地球物理测井课件：第十章 全波列测井方法和应用

第十章第十章全波列测井全波列测井方法和应用方法和应用地球物理与石油资源学院 1 全波列声波波型成分全波列声波波型成分2 长源距声波全波列记录方式及信息长源距声波全波列记录方式及信息提取提取3阵列声波成像测井阵列声波成像测井(DSI/MAC)4 声波全波列测井的应用声波全波列测井的应用主要内容主要内容:11.1 全波列声波波型成分全波列声波波型成分 一、滑行纵波特性一、滑行纵波特性：1）滑行纵波是一种体波）滑行纵波是一种体波(c)，沿井壁附近滑行传播，速，沿井壁附近滑行传播，速度为度为Vp，轻微频散（在测井频率段可忽略），是，轻微频散（在测井频率段可忽略），是PPP波。波。2）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数规律衰减，能量集中在规律衰减，能量集中在3 p（即（即Vp/f）范围内，在）范围内，在Z=p内集中了滑行波能量内集中了滑行波能量63%，因此探测范围在一个，因此探测范围在一个 p左右。左右。3)在井中传播方式在井中传播方式:滑行波在传播过程中不断向井中辐射滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量能量,在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，滑行纵波在全波中为首波，幅度小，传播速度快。滑行纵波在全波中为首波，幅度小，传播速度快。4）对于井内接收点，滑行波的振幅随源离）对于井内接收点，滑行波的振幅随源离L增加是衰减增加是衰减的直达波的直达波A 1/Z 滑行纵波滑行纵波A 1/Z(lnZ)2。对于对于Ze=2.72m,滑行波衰减快，对于滑行波衰减快，对于Ze=2.72m,直达波衰减直达波衰减快。快。5）存在共振频率，）存在共振频率，a为井径；为井径；i 为为贝塞尔函数贝塞尔函数J(i)的零点，为的零点，为3.83、7.01.;对于一般砂岩频对于一般砂岩频率为率为10、20kHz。220112PiVVaf 二二 滑行横波特性滑行横波特性：1）滑行横波是一种体波）滑行横波是一种体波(S)，沿井壁附近滑行传播，速，沿井壁附近滑行传播，速度为度为Vs，轻微频散（在测井频率段可忽略），是，轻微频散（在测井频率段可忽略），是PSP波。波。2）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数）一种非均匀波，在地层中，离井壁距离增加按负指数规律衰减，能量集中在规律衰减，能量集中在3 s（即（即Vs/f）范围内，在）范围内，在Z=s内内集中了滑行波能量集中了滑行波能量63%，因此探测范围在一个，因此探测范围在一个 s左右。左右。3)在井中传播方式在井中传播方式:滑行波在传播过程中不断向井中辐射滑行波在传播过程中不断向井中辐射能量能量,在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，在井壁上传播其波阵面是圆锥面；若源距选择适当，滑行横波在全波中为次首波，幅度较纵波幅度大。滑行横波在全波中为次首波，幅度较纵波幅度大。原因原因:横波波长较纵波短横波波长较纵波短,因此靠近井壁附近滑行横波幅因此靠近井壁附近滑行横波幅度较滑行纵波幅度有更多能量。度较滑行纵波幅度有更多能量。横波反射系数远小于横波反射系数远小于纵波，即有更多能量进入地层，在相同的情况下有更多纵波，即有更多能量进入地层，在相同的情况下有更多的能量转换为滑行横波。的能量转换为滑行横波。4）对于井内接收点，滑行波的振幅随源）对于井内接收点，滑行波的振幅随源离离L增加是衰减的。直达波增加是衰减的。直达波A 1/Z滑行横滑行横波波A 1/Z2。不像纵波滑行横波始终比泥。不像纵波滑行横波始终比泥浆直达波衰减快。浆直达波衰减快。5）存在共振频率，）存在共振频率，a为井径；为井径；i 为为贝塞尔函数贝塞尔函数J0(i)的零点，的零点，为为2.4、5.52.;对于一般砂岩频率为对于一般砂岩频率为8、18kHz。6）当）当VsV0)低频段低频段V 0.9 V0,高频段高频段V 0.96 V0;在低速地层在低速地层(VsV0),频散严重频散严重,速度小速度小于横波速度，约为于横波速度，约为0.6 V0。