正交偶极子声波测井

1、声波测井发展历程
声波的一般特性 在井眼和地层中传播的声波主要由两类波 组成：体波（纵波和横波）和导波（伪瑞利 波和斯通利波），还有一些多次反射波。 体波的主要特点是：沿地层中传播，幅度 存在几何扩散，而速度频散可忽略。 导波的主要特点是：沿井壁传播幅度最 大，不存在几何扩散，而速度有频散。 岩石机械特性控制声波在岩石中的传播速 度，而岩石的机械特性取决于所含流体的类 型和含量、岩石颗粒的构成以及颗粒间的胶 结程度。
Halliburton 公司在 2000年推出的正交偶极声波测井仪 Cross-WaveSonic™ 。
1、声波测井发展历程
目前常使用得声波测井仪器，包括常规的声波井眼补偿测井仪器、数字阵 列声波测井仪器、水泥胶结评价测井仪、井眼声波成像测井仪和多极子阵列 声波测井仪器（正交偶极子声波测井仪），其中多极子阵列声波测井仪器的 产生主要是解决慢地层的横波资料求取问题。 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， 发射探头和接收探头使用对称振动模式，即单极子振动模式，只是各种性能 得到了进一步改善，但是这类仪器在软地层中不能测量到地层横波。 正交偶极子声波测井仪器使用了非对称的声源，在测量原理上有显著变 化，除具备全波列测井的优点以外，能够在软地层中测量地层的横波速度。
1、声波测井发展历程
1995年，Schlumberger公司推出了偶极子横波成像测井仪DSI，该仪器的声 发射系统包括一个单极子换能器和两个正交的宽频带电动偶极子换能器，改变 发射换能器的激发频率以及将发射换能器与接收换能器不同组合，单极子源可 以激发横波、纵波和斯通利波，偶极子源可以激发横波，还可以进行偶极子横 波测量，探测横波速度的各向异性。 测量结果除了传统纵波的用途以外，还可以进行岩石机械特性分析、地层评 价、地球物理应用、横波各向异性测量等。 Western Atlas公司则推出了多极子声波测井仪MAC。该公司对MAC测井仪 器进行了改进，开发出正交偶极子声波测井仪 XMAC，可以获得高质量的横波 速度，最大测速可以达到1100us / ft，应用扩展到所有慢地层的范围中。
+ + Monopole Dipole
+ +
Quadrupole
2、物理基础与方法原理
单极子声源（Monopole） 单极子源一般是圆管状的换能器，以轴对 称方式沿着径向振动（膨胀或缩小）。 单极子声源在井孔中激发以地层纵波为首 波，包括横波、伪瑞利波和斯通利波的全波 列。 在软地层中井眼中单极子声源只能激发起 纵波和斯通利波，而不能激发横波。
1、声波测井发展历程
几个代表性的发展阶段：
Wyllie (1956) 提出时间平均公式; 70年代末推出长源距声波全波列测井; 80年代中期推出阵列声波测井; 90年代末推出偶极子及多极子横波测井; 随钻声波测井。
1、声波测井发展历程
目前具有代表性的正交偶极子声波测井仪器 1、SLB偶极子横波成像仪 DSI （1个单极发射器+2个偶极发射器，8个接收器阵列） 2、Baker Hughes阿特拉斯的多极阵列声波成像仪XMAC （2个单极发射器+2个偶极发射器，8个接收器阵列) 3、HES第三代正交偶极声波测井仪Wavesonic （1个单极发射器+2个偶极发射器,8个接收器阵列) 4、SLB的声波全井眼扫描仪Sonic Scanner (3个单极发射器+2个偶极发射器,13个接收器阵列)
2、物理基础与方法原理
