偶极随钻声波测井声压和径向位移响应的差异
水平井随钻测井与常规测井响应特征对比分析
水平井随钻测井与常规测井响应特征对比分析冯 亮(成都理工大学“油气藏地质与开发工程”国家重点实验室,四川成都 610059) 摘 要:本文着重讨论了随钻测井与常规测井在水平井中它们各自的优点以及在生产实际当中的应用,分析了随钻测井发展过程和它今后的趋势。
通过实例分析对比两者曲线响应异同,总结出了一套两者对比的实用方法,并用随钻测井资料分析实例。
关键词:随钻测井;常规测井;水平井;响应 本文是水平井随钻测井与常规测井响应特征对比分析,它主要目的是了解随钻测井工作原理及资料特征,对比分析随钻测井与常规测井响应的应用并总结一套两者对比的实用方法,来处理解释测井资料。
因为现在随钻测井在油田的应用已经相当普遍,所以把随钻测井与常规测井做一个系统的比较有助于我们在实际生产当中选择更好的方法,在具体的实施当中了解两者的优点,选用最合适的方法解决我们在生产中遇到的难题。
1 随钻测井基本原理在钻井过程中同时进行的测井称之为随钻测井。
随钻测井系统中随钻测井的井下仪器的安装与常规测井的仪器基本相同,所不同的是各仪器单元均安装在钻铤中,这些钻铤必须能够适应正常的泥浆循环。
用随钻测井系统进行随钻测井作业比电缆测井作业简单。
首先在地面把各种随钻测井仪器刻度好,然后把他们对接起来进行整体检验,再把随钻测井仪接在钻杆的底部,最后接上底部钻具总成和钻头,至此,就可以进行钻井和随钻测井作业了。
随钻测井有2种记录方式,一是地面记录,即将井下实时测得的数据信号通过钻井液脉冲传送到地面进行处理记录;二是井下存储,待起钻时将数据体起出。
2 随钻测井与常规测井实例曲线对比图1 随钻测井与电缆测井仪器正演曲线对比 左边可以看出,电缆测井的电阻率曲线基本和地层真实电阻率曲线吻合,但在有些地方有稍微偏差,比如150m 深度的地方,电缆测井深感应电阻率要高于地层真实电阻率,在100m 的地方,电缆测井浅感应电阻率也要稍高于地层真实电阻率;而在图右边的随钻测井电阻率曲线却和地层真实电阻率曲线比较吻合,所以在两种测井的仪器正演方面随钻测井要好于电缆测井,也就是说随钻测井受地层因素影响要小。
关于声波测井技术的研究进展
2017年10月关于声波测井技术的研究进展宜伟(重庆矿产资源开发有限公司,重庆401123)摘要：测井工作的开展是为了更好地加强对油井开发和利用的准备性工作。
在测井工作中，声波测井技术的应用最为广泛。
声波测井包含了相控声波测井和偶极声波测井两种技术。
为了更好地在测井工作中加强对其的应用，本文对这两种声波测井技术的现状进行了研究。
以便于提高测井工作的效率。
关键词：声波测井技术；相控声波测井；偶极声波测井声波测井属于地球物理测井体系，其理论基础为地下岩石声学的物理特性，且在石油资源勘探开发中得到有效的应用。
加上对石油资源的需求量正在不断的提升，测井工作量也在不断的加大，所以只有注重对声波测井技术现状的研究，才能更好地促进声波测井技术水平的提升。
以下笔者就此展开探究性的分析。
石油资源勘探开发中，加强测井技术的应用，主要是在井筒内获得精度更高的地层横波与纵波信息。
并利用这些信息对储层的识别和评价以及力学性能的研究实施定性评价，掌握运算定量数据的必要参数。
尤其是采用声波测井技术，则能更好地获得地层纵波波速。
因而我们必须切实加强对其的分析和研究[1]。
1研究进展分析目前在声波测井工作中，常见的声波测井技术主要有相控声波测井和偶极声波测井技术。
以下笔者就这两种声波测井技术的研究进展做出分析。
1.1相控声波测井技术在石油测井工作中的研究进展分析就当前的声波测井技术而言，经过多年的发展，以单极子声波测井技术为代表的测井技术目前属于较为成熟和完善的技术。
但是除了单极子声波测井技术外，还有多极子声波测井技术，在多极子声波测井技术中，最具代表性的要属非对称声源技术，并逐步走向产业化进程[2]。
而就目前来看，新兴声波测井技术就要属相控声波测井技术，且得到诸多学者的研究和关注。
这一技术的特点是在井下声波下实施定向辐射与接收，并能从根本上确保各向异性和非均质地层的评价与探测能力以及信噪比的提高和方位测量分辨率时面临的难题。
所以这一技术在进行方位声波测井时得到了广泛的应用。
正交偶极子声波测井
Particle Motion
Wave Direction
1、声波测井发展历程
声波测井是根据声波的物理传播特性测量井下岩层的声波传播速度（时差） 或幅度衰减等规律，据此判断地层的岩性、估算孔隙度以及岩石的弹性力学 性质的测井方法。 声波测井方法50年代初在国外开始出现，早期的声波测井方法与地震勘探 得原理类似，主要记录声波传播速度。 在近50年的发展中，先后出现了用于检查水泥胶结质量的声幅测井；测量 井剖面声波纵波速度倒数（慢度或声波时差）的声速测井；能够得到井壁上 孔洞、裂缝分布情况直观图像的井下声波电视测井，以及在此基础上发展起 来的井周声波扫描成像测井。 20世纪70年代末出现长源距声波全波列测井，实现了对滑行纵波、滑行横 波、伪瑞利波和斯通利波等在时间轴上的分离，从而实现了对声波全波列的 数字化记录。
1、声波测井发展历程
使用单极子声源很难获得准确的横波信息，提出了偶极子横波测井的方法。 1967年，White首先提出了利用偶极子源能够产生横波信号，并且于1971 年提出了可能的横波速度测井仪。 1980年，Kitsuzezaki首次研制成功一种以低频工作的电磁驱动偶极子横波 测井仪，该仪器使用的声源是一个电磁铁，由永久磁铁、线圈和激发器组成 的间接激发型偶极子声源，接收器用可伸缩的橡胶管制成。 通过实验室和现场实验，证明使用该仪器能在近地表地层可靠地探测到直 接横波信号。由于受到温度和压力的影响，实验只限于在较浅深度的软地层 中进行。 为了适应较深探测范围内的各种地层，发展了各种压电换能器偶极子横波 测井仪。
《测井新方法》
第五讲：正交偶极子声波测井
张元中 中国石油大学（北京）资源与信息学院测井研究中心 zhangyz@; mr.zhangyz@
利用偶极子声波测井进行储层可压性评价
利用偶极子声波测井进行储层可压性评价摘要：随着油气田开发进度的深入，储层压裂效果直接影响到后期储层产量及增产措施。
本文应用气田应用较多的偶极子声波测井，构建一套储层可压性评价方法，在评价压裂效果的同时，为后期压裂提供指导参数，为油气公司的工程压裂施工提供测井技术支撑。
关键词：偶极横波；各向异性；裂缝检测；压裂鄂尔多斯盆地上古生界裂缝性气藏不断取得突破，但是每口井产能差较大，而且几乎每口井都需要压裂改造，因此有效的压裂检测技术，不仅能评价压裂效果好坏，还能有效评价压裂规模与产能之间的关系，指导后期压裂改造方案。
本文总结利用压后偶极子声波测井进行压裂改造效果评价效果，在实践中取得了显著效果。
由于偶极子声波测井不仅可以获得地层纵波，而且可以获得地层发射回来的横波及斯通利波，从而拓展了声波测井的应用范围。
在构造应力不均衡或裂缝性地层中，横波在传播过程中通常分离成快横波、慢横波，且显示出方位各向异性，沿裂缝走向或最大主应力方向上传播速度比垂直于裂缝走向或最小主应力方向上传播的横波速度要快，这就称之为地层横波速度的各向异性。
1 偶极子声波压裂检测原理偶极技术采用偶极声波源，当偶极子声源振动时，很像一个活塞，能使井壁一侧的压力增加，而另一侧压力减小，使井壁产生扰动，形成轻微的扰曲，这种由井眼扰曲运动产生的剪切扰曲波具有频散特性，在适当的低频范围内该扰曲波的传播速度趋近于横波，其传播方向与井轴平行。
交互式多极子阵列声波仪是将一个单极阵列和一个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。
一般将裂缝按地质成因、裂缝开度、裂缝力学成因等来进行划分。
根据裂缝成因可将裂缝分为两种，即地应力造成的天然裂缝和压裂时形成的人工裂缝。
通过实验可以证明，由压裂造成的人工裂缝产生的快慢横波的频散曲线平行，而地应力造成的天然裂缝产生的快慢横波的频散曲线交叉。
因此可以根据横波频散曲线的特征，区分地层不同裂缝的成因。
随钻测井四极子探测地层横波各向异性
其 中Ｒ是转置矩阵 ：
ｒ ａ ｃ
ｆ
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新的硬度张量就变为 ：
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… … … ＾ ｐ ～ …
这与Ｔ介质 中电缆 偶极子仪器 的测量结果相似 Ｉ 。
“）● － ’－越 －
本 文利用有限 差分方法 模拟 四极子 波的传播 ，用 横向各 向同 性 （ Ｉ 模型来描述地层的各向异性 。１介质的弹性刚度张量为 ： Ｔ） 广 Ｉ
ＣＩ ＣＩ ＣＢ 】 ２ Ｃｌ Ｃ” Ｉ ｃ＝
偶极子频散曲线也不能逼近真实 的地层横波速度 。这些特性使得四极 子比偶极子在随钻测井 中更具有优势 。现场实例 已经证明了用四极子 测量 硬地层 和软地层横波速度 的有效性“ 一。在此基 础上 ，本文 着重
研究通过随钻测井环境下四极子波形模拟以及速度分析来探测识别地 层横波各向异性 。
质 Ｔｍ 数 ： ； ％ ；＝ 毫 。ｈ 参 为 ： ｏ。 ， 坠 ＝
对 于沉积岩 和结晶岩 ，参数 有很大的 变化 。当波阵 面是 椭 圆 时， 选择 ＝ 的特殊情况 。用 不均匀的有限差分格 子，选择井眼大 小 为８ 英寸 ，泥浆 比重为 １ ｌ ｇｌ ． ５ １ｂ ａ。假设泥浆硬度和水 的硬度相同 ， ／ 已知泥浆慢度 为２７ ｓｆ，钻铤的 内部直径 为 ２ ２ ＃／ ｌ 英寸 ，外 部直径为 ７ 寸 。纵波 、横 波 慢 度分 别 为５ ／ 和 ９ ／ ／ ，钻 环 密度 为 英 ２ ７ａ ｓ
最新随钻声波测井仪器的技术性能
最新随钻声波测井仪器的技术性能近年来，声波测井技术已成功应用于随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)中。
随钻声波测井技术为钻井施工和储层评价提供了全面的数据支持和测井解释。
目前，国外三大公司分别推出了最新的随钻声波仪器，它们分别是贝克休斯公司的APX随钻声波测井仪，哈里波顿Sperry Drilling Service公司研制的双模式随钻声波测井仪器（BAT）和斯伦贝谢公司研制的新一代随钻声波仪器sonicVISION。
下面我们对三种仪器的性能分别进行介绍和对比。
1．APX随钻声波测井仪APX随钻声波测井仪由贝克休斯公司INTEQ公司生产，其结构简图见图1。
该仪器声源以最佳频率向井眼周围地层发射声波，声波在沿井壁传播的过程中被接收器检测并接收。
接收器采用了先进的嵌入技术，将接收到的声波模拟信号转换为数字信号，以获取地层声波时差(△t)，而后将原始声波波形数据和预处理的声波波形数据存储在高速存储器内。
仪器的主要技术性能●计算机模型(FEA)：该模型是为声学仪器的优化配置而设计，同时具备有助于不同窗口模式的评价和解释。
●全向发射器：与典型的LWD仪器等单向的有线测井仪不同，APX发射器使用一组圆柱形压电晶体，对井眼和周围地层提供3600的覆盖范围，其声源能够在10～18，000Hz频率范围内调频，并可以单极子和偶极子发射。
●全向接收器阵列：6×4接收器阵列，间距228.6mm。
这种全向结构类似于XMAC电缆测井系统，接收器阵列与声源排成一条线，以实现径向多极子声波激发。
●接收器。
该仪器的声源具有优化发射频率功能，其接收器有几个比仪器本身信号低很多的波段，可以显著减少接收器及钻柱连接的干扰。
在关掉发射源的情况下，该仪器测试到的信号主要来自于频率低于5KHz的PDC钻头噪音。
●较大的动力范围。
该仪器具有较大的信号采集动力范围，能够显著提高信号穿越地层的能力，有助于信号的提取。
●四极子波技术。
首次采用四极子波发射技术，同时兼容单极子和偶极子的信号发射和接收。
基于偶极子声波测井
3、当储层及围岩裂缝不发育时，在施工方式相同的情况下 加砂量与裂缝延伸高度存在正比关系
80
裂缝延伸高度（m）
60
40
20
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80
加砂量（m3）
加砂量与裂缝延伸高度的关系
4、固井质量不好的井压裂缝高度控制难度大
油：油花 水：39.50m3/d
延
10
黄xxx延10测井解释成果图
白xxx井长6 测井综合成果图
砂 油 层：17.6m 层：14.3m
白xxx井长6声电成像成果图
孔 隙 度：10.0％ 渗 透 率：0.32mD 油 水 饱：42.38％ 饱：21.22％
油：4.59t/d 水：0
电 阻 率：50.49Ωm 声波时差：229.07μs/m 密 试 度：2.44g/cm3 油： 长
基于偶极子声波测井的 压裂效果诊断研究
汇报目录
一、研究必要性及技术路线
二、压裂缝检测的基本原理
三、各向异性的测井表征方法
四、压前压后测井对比试验
五、应用效果分析 六、主要认识
一、研究的必要性及技术路线
（一）必要性
•低孔渗储层，几乎都要经过压裂改造才有产能
•压裂改造技术是增油控水的有效措施 •目前缺少经济有效的检测压效果的方法
孔 隙 度：14.8％ 渗 透 率：143.26mD 油 饱：18.25％ 水 饱：50.31％ 电 阻 率：7.01Ωm 声波时差：241.93μs/m 密 度：2.37g/cm3
黄xxx延10压后各向异性成果图
水力加砂压裂改造，加砂：3.0m3， 砂比：15.4%，排量：0.8m3/min，破裂压力：16.0Mpa。
次砂比都为35.0％，两次排量分别为2.2m3/min和2.0m3/min。
随钻声波测井的声场分析
10
一、绪论
低渗透油藏渗流特征及其试井分析