3）能量主要集中在低频处，在小于）能量主要集中在低频处，在小于5kHz范围内这种波的低频波也称为管波范围内这种波的低频波也称为管波 V0为泥浆波速为泥浆波速 现在油田应用主要有两种类型现在油田应用主要有两种类型:CSU和和3700CSU：R12R28 T12 T23700：T17 R12 R27 T2它们有什么差别呢它们有什么差别呢?11.2长源距声波全波列记录方式长源距声波全波列记录方式一一.长源距声波全波列测井声系长源距声波全波列测井声系二记录内容二记录内容 以以CSU系统为例系统为例:1、4条波形条波形:WF1(10)、WF2（8 ）、）、WF3（12 ）、）、WF4（10 ）采样数：采样数：n=512，采样率：，采样率：5us（960，2us）2、4条波形到达时间条波形到达时间 TC1、TC2、TC3、TC4；3、纵波时差纵波时差DTC 4、经过信号分析可以得到各子波时差频率和幅经过信号分析可以得到各子波时差频率和幅度度(或衰减或衰减)用聚焦换能器发射、接收探头，可使源用聚焦换能器发射、接收探头，可使源距增大距增大23倍，倍，测量原理：测量原理：CSU-双发四收双发四收(8)（1）T1R1、R2：TC1、TC2 t2（2）上移）上移9.8 (或或10)T1、T2R2：TC2 、TC4 t1（3）井眼补偿）井眼补偿 t=（t1+t2）/(2*2)问题问题:源距源距10ft如何实现如何实现?三三井眼补偿原理井眼补偿原理PSST声波全波列测井声波全波列测井 为什么要发展该仪器为什么要发展该仪器?与前面的仪与前面的仪器有什么差别器有什么差别?11.3 阵列声波成像测井阵列声波成像测井一一 阵列声波成像测井仪器结构和工作方式阵列声波成像测井仪器结构和工作方式1 仪器结构仪器结构 2 工作方式工作方式 1、纵横波方式：单极子高频声源发射，中、纵横波方式：单极子高频声源发射，中心频率为心频率为12kHz。记录。记录8条全波列波形，条全波列波形，源距源距L=9英尺，采样间距为英尺，采样间距为10us，采样点，采样点为为512。测量全波信息。测量全波信息。2、斯通利波方式：单极子低频声源发射，、斯通利波方式：单极子低频声源发射，中心频率中心频率4.9kHz。记录。记录8条波形，源距条波形，源距L=9英尺，采样间距为英尺，采样间距为40us，采样点为，采样点为512。测量斯通利波时差。测量斯通利波时差。3、上或下偶极横波方式：偶极子声源发射、上或下偶极横波方式：偶极子声源发射（FTy0）；）；Tr、分别为离井轴、分别为离井轴r距离并与距离并与Tx按按反时针方向成角处的径向、周向法应力和井周向切反时针方向成角处的径向、周向法应力和井周向切应力分量应力分量 当当TPPTTTPPBBr eMpexyMpM311()PPop上覆地层压力对水平应力的贡献为上覆地层压力对水平应力的贡献为:地层破裂压力计算原理地层破裂压力计算原理00270,90时，周向应力最大，容易发生切变破裂。时，周向应力最大，容易发生切变破裂。当当 TPPTTTPPBBr eMpexyMpM311()PPop上覆地层压力对水平应力的贡献为上覆地层压力对水平应力的贡献为:破裂压力计算原理破裂压力计算原理pMxyepMrePPTTTPPT300180,0时，周向应力最小，容易发生张性破裂。时，周向应力最小，容易发生张性破裂。水平应力不等地层破裂压力计算水平应力不等地层破裂压力计算径向应力：pmrePPT周向应力：TPPK PPPeppm211 3100()径周向应力：Tr1.井中三个压力井中三个压力2.四个破裂参数四个破裂参数自然破裂自然破裂:人工压裂人工压裂:)(13112001ppmPPKPPP12mtmPPTreTemmPTP33切变破裂切变破裂:TRtgtgRRTTsree3020301302拉伸破裂拉伸破裂:TreTeTnTsPm4=Pp-uTnTreTeTstgTTnssT3 Rs0静弹性应变模式静弹性应变模式TK EPPK EPTK EPPK EPxessopsssPyessopsssP12211122111212()()PK EK Efssss1212121131ssossptPPS水平最大、最小地应力：水平最大、最小地应力：静弹性模式破裂压力：静弹性模式破裂压力：华北油田动静弹性模量关系华北油田动静弹性模量关系sdsdMMMMACEAC EAPPCPPAPPCPP1122101020200245343 015548300502480364811984181020661840160931.log().log().log().log()计算公式中各参数确定计算公式中各参数确定PHHobbiiin()/10011.