《地球物理测井》第三章.ppt

第三章 声波测井,声波在不同介质中抟播时，其速度、幅度衰减、频率变化等声学特性是不同的。声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础研究钻井地质剖面，判断固井质量等问题的一种测井方法。 主要分两大类：声速测井和声幅测井。声速测井（声波时差测井）是测量地层声波速度的测井方法。声波在岩石中的传播速度与岩石的性质、孔隙度及孔隙中所含的流体性质等有关，因此，通过声速可确定岩石孔隙度、判断岩性和孔隙流体性质。声波幅度测井研究声波在地层或套管内传播过程中幅度的变化，从而认识地层，检查水泥胶结质量。,3.1岩石的声学特性,波是物质运动的一种形式，声波由物质的机械振动产生，通过质点间的相互作用将振动由近及远而传播。人耳听到的声波频率为20Hz20Khz，高于20KHz的声波叫超声波，声波测井应用的频率介于15KHz30KHz之间，通常称为声波。 由于机械振动是弹性体在外力作用下，发生弹性形变产生的，并且机械振动的传播靠质点和质点间的相互作用进行的，而质点与质点由弹性相互联系着，所以声波在物质中传播的速度与弹性体的弹性密切相关。,3.1.1岩石的弹性,受外力作用发生形变，外力取消后，恢复到原来状态的物体叫弹性体，弹性体的形变叫弹性形变。当外力取消后，不能恢复原状的物体叫塑性体。一个物体是弹性体还是塑性体，不仅与物体本身性质有关，而且与外力的作用方式、作用大小和作用时间等有关。外力小，时间短，物体表现为弹性体。 声波测井发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也短，所以对声波测井，岩石可看作弹性体。因此可用弹性波在介质中的传播规律来研究声波在岩石中的传播特性。,3.1.1岩石的弹性,可以用以下几个参数描述弹性介质的弹性。 1、杨氏模量： 2、泊松比：弹性体在外力作用下，在产生纵向伸长的同时，横向上产生压缩。设有一圆柱形弹性体。原来的直径和长度为D、L，则 泊松比只表示几何形变的系数，介于 00.5之间，对大多数岩石=0.25。 此外还有切变模量，体积形变弹性模量K，拉梅系数等。,3.1.2岩石的声波速度,声波在介质中传播，传播方向和振动方向一致的称纵波，垂直的称横波。其速度与介质的弹性参数和密度的关系：,式中：E杨氏模量 泊松比 密度,同一介质纵横波速度比 为：,3.1.2岩石的声波速度,由于大多数岩石=0.25，故vp/vs=1.73 可见vpvs，目前声速测井主要利用纵波。 从以上各式中可看到，vp随弹性增大而增大，但不随密度加大而减小，这是因为岩石的E和还有关系，并且随，E有更高级次的增大，所以，vp。,3.1.2岩石的声波速度,对于沉积岩，声波速度和下列地质因素有关。 1）岩性：不同岩性的岩石，其弹性和密度不同，一般随岩石密度增大而增大。 2）岩石的结构：胶结疏松，孔隙度大的岩石，其密度较小。一般，沉积岩的密度随其孔隙度的增大而线性减小，因此，沉积岩的孔隙度与声波速度之间存在线性关系。、vp线性。 3）地层埋藏深度、地层地质时代：岩性和地质时代相同而埋深不同的地层，埋藏越深声速越大；岩性和埋深相同，但地质时代不同的地层，声速不同，老地层比新地层声速大。（岩石的E加大的缘故）,3.1.3岩石的声波幅度,声波在岩中的传播时由于种种原因（声能热能；波前扩展；界面吸收等），会造成声波能量衰减，使声波幅度（能量与幅度的平方成正比）逐渐减小。声幅衰减的大小与岩石的密度以及声波的频率有关。