11
低渗透油藏渗流特征及其试井分析
请老师和各位同学批评指正
12
4
研究思路
低渗透油藏渗流特征及其试井分析
在实际的测井过程中，通过接收器往往只能测量到位移和声压信号，所以我们必须得 到井孔声场中位移和声压的表达式。
5
一、绪论
低渗透油藏渗流特征及其试井分析
6
一、绪论
低渗透油藏渗流特征及其试井分析
在钻铤和钻铤内流体的交界面（r=c）处 法向位移连续： 法向应力连续： 切向应力连续： 切向应力连续： 在钻铤和钻铤外流体的交界面（r=b）处 法向位移连续： 法向应力连续： 切向应力连续： 切向应力连续： 在钻铤外流体和地层的交界面（r=a）处 法向位移连续： 法向应力连续： 切向应力连续： 切向油藏渗流特征及其试井分析
1几何上是轴对称
2径向方向上存在四层介质：钻铤内流体、 钻铤、钻铤与地层之间的流体和井外地 层。 3忽略钻铤本身半径的变化，将钻铤简化 为等半径的各向同性的均匀的弹性圆柱 壳，钻铤内和钻铤与地层之间均是填充 同一种理想流体，井外是无限延伸的均 匀地层，声源的发射器和接收器均附着 在钻铤的外表面。
在钻铤和钻铤外流体的交界面rb处在钻铤外流体和地层的交界面ra处低渗透油藏渗流特征及其试井分析一绪论纵波速度横波速度密度半径钻铤柱内液体1470100000275860313078000090钻铤外流体147010000117快速地层397224652320低渗透油藏渗流特征及其试井分析一绪论低渗透油藏渗流特征及其试井分析一绪论10低渗透油藏渗流特征及其试井分析一绪论11低渗透油藏渗流特征及其试井分析12请老师和各位同学批评指正
汇报人：叶正伟
斜井偶极子声波各向异性分析及解释
斜井偶极子声波各向异性分析及解释王志美;王涛【摘要】目前石油勘探和采油的趋势是钻了越来越多的斜井、大斜度井,甚至水平井,特别是在深水储层中.随着勘探开发的需要,越来越多的斜井、甚至大斜度井中都进行了偶极子声波各向异性测量.由于斜井井眼轨迹既不平行也不垂直于地层沉积面,因此,测量的各向异性是该斜井的视各向异性.本文结合井身结构分析各向异性数据,描述各向异性特征,区分应力等原因产生的各向异性,明确了井斜、方位、层界面等对地层各向异性的影响,在此基础上可更精确的解释地层各向异性及其地质环境特征.【期刊名称】《石油化工应用》【年(卷),期】2015(034)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】斜井;声波各向异性;井斜方位【作者】王志美;王涛【作者单位】中国石化胜利石油工程公司测井公司,山东东营257061;中国石化胜利石油工程公司测井公司,山东东营257061【正文语种】中文【中图分类】TE311现在，石油勘探开发的趋势是各油田越来越多的采用斜井，甚至水平井钻井方式，对各种储集层进行勘探开发。
与直井相比，斜井、水平井能够和更多的垂直裂缝相交，从而可以提高泄油面积，极大的发挥储层潜力，提高原油采收率，获取更高的产能。
大斜度井和水平井的环境不同于垂直井，主要表现在空间位置、井眼、泥浆侵入、地层的非均质性以及各向异性等方面［1］。
同时，各油田期望通过各向异性测量了解更多的地层信息，但是由于斜井、大斜度井各向异性产生的原因及机理与直井有较大的不同，因而对斜井中声波各向异性的影响因素进行分析及解释变的尤为重要。
地球介质中的许多岩石呈现各向异性特征，如常见的沉积岩（如页岩）各向异性。
各向异性的存在使波的传播问题变得复杂，但大多数情况下，岩石的各向异性可以用最简单的横向各向同性模拟。
对于地层中的钻井来说，最常见的横向各向同性（TI）情况有两种：一种是横向各向同性地层的对称轴与井轴重合，称VTI。
另一种是环向各向异性，从井轴看出去各不同方向上的介质性质有所不同。
井旁溶洞的偶极反射声波测井响应研究
井旁溶洞的偶极反射声波测井响应研究李丹;乔文孝;车小花;鞠晓东【摘要】反射声波成像测井是适应复杂地区勘探开发的一种测井新技术,能够对井旁几米至几十米内声阻抗不连续的地层界面、裂缝、溶洞、盐丘等不同地质构造进行探测评价.针对井旁存在一个不同尺度大小的溶洞时的偶极反射声波测井响应进行了数值模拟,得到了不同情况下的回波信号,探究了地层横波波长与井旁溶洞尺度之间的关系.研究结果表明,等源距阵列波形中,溶洞的回波波列有特殊的\"抛物线\"型形态,上提过程中距溶洞最近时,回波到时最早、幅度最大.当井旁溶洞直径逐渐增大时,回波信号幅度越强,反射横波偏移成像的结果越清晰.通过该研究,初步形成了一种反射声波测井评价井旁溶洞的方法.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】7页(P767-773)【关键词】偶极横波;反射声波测井;井旁溶洞【作者】李丹;乔文孝;车小花;鞠晓东【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京 102249;中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京 102249;中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京102249;中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室北京 102249;中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室北京 102249【正文语种】中文【中图分类】P613.80 引言目前，碳酸盐岩储层的开发成为了油气田增储上产的主力军，对其储集类型的研究具有重要的意义。
碳酸盐岩油气藏的储集空间通常分为原生孔隙、溶洞和裂缝三类。
反射声波测井可以对井旁几米至数十米范围内的地质构造进行探测评价，是评价碳酸盐岩储层井旁孔洞的有效手段之一。
利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究
利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究王瑞甲;乔文孝;鞠晓东【摘要】Because the drill collar takes most of the space in the borehole, the mode waves in LWD conditions propagating along the borehole axis are quite different from that of wireline logging. In this work, a cross dipole acoustic LWD model was established, and the acoustic field of borehole surrounded by anisotropy in LWD conditions excited by dipole source was simulated using a three-dimensional finite difference method, and the response characteristics of formation acoustic anisotropy in cross dipole acoustic LWD were studied. Numerical results show that when the borehole axis is perpendicular to the symmetry axis of TI formation in the LWD conditions,flexural waves splitting still exist, and the fast shear wave angle can be estimated by the cross-dipole measurements and appropriated inversion method, and the velocities of fast and slow shear wave and the acoustic anisotropy information can be obtained by an appropriate inversion algorithm combined with the theoretical model. For the situation that the angle between the borehole axis and the symmetry axis is not 90° or 0°, the problem becomes very complicated. The velocity of flexural waves is inconsistent with the velocity of corresponding shear body waves with the changes of the angle between the borehole axis and formation symmetry axis. However, the velocity of shear waves is still the main controlling factor of flexural waves in certain frequency range. For the model studied in this paper, when the angle between the borehole axisand the symmetry axis is greater than 60°, the anisotropy parameter measured by flexural waves can basically indicate the true velocity anisotropy of shear waves for the corresponding angle.%在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息；对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2012(055)011【总页数】13页(P3870-3882)【关键词】随钻声波测井;正交偶极子声源;横向各向同性;数值模拟【作者】王瑞甲;乔文孝;鞠晓东【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249【正文语种】中文【中图分类】P6311 引言随钻声波测井在节省井架占用时间、利用测得的声波速度模型与地震勘探数据相结合实时确定地层界面的位置、估算地层孔隙压力等方面有着电缆测井无法比拟的优势[1］.关于随钻声波测井的研究，国内外已做了大量的工作.Minear和Legget成功实现了地层随钻纵波测量[2-3］；Tang等认为采用四极子声源进行随钻横波测量有着偶极子声波测井无法比拟的优势[4］；Sinha等也研究了随钻测井模型下各向同性地层井孔内导波的基本响应特征[5］.目前，随钻声波测井仪已基本实现了地层纵、横波测量的功能，下一步所面临的挑战是对地层的声学各向异性进行测量. 各向异性测量主要包括快横波面方位的确定和横波各向异性值的测量两个方面.尽管四极子声源在随钻地层横波测量方面取得了成功，但是限于其方位特性，很难利用四极子声源实现随钻地层各向异性测量.虽然部分学者已经在此方面开展了一些工作[6］，但是至今未见成功利用四极子声源实现地层各向异性测量的报道.采用正交偶极子声波测井方式评价地层各向异性的方法已经在电缆测井中得到了广泛的应用[7］.因为随钻四极子声波测井仪换能器的安装位置同正交偶极子声波测井仪器相同，且其接收站兼具备正交偶极子接收功能，通过合理的电路设计，可以较为方便地实现随钻正交偶极子声波测井，所以采用正交偶极子声源进行地层各向异性评价的方法为随钻地层各向异性测量的首选方式.研究各向异性地层随钻正交偶极子声波测井的响应特征，对偶极子声源在含钻铤各向异性地层井孔内激发的声场进行分析，可以帮助理解在随钻条件下各向异性地层井孔内沿井轴方向传播的弯曲波的特征，为新一代随钻声波各向异性测量仪器的设计及测量方案的设计提供理论指导.有关各向异性地层井孔声场的研究，国内外已经做了大量的工作.Cheng采用三维直角坐标系有限差分方法模拟了正交各向异性地层包围的井孔内多极子声源激发的声场[8］.Schmitt研究了介质对称轴同井轴平行情况下，多极子声源激发的模式波的频散曲线及衰减曲线，并分析了各地层参数对于井孔内导波的影响[9］.Sinha 采用三维柱坐标系有限差分方法模拟研究了典型的硬地层和软地层条件下，TI地层斜井情况下多极子声源激发的声场以及仪器的存在对于井内模式波频散特征的影响，他认为，各向异性地层中，弯曲波在低频下的传播速度为对应地层横波的相速度[10］.王秀明采用三维直角坐标系有限差分方法计算了TI地层斜井中的单极子声源和偶极子声源激发的声场，他的模拟结果表明声波测井所测得的弯曲波的速度同各向异性地层体波的群速度一致[11］.张碧星分别采用实轴积分和摄动积分的方法研究了TI地层中模式波的频散特性和激发强度[11］.陈雪莲和王瑞甲采用实轴积分法模拟了径向分层TI孔隙介质井孔内多极子声源激发的声场，并着重研究了渗透率对模式波衰减和幅度的影响以及井孔模式波的探测深度问题[12-13］.He和Hu等从理论上推导了井孔弯曲波的低频极限速度公式，并采用三维柱坐标系有限差分算法模拟了TI介质斜井中的弯曲波，他们的研究结果表明，大多数情况下，快、慢弯曲波的慢度近似等于沿井轴方向传播的地层快、慢横波的慢度[14-15］.