偶极子声波的正交原理及其在地层评价中的应用

时差大于 130 ms/ ft, 使用这一方法尤其方便。因为在
这种情况 下少量的气就能够大幅度地减少纵 波的速
度, 而气的饱和度的增加对横波的速度只有很小的影
响。所以使用纵横波比对横波时差的交汇图, 如图 2
所示, 可以确定饱含水砂岩和泥岩以及含烃砂岩, 含水 饱和度最小的泥岩线下的点表示了含气指示[ 5] 。
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石油 仪器 PET ROLEUM INSTRUMENTS
2009 年 10 月
图 2 纵横波比对横波时差的交汇图
3. 3 判断裂缝发育井段、类型, 分析裂缝储层的渗流 特性 利用纵、横、斯通利波的幅度衰减直观地判断裂缝
发育带, 分析裂缝有效性。裂缝可以使声波幅度衰减, 横波、纵波和斯通利波的幅度在碰到裂缝时衰减程度 不一样。由于斯通利波的能量高、受岩性影响小, 所以 最有利于用来做裂缝情况分析。斯通利波沿井壁传输 时使井壁受到压缩或拉伸, 由于孔隙流体的流动, 引起 斯通利波发生能量散射, 这与斯通利波的幅度衰减有 很大的关系。斯通利波的能量散射与孔隙内流体与岩
图 1 偶极子声波仪器及横波传播示意图
和 Y 轴正交放置, 通过选择 X 轴或者 Y 轴的偶极子, 可以产生不同方向上的横波。对于一个同样处于正交
状态的接收器, 则可以接收到四个不同的分量, 从而判 断地层的各向异性。如图 1 上右所示, XX 和 YY 表示 方向与发射源一致的偶极子的接收信号; XY 和 YX 表 示方向与发射源垂直的偶极子的接收信号, 比较各个 分量可以看出地层的各向异性。
m3, 首次突破煤成气的高产。
4 结束语
[ 2] 楚 泽涵. 声 波测 井 原 理 [ M ] . 北 京: 石 油 工业 出 版 社, 198 7
[ 3] 谭炎栋, 林 峰, 陆大卫, 等. 测井学[M ] . 北京: 石油工业
通过实际运用的效果来看, 正交偶极阵列声波在 储层复杂、泥质含量较高时, 能有效识别气层, 为储层 解释及完井作业提供重要依据; 正交偶极子声源发射 和接收方法, 使之能够较好地分析地层的各向异性和 地应力走向; 由于低频斯通利波的合理使用, 使之成为
在早期进行的地震勘探和 VSP 测井的过程中, 发
第一作者简介: 徐忠清, 男, 工程师, 在职工程硕士, 就读于中国石油大学 ( 华东) 地球资源 与信息学院。1992 年毕业 于江汉石 油学院测 井仪器及 测量技术专业, 现在中国石油集团测井有限公司测井仪器厂从事井下仪器研发工作。邮编: 710061
3. 5 进行井眼稳定性分析和压裂高度预测等 高压地层通常有高压的富含水上覆泥岩, 会使声
波时差的值比正常情况下要高, 所以可以用声波时差 来计算孔隙压力, 评估井眼水力安全和力学稳定性, 给 钻井作业的稳定施工提供依据。还可以进行压裂高度 预测和压裂效果检测, 图 3 是某井的压裂高度预测成 果图。计算的地层初始破裂压力为 69. 2 MPa, 38 号层 被首先压开, 设定压力增加步长为 1. 0 MPa, 增加 4 个
3. 1 岩性识别和孔隙度计算 根据时差来确定孔隙度: 利用纵横波速度比、泊松
比等参数, 确定地层的力学参数及岩性。根据纵横波
速度来确定体积模量、剪切模量、泊松比、杨氏模量等。
体积模量 K = Q( v2p- 4/ 3vs2) ; 剪切模量 G = Qvs2; 杨氏
模量 E =
Qv
2 s
[
3(
v
2p/
出版社, 1998 [ 4] 唐晓明, 郑传汉. 定量测井 声学[ M ] . 北京: 石油 工业出
版社, 2004 [ 5] 曾文冲. 油气储集层测井 技术[ M ] . 北京: 石油工 业出版
社, 1991 [ 6] Dominguez, Hector and Gustavo Perez, The Log Analyst : Per-
1 偶极子及正交偶极子的工作原理
1. 1 偶极子 与单极子发射器使井壁的各个方向同时收缩或扩