密度小，声速低，幅度衰减大，声波幅度低；频度高，衰减大。所以可以利用声波幅度的衰减了解岩层的特点或固井质量。 声波由一种介质向另一种介质传播，在界面上会发生反射和折射。如图，反射波的幅度取决于两种介质的声阻抗。,3.1.3岩石的声波幅度,3.1.3岩石的声波幅度,声阻抗Z=v 声耦合率=Z/Z 介质和介质的声阻抗差异越大，则声耦合越差，声波能量就不易从介质传到介质中去，通过界面在介质中传播的折射波能量就越小，介质中传播的反射波能量就越大。如果和的声阻抗相近时，声耦合得好，声波几乎都形成折射波通过界面在介质中传播，反射波能量非常小。,可见，反射系数是声阻抗差别（z2-z1）的增函数）。,3.2声波速度测井,声波在两种界面上传播时遵守折射定律：,因为v1和v2对两种介质是定值，所以随着入射角的增大，折射角也要增大。在v2v1时，当增大到某一角度时，折射角为直角，此时折射波将沿着界面在介质中传播，该折射波叫滑行波，此时的入射角叫临界角i。,声波速度测井就是测量滑行波在地层中传播一米所用的时间，即时差，微秒/米。,3.2声波速度测井,井下仪器包括：声系、电子线路、隔声体。 声系：由发射探头和接收探头组成，是仪器的主体。发射探头产生并向地层发射声波，接收探头接收声波并转变成电信号。它们由压电陶瓷晶体制成，利用压电效应发射和接收声波。 隔声体：在仪器外壳上刻上许多槽，以防止声波由仪器外壳直接传到接收探头。（原理是增加传声路径，另外使声波衰减，到达接收器时很微弱）。 电子线路：提供电信号触发发射探头，使其振动发出频率稳定的声波，并将接收的声波形成的电信号放大，经电缆传至地面仪记录。,3.2.1单发双收测井仪的测量原理,声系设计要考虑的理论问题： 能产生滑行波：泥浆的声速V1不同于地层声速V2，所以在泥浆和地层界面上将发生波的反射和折射。由于V2V1，必然在地层中沿着井壁产生滑行波。 能接收到滑行波：由于泥浆和地层接触得很好，滑行波必然引起泥浆质点的振动，形成在泥浆中以波速V1传播的声波线，该波线与界面法线的交角等于临界角且相互平行，所以在井中适当位置可以接收到滑行波。,使滑行波成为首波：到达接收探头的声波，不仅有经过地层的滑行波，而且还有不经地层的反射波以及经泥浆传到接收探头直达波等。由于泥浆的声速比地层的声速小得多，所以选择适当的源距（发射探头到第一接收探头之间的距离，我国源距1米），使滑行波在地层中传播的距离相对较大，就可使滑行波首先到达接收探头，成为初至波。而直达波、反射波继滑行波之后到达接收探头，成为续至波。,3.2.1单发双收测井仪的测量原理,单发双收声系由一个发射器、两个接收器组成。发射器发射声波，声波由泥浆向地层传播。接收器只接收记录初至波滑行波，排除掉续至波。 设发射探头在时刻t0发射声波，经ABCE和ABCDF到第一和第二接收探头，到达时刻分别为t1和t2，如图，则两接收探头的时差为 ：,3.2.1单发双收测井仪的测量原理,3.2.1单发双收测井仪的测量原理,3.2.1单发双收测井仪的测量原理,如果两接收探头间对应井段井径无明显变化，且仪器居中，则CE=DF,所以,仪器间距l是一定的，时差t的大小就反映地层声速的高低。测量时由地面仪器把时差转变成与其成比例的电位差加以记录，记录点在间距的中点。井内仪器自下而上测量，得到声波时差曲线。,3.2.2影响声速测井的几个因素,1、地层厚度：不同厚度的地层在曲线上有区别。 1）厚层（hl）：在曲线中部有一异常，异常峰值是时差真值，半幅点对应地层界面，可用其划分地层界面。 