声波测井发展简介
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中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术的应用
1927年第一台单发单收声速测井仪的出现只 是为了给地震勘探资料提供声速值以刻度反 射地震波波形。 半个多世纪以来，声波测井仪器除保留和增 强了这一原始功能外，在地层评价、石油工 程等领域均得到了广泛的应用。
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术的功能
探头的变化
中国石油大学(北京) 乔文孝
对称声源(Monopole Source)
• 常规声波测井采用单极子声波探头； • 单极子声源在硬地层充液井孔中可以
产生折射纵波、折射横波和斯通利波 等波动模式； • 单极子声源在软地层中充液井孔中无 法激励折射横波。
中国石油大学(北京) 乔文孝
单极子声源(Monopole Source)
Monopole:T2-R8 Dipole:T2-R8
Benefits: Identify various modes in time domain Improve the resolution Increase the depth of investigation
中国石油大学(北京) 乔文孝
工作频率范围和采样时间长度
r
中国石油大学(北京) 乔文孝
D D
源距(ft)
偶极子声源(非对称声源)
1.0 (b)
100 80 120
60
0.8
140
40
0.6
0.4 160
20
0.2
0.0 180
0
0.2
0.4 200
340
0.6
220
320
0.8
1.0
240
300
260 280
中国石油大学(北京) 乔文孝
偶极子声源:在充液井孔 中可以激励起弯曲波， 其波速接近于地层的横 波波速。
中国石油大学(北京) 乔文孝
4
MultiPole Acoustic Logging Tool
耐温、耐压： 150℃、100MPa
可测井眼范围： 114.3～533.4mm
单极子发射器： 1组（频率范围1～20kHz）
四极子发射器 ： 1组
正交偶极子发射： 2组（同深度）
多极接收站： 8组(单极和正交偶极接收)
D
100
1.0
120
0.8 140
0.6
0.4 160 0.2
0.0 180
0.2 0.4 200
0.6 220
0.8
1.0
240
260
80 60 40
20
0
340
320 300 280
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Fast Formation
Fast: Vs > Vf
•储层评价－孔隙度、饱和度、渗透率； •石油工程参数－地层识别、弹性参数、出砂指数、 安全泥浆窗口、地应力、破裂压力、坍塌压力，… •水泥固井质量检测 •地震勘探的“刻度尺”，测井和地震勘探相结合的 桥梁。
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术的发展
中国石油大学(北京) 乔文孝
1
2012/12/16
Slow: Vs < Vf
817.241943
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
t(ms)
中国石油大学(北京) 乔文孝
偶极子声源(非对称声源)
声偶极子:相距为l(l<<λ), 振幅相等而振动位相相反的两 个点声源构成的振动系统.
e p ≈ kAl cosθ
j(ωt −kr + π ) 2
中国石油大学(北京) 乔文孝
3
2012/12/16
Synthetic Waveforms
中国石油大学(北京) 乔文孝
Dipole Shear Imaging Tool
接
Receivers 收 阵
隔
Isolator 声 体
Monopole 单极发射 Dipole 上偶极发射
下偶极发射
42in
Schlumberger
利用四极子声源可以在任意地层井孔中测量地层的横波波速
中国石油大学(北京) 乔文孝
多极子源的指向性图
100
80
1.0
120
60
0.8
140
40
0.6
0.4 160
20
0.2
00.0 180
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0.2
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340
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0.8
240
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1.0
Monopole
260
280
Dipole
Quadrupole
14
P
S
12
10
0
1000
2000
3000
4000
5000
时间 (us)
中国石油大学(北京) 乔文孝
四极子声源(非对称声源)
1.0
(c)
100 120
80
0.8 140
0.6
60 40
0.4 160
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0.0 180
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340
0.6
220
320
0.8
1.0
240
300
260 280
• Source Characteristics:
•
Dipole 500 Hz to 3 kHz – programmable
•
Monopole 5-6 kHz center frequency, 1 kHz to 12 kHz band width
• Measurement Bandwidth: 500 Hz to 20 kHz
•
On-depth Bender Bar X-X and Y-Y Dipole
• Sensor Spacings: 0.5 ft (15 cm) between receivers
•
Dipole 9.2 ft (2.8 m) to 1st Receiver,
•
Monopole 10.2 ft (3.11 m) to 1st Receiver
transmitter and two dipole transmitters. The receiver array consists of 32
receiver crystals arranged in eight co-planar rings.