闫守国和宋若龙等也模拟了横向各向同性斜井中偶极子声源激发的声场，并提出了采用守恒积分的方法解决柱坐标系波动方程在井轴上出现的奇异点的问题[16］.上述的研究均为电缆测井情况下各向异性地层声波测井模拟，鲜见有关在随钻条件下各向异性地层偶极子声源激发声场研究的报道.即使在地层为各向同性的情况下，由于钻铤占据了井内的大部分空间，随钻条件下的弯曲波的频散特性、激发特征均与电缆测井不同[1，17］.在地层为各向异性的情况下，偶极子声源激发的声场将更为复杂，无法采用解析的方法进行模拟.地层介质最为广泛存在的一种各向异性介质模型为横向各向同性（TI）介质.本文采用三维有限差分方法模拟研究了横向各向同性（TI）地层随钻正交偶极子声波测井，对地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征进行了分析，对采用随钻正交偶极子声波测井方式进行各向异性测量的可行性进行了评价.2 TI地层随钻声波测井声学模型与电缆测井不同，在随钻声波测井中，钻挺占据了井孔内的大部分空间.由于钻铤的存在，井孔内沿井轴方向传播的各种模式波的性质同电缆测井不同.图1a为TI 地层随钻测井声学模型示意图，S方向为TI介质的对称轴方向，它与井轴的夹角为α.如图1b所示，TI地层随钻测井声学模型可以简化为柱状径向分层声学模型，沿井径方向从内向外的介质依次为水、钢（钻铤）、水、地层，各介质的外径分别为r0、r1、r2和无穷大.井孔内充满流体.井孔外地层为无限大TI介质.钻铤位于井孔中央，钻铤中间的水眼中充满水.在实际测井中，尤其是在钻进过程中，钻铤并非完全居中，此时井中的声场将更为复杂.为了突出本文所关心的问题，本文的模型假设钻铤在井孔中完全居中.3 数值模拟方法3.1 波动方程的离散化由于地层为各向异性介质，该问题不存在解析解，必须采用数值方法来模拟地层中的声传播.三维有限差分方法是模拟复杂介质中声传播问题的常用方法[6，8，10-11，15-16，18］.本文采用三维有限差分方法来模拟随钻情况下的各向异性地层井孔中的声传播.任意各向异性介质中的运动方程和本构方程分别为式（1—3）和式（4）：图1 随钻测井声学模型示意图，包括（a）TI地层井孔随钻测井声学模型和（b）井孔横截面示意图Fig.1 Schematic of LWD acoustic model，including（a）acoustic model of borehole surrounded by TI formation in LWD conditions and（b）the cross section of the borehole其中vx、vy、vz 分别为x、y、z方向上质点振动速度分量；τxx、τyy、τzz分别为x、y、z方向上的正应力；τxy、τyz、τxz为剪切应力；ρ为介质的密度；cab （a=1～6，b=1～6）是各向异性介质的刚性系数.特别地，对于TI介质，当介质对称轴同z轴平行时，式（4）中仅c11、c12、c13、c22、c23、c33、c44、c55和c66不为零，且满足c12=c11-2c66、c23=c13、c22=c11和c44=c55，其它元素为零，这样采用c11、c13、c33、c44、c66五个参数即可描述TI介质中的波传播现象.通过Bond变换可以获得当介质对称轴同z轴呈一定夹角时介质的刚性系数矩阵[19］.对于TI介质，当介质对称轴在x-z平面内且同z轴呈一定夹角时，除上述几个参数之外，c15、c25、c35和c46也不为零.右侧的gab（a、b=x～z）表示力变化速度的体积源，和体力源fi（i=x～z）组合使用可以模拟各种声源.图2 交错网格1／8元胞示意图Fig.2 Schematic for 1／8cell of staggered grid 我们采用了交错网格的方式来实现差分的显式迭代过程.图2为采用的交错网格1／8元胞示意图.式（5）为速度和应力各分量在空间和时间上的位置，其中l表示网格的空间位置.正应力各分量τxx，τyy，τzz均位于整数网格节点上，切应力各分量和速度分量分别位于各自对应的半整数网格节点上.对于本文研究的TI地层与井轴斜交的情况，由于刚性系数矩阵元素c15、c25、c35和c46不为0，根据网格上各个物理量之间的位置关系，仅采用交错网格无法进行差分近似处理.如图2所示，在采用式（4）计算时，由于c15、c25、c35和c46不为零，需要网格（lx，ly，lz+1／2）处的速度值以及网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值，网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值针对此问题，一种解决方法是采用对速度场进行插值的方法获取上述点的速度值，另外一种方法是采用辅助交错网格的方法.本文采用了对速度场进行插值的方法.如式（6—9）所示，在计算时，首先计算该网格点上的应力值，应力值τxx的计算方法如式（6）所示，其他应力值的计算与式（6）类似，此处不做赘述.普通交错网格处的速度值仍旧按照式（1—3）进行计算，网格上（lx，ly，lz+1／2）处的速度值网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值以及网格（lx+1／2，ly，lz）的速度值可以通过对速度场进行插值的方法获得，如式（7—9）所示.据此，可以完成差分算法的显示迭代.其中，式（7—9）中，I表示平移算子，其两个下标分别表述平移算子的空间阶数和平移算子的方向.N为差分算子所采用的空间阶数的一半.采用本文的网格划分方法对式（1—4，6—9）进行离散化处理，得到显式的差分迭代格式.式（10）和式（11）分别为速度分量vx和应力分量τxx离散差分格式，其他分量及辅助交错网格各分量的迭代格式形式类似.式（10～11）中，δx、δy、δz 分别代表物理量在x、y、z方向的差分，Δt为计算采用的时间步长.3.2 稳定性条件在直角坐标系下，对于一般的各向异性介质，有限差分计算方法的稳定性条件为[11］式（12～13）中，vmax和vmin代表计算模型速度的最大值和最小值，am为采用的差分系数，Δx、Δy、Δz分别代表x、y、z方向的空间步长，fmax为声源覆盖的最高频率.3.3 声源的实现本文采用两个紧贴钻铤外侧振动相位相反的点声源来模拟偶极子声源.点声源的加载方法为式（14）所述形式[20］：式（14）中，I3为三维直角坐标系中网格的脉冲响应，sn为第n次迭代时加载的声源值，δ为单位脉冲函数，xs、ys 和zs分别为声源在x、y、z方向的坐标.声源函数采用了雷克子波函数，如式（15）所示.3.4 边界的处理在计算中，介质的刚性系数和密度均赋在整数节点上，对于非整数网格点的物理量，通过临近网格的物理量的平均得到.非整数网格点处的密度，通过式（16～18）所示的平均的方法获得.非整数网格点处的刚性系数通过如式（19～21）所示的计算方法获得.这样对于固液界面（钻铤-流体边界和流体-地层边界），通过式（16～21）所给出的平均的方法，边界条件自动满足.为了模拟无限大的地层，采用了完全匹配层（PML）技术来吸收向地层内传播的波[18］.PML层厚度选为地层纵波波长的一半.3.5 并行实现由于模型计算量较大，采用传统的串行计算方法无法满足计算需求.我们采用了OpenMP和MPI混合编程技术，将有限差分算法在集群上实现.MPI是目前在集群上应用最为广泛的并行计算技术.OpenMP虽然仅适用于单机多核计算，但是其计算效率高，易于编程实现，且目前大部分编译器都已经支持OpenMP技术.本文通过采用OpenMP和MPI混合编程技术，简化了并行算法的复杂性，提高了程序的执行效率.如图3所示，x和z分别代表直角坐标系的x方向和z方向，m和n分别代表采用的进程数和线程数，双向箭头表示相邻进程之间的通信.通过合理的计算区域划分，将计算任务分配到每个参与计算的节点上.通过MPI技术，在每个计算节点上开辟一个进程，通过进程间的通信和协作，实现计算的并行.在一个节点上，运用OpenMP技术，开辟多个线程，利用多核协同工作，加快计算的速度.图3 并行计算方案Fig.3 Parallel implementation of the algorithm对于240×240×300个网格，20000个时间步长的数值模型，采用5个CPU核心数为12的节点进行计算，每个节点开辟的线程数目为11，采用双精度进行计算时完成计算所需的时间大约为20h.4 数值模拟结果及分析4.1 数值模型参数图4为数值计算模型示意图，包括（a）模型主计算区域和（b）井孔横截面示意图.模型主计算区域的尺寸为1m×1m×4.8m，x、y、z方向的空间采样间隔分别为0.0075m、0.0075m和0.0125m.井孔位于模型中央，井轴与z轴平行.介质对称轴S位于x-z平面内，介质对称轴与井轴夹角为α.特别地，当α=0°时，井轴与介质对称轴平行，相当于竖直井井孔沿对称轴穿过VTI地层，当α=90°时，井轴与介质对称轴垂直，相当于竖直井井孔沿垂直于介质对称轴的方向穿过HTI地层.数值模拟时采用的地层参数为实验室内测量的各向异性介质的参数，该介质在TI 对称轴与z轴平行情况下的刚性参数如表1所示.井孔内流体及钻铤参数见表2，钻铤内径、外径及井眼直径分别为0.054m、0.180m和0.240m.声源加载在距离底界面0.8m处，采用在钻铤外径处加载两个震动相位相反的点声源的方法来模拟偶极子声源.偶极子接收器同样放置于钻铤外径处，接收器源距为2.0～3.5m，间距为0.15m.由于本文重点研究的对象为地层弯曲波，不涉及隔声及钻铤波问题的研究，为压制钻铤波，在发射器到源距最小的接收器之间将钻铤截断.表1 地层参数Table1 Formation parameters刚性参数c11（Gpa）c13（Gpa）c33（Gpa）c44（Gpa）c66（Gpa）密度（kg／m3）值13.83 5.89 9.39 2.60 2.99 1327.9表2 钻铤及钻铤内外流体的参数Table 2 Parameters of the collar and the fluid in and out of the collar参数纵波速度（m／s）横波速度（m／s）密度（kg／m3）钻铤5860 3130 7850流体1500 - 1000图4b为x-y平面内井孔横截面示意图.为描述方便，定义地层横向同性面和井轴垂直面之交线与偶极子声源偏振方向的夹角为β，发射探头和接收探头所对应的夹角分别为βT和βR.特别地，对于本文α=90°的井孔模型，β为偶极子声源偏振方向同快横波面的夹角.当βT=βR时，接收器与发射器偏振方向相同，测得波形为同向分量波形；当βR=βT+90°时，接收器与发射器偏振方向相差90°，测得波形为正交分量波形.特别地，当βT=0°时，声源的偏振方向与地层中传播的SH波偏振方向一致；当βT=90°时，声源的偏振方向与地层中传播的准SV波偏振方向一致.图4 数值模拟采用的模型示意图（a）及x-y截面示意图（b）Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation model（a）and diagram of x-ycross section（b）本文首先模拟了α=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°和90°情况下正交偶极子声波测井，借以研究在井轴与TI介质对称轴垂直的情况下，随钻正交偶极子声波测井对地层各向异性的评价能力，然后计算了α=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，βT=0°、90°情况下偶极子声源激发的声场，研究不同井斜情况下的随钻正交偶极子声波测井的响应特征.4.2 正交偶极子波形图5 α=90°时，βT=0°、90°偶极子在井孔中激励的偶极子波形，源距为2.0～3.5mFig.5 Dipole waveforms excited in the borehole by dipole source of source-receiver space 2.0～3.5m withα=90°，βT=0°、90°数值模拟了α=90°，βT=0°、90°情况下偶极子声源在井孔中激发的模式波.图5为数值模拟结果，其中实线为声源和接收器的方向βT，βR=0°时测得的偶极子波形，虚线为声源和接收器的方向βT，βR=90°时测得的偶极子波形.可以看到，βT=0°时偶极子声源激励的弯曲波的传播速度大于βT=90°时偶极子激励的弯曲波的传播速度，同对应的地层体波SH波和SV波（在α=90°时，纵波和SV波不耦合）的速度相一致.这表明，在钻铤存在的情况下，不同方向的偶极子声源激发的弯曲波速度的差异同地层横波速度的各向异性有关.数值模拟了α=90°，βT=0°、21.25°、45°和68.75°和90°情况下，偶极子声源在含钻铤井孔内激发的声场.图6为不同角度下偶极子声源在井孔中激发的同向分量波形（a）和正交分量波形（b）.从图6中可见，当βT=0°或者90°时，几乎接收不到正交分量波形信号，当βT=21.25°、45°、68.75°时，正交分量能量较强，且当βT=45°时正交分量能量最强；而同向分量波形能量在βT=0°或者90°时幅度较强，在βT=45°时幅度相对较弱.同向分量和正交分量的能量变化表明，在βT=0°或者90°时，弯曲波未发生分裂现象；βT=21.25°、45°、68.75°时，弯曲波发生了分裂现象.