2）薄层（hl）：曲线受围岩影响大，测得的时差不等于实际值，并且地层越薄，其与真值差别越大，曲线异常半幅点分层大于岩层实际厚度。 3）薄交互层：间距大于交互层中地层厚度时，曲线不能反映地层真实时差值，甚至还可能出现反向。 可见，声速测井对小于间距的薄层分辨能力较差，减小间距可以提高薄层的分辨能力（即间距越小，纵向分辨率越高），但时差测量精度降低了。我国采用0.5米间距。,3.2.2影响声速测井的几个因素,3.2.2影响声速测井的几个因素,2、井径及仪器倾斜的影响 井眼规则，井径无变化时，井径对曲线无影响。当井径扩大时，在扩大井段的上下界面处，时差曲线会出现假异常。 强度较弱的泥岩层段，经常出现井径扩大现象，所以在一些砂泥岩的分界处，由于井径的突变，使时差出现假异常，在砂岩的顶界面负异常；底界面正异常。 无水石膏和盐岩组成的剖面，也会因盐岩层井径扩大，造成和砂泥岩一样的曲线假异常。声波时差曲线出现的假异常可以配合井径曲线在解释时加以鉴别。,3.2.2影响声速测井的几个因素,3.2.2影响声速测井的几个因素,3、周波跳跃的影响 在正常情况下，两个接收探头是被同一脉冲首波触发的，但是在含气疏松地层，由于声波能量的严重衰减，致使首波减弱到只能触发第一探头而不能触发第二探头，这种情况下，第二探头被后续波触发时，则会出现曲线上急剧的偏转或特别大的时差值。该现象叫“周波跳跃”。 含气疏松砂岩、裂缝发育的地层以及泥浆气侵的井段经常出现周波跳跃现象。所以可用它来寻找气层和裂缝带。,3.2.2影响声速测井的几个因素,3.2.2影响声速测井的几个因素,4、前沿触发 在硬地层中，发射探头发射声波后，如果井壁不规则，仪器碰撞井壁产生声波，可能被接收探头接收，它在正常声波的前面，会出现很低的时差，称为“前沿触发”。 5、源距的影响 为使滑行波作为首波被接收，需增大源距，但如果源距太大，到达接收探头的幅度就会很小，给接收和记录滑行波造成麻烦。,为了克服井径及仪器倾斜对单发双收仪器的影响，设计了双发双收仪器。发射探头在上，两接收探头在下时，井径变化对时差的影响如图左，发射探头在下，接收探头在上的情况如图右，可见两种情况出现的假异常正好相反。如果将它们组合起来，然后对测得的两个时差取平均值，就可以消除井眼变化的影响。它还可以克服仪器倾斜造成的影响。,3.2.3双发双收仪器对井眼影响的补偿,3.2.3双发双收仪器对井眼影响的补偿,3.2.3双发双收仪器对井眼影响的补偿,3.2.4资料应用,一般规律：岩性粗， t减小；岩石致密， t减小；含钙增加， t减小；含泥量增加， t增加。 在砂泥岩剖面中，砂岩时差低值。砂岩的胶结物的性质和含量也影响时差的大小，通常钙质增多时差下降，随泥质增多时差升高。泥岩声速低，时差为高值。页岩时差时界于砂岩和泥岩之间。砾岩时差较低，并且越致密越低。 在碳酸盐岩剖面中石灰岩和白云岩时差最低，如果含泥质稍有增高。孔隙性或裂缝性石灰岩和白云岩声波时差明显增大，裂缝发育的石灰岩或白云岩还可能出现周波跳跃现象。因此可以利用时差曲线划分出孔隙性或裂缝性石灰岩、白云岩储层。,1.划分地层,划分地层岩性,砂泥岩剖面,碳酸岩与泥岩互层剖面,岩盐及无水石膏剖面,源272-264井测井解释成果图,3,4,5,8号层合试, 压后抽汲， 日产油2.115吨。 日产水2.04方,3.2.4资料应用,由于时差曲线可以划分地层，所以也可以用来进行地层对比，又由于它能反映岩石的致密程度，因此也可和微电极等曲线判断储层储集性质优劣。