单极子声源(Monopole) 单极子换能器在井孔中主要激发一些井壁反射波，这些波具有如下特点： 纵波在地层中以纵波速度传播，质点能量在井眼中形成纵波首波，可以用 于测量地层的纵波速度； 伪瑞利波以接近地层横波速度的速度传播（在低速地层中几乎不可能识 别），质点的运动路径为椭圆，靠近井眼处最强，很快消失在地层中； 横波在纵波首波穿过井眼流体以后在地层中激发。横波走时比纵波走时长 1.6-1.9倍，横波的幅度通常比纵波幅度大。由于流体不传播横波，所以地层 中产生的横波首波变为纵波穿过井眼流体到达接收器作为滞后到达的纵波； 管波或斯通利波以接近井眼流体纵波的速度直接穿过井眼流体到达接收 器，斯通利波幅度很大，它沿井壁和仪器轴与井眼流体的界面传播； 流体或钻井液中存在从发射器穿过流体直接到达接收器的纵波，在仪器设 计时采取一些技术措施使井筒流体中直接传播的声波受到衰减或延迟。
2、物理基础与方法原理
斯奈尔定律（Snell Law）
折射波：
入射线
sin α sin β
=
υ1 υ2
V1
α α
V2
β
滑行波：当β=90o时，折射波在第 二种介质中沿界面滑行。 临界角：产生滑行波时的入射角。 第一临界角：θ*=arcsinV1/V2
反射线
β=900
第二临界角：θ*=arcsinV1/V2s 全反射波：当入射角大于临界角时， 射线将全部反射回第一介 质，称全反射波。
1、声波测井发展历程
声波的一般特性 声波：是由机械振动产生的振动波。 声波的频率范围：20~20000Hz (人耳能 听到） 次声波：频率低于20Hz 超声波：频率大于20000Hz 纵波（压缩波）：质点振动方向和波的 传播方向一致。 横波（剪切波）：质点振动方向和波的 传播方向垂直。 流体只能传播纵波而不能传播横波。 纵波速度总是大于横波速度。
2、物理基础与方法原理
全波列由两类波组成：体波和导 波。 体波（Body Wave）与地层岩石 颗粒的振动有关，包括纵波 （ Primary Wave ， P 波 ） 和 横波 （ Secondary Wave ， Shear Wave，简称为S波）。 导波（Guide Waves）是声波在 井孔中传播时形成的制导波，包括 伪 瑞 利 波 （ Pesudo-Rayleigh Wave ） 和 斯 通 利 波 （ Stoneley Wave）；此外井筒中还有各种多 次反射波，如纵波泄露模式 （Leaky Modes）等。
2、物理基础与方法原理
裸眼井中声波成分
声波发射器发射的声脉冲经过各种途径传播到接收器，接收器接收的声 波其主要成分有滑行纵波、滑行横波、假瑞利波和斯通利波。
裸眼井声波全波列波
幅 度
时间（us）
Biblioteka Baidu
P为滑行纵波、S为滑行横波，a为低频部分假瑞利波，b为斯通利 波，c为其它模式波。
2、物理基础与方法原理
Wave Direction Particle Motion
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。
滑行纵波 滑行纵波是一种体波，以锥面波形式传播，无频散。若源距选择适当，滑行 纵波在全波列中是首波。它具有传播速度快、幅度小等特点。接收器接收的 滑行纵波（P波）实际上是PPP波，即在井内流体中以压缩波形式传播，传播 到井壁处，以第一临界角折射到岩层中，以滑行纵波形式传播，以后又折回 井中，又以压缩波形式传播到接收器并被接收器接收。 滑行横波 滑行横波也是一种体波，无频散。接收器接收的滑行横波（S波）实际上是 PSP波。只要横波速度大于井内流体速度，就能收到此波。在源距选择适 当，滑行横波在全波列中是次首波。传播速度比滑行纵波小，幅度比滑行纵 波大。
《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@cup.edu.cn; mr.zhangyz@gmail.com
