度还小),此时伪瑞利波幅度达到最大,称为艾里相,即伪瑞利波能量主要集中在艾里相处.0.71.31.01.71.5020406080100频率(kHz)归一化速度a相速度群速度0.71.31.01.71.5020406080100频率(kHz)归一化速度a0.71.31.01.71.5020406080100频率(kHz)归一化速度a相速度群速度02040608010005102015频率(kHz)幅度b02040608010005102015频率(kHz)幅度b伪瑞利波频散曲线和幅度曲线（速度以井内泥浆速度归一化）艾里相四、斯通利波1924年，斯通利对波在两个固体界面的传播进行了研究，发现了表面波的类似形式。在流体-井筒表面传播的波被称为斯通利波。1)是界面波,当波数时产生,沿井壁界面传播.其相速度小于泥浆波速度.2)单一模式波,有轻微的频散特性.3)在硬地层中,无截止频率,低频时相速度接近流体声速的0.9倍,随频率增高速度稍增大,高频时约为流体声速的0.96倍.4)低频率斯通利波对地层渗透率非常敏感。当波遇到渗透性裂缝或地层时，流体相对于固体震动，在这些地层中产生粘滞扩散，使波产生衰减，而且速度变慢.开启裂缝也能导致斯通利波反射回发射器。反射波能量与入射波能量之比与裂缝开度有关。在井筒和地层界面传播的斯通利波2122/vk0102030401.00.71.2归一化速度频率(kHz)a相速度群速度36912150510152025频率(kHz)幅度01231.碳酸盐岩2.砂岩3.泥岩b36912150510152025频率(kHz)幅度01231.碳酸盐岩2.砂岩3.泥岩b斯通利波频散曲线和幅度曲线（速度以井内泥浆速度归一化）快地层单极发射器的典型波形对于软地层（流体声速大于地层横波速度）,不能激发出滑行横波和伪瑞利波，全波列中只出现滑行纵波和斯通利波，见教材图5-3。虽然在一些记录中，可以清楚地看到P波、S波和斯通利波的波至时间(见右图);。但是，在更多情况下，由于噪音高、井筒条件差或其它影响因素会使这些波至不清晰或相互混淆。第二节声波全波列测井原理一、长源距声波测井psps源距1m源距3m时间(s)3008001300psps源距1m源距3m时间(s)3008001300增大源距，在时间轴上区分纵波和横波1、CSU长源距声系(Schlumberger)T1、T2交替发射脉冲信号。T1发射，R1、R2接收，在这两个接收道上各记录一个声波全波列波形。以后T2发射，R1、R2又各自记录一个声波全波列波形，按次序将T1R1、T1R2、T2R1、T2R2的波形称为波形1、波形2、波形3、波形4。2ft8ft2ftR1R2T1T2长源距声波测井仪声系示意图12423431()('')'2()('')'2ccccccccccTTTTtllTTTTtll（=8）（=10）1234''''ccccTTTT、、、式中：分别为长源距声系深度上提9英尺8英寸后从四条波形中读出的纵波初始点声时。记录点为R1、R2的中点偏下1英寸。PSSTPSSTCSU全波列波形特征图2、3700长源距声系(Atlas)3700仪器声系采用双发双收结构，其组合方式为：T1发射R2接收，波形WF1，源距9ft；T1发射R1接收，波形WF2，源距7ft；T2发射R1接收，波形WF3，源距为9ft；T2发射R2接收，波形为WF4，源距为7ft。STST声系结构及记录的四道全波列波形3、阵列声波测井也称数字阵列声波测井（DigitalArrayLog，阿特拉斯公司简称DAC），分别在20世纪80年代末和90年代初推出。这种声波测井仪源距长、间距小（一般为6in）、接收探头个数多，一般接收探头8~12个。