,3.2.4资料应用,2、判断气层 在岩性相同的情况下，气层的时差比油水层时差大30us/m或50us/m，因此在已知岩性的基础上，可以用时差大的特点判断气层。此外，周波跳跃也是特征。,3.2.4资料应用,3.2.4资料应用,敖420-29井测井解释成果图,7号层单试, 射开井段 734米-737米， MFE（II）+自喷， 日产气24597方。,敖420-29井测井解释成果图,3、确定孔隙度 在固结压实的纯地层,3.2.4资料应用,V岩石声速 Vf流体声速 Vma骨架声速,上式称怀利时间平均公式， 对于没有固结或不够压实的地层，需压实较正：,3.2.4资料应用,式中：Cp压实较正系数 近年来，应用比较广泛、效果也更好的声波地层因素公式：,式中x岩性指数，砂岩取1.6。 上式对砂岩、石灰岩、白云岩都适用，当地层含气、泥质时，要适当修正：,3.2.4资料应用,声波时差反映地层物性，可以与电阻率测井结合，判断油水层。,共计18口井，49个层，符合44层，符合率89.8%,4、判断异常高压地层,3.2.4资料应用,深度D时的孔隙度， 0零深度时的孔隙度。 C压密系数。 D深度。,3.2.4资料应用,3.2.4资料应用,3.2.4资料应用,3.2.4资料应用,5、确定断层力学性质 断层处曲线特征为声速比原岩低，传播能量比原岩衰减快。,在声波频率一定的情况下，声波幅度衰减和介质密度、弹性等因素有关。声幅测井就是通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层性质和水泥胶结情况的方法。 声波在地层中传播，能量（幅度）有两种衰减形式，一是地层吸收声波能量而使幅度衰减，另一种是存在声阻抗不同的两种介质界面的反射和折射，使声波幅度发生变化。 裸眼井中，在裂缝发育及疏松岩石井段，其衰减主要是由于地层吸收能量所致；套管井中，各种波的幅度变化主要和套管、水泥环、地层之间界面引起的声波能量分布有关。 因此，在裸眼井中测量声波幅度可划分裂缝带和疏松地层，在套管井中测量声波幅度变化，可以检查固井质量。,3.3声波幅度测井,1套管井中的声波传播 套管井中声波由T到R，其传播路径大致有四个：套管波，套管滑行波。水泥环波。地层波，沿第二界面在地层内传播的声波。泥浆波，通过泥浆传播的直达波。 最早到达的是套管波，其次是地层波，最后是直达波。水泥的微孔隙很多，声波衰减很快，待其到达接收器时，振幅已很小，无法测出，不予考虑。 固井声幅测井和声波变密度测井就是利用套管波和地层波的幅度信息来评价管外水泥胶结质量的。,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,2方法原理 声系为单发单收，源距1米。仪器记录套管波的第一个负峰的幅度值（首波幅度）。若套管与水泥胶结良好，套管与水泥环的声阻抗差别小，声耦合较好，套管波容易通过水泥环向外传播，因此，套管波的能量有较大的衰减，测量记录到的首波幅度就小；若套管与水泥胶结不好，套管外有泥浆存在，声阻抗差别大，声耦合较差，管套波能量不容易传播到地层中去，能量衰减小，记录的首波幅度较大。因此，利用声幅曲线可以评价固井质量。 当然，套管波首波幅度还和套管尺寸、水泥环强度、厚度以及仪器居中情况有关。,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,3曲线的影响因素 测井时间的影响：水泥有个凝固过程，是水泥强度不断增大的过程。套管波的衰减和水泥强度有关，强度小衰减小，所以在凝固过程中，衰减不断增大。在未凝固、未封固好的井段出现高幅度值，因此要待凝固后测井。