图6的模拟结果证实了，对于井轴同介质对称轴垂直的TI地层井孔，同电缆测井一致，在随钻条件下，弯曲波分裂现象仍然存在.图6 α=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°和90°时，模拟得到的（a）同向分量波形和（b）正交分量信号，源距为2mFig.6 Simulated inline componentwaveforms（a）and cross-line component waveforms（b）of source-receiver space 2mwithα=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°and 90°图7 α=90°，βT=68.75°时，数值模拟得到的四分量偶极子波形，包括同向分量波形（a）XX 和（c）YY，以及正交分量波形（b）XY和（d）YX，源距为2～3.5mFig.7 Simulated four-component dipole waveforms including incline component waveforms（a）XXand（c）YY，and cross-line component waveforms（b）XYand（d）YXof source-receiver space 2～3.5mwit hα=90°，βT=68.75°假设正交偶极子声源的两个正交的方向分别标记为X和Y.模拟了X方向同快横波面的夹角分别为βT=0°、21.25°、45°、68.75°、90°几种情况下正交偶极子声源在含钻铤井孔内激发的四分量偶极子波形.图7为βT=68.75°情况下模拟的四分量偶极子波形，包括同向分量波形（a）（c）和正交分量波形（b）（d）.对于各向同性地层，由于各方向地层声学参数均相同，不会接收到正交分量信号；对于各向异性地层，当声源偏振方向同介质对称轴呈一定夹角时，由于各向异性地层的耦合作用，会接收到正交分量.从图7中可以看到，正交分量信号XY和YX 均有较强的幅度，说明发生了弯曲波分裂现象.综上所述，在含钻铤TI地层井孔中，βT=0°、90°时偶极子声源激励的弯曲波未发生分裂现象，分别以较快、较慢的速度沿井轴传播；当声源偏振方向同介质对称轴呈一定夹角的情况下，弯曲波分裂成以快、慢速度传播的两种模式波，能够接收到较强幅度的正交分量信号.以上分析表明，同电缆测井条件下各向异性地层井孔中偶极子声源激发的声场类似，随钻条件下偶极子声源激发的弯曲波也存在分裂现象，且βT=0°时偶极子声源激励的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激励的弯曲波的速度.4.3 快横波面的确定快横波面定义为快横波偏振方向与井轴确定的平面.采用各向异性分析方法，通过四分量偶极子波形的旋转，从模拟得到的阵列波形中提取了快横波面的方位，通过对比反演得到的方位角同正演模型采用的方位角，分析采用随钻正交偶极子测井进行快横波面方位测量的可行性.图8为α=90°井内，在快横波面同声源偏振方向的夹角βT=68.75°的情况下，通过Alford四分量波形旋转方法[12］得到的正交分量相对能量随仪器旋转角度的变化图，其极小值对应着目的快横波面方位.正交分量的相对能量定义为正交分量波形能量占四分量波形总能量的比例.从图8中反演得到的快横波面同声源的偏振方向的夹角β′T为69.71°.图9为采用图8所示方法从模拟得到的阵列波形中反演得到的快横波面的方位同模型实际采用的方位的对比图，其中实线为模拟时实际的快横波面同声源的偏振方向的夹角βT，空心圆圈为从数值模拟的波形中反演得到的声源的偏振方向同快横波面的夹角β′T.从图9中可见，反演得到的快横波面方位同模型实际的方位一致性非常好.数值模拟结果证明，在随钻条件下采用正交偶极子声波测量方式能够对地层的快横波方位进行评价.在这一点上，随钻条件下的正交偶极子声波测井同电缆测井情况一致.图8 α=90°井内，βT=68.75°情况下，正交分量相对能量随仪器旋转角度变化图Fig.8 The relative energy of cross-line component waveforms with the changes of rotation angle of tools，whenα=90°，βT=68.75°图9 从数值模拟得到的波形中提取的快横波面方位同模型实际的方位的对比Fig.9 Comparison of the fast shear wave direction obtained from simulated waveforms with the actual direction4.4 频散分析采用矩阵束方法[21］从α=90°，βT=0°、90°时偶极子声源激发的波形中提取了各模式波的频散曲线，提取的结果如图10所示，其中黑色实线和虚线分别为βT=0°、90°时偶极子声源激励的弯曲波的频散曲线，白色实线和虚线分别为该角度下地层体波SH波和SV波的慢度.图10a和图10b分别为βT=0°时偶极子声源激励的声场的频散图和βT=90°时偶极子声源激励的声场的频散图.人们在HTI地层井孔中的数值模拟结果表明，对于电缆测井，在大多数情况下，弯曲波的低频传播速度接近于对应的快、慢横波的传播速度[10，15］.从图10可见，与电缆测井相比，随钻条件下的弯曲波的频散规律有两点不同：在随钻条件下，弯曲波的低频速度并非趋近于地层的横波速度；弯曲波随着频率的变化并非单调变化.对于低频段（0～1kHz）的弯曲波，其速度随着频率增加而增加，且βT=0°时偶极子声源和βT=90°时偶极子声源激发的弯曲波的速度差异不大；在频率1.5～8kHz下，βT=0°时偶极子声源激发的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激励的弯曲波的传播速度，二者差异较大，同电缆测井情况一致.数值模拟的结果表明，对于我们所研究的地层，由于在随钻条件下弯曲波的低频速度不再趋近于地层的横波速度，无法通过弯曲波的测量直接获得地层横波速度；不过，在某些频段内βT=0°时偶极子声源激发的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激发的弯曲波的速度，地层弯曲波的各向异性仍然能够反应地层横波速度的各向异性.在图10中，可以观察到随频率增加慢度变小的钻铤波和随频率降低慢度逐渐趋近于地层横波慢度的六极子波.之所以能够接收到六极子波，是因为在本文的模拟中，偶极子声源装在钻铤的外侧，极距较大，对于近场而言并非理想的偶极子源，激发的模式波中含有六极子和更高极性的成分[17］.另外一点，在图10所示的频散图中，我们观察到了以地层横波的速度传播的模式（图中圆圈标注区域）.该模式在整个计算的频率段内都能够观察到，在低频段和钻铤波混合在一起，难以区分.该模式的速度同地层横波速度一致，当βT=0°时，该模式的速度同地层的SH波一致；当βT=90°时，该模式的速度同地层的SV波速度一致.SV波的速度为1399.3m／s，小于本文模型中的井内流体速度1500m／s，这说明，该模式能够。
随钻声波测井技术综述
随钻声波测井技术综述随钻测井的研究从20世纪30年代开始研究，在1978年研究出第一套具有商业价值的随钻测井仪器。
在那以后，随钻测井在国外取得迅速发展并获得广泛应用，我国对随钻测井的重视达到了前所未有的程度。
随钻声波测井也是如此。
1发展随钻测井的意义和随钻声波测井发展现状随钻测井（LWD）是近年来迅速崛起的先进技术。
它集钻井技术，测井技术和油藏描述等技术于一体，在钻井的同时完成测井作业，减少了钻机占用井场的时间，从钻井测井一体化中节省成本[1]。
跟常规电缆测井相比，除了节省成本外，随钻测井有如下优势：（1）从测量信息上讲，随钻测井是在泥浆尚未侵入或者侵入不深时测量地层信息，泥饼和冲洗带尚未形成，所测得到的曲线更加准确，更能反映原始地层的真实信息，如声波时差等。
（2）从对钻井的指导作用来讲,随钻测井可以提前检测到超压地层，以指导钻井泥浆的配制，提高钻井安全系数。
它也可以根据测井信息，分析出有利的含油气方向，确定钻井方向，增强地质导向功能。
（3）从适应环境上讲，在大斜度井，水平井或特殊地质环境（如膨胀粘土和高压地层），电缆测井困难或者风险大以致不能进行作业时，随钻测井可以取而代之。
目前在海上，几乎所有钻井活动都采用随钻技术[2]。
正因为这些优点，作为随钻测井的重要组成部分的随钻声波测井近年来也获得了巨大的发展。
总体而言，国外无论在随钻声波测井的基础理论研究方面还是在仪器研发方面都比较成熟，而国内近年来也对随钻声波测井的相关难题进行了大量的工作。
具体而言，从上世纪90年代起，贝克休斯、哈里伯顿、斯伦贝谢三大公司就率先开始了随钻声波测井的研究，并逐渐占领随钻测井的国际市场份额。
APX随钻声波测井仪,CLSS随钻声波测井仪,sonicVISION随钻声波测井仪的相继出现，更加巩固了他们的垄断地位。
在国内，鞠晓东，闫向宏[等人在随钻测井数据降噪[3]，存储[4]，压缩[5],传输特性[6]和电源设计[7]等方面做出了大量的工作。
1极声波成像测井中国石油测井有限公司PPT课件
气层识别成果图
2355.0～2359.0m
压
裂
产水：10.5m3/d
2772.0～2777.0m
压
裂
产气：12062m3/dห้องสมุดไป่ตู้
无阻：15109m3/d
气层识别成果图
2752.0～2756.0m
压
裂
产气：37017m3/d
2 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。
井下仪器串的特点
3 有2.2KHZ、1.5KHZ、1.2KHZ三种偶极工作频率， 根据地层的具体情况可选择不同的工作频率。如软地 层选较低的偶极工作频率，硬地层选较高的工作频率。 使该仪器适应于更广泛的地层范围。
度、地应力、岩石破裂压力、安全生产压差等所需参数 7. 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 8. 套管井的压裂诊断
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
1. 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；
2. 确定岩性 3. 识别含气层 4. 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 5. 利用岩石机械特征参数做井壁稳定性分析 6. 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
软地层横波速度的偶极随钻测井反演
软地层横波速度的偶极随钻测井反演张超;胡恒山;郑晓波【摘要】在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井(LWD)中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25 kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2019(062)006【总页数】8页(P2286-2293)【关键词】声波测井;随钻测井;舒尔特波;软地层;横波速度【作者】张超;胡恒山;郑晓波【作者单位】哈尔滨工业大学航天科学与力学系,哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学航天科学与力学系,哈尔滨 150001;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621000【正文语种】中文【中图分类】P6310 引言随钻测井通过边钻边测的方式，获得实时地层信息，进而及时调整钻铤方向，获得更多“甜点”，从而大大节约成本.近几年，随着大斜度井数量的增加以及海上油田和页岩气的勘探开发，市场对钻井过程中获得地层的纵、横波速度的需求急剧增加，因而需要开展随钻声波测井的理论研究与仪器研制.前人开展了关于随钻声波测井研究，提出了从单极子随钻声波测井响应获得纵波速度的思想(Schmitt, 1988； Minear et al., 1995).由于信号中有很强的钻铤波干扰，人们采用刻槽的办法削弱钻铤波，突出地层波信号(Aron et al.,1994; Yang et al.,2017).利用动电测井可降低钻铤波在全波中的相对幅度(Zheng et al., 2015)，但尚处于探索阶段.关于地层横波速度的随钻测量则面临更大的困难.尽管硬地层中单极子随钻声波测井曲线中有明显的横波波群，软地层中却无明显的横波波群，很难直接利用单极子测井响应反演地层横波速度.众所周知，在电缆测井中，人们通常利用偶极子仪器测量软地层的横波速度(Kurkjian and Chang, 1986).于是，人们设想将电缆测井中的多极子技术应用到随钻声波测井中.Tang(2002a)提出利用四极子随钻声波测井测量软地层横波速度，理由有二：第一，地层螺旋波的低频截止频率是地层横波速度；第二，通过增加钻铤厚度，可使钻铤波向高频移动，进而与螺旋波分开.崔志文(2004)获得了类似的结论. 但我们注意到四极子随钻声波测井存在以下问题：螺旋波在截止频率附近激发强度很低，必须进行频散校正才能得到横波速度；四极子测井信号较弱 (Tang et al., 2002b; 郑晓波, 2012).之后，有学者提出在TI(Transverse Isotropy)地层中，从偶极子随钻声波测井的低阶钻铤波中提取各向同性面内剪切模量(李希强, 2013; Wang et al., 2016).