张不同, 偶极子发射器相当于一个活塞。当它工作时, 使井壁的一边增压, 另一边减压, 由此造成一个微小的 井壁扰曲, 形成沿井壁的扰曲波[ 3] 。在低频的时候, 扰 曲波的传播速度很接近横波在地层中的传播速度, 可 以当作横波在实际测量中来运用。由于直接激发产生 的横波的频率比通过模式转换产生的横波频率低, 因 而偶极子 横波测井在井壁的径向上有较大的 探测深 度。扰曲波在地层中由于因为波的散射, 随扰曲波频 率增大其速度会小于地层横波的速度, 但是在声波波 长大于或者等于三倍井眼直径时, 其速度 v = vs, 在频 率较高时, 要通过散射校正来进行处理, 但低频时有很 好的表现。 1. 2 正交偶极子
用, 使得正交偶极子声波测井仪能够更好地应用在软 地层和更好的确定地层的各向异性; 偶极子发射器发 射的低频分量( < 400 H z) , 提高了对于大孔隙软地层 的识别能力; 接收器良好的低频相应, 确保了运用斯通 利波进行渗透率分析的可靠性[ 6] 。
3 主要的地质应用
2 正交偶极子声波仪
图 1 下是正交偶极子阵列声波仪器示意图, 它采 用了两个位于仪器上同一轴向位置的偶极子( 处于正 交状态) 、两个单极子作为发射器组合, 八个正交偶极 子作为接收器组合, 其中两个正交的偶极子可以用于 发射方向相差 90b的横波, 并由接收器上同样处于正 交状态的偶极子接收, 这样可以通过正交接收从而根 据快慢横波的特性来判断井壁地层在与井轴垂直的平 面内的各向异性。8 个接收偶极子中每个都是由 4 个 正交的压电元件组成因此可以作为单极子, 也可以作 为偶极子使用。这样的组合目的是为了产生带宽范围 很广的声波脉冲信号( 无论是横波还是纵波) , 并通过 发射器和接收器的不同选择组合以及不同的工作模式 ( 单极子、偶极子或正交偶极子) 来取得不同的地质信 息。所以正交偶极子声波测井仪可以测量包括各种波 型在内的单极子全波列, 偶极子全波列, 正交偶极子全 波列。值得提出的是, 由于偶极子及正交偶极子的使
折射横波: 当 5 1= 5 ( c , s ) ( 第二临界角) 时, 5 2 = 90b, sin 5 2= 1, v 2= v ( s , f ) , v 1= v ( c , bh ) , sin 5 ( c , s ) = v ( c, bh) / v ( s ,f ) ;
这里 v ( c, bh) 是纵波在泥浆中的速度, v ( c, f ) 是 纵波在地层中的速度, v ( s, f ) 是横波在地层中的速 度。
从上面可以看出, 对于纵波, 由于地层的速度总是 大于井眼的速度, 在入射角度达到临界角的时候, 总能 够产生滑行纵波, 但是对于横波, 只有当地层横波声速 v ( s , f ) > 泥浆纵波声速 v ( c , bh) 时, 才会产生滑行横
波。除了上述滑行纵波和滑行横波外, 通过与井壁的 作用还产 生沿井壁传播的斯通利波即管波和 其他波 形。通常的波形在时间上的先后顺序是: 纵波、横波和 斯通利波 , ,。但是在软地层( 横波时差大于 350 Ls/ ft) 时, 如果当横波声速 v ( s , f ) < 泥浆纵波声速 v ( c, bh) 时, 即 使满足临 界角条件, 也不 能够产 生滑行 横 波, 为 了 解 决 这 一 问 题, 引 入 了 偶 极 子 发 射 的 方 法[ 1、2] 。
SNELL 法则: v 2 @ sin 5 1= v 1 @ sin 5 2; 5 1, 5 2 分 别为入射角和折射角; v 1, v 2 分别为入射波和折射波 在不同介质中的速度;
折射纵波: 当 5 1= 5 ( c, p ) ( 第一临界角) 时, 5 2 = 90b, sin 5 2= 1, v 2= v ( c, f ) , v 1 = v ( c , bh ) , sin 5 ( c , p ) = v ( c, bh ) / v ( c, f ) ;
图 3 某井压裂高度预测成果图
压力步长即 73. 2 MPa 时, 37、38 号两个层均被连通压
开。完井压裂实际设计的工程破裂压力为 69. 3 MPa ~ 73. 4 MPa, 压裂获得成功, 日产天然气流 11. 6 @ 104