测井过晚，会因为泥浆沉淀固结，井壁坍塌造成无水泥井段声幅低值的假象。24-48小时为好。,水泥环厚度的影响：水泥环厚度大于2cm，其对测井曲线的影响是定值，小于2cm时，水泥环厚度越薄，幅值越高，因此在检查固井质量时，要参考井径曲线。 井筒内泥浆气侵会使声波能量发生较大的衰减，造成曲线低值现象。此时，容易把没有胶结好的井段误认为胶结良好。,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,4资料定性解释 在水泥面以上曲线幅度最大，在套管接箍处出现幅度变小的尖峰，这是因为声波在套管接箍处能量损耗增大。 由浅到深曲线首次由高幅度向低幅度变化处为水泥返高位置，半幅点处对应水泥面深度。 管外水泥胶结良好处，曲线为低值。 定义声波相对幅度值为： 胶结良好 胶结差，不合格 胶结中等,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,3.3.1 水泥胶结测井（CBL）,5应用 检查固井质量。检查挤水泥效果。检查套管接箍及套管断裂位置。,水泥胶结测井仅测量记录套管波首波幅度大小，只能解决第一界面胶结质量评价问题。要解决第二界面胶结质量评价问题，就需要测量记录更多的信息，VDL可记录整个波列，因此能解决第二界面问题。 1方法原理 VDL声系是单发单收、源距1.5m，还可附加另一源距为1m的接收器，以便同时记录一条CBL曲线。VDL测量记录套管波、地层波、泥浆波等整个波列，实质上是声波全波测井。 VDL有两种不同形式的记录方式，即调辉记录和调宽记录。,3.3.2声波变密度测井（VDL）,调辉记录是对接收到的波形检波去掉负半周，用其正半周作幅度调辉，控制示波器荧光屏的辉度。信号幅度大，则辉度强（黑色），反之，信号幅度小，则辉度弱。接收器每接收一个波列，则在荧光屏上按时间先后自左向右水平扫描一次，由照相机连续拍摄荧光屏上的图像，胶卷与电缆速度以一定的比例同步移动拍摄，就得到了VDL调辉记录。如图3-18P68黑色相线表示声波信号的正半周，其颜色的深浅表示幅度的大小，信号幅度大，则颜色深，相线间的空白为信号的负半周。 调宽记录将正半周的幅度大小变成与之成正比的相线宽度，以宽度表示信号幅度的大小。,3.3.2声波变密度测井（VDL）,2资料解释 套管波和地层波可根据相线出现的时间和特点加以区别。在VDL图上，套管波在左侧，显示为直条带；地层波的条带有较大摆动；后续的泥浆波也是直条带，在图的最右侧。 在自由套管（管外无水泥）或第一、第二界面均未胶结情况下，由于套管波强，VDL图上表现为：左侧是黑白相间的直条带，反差很大。右侧为灰白相间的左右摆动的条带，表明地层波弱，或者根本探测不到地层波，表现为右边灰白相间的直条带，这是套管波的后续波。另外，在套管接箍处有清楚的“人”字纹。,3.3.2声波变密度测井（VDL）,套管与水泥，水泥与地层胶结均好，由于套管波幅度小，地层波强，VDL图表现左侧灰白相间直条带，甚至缺失，右侧黑白相间条带。 第一界面好，第二界面不好，套管波和地层波都弱，呈现为灰白相间条带或无显示，后续的泥浆波可能显示为黑白相间的直条带。,3.3.2声波变密度测井（VDL）,声波全波测井可以获得纵、横波速度、幅度以及波列中其它波伪瑞利波和斯通利波信息。因此可为石油勘探开发提供更多信息。 3.4.1裸眼井中声波全波列成分 在裸眼井中，接收器可接收到的声波全波成分包括：滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波和斯通利波等，如下图。