最近，卫建清(2018)提出在TI介质中，利用随钻测井中偏心点声源激发的地层快、慢波速度分别反演软地层各向同性面内剪切模量和面外剪切模量.众所周知，电缆测井中可以利用TI地层中斯通利波的低频极限速度(White,1983；Norris,1989)获得依赖于地层各向同性面内剪切模量的横波速度.其中斯通利波是沿井壁传播的导波，其高频极限速度趋近于平面舒尔特波(Scholte wave)速度，它是单极源激发的舒尔特波.与之类似，在偶极随钻声波测井时，也存在一个频散较弱且高频时趋近于平面舒尔特波速度的导波(Hu et al., 2017)，我们将其称为偶极舒尔特波，在本文中简称舒尔特波.是否可以利用舒尔特波速度反演地层横波速度，需要考虑以下几个问题：首先，能否在全波中观测到与其他模式波在时间上分开的舒尔特波？其次，其幅度是否足够大？只有幅度足够大时，其到时才能被准确地提取，用于计算其速度.再次，舒尔特波速度和地层横波速度是否存在一一对应的关系？最后，舒尔特波速度对横波速度的敏感程度是否远大于其他参数？若是，对其他参数分别取一个合理的假设值，就可以通过舒尔特波速度获得地层横波速度.如果以上问题的答案均为“是的”，利用舒尔特波反演地层横波速度是完全可行的. 文中我们将论述利用偶极随钻声波测井中的舒尔特波反演软地层横波速度的可行性.1 偶极随钻声波测井中舒尔特波的性质随钻声测井响应，在频率域上可表达为关于实波数的积分.这个积分可转化为被积函数在极点处的留数和沿割线的积分之和. 任一极点处的留数可按(1)式算出，再通过快速傅里叶变换，可得到该极点对应模式波的时域波形，如(2)式(郑晓波, 2017).(1)(2)其中，ω为角频率，S(ω)为声源脉冲的频域表达式；z为接收器距声源的轴向距离，r为接收器距声源的径向距离；ρf为井内泥浆的密度； kz为轴向波数，ηf为井内泥浆径向虚波数(=-，kf为井内泥浆波数)，kpole为极点的波数；D(kz,ω)是声场系数矩阵的行列式，依赖于频率、波数以及井内外介质和井孔几何特性，被称为声场的特征函数，其零点即为声场的极点，N8(k z,ω)和N9(kz,ω)分别为声场系数矩阵的第8、9列被声源向量取代后的矩阵行列式的值(郑晓波, 2017)；Kn(ηfr)，In(ηfr)均为n阶虚宗量贝塞尔函数，对于偶极源情况，n取1.由(1)和(2)式可得到舒尔特波的时域波形.图1给出了舒尔特波与通过实轴积分所得到的全波时域波形，其中蓝色虚线为舒尔特波的时域波形，红色实线为全波的时域波形.计算时采用中心频率为8 kHz的余弦包络脉冲作为声源函数，其频带范围是4～12 kHz，时间脉冲长度为0.5 ms.井孔、钻铤与地层参数由表1给出.由图1可知，舒尔特波速度小于其他分波速度，到时为4.1 ms，与其他模式波相分离，容易识别.图1 舒尔特波与全波的时域波形对比Fig.1 The Scholte wave and the full waveform excited by a LWD dipole source图2 偶极LWD各模式波的速度频散曲线Fig.2 Phase and group velocity dispersion curves for dipole LWD in a slow formation由于声场的特征函数D(kz,w)的零点即为复波数平面内声场表达式的极点，在不同频率下搜索复波数平面上D(kz,w)的零点，可获得声场表达式的复极点.这些极点的实部对应着各模式波的速度频散曲线，虚部对应着各模式波的衰减频散曲线.图2中粗线表示各模式波的相速度，细线表示各模式波的群速度.各个模式波的名称已经在对应曲线旁标出，Scholte表示偶极舒尔特波，Leaky-P表示以地层纵波速度为低频极限的泄漏模式波，其在复波数平面上的极点在纵波波数附近，在下文中称其为泄漏纵波，D1、D2、D3、D4分别是1阶至4阶钻铤波，vP表示地层的纵波速度，vf表示井内流体的声速，vS表示地层的横波速度，vSch表示流-固平面分层界面模型的舒尔特波速度.D2、D3、D4与钻铤置于无限大流体中时对应的2阶、3阶、4阶模式波频散曲线十分接近.D1在低频时受舒尔特波影响产生低频截止现象，其低频截止速度为地层横波速度，在高频时受泄漏纵波的影响产生高频截止现象，因此它只与钻铤置于无限大流体中时的1阶模式波频散曲线的中间频段部分十分接近.泄漏纵波在不同地层参数下，其形态有很大不同，但其低频截止速度均为地层纵波速度.在本算例中，泄漏纵波与钻铤置于无限大流体中时的1阶模式波频散曲线的高频段部分十分接近，可见其与1阶钻铤波的相互影响现象十分明显.这个现象与前人(Tang et al.,2002a; 崔志文,2004; Sinha et al.,2009)计算的结果不同.前人没有计算泄漏纵波低频部分的频散曲线，使得D1波与泄漏纵波貌似相连，被认为二者共同构成一阶钻铤波.实际上，从计算完整的频散曲线上看，二者的相速度曲线不是相连的，群速度也有明显差异.我们的计算表明，泄漏纵波的低频部分对全波的贡献是不能忽略的(郑晓波, 2017)，而前人忽略了泄漏纵波对井孔声场的影响.从图2中可以看出，舒尔特波的速度在15 kHz之前要远小于其他模式波，容易从全波的时域波形中提取，这就解释了图1中舒尔特波在最后出现的现象.此外，舒尔特波是全频域激发的，当频率在0～3 kHz时，其频散较大，相速度迅速上升至地层横波速度附近，然后略微下降；当频率大于3 kHz时，其频散较小，速度趋于稳定值；随着频率的进一步增加，舒尔特波速度逐渐趋向于平面分层的流固界面模型的舒尔特波速度(Vinh, 2013).这个现象可以这样理解，随着频率增加，波长减小，当频率增加到一定程度后，舒尔特波波长会远小于井孔模型的几何尺寸，此时井孔的柱面分层模型接近于平面分层模型，舒尔特波速度也因此接近于平面分层模型的舒尔特波速度.由于舒尔特波的速度受界面两侧流体和固体参数(包括地层横波速度)的影响，且舒尔特波在较高频时的速度趋于一个稳定值，即平面模型的舒尔特波速度，因此我们可以考虑利用较高频的舒尔特波速度反演地层横波速度.值得说明的是，前人在随钻测井研究过程中也注意到了这个波.Tang(2002a,2002b)与崔志文(2004)等类比电缆测井中的地层弯曲波将其称为地层低阶弯曲波，但是我们注意到，这个波与电缆测井中的弯曲波性质有所不同，其低频截止频率不再趋近于地层横波速度；Sinha等(2009)和李希强(2013)则认为此波与钻铤波性质类似，称其为低阶钻铤波，但这种类似只限于低频范围；Wang 等(2016)则根据此波低频时接近钻铤波性质，高频时接近地层波性质的特点，将其称为钻铤-地层耦合弯曲波；郑晓波(2017)根据其受两侧流体和固体性质影响的特点将其称为流固界面波.可以看出，这个波呈现复杂的特性，将其简单的归结为地层波或者钻铤波都不准确.而由图2可以看出，这个波在随钻声波测井仪器工作频率范围(3～20 kHz)内，几乎以流体-固体平面分层界面上的舒尔特波速度传播，因此将其命名为舒尔特波是恰当的.图3 偶极LWD各模式波的衰减频散曲线Fig.3 Attention curves for dipole LWD in a slow formation图3给出各模式波的衰减曲线，是在不考虑泥浆和地层耗散的条件下计算得到的.可以看出，舒尔特波不因传播而衰减，因此，即使源距较大时(比如4 m)也容易接收到.图4显示了各模式波的激发曲线.可见频率在0～8 kHz，舒尔特波激发强度与D1波相近，频率在8～15 kHz，舒尔特波激发强度比D2波和Leaky波小很多.但由于舒尔特波的速度较小，因此在全波中出现较晚，能与其他波分开.图4 偶极LWD各模式波的激发曲线Fig.4 Excitation curves for dipole LWD in a slow formation至此，可以在全波曲线中直接观测到舒尔特波，且它不受其他模式波的影响；其幅度足够大，使得到达时间能被准确提取.2 地层参数对偶极舒尔特波速度的影响为了考察舒尔特波速度与地层横波速度是否存在一一对应的关系，分别计算了频率在5 kHz，10 kHz，15 kHz的情况下，舒尔特波速度随地层横波速度的变化情况.流体、钻铤和地层的力学与几何参数如表1所示.自800 m·s-1到1300 m·s-1，每隔50 m·s-1取一个地层横波速度，形成共11组参数.表1 流体、钻铤和地层的力学与几何参数Table 1 Borehole, drill collar and formation parametersρ/(kg·m-3)vp/(m·s-1)vs/(m·s-1)R/m钻铤内流体10001470-0.027金属钻铤7800586031310.090钻铤外流体10001470-0.117软地层248525901067+∞图5可以看出随着地层横波速度的增加，舒尔特波速度也在增加.在频率为5 kHz、10 kHz和15 kHz时，二者均一一对应.图5 舒尔特波速度随地层横波速度的变化曲线Fig.5 Variation of Scholte wave velocity with the shear speed此外发现当地层横波速度小于1100 m·s-1时，舒尔特波速度与地层横波速度呈现线性关系；且对于同一地层横波速度，不同频率下的舒尔特波速度基本相同.当地层横波速度大于1100 m·s-1时，舒尔特波速度随地层横波速度变化曲线的斜率缓慢降低；从而相对于低速直线的延伸线向下发生了偏离，且低频时偏离略大一些，但对于同一地层横波速度，频率越高，舒尔特波速度越大.这为下一步研究提供了很好的信息.3 舒尔特波速度的敏感度分析上述分析证明了舒尔特波与地层横波速度存在一一对应的关系，本节计算舒尔特波对地层横波速度的敏感度.给出几个计算算例：第一个算例保持其他参数不变，只改变地层横波速度，从1000～1250 m·s-1每隔50 m·s-1计算出一条舒尔特波速度频散曲线，其结果如图 6a所示.第二个算例保持其他参数不变，只改变地层纵波速度，从2000～3000m·s-1每隔200 m·s-1计算出一条舒尔特波速度频散曲线，其结果如图 6b所示.在计算第二个算例时，我们开始也将地层纵波速度每50 m·s-1计算一次，但是6条曲线几乎完全重合在一起，为了方便观察，将增大间距，改为200 m·s-1.由图6a可知，当频率在0～1 kHz时，6条舒尔特波的曲线基本完全重合；当频率大于1 kHz时，随着地层横波速度的增大，舒尔特波的速度明显增大.由图 6b可知，当频率在0～1 kHz时，6条舒尔特波的曲线基本完全重合；当频率大于1 kHz时，随着地层纵波速度的增大，舒尔特波的速度微微增大.可见，相比于地层纵波速度，地层横波速度对舒尔特波速度的影响更大，进一步详细的分析舒尔特波对模型各项参数的敏感度.参考前人的工作(Cheng et al., 1982; 何晓, 2010)分别定义舒尔特波的速度(vSch)对地层横波速度(vS)、地层纵波速度(vP)、地层密度(ρ)、井内泥浆速度(vf)、井内泥浆密度(ρf)以及井孔半径(R)的敏感度，如(3)式所示.其中S代表灵敏度.(3)根据上式，分别得到舒尔特波对不同地层参数的灵敏度，如图7.由图7可以看出，在软地层中，当频率大于5 kHz时，舒尔特波速度对地层横波速度最为敏感，为0.9左右，而对其他参数的敏感度较小，为0.1左右.可见当其他参数选取合理的假设值时，由舒尔特波反演得到的地层横波速度的误差比较小，具体验证如下.图6 不同地层(a)横波速度与(b)纵波速度下，舒尔特波的频散曲线Fig.6 Dispersion curves of Scholte wave at different (a) S-wave and (b) P-wave velocity图7 舒尔特波的灵敏度曲线Fig.7 Sensitivity of the Scholte wave velocity to borehole and formation parameters由敏感度曲线可知，除去地层横波速度，舒尔特波速度对地层密度的敏感度较大，那么当地层密度的输入值有5%的偏差时，获得的地层横波速度会有多大误差呢？如图8所示，图8a表示舒尔特波速度随着横波速度的变化，其中红色实线表示地层密度的输入值是准确的，黑色实线表示地层密度的输入值比准确值小5%，蓝色实线表示地层密度的输入值比准确值大5% .图8b表示由于地层密度输入值的偏差给地层横波速度的反演所带来的误差，其横坐标与8a图相同.图8中右侧两个图分别是对图(a)和图(b)对应红框中的局部放大.从图8a可以看出，舒尔特波速度随横波速度增加而增加，而且3条线几乎重合在一起，可见地层密度的取值对反演地层横波速度影响不大.在图8b中可以定量的看出地层密度的取值对反演地层横波速度的影响，这种影响随着横波速度的增加而增大.但是在软地层中地层横波速度不会超过井内泥浆声速(1470 m·s-1)，因此，反演误差不会超过0.5%，可见地层密度的取值对反演横波速度影响很小.图8右侧的局部放大图可以清晰的看出这种误差是如何计算的.当我们利用舒尔特波反演地层横波速度时，正常应该在红色实线取点，但由于地层密度输入值的不准确，使得我们在蓝色实线上取得了点，这两点的差与地层横波速度的真实值之商即为在该点的相对误差，由右侧下图可以读出该值.除此之外，还分析了两种参数的输入偏差给反演地层横波速度带来的影响.由图7中的灵敏度曲线可知，舒尔特波速度对井内泥浆密度也很敏感，因此计算了两个算例，一是如图9a所示，地层密度输入值比真实值小5%时，井内泥浆密度也比真实值小5%，如图中黑线所示；地层密度输入值比真实值大5%时，井内泥浆密度也比真实值大5%，如图中蓝线所示.