• Source Type: Piezoelectric- Monopole
2012/12/16
声波测井技术的发展简介
乔文孝
中国石油大学(北京)测井系
qiaowx@cup.edu.cn
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术
声波测井的工作流程图
电信号
T
井壁 井液
传播
R
中国石油大学(北京) 乔文孝
处理 解释
声波测井技术的特点
声波测井是一种井下声波测量技术； 涉及的科学问题为：复杂介质和复杂结构的声波导问题； 复杂介质：孔隙介质、非均匀介质和各向异性介质； 复杂结构：非轴对称性、多种井壁地层等； 恶劣测量环境：高温、高压、空间狭小等。
接收电子线路 R8
88个个接接收收站站 R1
隔隔声声体体 四极源 T1 偶偶极极源源 YY((TT44)) 偶偶极极源源 XX((TT33)) 单 极源 T2
发射电子线路
2012/12/16
MPAL-Soft Formation
中国石油大学(北京) 乔文孝
浅 表 软 地 层
中国石油大学(北京) 乔文孝
0
1
wenku.baidu.com
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Time (mS)
下偶极模式
中国石油大学(北京) 乔文孝
MAC声系示意图
接 收 阵
隔 声 体
单极发射 上偶极发射 下偶极发射 单极发射
42in
6in
8ft 9ft 10ft
WEST ATLAS 1992
2.5ft
中国石油大学(北京) 乔文孝
LFD声系示意图
单极发射 偶极发射
Head waves
Compressional Shear
Stoneley
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Fast Formation
PS
S to n ele y
0.0
0.4
0 .8
1 .2
1 .6
2 .0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
T im e (m s)
接收声源的工作频率范围: 0.5～30kHz
单极模式源距：2587~4703mm
偶极模式源距：3120~4170mm
接收站间距： 152mm 仪器外径： 92mm
CNPC
最大外径： 最大测速：
99mm 512m/h
2007
数字化精度： 14位
时间采样间隔： 8～40μs
A/D通道：
8
中国石油大学(北京) 乔文孝
Tool Type Traditional tool
EVA DSI
MAC
Frequency range
15kHz~25kHz 1kHz~25kHz Monopole:5kHz~20kHz Dipole:1kHz~4kHz Monopole:2kHz~15kHz Dipole:1kHz~3kHz
Sampling time 5µs 5µs
6in
1990
9ft 11ft 11.5ft
中国石油大学(北京) 乔文孝
硬地层典型波形(DSI)
Lower Dipole Waveforms
PS
Stoneley
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
Time(ms)
0
PS波模式
2
4
6
8
10
12
14
Time (mS)
Stoneley波模式
几种声波测井仪器源距对比
Tool type traditional
EVA
DSI
MAC
Spacing 5ft~12ft 3.3ft~41.8ft
9.2ft~15ft
8ft~14ft
Span-m 2ft 3ft
0.5ft
0.5ft
Remark
16 components T2-R12
Monopole:T1-R8 Dipole:T2-R8
单极子发射 上偶极发射
下偶极发射
42in
6in
9ft 11ft 11.5ft
中国石油大学(北京) 乔文孝
1990
5
2012/12/16
间距和源距变化趋势
• 间距变小→提高测量分辨率 • 源距变大→在时域分辨各种波动模式 • 接收探头个数变大→增加信息冗余、提高测
量的可靠性
中国石油大学(北京) 乔文孝
能量各向异性
MPAL-Soft Formation
Cross Dipole - Shear Wave Splitting
HTI介质
声波测井技术的演化
R
R2
R1
T
单发单收(1927)
T
测量结果与井液有关 单发双收(1954)
消除了井液影响，
但与井径有关
T2
接
R2
收
阵
R1
隔
声
T1
1980
体
双发双收(1965) 井径补偿
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Slow Formation
Slow: Vs < Vf
Head wave
Stoneley
Compressional Shear
中国石油大学(北京) 乔文孝
2
2012/12/16
Monopole Propagation in a Slow Formation
11.14' 11.14'
隔
LFD
声
体 Halliburton
12''
单
极
接
收 12''
1994
偶 极 接 收 中国石油大学(北京) 乔文孝
WaveSonic, Halliburton , 2001
• This tool utilizes three transmitters: one omni-directional monopole
10µs~40µs
8µs~32µs
Sampling length 512 2048
512~15000
512
工作频率范围降低 采样时间长度变大 能够得到良好的斯通利波甚至反射纵波资料
中国石油大学(北京) 乔文孝
中国石油大学(北京) 乔文孝
6
声波测井技术的应用
1927年第一台单发单收声速测井仪的出现只 是为了给地震勘探资料提供声速值以刻度反 射地震波波形。 半个多世纪以来，声波测井仪器除保留和增 强了这一原始功能外，在地层评价、石油工 程等领域均得到了广泛的应用。
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术的功能
