交叉偶极子阵列声波测井技术介绍(XMAC

正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）

(一)、正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）原理

ECLIPS—5700测井系统中的交互式多极子阵列声波仪（XMAC-II）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。单极阵列包括两个单极声源和8个接收器。声源发射器发射的声波是全方位的，既是柱状对称的，中心频率为8kHz。偶极阵列是由两个交叉摆放（相差900）的偶极声源及8个交叉式偶极接收器组成。接收器间距为0.5英尺。

每个深度点记录12个单极源波形，其中8个为阵列全波波形（TFWV10），4个为记录普通声波时差的全波波形（TNWV10）。每个深度点记录32个偶极源波形，即每个接收器记录XX、XY、YX、YY 4个偶极源波形，X、Y表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如XY表示X方向发射器发射，Y方向接收器接收；YY则表示Y方向发射器发射Y方向接收器接收。8个接收器共记录32个偶极源波形（TXXWV10、TXYWV10、TYXWV10、TYYWV10）。

（二）、正交偶极子阵列声波资料的处理

偶极子阵列声波测井资料是用eXpress的W A VE模块处理，主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及其时差计算、岩石物理参数计算、岩石机械特性分析等。

1、地层纵波、横波和斯通利波的提取及慢度分析

采用慢度—时间相关STC（Slowness-Time Coherence）技术从MAC全波列中提取地层的纵波、横波及斯通利波，并计算其慢度。STC采用一种类似地震中使用的相似算法，检测阵列接收器中相关的波至，并估算它们的慢度。

在利用STC技术处理之前要对波形进行滤波，以便消除所有直流偏移和信号频带以外的噪声。另外，为了得到真实的地层横波，在处理中要包括一个计算前的校正步骤，以便校正挠曲波频散引起的偏差。校正量取决于声源的声波响应特征、STC滤波器特征、井眼大小和横波慢度。对硬地层来说这种校正量很小，但对大井眼软地层来说这种校正量可能达到10%。

2、岩石力学参数的计算

根据提取的纵横波时差、常规密度曲线及其它资料计算的孔隙度并利用岩石特性分析模块计算纵横波速度比、泊松比、体积模量、切变模量和杨氏模量等岩石物理参数。

3、岩石机械特性分析

利用上面计算的岩石力学参数、常规分析计算的泥质体积、泥浆性能等参数计算各项应力、破裂压力梯度、闭合压力梯度等参数。

(三)、地层岩石力学参数的基本概念及计算方法

1、泊松比（σ）

又称横向压缩系数，就是横向相对压缩与纵向相对伸长之比。

计算公式:

222

25.0DT

DTS DT DTS --=σ (6-1) 式中：DTS —横波时差；

DT —纵波时差。

2、杨氏模量（E ）

又称纵向弹性模量，就是张应力与张应变之比，它量度岩石的抗张应力。

计算公式：

2

22

2243DT DTS DT DTS DTS DEN E --⨯= (6-2) 式中：DEN —体积密度。

3、切变模量（μ）

是剪切应力与切变角之比，它量度岩石抗切应力。

计算公式：

2

DTS DEN =μ (6-3) 4、体积弹性模量（k ）和体积压缩系数（CB ）

岩石各个方向都受到力的作用时，应力与体积相对变化之比，它量度岩石的抗压应力。体积压缩系数与体积弹性模量互为倒数关系。

计算公式：

222

2343DT

DTS DT DTS DEN K ⨯-= (6-4) 5、单轴抗压强度及固有剪切强度

单轴抗压强度表示岩石抵抗外力压性破坏的能力，它的大小与岩石的杨氏模量、泥质含量等参数有关。

固有剪切强度表示岩石抵抗剪切破坏的能力，它的大小与单轴抗压强度及体积压缩系数等参数有关。

6、地层孔隙压力

它是作用在地层孔隙空间里的流体上的压力。地层压力有正常地层压力和异常地层压力之分，异常地层压力又有异常高压和异常低压之别。高于正常地层压力称为异常高压。异常地层压力的形成是多方面的，有快速不平衡欠压实沉积，地质构造运动，孔隙流体膨胀，烃类的裂解等诸多因素。目前多见到的异常高压地层一般都是不平衡欠压实沉积形成的。在地层沉积过程中，由于沉积速度过快，孔隙排水能力下降，随着地层的继续沉积，上覆岩层的重量逐渐增加，孔隙内的流体要支撑部分上覆岩层压力，这样就形成异常高压。

根据测井资料，采用声波时差等效深度法计算地层压力是用来检测因不平衡欠压实沉积形成地层异常高压的有效方法，该方法适用范围为砂泥岩剖面。

在砂泥岩地层中，随着地层深度的增加，泥岩所受上覆岩层的压力越来越大，由于压

实和失水的作用，其孔隙度逐渐减小，声波时差可反映岩石孔隙度的变化。在正常压实情况下，当深度增加时，泥岩的声波逐渐减小，由此可建立泥岩的声波时差随深度变化的规律—正常压实趋势线。

正常压实趋势线表达式：

DEP=A ·LOG （DT ）+B （6-5）

式中：DEP —地层深度；

A —趋势线斜率；

B —趋势线截距。

趋势线方程确定以后，根据任一点的声波时差值，就可计算该时差的等效深度。 如果某一时期沉积物迅速堆积，且造成了水力的“关闭”，地层水不易排出，孔隙度相对变大，这样，地层就由于欠压实而形成了异常高压。

地层压力计算公式如下：

P p =(D b ·P h +D a ·P oa -D b ·P ob )/D a (6-6)

式中：P p —地层孔隙压力；

D a —当前深度点；

D b —等效深度点；

P oa —当前深度点的上覆压力；

P ob —等效深度点的上覆压力；

P h —正常地层压力。

由于该技术只适用于砂泥岩剖面，并且有较多的限制因素，因此对较复杂的地质剖面还无能为力。

7、岩层上覆压力

岩层上覆压力也称垂向主应力，它是由上覆地层的岩石重量和孔隙空间里的流体（油、气、水）的总重量引起的。当有密度测井资料时，可由密度曲线积分求得：

()⎰=H

gdz Z DEN p 00 (6-7) 式中：Po —深度为H 处的上覆岩层压力；

g —重力加速度；

DEN(Z)—地层密度，它是深度Z 的函数。

由上面的公式可知，要想求得准确的岩层上覆压力，密度曲线应尽量测至井口。

8、水平地应力

地应力简称地壳内的应力，它是地壳固体介质受重力、各地球构造力和天文动力以及探掘工程附加动力的作用，在介质内部单元引起响应变形的力学参数。

地应力既有大小，又有方向，既有垂向地应力，又有水平地应力。描述水平地应力时用到最大水平地应力、最小水平地应力、水平地应力方向三个地质概念。岩石在垂向应力作用下，由于泊松效应，在水平方向有产生变形的趋势，但由于周围岩石的约束，不易产生横向变形。由于相邻岩石的阻挡作用，就相当于对岩石施加了水平应力。岩石除受垂向应力作用外，还受地层孔隙压力、构造应力作用。地层中若不存在构造应力时为各向同性地层，此时水平地应力相同，当构造应力存在时，水平地应力将变为各向异性。

获取地应力的方法有多种，如声发射凯塞效应法，现场水力压裂试验法，测井资料计算的井眼崩落法等。利用测井资料计算地应力使用成本较低，计算速度快，显示井段长，计算结果较准确，具有其它方法不可比拟的优势。下面简要介绍利用测井资料计算地应力方向