,3.4长源距声波全波列测井,滑行纵波是一种体波，无频散。若源距适当，它在波列中是首波，具有速度快，幅度小等特点。 滑行横波也是一种体波，无频散。只要横波速度大于井内流体声速，就能接收到横波。在全波列中是次首波，速度比纵波小，幅度比纵波大。 伪瑞利波是一种界面波，是以大于第一临界角入射到井壁上，并在井壁界面上多次散射形成的高频散射波，其速度介于横波速度和井内流体速度之间，其截止频率的相速度接近地层横波速度。 斯通利波是经泥浆直接传播而又受井壁地层滑行横波制导的一种管波，其速度低于井内流体纵波速度，幅度大。,3.4长源距声波全波列测井,3.4.2测量原理 1、声系及记录方式 为了探测原状地层的声学特性，采用探测深度大的长源距，还可从时间上把速度不同的波列成份分开。声系采用双发双收，以补偿井眼变化的影响。声系是R12R28T12T2。如图。 仪器源距有8ft、10ft、12ft，四条时间曲线。 TT1=T1 R1（10ft） TT2=T1 R2（8ft） TT3=T2 R1（12ft） TT4=T2 R2（10ft）,3.4长源距声波全波列测井,2、井眼补偿原理 当左面位置时，T1发射，R1、R2接收，有TT1、TT2，仪器上提处于图右面位置时，T1、T2同时发射，R1接收来自T1和T2的波有两个时间TT2、TT4，此时可得补偿后时差：,3.4长源距声波全波列测井,3、记录的信息 TT1、TT2、TT3、TT4四条旅行时间曲线。 按井眼补偿方式计算出来的纵波时差DT(或DTL)、横波时差DTS、纵横波速度比DTR 。 T1发射R1接收的声波全波列波形图（WF）。 以颜色深浅反映声波幅度的变密度图（VDL）。 声波全波测井将四道波形记录在磁带上，对波形进行数字处理，可得到DTP、DTS以及其比值DTR；各道的幅度A1、A2、A3、A4及平均值（包括纵、横波等）。,3.4长源距声波全波列测井,注：全波波形数字处理方法有：STC法、直接相位法、相关互功谱法等。,3.4长源距声波全波列测井,3.4.3 资料应用 1、估算孔隙度 利用Raymer时间平均公式修正式：,3.4长源距声波全波列测井,m经验系数，根据现场资料确定。,2确定岩性 不同岩性，其时差比DTR、幅度衰减和泊松比均有不同值，因此可利用其判断岩性。 砂岩：1.58-1.78，石灰岩：1.9，白云岩：1.8， 含气砂岩：1.6。砂岩的泥质含量增多，DTR增大，因此可用DTR估算Vsh。白云化程度增高时，DTR下降。,3.4长源距声波全波列测井,3判断气层 岩石孔隙中含有天然气时，其纵波速度明显减小，而横波速度几乎不变。因此，可以根据纵波时差增大和时差比DTR减小来识别气层。 如=25%30%的纯砂岩，孔隙完全含气比完全含水声速下降40%。,3.4长源距声波全波列测井,3.4长源距声波全波列测井,4判断裂缝（识别裂缝） WF图幅度下降，VDL图颜色变浅，即幅度降低，衰减大，且呈现干涉性条纹；时差增大。 5估算岩石力学参数 （1）计算等效泊松比和杨氏模量,3.4长源距声波全波列测井,（2）计算其它弹性参数 知道任意二个模量，就可计算其余模量。 E，K，反映岩石的刚性，它们越大，说明岩石越不易变形，强度越大，稳定性越好，对砂岩油层来说，越不易出砂。反之，则易出砂，开采时要降低生产压差。 可见，通过全波测井可以确定岩石强度、地应力等参数，从而可进行出砂分析、水压裂缝高度和井眼稳定性等方面的研究。,3.4长源距声波全波列测井,