二是如图9b所示，地层密度输入值比真实值小5%时，井内泥浆密度比真实值大5%，如图中黑线所示；地层密度输入值比真实值大5%时，井内泥浆密度比真实值小5%，如图中蓝线所示.图中红线依旧表示输入的地层密度和井内泥浆密度均为准确值时的结果.图9c、9d分别表示图9a、9b对应的地层横波速度的反演误差.图8 不同地层密度对反演横波速度的影响(a) 舒尔特波速度随横波速度的变化； (b) 地层密度输入值的偏差引起的地层横波速度的反演误差.Fig.8 The influence of different formation densities on inverse shear wave velocity(a) The change of Scholte wave velocity with shear wave velocity； (b) The error caused by the deviation of formation density input value to the inversion of formation shear wave velocity.图9 不同地层密度和井内泥浆密度对反演横波速度的共同影响(a) 二者同向变化时舒尔特波速度随横波速度的变化； (b) 二者反向变化时舒尔特波速度随横波速度的变化； (c) 情况(a)时地层横波速度的反演误差； (d) 情况(b)时地层横波速度的反演误差.Fig.9 The combined effects of different formation densities and mud density on the inversion shear wave velocity(a) When the two change inthe same direction, the velocity of Scholte wave changes with the velocityof shear wave; (b) When the two change in the opposite direction, the velocity of Scholte wave changes with the velocity of shear wave; (c) Inversion error of formation shear wave velocity in case (a); (d) Inversion error of formation shear wave velocity in case (b)从图9可知，第一种情况时，舒尔特波速度随横波速度变化的3条曲线几乎重合在一起，产生的误差在0.01%以下.为什么这种情况下反演误差会这么小呢？观察图7的灵敏度曲线，舒尔特波对地层密度的敏感度为正值，即随着地层密度增加，舒尔特波速度也会增加；而舒尔特波对井内流体密度的敏感度为负值，即随着地层密度增加，舒尔特波速度反而减小.因此当地层密度与井内泥浆密度的偏差方向相同时，两种偏差产生的误差相抵消，所得到的地层横波速度反演结果反而更准确.第二种情况与第一种情况相反，两种参数产生的误差相加，得到的反演结果误差更大，尽管如此，此时的误差仍在1%以下.可见，如果对于其他参数，只取合理的假设值，那么通过舒尔特波获得地层横波速度的方法带来的误差很小，均在1%以下.4 结论偶极随钻声波测井时，存在多阶钻铤波、泄漏纵波、舒尔特波.在3～15 kHz的声波测井频率范围内，井中舒尔特波的传播速度接近于流体-固体水平分层界面上的舒尔特波的传播速度.在频率低于3 kHz时，这种波的速度频散很强；但在频率高于3 kHz时，频散十分微弱；频率高于15 kHz时，舒尔特波与钻铤波的艾里相混叠.因此，建议将反演频率设定在3～15 kHz.计算结果表明，在3～15 kHz的频率范围内，因其速度远小于其他模式波的速度，舒尔特波不受其他模式波的干扰，容易被观测到，其速度可被准确地获得.舒尔特波速度对地层横波速度很敏感，并与横波速度存在一一对应关系，而对其他参数不太敏感.算例表明，当其他参数在合理区间内取任意假设值时，通过舒尔特波反演的地层横波速度的误差均小于1%.ReferencesAron J, Chang S K, Dworak R, et al. 1994. Sonic compressional measurements while drilling. SPWLA35th Annual Logging Symposium.∥64th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts.Cheng C H, Toksöz M N, Wi llis M E. 1982. Determination of in situ attenuation from full waveform acoustic logs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 87(B7): 5477-5484, doi: 10.1029/JB087iB07p05477. Cui Z W. 2004. Theoretical and numerical study of modified Biot′s models, acoustoelectric well logging and acoustic logging while drilling excited by multipole acoustic sources [Ph. D. thesis] (in Chinese). Changchun: Jilin University.He X. 2010. Simulations of acoustic logs in transversely isotropicformations and researches on permeability inversion[Ph. D. thesis] (in Chinese). Harbin: Harbin Institute of Technology.Hu H S, Zhang C, Zheng X B. 2017. Inversion of formation shear speed from dipole Scholte wave during logging while drilling in slow formations. Proceedings of Meetings on Acoustics, 32(1): 032004, doi:10.1121/2.0000769.Kurkjian A L, Chang S K. 1986. Acoustic multipole sources in fluid-filled boreholes. Geophysics, 51(1): 148-163, doi: 10.1190/1.1442028.Li X Q. 2013. Theoretical studies of acoustic logging while drilling [Ph. D. thesis] (in Chinese). Beijing: The University of Chinese Academy of Sciences. Minear J W, Birchak R, Robbins C, et al. 1995. Compressional slowness measurements while drilling. ∥95th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 6: 26-29.Norris A N. 1989. Stoneley-wave attenuation and dispersion in permeable formations. Geophysics, 54(3): 330-341.Schmitt D P. 1988. Shear wave logging in elastic formations. The Journal of the Acoustical Society of America, 84(6): 2215-2229, doi: 10.1121/1.397015. Sinha B K, imek E, Asvadurov S. 2009. Influence of a pipe tool on borehole modes. Geophysics, 74(3): E111-E123, doi: 10.1190/1.3085644.Tang X M, Dubinsky V, Bolshakov A, et al. 2002a. Shear-velocity measurement in the Logging-While-Drilling environment: Modeling and field evaluations. ∥72nd Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 6: 2-5.Tang X M, Wang T, Patterson D. 2002b. Multipole acoustic logging-while-drilling. ∥72nd Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, doi: 10.1190/1.1817254.Vinh P C. 2013. Scholte-wave velocity formulae. Wave Motion, 50(2): 180-190, doi: 10.1016/j.wavemoti.2012.08.006.Wang P, Bose S, Sinha B K, et al. 2016. Dipole shear anisotropy using logging-while-drilling soni c tools. ∥76th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 25-29.Wei J Q, He X, Li X Q, et al. 2018. Simulations of acoustic LWD with eccentric source and evaluation of the formation anisotropy. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 62(4): 1554-1564, doi:10.6038/cjg2019L0731.White J E. 1983. Underground Sound. Amsterdam: Elsevier Science Publ. Co.Yang Y F, Guan W, Hu H S, et al. 2017. Numerical study of the collar wave characteristics and the effects of grooves in acoustic logging while drilling. Geophysics, 209(2): 749-761, doi: 10.1093/gji/ggx044.Zheng X B. 2012. The full-waveform simulation of acoustic logging while drilling [Master′s thesis] (in Chinese). Harbin: Harbin Institute of Technology.Zheng X B, Hu H S, Guan W, et al. 2015. Simulation of the borehole quasistatic electric field excited by the acoustic wave during logging while drilling due to electrokinetic effect. Geophysics, 80(5): D417-D427, doi: 10.1190/GEO2014-0506.1.Zheng X B. 2017. Theoretical simulations of monopole and dipole acousticlogging while drilling and investigations of propagation mechanism for individual waves [Ph. D. thesis] (in Chinese). Harbin: Harbin Institute of Technology.附中文参考文献崔志文. 2004. 多孔介质声学模型与多极源声电效应测井和多极随钻声测井的理论与数值研究[博士论文]. 长春: 吉林大学.何晓. 2010. 横观各向同性地层声波测井波场模拟与地层渗透率反演[博士论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学.李希强. 2013. 随钻声波测井理论研究[博士论文]. 北京: 中国科学院大学.卫建清, 何晓, 李希强等. 2018. 含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究. 地球物理学报, 62(4): 1554-1564, doi: 10.6038/cjg2019L0731.郑晓波. 2012. 随钻声波测井的全波计算[硕士论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学.