就物理原理而言，阵列声波测井仪器与长源距声波测井没有本质的差别，发射和接收探头仍使用对称振动模式，即单极子振动模式，只是各种性能得到了进一步改善，提高了信噪比，降低了发射探头的频率，有利于斯通利波记录和信息的提取。仪器项目斯伦贝谢阵列仪阿特拉斯阵列仪（DAC）Computalog阵列仪（DAT400）仪器长度(m)11.612.38.63接收器阵列数8128发射器中心频率(kHz)129发射器频带宽度(kHz)5~181~151~20(接收器)1~12数字化精度(A/D)81211三种阵列声波仪的比较二、波形信息提取方法声波全波列测井资料包含的信息非常丰富，各种组分波的传播速度、幅度衰减、频率主值以及波形包络等参数都与储层及性质有密切关系。这些参数可广泛用于非均质复杂储层的油气评价和钻采工程参数选择。声波全波列测井资料的一般处理流程是：首先识别和提取各道波形中纵波、横波、斯通利波等组分波的波至点；接着计算各组分波的声波时差和幅度衰减；然后对波形进行频谱分析，提取各分波的主频、峰值及能量等参数。本节主要介绍常用的波形识别法以及慢度-时间相关法。1、波形识别法在全波列测井波形中纵波作为首波，容易识别，但横波往往受纵波后续波和伪瑞利波的影响，不容易识别。当岩层横波速度大于井内流体声速时，可以直接在全波列波形图上识别横波。1）根据纵横波时差比变化范围，确定横波的初始波至点。(一般所有岩石1.4-2.2)TS—1.5-1.8TC21)1(2tpts2）根据纵波传播一周所需时间，纵横波传播源距L所需时间差值，就可以估计出纵波延续5-9个周波后出现横波。3）同相轴类比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。波形识别法2、慢度-时间相关法STC（Slowness-TimeCoherence）法是一种时域内的多道信号相关分析技术，通过在一组全波波列中开设时窗，以一定的慢度（时差）移动时窗来寻找纵波、横波、斯通利波，通过计算一系列相关系数，由此计算出各成分波的时差。设时窗长度为微秒，时窗移动的慢度（时差）为微秒/英尺，时窗在第一道波形上的位置为微秒，其相关系数为：TwsMmTmTMmmwwdtzmstrdtzmstrMs1020212)1(11),(当窗口内波形上的信号对比关系最好时，相干性就最大。这一深度的STC图（左下）在慢度-时间平面内用颜色显示相干性，最大的相干性用红色表示。相干性值投影到沿慢度轴的垂直条上，然后以薄水平带的形式显示在STC投影曲线的对应深度（右）。将所有深度的相干性最大值连起来，就得到每种波的慢度曲线。在STC法处理得到纵波、横波、斯通利波时差值之后，可估算出各成分波在全波波形上的初至时间。在各成分波初至时间后开一时窗，计算出窗口内信号的能量。一般用ENC、ENS、ENST表示纵波、横波、斯通利波的能量。三、阵列声波的井眼补偿原理接收阵列假发射阵列测量层段接收阵列假发射阵列测量层段通过对接收阵列中各个波列的差值计算，可以消除传统触发电平法的相位误差和“周波跳跃”等现象，而且提高了提取波形信息的精度。STC信息提取的阵列声波测井结果第三节多极子阵列声波测井方法多极子阵列声波测井是上世纪90年代和本世纪初出现的，以斯伦贝谢公司的偶极横波成像仪（DSI）、SonicScanner多极阵列扫描声波测井仪和阿特拉斯公司的多极子阵列声波测井（MAC、XMAC）为代表，推动了声波测井的发展。一、问题的提出单极子声源振动示意图压力脉冲源，声波的辐射能量一般均匀分布的（至少在横截面内），声学上称这种源为单极子源（Monopole），但在慢速软地层（横波速度小于泥浆速度）时，得不到井壁临界折射横波信息。右图为单极子声源示意图。单极子源一般是圆管型的换能器以轴对称方式沿径向振动（膨胀或缩小）。偶极子声源振动示意图为了得到慢速地层横波速度，这就促使偶极（Dipole）横波测井