上覆地层压力上覆地层压力2.孔隙流体压力孔隙流体压力PaHbPHHHgcmgcmpPtbtb221331001 02 31()/.(/).(/)Pp=gbHa-g（b-w）Hn3.三个地层抗强参数三个地层抗强参数clcluEVVE008.0)1(0045.0s 0.025uB 1.04025 105 0.1(M pa)4.五个弹性模量五个弹性模量切变模量：Vtss22/拉梅系数：VVttcscs2222212/杨氏模量：E 32/泊松比：/2体积模量：K 23/t3.464s/12单轴抗压强度抗切强度抗张强度当当Vcl0.1时时 DTRDTCDTSDTRMDTRDTRSHVDTRMVDTRMclcl*12lg(2lg11)1()1(wclclmaclVV)1(HePHo51023594.302043575.01.没有横波时差没有横波时差2.没有地层密度没有地层密度 GS12-18井地层破裂压力剖面井地层破裂压力剖面 GS8-16井地层破裂压力剖面井地层破裂压力剖面 地层破裂压力评价方法地层破裂压力评价方法 ZH4x1 ZH4x1井泥岩层段声波时差正常趋势线井泥岩层段声波时差正常趋势线庄海4X1庄海4X2100012001400160018002000220024001001000声波时差(s/m)深度(m)应用及效果分析应用及效果分析 谢谢 谢谢!应用及效果分析应用及效果分析 层位自然破裂压力人工压裂压力地层压力坍塌压力馆陶1.861.871.001.13沙河街1.641.71.010.99中生界1.621.721.010.86平均1.661.721.010.98ZH4X2ZH4X2井各层位储层压力预测表井各层位储层压力预测表层 位深 度（米）地层 压力（psi）地层 压力相当 密度(g/cm3)1751.372236.300.971752.992235.360.961753.952236.500.961793.522285.950.961792.032283.650.961793.992285.630.961772.012261.850.97沙河街1772.552262.890.97ZH4X2ZH4X2井井地层地层压力测试表压力测试表相对误差为相对误差为4%4%应用及效果分析应用及效果分析 张张海海井井与与张张参参 1 1井井对对比比图图张海张海2-12-1井井张参张参1 1井井2-12-11.45应用及效果分析应用及效果分析 张参张参1 1井井眼稳定性分析成果图井井眼稳定性分析成果图应用及效果分析应用及效果分析 设计钻井泥浆密度设计钻井泥浆密度 制定固井方案和酸化压裂设计，指导优质钻井制定固井方案和酸化压裂设计，指导优质钻井 保护油气藏及合理增产保护油气藏及合理增产应用及效果分析应用及效果分析 破裂压力与井眼稳定性分析破裂压力与井眼稳定性分析 C29 C29井破裂压力与井眼稳定性成果分析图井破裂压力与井眼稳定性成果分析图应用及效果分析应用及效果分析预测破裂预测破裂压力压力58.2MPa58.2MPa实测破裂实测破裂压力压力60.5MPa60.5MPa 采油出砂强度分析是在不出砂的情况下所承受的最大压降。在非采油出砂强度分析是在不出砂的情况下所承受的最大压降。在非固结的高孔隙度砂岩中进行高强度开采时，出砂是普遍的问题。进行固结的高孔隙度砂岩中进行高强度开采时，出砂是普遍的问题。进行砂岩强度分析就可以预测采油出砂时的压差，把生产压降控制在安全砂岩强度分析就可以预测采油出砂时的压差，把生产压降控制在安全水平下开采，否则砂岩将遭到破坏，使井受到损坏或被堵塞。水平下开采，否则砂岩将遭到破坏，使井受到损坏或被堵塞。油层实际开采时，生产压差（流压与静压之差）要小于临界生产压油层实际开采时，生产压差（流压与静压之差）要小于临界生产压 差差DPDP。