主要内容
1、声波测井发展历程 2、物理基础与方法原理 3、仪器结构、指标和使用条件 4、采集的信息及用途 5、岩石的机械特性 6、典型应用案例
1、声波测井发展历程
在声波测井发展历史中，需要解决的一个重要问题是井筒中横波的测量。 在快速地层（地层横波速度大于井内流体声波速度，也称为“硬”地层）中， 声源能够较好的激发滑行横波；而在慢速地层（地层横波速度小于井内流体声 波速度，也称为“软”地层），则不能激发滑行横波。 许多油田遇到了松散砂岩是高质量储集层的情况，这些储层的纵波时差大于 100us / ft，地层横波速度低于井眼流体纵波速度，横波速度在这些地层中很 难确定。 测量地层横波有两种方法，一种是间接横波测量法，即从常规声波测井的全 波列中提取横波，或者根据斯通利波反演求得地层横波速度；另外一种方法是 利用偶极子横波测井方法在地层中直接激发转换横波的方法。 单极子声源的声波测井仪，只能够在快速地层中产生转换横波，在慢速地层 不产生转换横波，而斯通利波反演横波则会受到井眼条件、地层密度等多种因 素的影响，可靠性较差，并且斯通利波的提取也十分困难。
2、物理基础与方法原理
假瑞利波 假瑞利波是一种界面波，沿井壁界面传播，其传播速度介于地层横波速度与 井内流体速度之间，具有频散性质和衰减性质。
斯通利波 斯通利波也是一种界面波，沿井壁界面传播，其传播速度低于井内流体速 斯通利 度，也具有频散性质和衰减性质。
2、物理基础与方法原理 声波换能器（探头，Transducer）：可以将电能转换为机械 声波换能器 能，也可以将声能转换为电磁能的器件。测井常用压电陶瓷 晶体换能器。
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。
折射线 滑行线
2、物理基础与方法原理
测井仪器发射的声波穿过井内流体，在地层界面处声波将产生反射和折射 现象，主要原因是地层岩石的密度发生变化。通常地层的声波速度发生变 化，也将引起声波在地层中传播时产生反射和折射（声阻抗发生变化）。 仪器发射的声波穿过井内流体以后，在界面处将发生反射和折射，在井内 通常记录反射波。 根据全反射原理：当声波的入射角满足临界角条件时，入射声波将沿着井 壁传播，产生滑行波，这种滑行波可以被接收器探测到。 在快速地层中，能够产生滑行纵波和滑行横波。 在慢速地层，由于地层横波速度小于井内流体的声波速度，不满足滑行横 波的临界角的条件，在地层中不能产生滑行横波，无法记录地层横波。
2、物理基础与方法原理
时差（慢度）：声波在 地层中传播1m（1ft）所 需要的时间，是速度的倒 数，用来描述在以固定间 隔放置的两个或多个接收 器的传播时间。 声波仪器位于井轴上， 发射换能器向周围发射一 个声波脉冲，在井内和地 层中激发各种模式的声 波，沿着不同的方向和途 径传播，最后由与声源相 距一定距离的接收换能器 接收。
1、声波测井发展历程
1984年Zemanck等人首先发展了一种比较实用的压电偶极子横波测井仪， 该仪器的声源为激发横波功能的偶极子压电换能器，声系为单发双收声系， 源距分别为 1.8m 和 3.4m ，两个接收换能器可以对井眼进行补偿。压电偶极 子横波测井仪的工作频率为2kHz，且频带较窄。 一般说来，在地层中激发横波存在一个最佳的频率范围，在该范围内可以 使激发的横波明显强于纵波，这个最佳的频率范围随着地层横波速度而变 化，如果粗略知道地层横波速度的近似范围，就可以选择最佳的频率范围。 模型井的实验研究发现：在硬地层中，最佳频率的范围是3kHz-8kHz，此 时地层横波幅度是纵波幅度的 20 倍；在软地层，最佳的频率范围是 1kHz4kHz，横波幅度是纵波幅度的10倍。