参考文献
[ 1] 蒂穆尔 A . 声波测井[ M ] . 北京: 石油工业出版社, 1985
中图法分类号: P 631. 8+ 3 文献标识码 : B 文章编号: 1004-9134( 2009) 05- 0062-03
0引言
传统的声波仪器使用压电陶瓷换能器产生和接收 在地层中传播的声波, 典型的情况是仪器在充满泥浆 的井眼中并居中, 由发射器产生单极子声波, 由于液体 ( 泥浆) 不能传输横波, 所以只有其中的纵波到达泥浆 与井壁的交界面, 并在此处产生反射和折射, 并通过纵 波的模式转换产生折射纵波和折射横波, 根据 SNELL 法则, 在入射波满足第一和第二临界角条件时, 通常的 情况下是产生了滑行纵波和滑行横波。
2009 年 第 23 卷 第 5 期
徐忠清等: 偶极子声波的正交原理及其在地层评价中的应用
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现地面接收到的横波信号幅度受接收器放置方位的影 响很大, 当地面接收器垂直于发射器方向时, 得到的横 波幅度与平行于发射器的接收器接收到的幅度相比要 大, 经过分析得知横波在各向异性的地层中会发生双 折射现象, 即出现横波在两个垂直方向上的传播速度 不一样的现象。于是根据快慢横波的速度不同可以确
解释渗透层的关键技术; 同时能够更好地应用在软地
meability Estimation in Naturally Fractured F ields by Analy-ຫໍສະໝຸດ 层, 提供准确的地质信息。
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#方法研究#
石油 仪器 PET ROLEUM INSTRUMENTS
2009 年 10 月
偶极子声波的正交原理及其在地层评价中的应用
徐忠清1、2 陈草棠1 罗学东1、3 张 琴2 许 晶2 项定玲2
( 1. 中国石油大学( 华东) 地球资源与信息学院 山东 东营) ( 2. 中国石油集团测井有限公司测井仪器厂 陕 西 西安) ( 3. 中国石油集团测井有限公司华北事业部 河北 任丘)
摘 要: 系统地介绍了声波 测井的声学理论基础、偶极子声波 发射器的 工作过 程以及 正交偶 极子发射 器和接 收器的 工作原理。以试验和实际应用中的相关实 例, 阐述了正交偶极子声波在储层评价上关于解释地 层各向异性、流 体渗流特 性、压裂高度预测和评价气层以及气- 水界面等几个方面的应用。 关 键 词: 正交偶极子; 斯通利波; 扰曲波; 各向异 性; 地应力; 压裂
v s2)
4]
/
[
(
v
2 p
/
v
2 s
)
-
1] ; 泊松比
M=
[ ( v 2p/ v s2) - 2] / 2[ ( v 2p/ v 2s ) - 1] [ 5] 。
3. 2 识别气层和气- 水界面
根据偶极阵列声波资料得出的纵横波速度比及其
他岩石力学参数, 可比较有效识别气层与气 ) 水界面。
应用纵横波速度比、泊松比、体积压缩系数、波形等, 综 合评价油气层和划分气水界面。由于在碎屑岩时横波
石骨架的相对运动成正比, 由流体在孔隙内流动的难 易程度来控制。因此岩石渗透性、流体粘度以及流体 的可压缩性支配着斯通利波能量散射的程度。斯通利 波的幅度衰减程度表明了储层流体的渗流特性[ 2] 。 3. 4 地层各向异性分析
在裂缝性地层或构造应力不平衡的非裂缝性地层 中, 根据快横波和慢横波的检测, 可以分析地层的各向 异性大小、方向及其影响因素, 并确定现今最大水平主 应力的方向、大小。有时候部分层段地层各向异性强, 是与这些层段裂缝发育有关。快横波方位角能够表明 现今水平最大主应力方向。
定地应力的方位及裂缝的情况。正交偶极子在各向异 性的地层中, 就是利用了横波双折射这一原理来确定 地层的各向异性。偶极子声波仪器及横波传播示意图 如图 1 所示, 快横波的方向与裂缝的方向走向即最大 水平地应力的方向一致, 而慢横波的方向与其垂直, 如 图1 上左 。正 交 偶极 子 就是 两 个偶 极 子分 别 沿X 轴