应用及效果分析应用及效果分析 采油出砂分析采油出砂分析C29C29井砂岩强度成果分析图井砂岩强度成果分析图应用及效果分析应用及效果分析井井泊泊松松比比与与体体积积压压缩缩系系数数对对比比图图C29C29应用及效果分析应用及效果分析定性判断气层定性判断气层层 号深 度地 层 压力 相 当密 度(g/c m3)人 工 破 裂压 力 相 当密 度(g/c m3)理 想 泥浆 比 重(g/c m3)最 大 泥浆 比 重(g/c m3)最 小 泥 浆比 重(g/c m3)自 然 破 裂压 力 相 当密 度(g/c m3)坍 塌 压力 相 当密 度(g/c m3)生 产压 差(M p a)解 释 结 果1 52 4 5 0.3-2 4 5 2.312.2 31.2 22.10.7 52.10.72.6 1油 水 同 层1 72 4 6 0.7-2 4 6 1.912.4 31.3 72.3 40.7 32.3 40.8 81.6 6油 水 同 层1 82 4 6 8.0-2 4 7 0.011.9 21.21.8 50.7 41.8 50.8 81.3 7油 水 同 层1 92 4 7 5.0-2 4 7 7.612.1 61.2 52.0 70.7 32.0 70.8 21.7 9油 水 同 层2 02 4 7 8.6-2 4 8 0.012.3 61.2 72.2 40.7 42.2 40.7 23.1 8油 水 同 层2 12 4 8 5.9-2 4 8 8.512.3 81.2 92.2 60.72.2 60.7 62.7 4油 水 同 层2 22 4 9 0.1-2 4 9 4.512.3 51.2 72.2 20.7 32.2 20.7 42.8 4水 层2 72 5 4 3.9-2 5 4 8.012.3 21.3 12.2 30.72.2 30.8 61.9 8气 水 同 层2 82 5 6 0.0-2 5 6 6.311.9 21.1 61.8 40.7 11.8 40.8 22.0 8气 水 同 层2 92 5 7 0.9-2 5 7 2.111.2 20.9 61.1 80.7 61.1 80.8 70.6 6油 水 同 层3 02 5 7 2.8-2 5 7 5.211.4 11.0 11.3 60.7 41.3 60.8 51.3油 水 同 层3 12 5 7 6.0-2 5 7 8.112.0 31.1 71.9 20.7 51.9 20.7 51.9 8油 水 同 层3 42 6 2 0.0-2 6 2 4.611.8 61.1 21.7 80.6 91.7 80.7 92.1 8气 层3 42 6 2 4.6-2 6 2 7.512.1 41.1 62.0 10.6 92.0 10.6 93.2 6气 水 同 层3 62 6 5 2.9-2 6 5 4.612.3 41.2 52.2 10.7 12.2 10.7 12.7 9油 层3 72 6 5 5.2-2 6 5 6.812.3 51.2 22.2 10.7 12.2 10.6 83.4 4油 水 同 层3 82 6 5 7.0-2 6 5 8.512.3 81.2 32.2 30.7 42.2 30.6 33.0 3油 水 同 层5 12 7 3 6.9-2 7 3 8.812.3 31.2 72.2 10.7 12.2 10.7 92.2 9低 产 油 层5 22 7 4 1.5-2 7 4 2.912.0 41.1 11.9 10.71.9 10.6 43.5油 层5 32 7 4 3.2-2 7 4 8.612.1 61.1 32.0 10.6 92.0 10.6 23.8 4油 层5 52 7 6 4.9-2 7 7 4.312.1 31.0 31.8 60.7 11.8 60.4 84.4 9低 产 油 层5 62 7 7 4.8-2 7 8 1.811.9 41.0 21.7 80.7 11.7 80.5 74.4 2低 产 油 层C29C29井砂岩储层压力表井砂岩储层压力表应用及效果分析应用及效果分析 能准确的提供地层孔隙压力及破裂压力剖面以及采油能准确的提供地层孔隙压力及破裂压力剖面以及采油出砂分析（生产压差）和裂缝高度等参数出砂分析（生产压差）和裂缝高度等参数 在在ZH4X1ZH4X1井的预测结果中，地层压力是比较准确的。井的预测结果中，地层压力是比较准确的。C29C29井既有全波资料，又有邻井的破裂压力资料，因此，井既有全波资料，又有邻井的破裂压力资料，因此，计算出的破裂压力值是准确的计算出的破裂压力值是准确的 为了准确的预测和评价目标区块的压力系统，至少测为了准确的预测和评价目标区块的压力系统，至少测1-21-2口井的全波及密度资料口井的全波及密度资料结论与建议结论与建议水力压裂后预测地层水力压裂后预测地层裂缝高度裂缝高度 在压裂过程中，压裂液产生张力。