探头的变化
中国石油大学(北京) 乔文孝
对称声源(Monopole Source)
• 常规声波测井采用单极子声波探头； • 单极子声源在硬地层充液井孔中可以
产生折射纵波、折射横波和斯通利波 等波动模式； • 单极子声源在软地层中充液井孔中无 法激励折射横波。
中国石油大学(北京) 乔文孝
单极子声源(Monopole Source)
Monopole:T2-R8 Dipole:T2-R8
Benefits: Identify various modes in time domain Improve the resolution Increase the depth of investigation
中国石油大学(北京) 乔文孝
工作频率范围和采样时间长度
r
中国石油大学(北京) 乔文孝
D D
源距(ft)
偶极子声源(非对称声源)
1.0 (b)
100 80 120
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0.4 160
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0.0 180
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340
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220
320
0.8
1.0
240
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260 280
中国石油大学(北京) 乔文孝
偶极子声源:在充液井孔 中可以激励起弯曲波， 其波速接近于地层的横 波波速。
中国石油大学(北京) 乔文孝
4
MultiPole Acoustic Logging Tool
耐温、耐压： 150℃、100MPa
可测井眼范围： 114.3～533.4mm
单极子发射器： 1组（频率范围1～20kHz）
四极子发射器 ： 1组
正交偶极子发射： 2组（同深度）
多极接收站： 8组(单极和正交偶极接收)
D
100
1.0
120
0.8 140
0.6
0.4 160 0.2
0.0 180
0.2 0.4 200
0.6 220
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80 60 40
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320 300 280
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Fast Formation
Fast: Vs > Vf
•储层评价－孔隙度、饱和度、渗透率； •石油工程参数－地层识别、弹性参数、出砂指数、 安全泥浆窗口、地应力、破裂压力、坍塌压力，… •水泥固井质量检测 •地震勘探的“刻度尺”，测井和地震勘探相结合的 桥梁。
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术的发展
中国石油大学(北京) 乔文孝
1
2012/12/16
Slow: Vs < Vf
817.241943
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
t(ms)
中国石油大学(北京) 乔文孝
偶极子声源(非对称声源)
声偶极子:相距为l(l<<λ), 振幅相等而振动位相相反的两 个点声源构成的振动系统.
e p ≈ kAl cosθ
j(ωt −kr + π ) 2
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Synthetic Waveforms
中国石油大学(北京) 乔文孝
Dipole Shear Imaging Tool
接
Receivers 收 阵
隔
Isolator 声 体
Monopole 单极发射 Dipole 上偶极发射
下偶极发射
42in
Schlumberger
利用四极子声源可以在任意地层井孔中测量地层的横波波速
中国石油大学(北京) 乔文孝
多极子源的指向性图
100
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Quadrupole
14
P
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12
10
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1000
2000
3000
4000
5000
时间 (us)
中国石油大学(北京) 乔文孝
四极子声源(非对称声源)
1.0
(c)
100 120
80
0.8 140
0.6
60 40
0.4 160
20
0.2
0.0 180
0
0.2
0.4 200
340
0.6
220
320
0.8
1.0
240
300
260 280
• Source Characteristics:
•
Dipole 500 Hz to 3 kHz – programmable
•
Monopole 5-6 kHz center frequency, 1 kHz to 12 kHz band width
• Measurement Bandwidth: 500 Hz to 20 kHz
•
On-depth Bender Bar X-X and Y-Y Dipole
• Sensor Spacings: 0.5 ft (15 cm) between receivers
•
Dipole 9.2 ft (2.8 m) to 1st Receiver,
•
Monopole 10.2 ft (3.11 m) to 1st Receiver
transmitter and two dipole transmitters. The receiver array consists of 32
receiver crystals arranged in eight co-planar rings.