郑晓波. 2017. 单极和偶极随钻声波测井理论模拟与分波传播特性研究[博士论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学.【相关文献】Aron J, Chang S K, Dworak R, et al. 1994. Sonic compressional measurements while drilling. SPWLA35th Annual Logging Symposium. ∥64th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts.Cheng C H, Toksöz M N, Willis M E. 1982. Determination of in situ attenuation from full waveform acoustic logs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 87(B7): 5477-5484, doi: 10.1029/JB087iB07p05477.Cui Z W. 2004. Theoretical and numerical study of modified Biot′s models, acoustoelectric well logging and acoustic logging while drilling excited by multipole acoustic sources [Ph.D. thesis] (in Chinese). Changchun: Jilin University.He X. 2010. Simulations of acoustic logs in transversely isotropic formations and researches on permeability inversion[Ph. D. thesis] (in Chinese). Harbin: Harbin Institute ofTechnology.Hu H S, Zhang C, Zheng X B. 2017. Inversion of formation shear speed from dipole Scholte wave during logging while drilling in slow formations. Proceedings of Meetings on Acoustics, 32(1): 032004, doi: 10.1121/2.0000769.Kurkjian A L, Chang S K. 1986. Acoustic multipole sources in fluid-filled boreholes. Geophysics, 51(1): 148-163, doi: 10.1190/1.1442028.Li X Q. 2013. Theoretical studies of acoustic logging while drilling [Ph. D. thesis] (in Chinese). Beijing: The University of Chinese Academy of Sciences.Minear J W, Birchak R, Robbins C, et al. 1995. Compressional slowness measurements while drilling. ∥95th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 6: 26-29. Norris A N. 1989. Stoneley-wave attenuation and dispersion in permeable formations. Geophysics, 54(3): 330-341.Schmitt D P. 1988. Shear wave logging in elastic formations. The Journal of the Acoustical Society of America, 84(6): 2215-2229, doi: 10.1121/1.397015.Sinha B K, imek E, Asvadurov S. 2009. Influence of a pipe tool on borehole modes. Geophysics, 74(3): E111-E123, doi: 10.1190/1.3085644.Tang X M, Dubinsky V, Bolshakov A, et al. 2002a. Shear-velocity measurement in the Logging-While-Drilling environment: Modeling and field evaluations. ∥72nd Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 6: 2-5.Tang X M, Wang T, Patterson D. 2002b. Multipole acoustic logging-while-drilling. ∥72nd Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, doi: 10.1190/1.1817254. Vinh P C. 2013. Scholte-wave velocity formulae. Wave Motion, 50(2): 180-190, doi:10.1016/j.wavemoti.2012.08.006.Wang P, Bose S, Sinha B K, et al. 2016. Dipole shear anisotropy using logging-while-drilling sonic tools. ∥76th Ann. Internat Mtg., Soc. Expi. Geophys.. Expanded Abstracts, 25-29.Wei J Q, He X, Li X Q, et al. 2018. Simulations of acoustic LWD with eccentric source and evaluation of the formation anisotropy. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 62(4): 1554-1564, doi: 10.6038/cjg2019L0731.White J E. 1983. Underground Sound. Amsterdam: Elsevier Science Publ. Co.Yang Y F, Guan W, Hu H S, et al. 2017. Numerical study of the collar wave characteristics and the effects of grooves in acoustic logging while drilling. Geophysics, 209(2): 749-761, doi: 10.1093/gji/ggx044.Zheng X B. 2012. The full-waveform simulation of acoustic logging while drilling [Master′s thesis] (in Chinese). Harbin: Harbin Institute of Technology.Zheng X B, Hu H S, Guan W, et al. 2015. Simulation of the borehole quasistatic electric field excited by the acoustic wave during logging while drilling due to electrokinetic effect.。
随钻声波测井隔声体性能评价实验研究
随钻声波测井隔声体性能评价实验研究苏远大;庄春喜;邓林;李玉霞;秦玉坤【期刊名称】《测井技术》【年(卷),期】2011(035)005【摘要】隔声体是随钻声波测井的关键部件,既要保证有足够强度以满足钻井的需要,又要有效地衰减钻铤直达波的干扰,以便测到准确的地层信号.提出了一种用随钻声波测井单极子换能器测量隔声体声衰减性能的实验方法.采用发射和接收换能器均放在隔声体两端的补偿声衰减测量方案.通过推挽式功率放大器强迫驱动发射换能器产生不同主频的声波信号沿隔声体传播,测量并计算出不同频率的钻铤直达波经隔声体前、后的声幅曲线.给出了实际随钻声波测井隔声体短节的实验室测量实例,并确定出了该结构隔声体的钻铤直达波最佳隔声阻带及最大衰减系数.【总页数】4页(P402-405)【作者】苏远大;庄春喜;邓林;李玉霞;秦玉坤【作者单位】中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266555;中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266555;中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077;中国石油集团测井有限公司,陕西西安 710077;中国石油集团测井有限公司,陕西西安 710077【正文语种】中文【中图分类】P631.84【相关文献】1.基于时域有限差分法的随钻声波测井仪隔声体隔声效果的数值模拟 [J], 杨勇;车小花;李俊;张菲2.随钻声波测井环槽隔声体的强度分析 [J], 伍能;赵宏林;刘旭;李育房3.随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计 [J], 苏远大;庄春喜;唐晓明4.基于ANSYS的随钻声波测井隔声体强度分析 [J], 苏远大;毕新帅;闫向宏;张美玲;刘文丽;王宁5.随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究 [J], 杨培年;陈德华;潘钥;张咪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
随钻声波测井声系短节模拟样机试验研究
随钻声波测井声系短节模拟样机试验研究吴金平;陆黄生;朱祖扬;张卫【摘要】针对随钻声波测井中换能器技术及装配的难题，研制了随钻声波测井声系短节模拟样机，基于随钻单极声波测井理论，以指向性、接收响应、单极测量功能等3个指标评价了声系短节及各组成部分的性能及特性。
结果表明：发射声系以单极发射向外辐射的声场具有一定的周向均匀性，其指向性接近于一个圆，可组成单极声波发射器；接收器的接收灵敏度均值在－208．0 dB附近，偏差在2．0 dB以内，接收响应一致性良好，可组合相加接收单极声波信号；以单极测量功能进行的模型井整机联调试验获得了套管井波列，提取的套管波传播速度为5245．6 m／s ，相对误差小于3．0％。
这表明随钻声波测井声系短节具有单极发射、单极接收的测量功能，可用于模拟随钻单极声波测井，为随钻声波测井仪的研制提供试验数据。
%In order to solve transducer and assembly process‐related issues in acoustic logging‐w hile‐drilling (LWD) ,a simulation prototype of acoustic nipples was developed for acoustic LWD .The perform‐ance of acoustic nipple and its components w as evaluated on the basis of three indexes (directivity ,receiv‐ing response ,and monopole measuring function .The process showed that the acoustic field generated by outward radiation of the transmitter acoustic system based on monopole excitation could be ,to some ex‐tent ,characterized by circumferential uniformity and its directivity pattern was close to a circle , so a monopole acoustic radiator can be developed .The average receiving sensitivity of the receivers was around‐208 .0 dB with deviation less than 2 .0 dB .The receiving response characteristics of receivers were reasona‐bly consistent ,so the monopole acoustic wave could be received by adding the output of the receivers .Dur‐ing the integral debugging testing in a well by using the monopole measuring function ,wave train in cased borehole was recorded .The extracted propagation velocity of casing wave was 5 245 .6 m/s with relative error below 3 .0% .It demonstrated that the acoustic nipples of acoustic LWD could be used to simulate a‐coustic LWD for its measuring function for monopole transmission and reception ,and it could provide ex‐perimental data in the development of acoustic LWD units .【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2016(044)002【总页数】6页(P106-111)【关键词】随钻测井;声波测井;声系短节;指向性;接收响应特性【作者】吴金平;陆黄生;朱祖扬;张卫【作者单位】中国石化石油工程技术研究院，北京 100101; 中国石油大学北京石油工程学院，北京 102249;中国石化石油工程技术研究院，北京 100101;中国石化石油工程技术研究院，北京 100101;中国石化石油工程技术研究院，北京100101【正文语种】中文【中图分类】TE927◀测井录井▶随钻声波测井资料在钻井施工和油气储层评价中有着广泛的应用[1-4]。