在纵向压裂的情在压裂过程中，压裂液产生张力。在纵向压裂的情况下，它的压力与地层的水平应力相抵消。如果地层的顶况下，它的压力与地层的水平应力相抵消。如果地层的顶部或底部的应力强度因子部或底部的应力强度因子K K超过岩石的断裂韧度时，则预超过岩石的断裂韧度时，则预测裂缝沿纵向延伸。因此，预测裂缝是否沿纵向延伸取决测裂缝沿纵向延伸。因此，预测裂缝是否沿纵向延伸取决于在裂缝纵向终止处的应力强度因子的大小。于在裂缝纵向终止处的应力强度因子的大小。压裂裂缝高度预测压裂裂缝高度预测TxTy注水压裂试验压力、流量注水压裂试验压力、流量时间曲线时间曲线压力压力流量流量时间时间PfPsPrPsPppxyryspxyfPTTPTPPTTTP330水力压裂后预测地层水力压裂后预测地层裂缝高度裂缝高度裂缝高度延伸的应力强度因子计算裂缝高度延伸的应力强度因子计算:对于无限大平板有中心张开型或拉伸型裂纹，裂缝长度为对于无限大平板有中心张开型或拉伸型裂纹，裂缝长度为2h2h，在裂纹表面某处，在裂纹表面某处z z受到一对集中力拉力受到一对集中力拉力P P作用，则裂纹作用，则裂纹端点端点A A、B B处的应力强度因子为处的应力强度因子为zhzhhPKzhzhhPKBApzhx0BA水力压裂后预测地层水力压裂后预测地层裂缝高度裂缝高度引申到井眼中，垂直纵向裂缝拉伸力（最小水平应力方引申到井眼中，垂直纵向裂缝拉伸力（最小水平应力方向）是垂直坐标向）是垂直坐标z z的函数，通过积分可得到裂缝顶端和底的函数，通过积分可得到裂缝顶端和底端的应力强度因子表达式：端的应力强度因子表达式：K Ktoptop、K Kbotbot分别是裂缝的顶部和底部的应力强度因子分别是裂缝的顶部和底部的应力强度因子。裂缝。裂缝高度高度2h2h指垂直于最小水平应力的距离。指垂直于最小水平应力的距离。hhWYbothhWYtopdzzhzhPzShKdzzhzhPzShK)(1)(1水力压裂后预测地层水力压裂后预测地层裂缝高度裂缝高度岩石韧度岩石韧度K KLCLC的计算的计算 :如果忽略裂缝中的摩擦损失，假定流体压力等于井眼流体压力如果忽略裂缝中的摩擦损失，假定流体压力等于井眼流体压力P Pw w，则岩石韧度则岩石韧度K KLCLC可表示为可表示为 上式上式E E为杨氏模量，单位为为杨氏模量，单位为10104 4MpaMpa；CBCB岩石压缩系数（岩体积弹性模岩石压缩系数（岩体积弹性模量的倒数），单位为量的倒数），单位为1/101/104 4MpaMpa；VCLVCL为泥质含量（小数）；为孔隙压为泥质含量（小数）；为孔隙压力的贡献系数。力的贡献系数。因此确定垂直裂缝是否延伸就转化为确定所计算因此确定垂直裂缝是否延伸就转化为确定所计算K KTOPTOP、K KBOTBOT的值何时超的值何时超过过K KLCLC的问题。裂缝的每次延伸都必须重新计算应力强度因子。的问题。裂缝的每次延伸都必须重新计算应力强度因子。442104494.1)1(0045.0008.0025.0)1(10)(VCLVCLCBETPShETSKSWXSXLCMG1井压裂裂缝高度预测井压裂裂缝高度预测MG1井压裂裂缝高度预测图井压裂裂缝高度预测图Gs12-16井压裂裂缝高度预测图井压裂裂缝高度预测图 在试油和酸化压裂时都要对层位泵入压力进行预测，压力在试油和酸化压裂时都要对层位泵入压力进行预测，压力过小，不能压裂储层，达不到压裂的目的；泵入压力太大，可过小，不能压裂储层，达不到压裂的目的；泵入压力太大，可能会把邻近水层压透，造成油水窜槽。此外，对于岩石力学特能会把邻近水层压透，造成油水窜槽。此外，对于岩石力学特性差异较大的目的层，不能同时进行压裂，必须进行单压。进性差异较大的目的层，不能同时进行压裂，必须进行单压。进行水力压裂的裂缝高度预测分析，就可以对储层酸化压裂的泵行水力压裂的裂缝高度预测分析，就可以对储层酸化压裂的泵入压力进行设计，同时预测出水力压裂的裂缝高度。入压力进行设计，同时预测出水力压裂的裂缝高度。应用及效果分析应用及效果分析 压裂裂缝高度压裂裂缝高度C29井裂缝高度成果分析图49MPa8米米 50MPa9.3米米 51MPa10.7米米 52MPa12.5米米 应用及效果分析应用及效果分析