• Source Type: Piezoelectric- Monopole
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声波测井技术的发展简介
乔文孝
中国石油大学(北京)测井系
qiaowx@cup.edu.cn
中国石油大学(北京) 乔文孝
声波测井技术
声波测井的工作流程图
电信号
T
井壁 井液
传播
R
中国石油大学(北京) 乔文孝
处理 解释
声波测井技术的特点
声波测井是一种井下声波测量技术； 涉及的科学问题为：复杂介质和复杂结构的声波导问题； 复杂介质：孔隙介质、非均匀介质和各向异性介质； 复杂结构：非轴对称性、多种井壁地层等； 恶劣测量环境：高温、高压、空间狭小等。
接收电子线路 R8
88个个接接收收站站 R1
隔隔声声体体 四极源 T1 偶偶极极源源 YY((TT44)) 偶偶极极源源 XX((TT33)) 单 极源 T2
发射电子线路
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MPAL-Soft Formation
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浅 表 软 地 层
中国石油大学(北京) 乔文孝
0
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wenku.baidu.com
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9 10
Time (mS)
下偶极模式
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MAC声系示意图
接 收 阵
隔 声 体
单极发射 上偶极发射 下偶极发射 单极发射
42in
6in
8ft 9ft 10ft
WEST ATLAS 1992
2.5ft
中国石油大学(北京) 乔文孝
LFD声系示意图
单极发射 偶极发射
Head waves
Compressional Shear
Stoneley
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Fast Formation
PS
S to n ele y
0.0
0.4
0 .8
1 .2
1 .6
2 .0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
T im e (m s)
接收声源的工作频率范围: 0.5～30kHz
单极模式源距：2587~4703mm
偶极模式源距：3120~4170mm
接收站间距： 152mm 仪器外径： 92mm
CNPC
最大外径： 最大测速：
99mm 512m/h
2007
数字化精度： 14位
时间采样间隔： 8～40μs
A/D通道：
8
中国石油大学(北京) 乔文孝
Tool Type Traditional tool
EVA DSI
MAC
Frequency range
15kHz~25kHz 1kHz~25kHz Monopole:5kHz~20kHz Dipole:1kHz~4kHz Monopole:2kHz~15kHz Dipole:1kHz~3kHz
Sampling time 5µs 5µs
6in
1990
9ft 11ft 11.5ft
中国石油大学(北京) 乔文孝
硬地层典型波形(DSI)
Lower Dipole Waveforms
PS
Stoneley
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
4.0
Time(ms)
0
PS波模式
2
4
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8
10
12
14
Time (mS)
Stoneley波模式
几种声波测井仪器源距对比
Tool type traditional
EVA
DSI
MAC
Spacing 5ft~12ft 3.3ft~41.8ft
9.2ft~15ft
8ft~14ft
Span-m 2ft 3ft
0.5ft
0.5ft
Remark
16 components T2-R12
Monopole:T1-R8 Dipole:T2-R8
单极子发射 上偶极发射
下偶极发射
42in
6in
9ft 11ft 11.5ft
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1990
5
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间距和源距变化趋势
• 间距变小→提高测量分辨率 • 源距变大→在时域分辨各种波动模式 • 接收探头个数变大→增加信息冗余、提高测
量的可靠性
中国石油大学(北京) 乔文孝
能量各向异性
MPAL-Soft Formation
Cross Dipole - Shear Wave Splitting
HTI介质
声波测井技术的演化
R
R2
R1
T
单发单收(1927)
T
测量结果与井液有关 单发双收(1954)
消除了井液影响，
但与井径有关
T2
接
R2
收
阵
R1
隔
声
T1
1980
体
双发双收(1965) 井径补偿
中国石油大学(北京) 乔文孝
Monopole Propagation in a Slow Formation
Slow: Vs < Vf
Head wave
Stoneley
Compressional Shear
中国石油大学(北京) 乔文孝
2
2012/12/16
Monopole Propagation in a Slow Formation
11.14' 11.14'
隔
LFD
声
体 Halliburton
12''
单
极
接
收 12''
1994
偶 极 接 收 中国石油大学(北京) 乔文孝
WaveSonic, Halliburton , 2001
• This tool utilizes three transmitters: one omni-directional monopole
10µs~40µs
8µs~32µs
Sampling length 512 2048
512~15000
512
工作频率范围降低 采样时间长度变大 能够得到良好的斯通利波甚至反射纵波资料
中国石油大学(北京) 乔文孝
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