利用随钻声波测量工具检测异常高压地层
利用随钻声波测量工具检测异常高压地层
龚永喜
【期刊名称】《录井技术》
【年(卷),期】1999(010)001
【摘要】随钻声波测量工具的应用为超压检测与评价提供了重要手段。
钻井过程中，利用井下数据采集和传输系统，将井下所得的声波时差数据发送至地面，经实时处理后，可实现对异常高压地层的实时检测与评价。
该文结合实例，从声波数据采集与解释、超压检测、钻速与钻井液密度以及电缆测井等方面，探讨了随钻超压检测与评价。
实践证明，随钻声波测量工具对超压检测是可行的，有效的。
【总页数】8页(P19-26)
【作者】龚永喜
【作者单位】新疆石油管理局地质录井公司
【正文语种】中文
【中图分类】TE271
【相关文献】
1.利用岩屑波速随钻检测地层可钻性及优选钻头类型 [J], 邹德永;程远方;查永进;李维轩
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偶极随钻声波测井声压和径向位移响应的差异陈达;张超;关威;胡恒山【摘要】声波测井仪接收到的电信号通常是多个压电片响应的叠加,它主要是由声压还是径向位移响应转化而来,或是两种响应兼有目前未有定论.该文通过实轴积分法和复变函数法计算并对比分析随钻声波测井的声压和径向位移场,发现这两种响应特性有着显著的差异.首先,软地层的偶极随钻测井时,声压信号包含钻铤波和舒尔特波两个波群,而径向位移信号仅有钻铤波波群;其次,单极声源情况下,声压和径向位移信号的钻铤波能量分别集中在钻铤内、外壁,而偶极情况恰好相反,可见,钻铤按照单极情况的分析结果进行刻槽后,高频时的拖尾现象会影响偶极信号中舒尔特波对横波速度的反演.因此,阐明两类信号的差异对横波速度的反演和钻铤波的压制都具有重要意义.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2019(038)005【总页数】6页(P801-806)【关键词】随钻声波测井;钻铤波;声压;径向位移;软地层【作者】陈达;张超;关威;胡恒山【作者单位】哈尔滨工业大学航天科学与力学系哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学航天科学与力学系哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学航天科学与力学系哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天科学与力学系哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】P631.4+130 引言随钻声波测井通过边钻边测的方式可实时地获得地层的纵横波速度，从而得到地层信息，其经济性和高效性使之近年来得到迅速发展。
然而，由于钢制钻铤的存在，收到的携带地层信号的全波中总是夹杂着很强的钻铤波，从而无法准确提取纵横波速度[1]。
为解决此问题，相关学者做了很多研究，Tang 等[2]提出利用四极子随钻测井中螺旋波低频截止速度获得地层横波速度，苏远大等[3]采用在钻铤上周期性刻槽的方式削弱钻铤波，刘彬等[4]设计了一种周期性非轴对称通孔槽隔声体结构来衰减钻铤波，李希强等[5]利用随钻声波测井模式波获得横观各向同性地层的横波速度。
最近，Wang 等[6]和Hu等[7]利用偶极随钻测井中的舒尔特波间接获得地层横波速度。
目前，可将相关学者提出的解决“钻铤波问题”方案大致分成两类，一是避开钻铤波，通过其他模式波的信息间接得到横纵波；二是采用物理手段抑制钻铤波的传播，从而凸显地层波信号。
然而，无论哪种方案，纵横波的获得均是要以接收器接收到的信号为研究基础。
位于钻铤上的声波发射器利用压电换能器的压电效应，将电信号转化为声信号，声波携带地层信息传递到距发射器不远的接收器，再利用压电换能器将声信号转化为电信号。
但接收器收到的电信号是由声压信号还是径向位移信号转化而成的目前还未有定论。
做理论及模拟研究的相关学者往往关心的是声波在地层中的传播机理，而现场关心的是传递到地面的信号中是否包含地层信息，这就导致了极少数人关心接收器收到的是声压信号还是径向位移信号亦或是两类信号的叠加。
但通过近期的研究发现，在偶极源随钻测井中，收到的两类信号存在显著的性质差异，具体表现在全波信号中包含的波群数目与钻铤波的能量分布，这关系到人们能否利用特有的模式波对地层信号进行反演[6−7]，以及采取刻槽手段削弱钻铤波时选用的刻槽方式[8−9]。
可见明确两类信号中的差异，才可据此有针对性地进行下一步工作。
1 计算模型随钻声波测井的几何模型为如图1所示的径向柱面分层结构，从内到外分别为流体层、钻铤层、流体层、地层。
其中流体层为钻井液，在本文用水替代；钻铤层为钢制钻铤；地层假设为各向同性弹性体。
在钻铤外表面排列着发射器和接收器，分别用来发射和接收信号，在实际钻铤仪器中，发射器和接收器主要材质均为压电陶瓷。
接收器能够感受压电陶瓷表面声压和径向位移的变化，利用压电陶瓷的压电效应产生电位差，接收到相应的电信号[10]。
但是发射器(接收器)发射(接收)到的电信号是由声压信号还是径向位移信号引起的，或者是二者以某种权重叠加引发的，目前没有见到相关文献说明。
因此，对于声压信号和径向位移信号的区别的讨论就显得至关重要。
图1 随钻声波测井模型Fig.1 Model of acoustic logging while drilling本文中随钻声波测井模型的声压响应和径向位移响应均是利用实轴积分法获得，前人推导过相关频率-波数域的解析表达式[11−12]，如式(1)∼(6)所示。
将声压响应和径向位移响应的频率-波数域解析表达式对轴向波数l 沿实轴进行无穷积分，再对角频率ω 进行傅里叶变换，即可得到声压响应和径向位移响应的时间-空间域解析表达式。
钻铤内流体层的声压表达式为钻铤层的应力表达式为钻铤外流体层的声压表达式为钻铤内流体层的径向位移表达式为钻铤层的径向位移表达式为钻铤外流体层的径向位移表达式为其中，是与钻铤内流体有关的系数，An、Bn、Cn、Dn、En、Fn 是与钻铤有关的系数，、是与钻铤外流体层有关的系数，以上系数均可利用边界条件获得；ρf 为流体密度；ω 为角频率；µ为钻铤剪切模量；l 为轴向波数；kp、ks、kf 分别为钻铤纵波、横波和流体纵波的波数分别为钻铤纵波、横波和流体纵波的径向波数；Kn(x)、In(x)均为第n阶虚宗量贝塞尔函数，n表示声源类型，对于单极声源n 取0，对于偶极声源n取1；r 为接收器与声源间径向距离。
2 声压和径向位移信号的性质利用第1 节表达式，可得到偶极随钻声波测井的声压和径向位移响应。
井孔及地层的几何和力学参数如表1所示。
本文采用的是软地层(地层横波速度小于井内流体速度)进行计算，由于软地层中没有明显的折射横波波群，在地层横波速度的测量上还存在一定困难，因此充分认识声压和径向位移信号的差别，可以更好地进行地层参数的反演。
首先对各模式波的频散曲线进行分析。
利用边界条件可以获得声场的特征函数，其零点即为复波数平面内声场表达式的极点，在不同频率下搜索复波数平面上特征函数的零点，可获得声场表达式的复极点。
这些复极点的实部即对应着各模式波的速度频散曲线。
表1 流体、钻铤和地层的力学与几何参数Table1 Borehole,drill collar and formation parameters密度/(kg·m−3)纵波速度/(m·s−1)横波速度/(m·s−1)半径/m钻铤内流体 1000 1470 0.027金属钻铤 7800 5860 3131 0.090钻铤外流体1000 1470 0.117软地层2485 2590 1067 +∞图2中实线表示各模式波的相速度，虚线表示各模式波的群速度。
各个模式波的名称已经在对应曲线旁标出。
其中Scholte 表示偶极舒尔特波，其在3 kHz 以后频散很小，速度略小于地层横波速度；Leaky 表示以地层纵波速度为低频极限的泄漏模式波，其在复波数平面上的极点在纵波波数附近，因此称为泄漏纵波；D1、D2、D3、D4 分别是1 阶∼4 阶钻铤波；Vp 表示地层的纵波速度，Vf 表示井内流体的声速，Vs 表示地层的横波速度。
由图2可以看出，低频时只有1 阶钻铤波模式，但是高频时含有多阶钻铤波模式，且高阶钻铤波含有艾里相，其群速度会低至舒尔特波速度。
图2 偶极LWD 各模式波的速度频散曲线Fig.2 Phase and group velocity dispersion curves for dipole LWD in a slow formation图3为偶极随钻声波测井的声压响应，这是在钻铤外表面的接收器位置获得的流体声压，接收器距离声源的轴向距离为4.0 m，激发声源的中心频率为5 kHz，带宽为4 kHz。
图4是偶极随钻声波测井的声压响应的时间慢度相关图，由排列在钻铤外表面距声源轴向距离3.0 m 到4.0 m 的6 个等距接收器获得，其中Ss、Sf、Sp 分别为地层横波慢度、井内流体慢度和地层纵波慢度。
由图3可以看出全波中含有两个波群，第一个波群为钻铤波波群，钻铤波具有频散特性，在声源的激发频率范围内，钻铤波的速度略小于地层纵波速度。
同时因为钻铤波的幅值远大于(约2～3 个数量级)地层纵波幅值，所以钻铤波将地层纵波掩盖，从而在图4的时间慢度相关图中无法观测到纵波波群。
图3中第二个波群是舒尔特波，它是沿着钻铤和钻铤外流体的交界面传播的导波，传播速度略小于地层横波速度，高频时速度趋于平面分层模型的舒尔特波速度，随着与交界面距离的增加，其振幅呈指数衰减。
有学者证明此波对地层横波速度十分敏感，可以用来反演地层横波速度[6−7]。
图3 轴向源距为4.0 m 时偶极随钻声波测井的声压响应Fig.3 Acoustic pressure response of a dipole LWD acoustic log when z =4.0 m图4 偶极随钻声波测井的声压响应的时间慢度图Fig.4 Slowness-time coherence diagram of acoustic pressure response in dipole LWD acoustic logging图5为偶极随钻声波测井的径向位移响应，这是在钻铤外表面的接收器位置获得的流体径向位移，接收器距声源的轴向距离为4.0 m，激发声源的中心频率为5 kHz，带宽为4 kHz。
图6是相应的时间慢度相关图，由排列在钻铤外表面距声源轴向距离3.0 m 到4.0 m 的6 个等距接收器获得，其中Ss、Sf、Sp 分别为地层横波慢度、井内流体慢度和地层纵波慢度。
由图5可以看出全波中仅可见到一个明显波群，即钻铤波波群，性质与声压响应情况类似。
将3.3 ms 到4 ms 间的信号放大100 倍(见图5右上角的小图)，可看到舒尔特波，但是相比于钻铤波，其振幅过小，因此在图6的时间慢度相关图中无法识别舒尔特波。
值得注意的是，径向位移响应中舒尔特波的相对振幅过小，因此，当接收器接收到的是径向位移信号时，则无法利用舒尔特波对地层横波速度进行反演。
图5 轴向源距为4.0 m 时偶极随钻声波测井的径向位移响应Fig.5 Acoustic displacement response of a dipole LWD acoustic log when z =4.0 m图6 偶极随钻声波测井的径向位移响应的时间慢度图Fig.6 Slowness-time coherence diagram of acoustic displacement response in dipole LWD acoustic logging3 两类信号中钻铤波的特性为了计算两类信号中钻铤波的特性，在波数复平面中搜索得到钻铤波的极点，求得这些极点的留数之和，再通过快速傅里叶变换，获得钻铤波的时域波形。