声波速度测井

1石油地球物理测井原理成都理工大学能源学院2013年10月主讲：杨斌2声波测井的物理基础声波速度测井长源距声波测井阵列声波测井全波列声波测井应用声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测井就是利用岩石的这些声学性质来研究钻井的地质剖面、识别油气层和裂缝层段、判断固井质量的一种测井方法。声波测井包括：普通声波测井、全波列声波测井、声波变密度测井、阵列声波、超声电视测井及声波成像、噪声声波技术等。它们都是以研究岩石介质的声学性质为基础来识别岩层。第3章声波测井31、纵波和横波声波在弹性介质中的传播速度定义为单位时间内声波传播的距离，与介质的弹性和密度有关。在均匀各向同性介质中，纵波速度、横波速度的表达式为：)1(21)21)(1(1EVEVSP)21()1(2SPVV纵波和横波同时在岩石中传播时，纵波的传播速度大于横波。由于研究最先到达接收器的声波比较方便，声波速度测井主要是研究纵波在岩石中的传播速度。3.1.1声波在岩石中的传播特性3.1声波测井的物理基础纵波和横波传播动画25.0若3SPVV4一些常见介质和沉积岩的纵波传播速度2）、孔隙度●岩性相同孔隙流体不变的岩石，孔隙度越大，岩石的声速越小。3）、岩层的地质年代：老地层比新地层具有较高的声速4）、岩层埋藏的深度：在岩性和地质时代相同下，声速随埋藏深度加深而增大不同矿物的弹性模量不同，由不同矿物组成的岩石的弹性系数和密度不同，声速大小也不同，决定这一传播速度的主要因素是岩石的密度，而沉积岩岩石的密度主要取决于岩性、岩石的结构(胶结状况和孔隙发育程度)，以及岩石的地质时代和埋藏深度等。●密度较小的粘土、泥岩和疏松砂岩，声波的传播速度较慢，越致密或密度越大的岩石，声波传播速度越快。2、声速的地质影响因素1）、岩性5声波通过波阻抗不同的两种介质的分界面，会发生反射和折射，并遵循斯奈尔(Snell)反射及折射定律，入射波、反射波、折射波在同一平面内沿不同方向传播211sinsinppvv3.1.2声波在介质界面上的传播特性对于折射纵波2sv21*1arcsinppvv第一临界角：产生滑行纵波条件：21ppvv221sinsinspvv对于折射横波21*2arcsinspvv第二临界角：产生滑行纵波，条件：21spvv首波示意图声波在界面上的反射和传播*1入射纵波63.2声波速度测井声波换能器都是由压电晶体制成（反效应发生声波，正效应接收声波），其固有振荡频率为20千周/秒，激发频率常采用20次/秒。声波测井声系的最小源距为1米，间距为0.5米。源距间距3.2.1单发双收声速测井仪的测井原理，第一临界角PPvv1sin，第二临界角SSvv1sin单发双收声速测井仪示意图刻槽隔声体声速测井：是测量井下岩层的首波（初至波）速度，进而判别井外岩层的岩性、估计储集层孔隙度的一种测井方法。通过测量从发射探头经地层传播到接收探头的时间差。71、井内声场分析发射器在井内产生声波，声波接收器记录首波（首先到达接收器的声波）到达时间。根据首波到达时间，确定首波的传播速度。测井时，要确保首波是地层纵波测井时间。井内存在以下几种波：(1)、反映地层滑行纵波的泥浆折射波；（2）、反映地层滑行横波的泥浆折射波；（3）、井内泥浆直达波；（4）、井内一次及多次发射波；（5）、井内流体制导波（管波或斯通利波）井内声波传播示意图到达接收换能器的波形图初至波续至波8直达波的处理为了消除经仪器外完直接传来的直达波，可在发射器与接收器之间加入隔声体或者在仪器外壳上刻槽，使声波沿着曲折的路径传播而拉长其传播距离井下声波传播的最短路径多次反射波的处理为了消除经泥浆传来的直达波以及反射波的干扰，则需适当增长发射器至第一接收器的距离(称为源距)使直达波与滑行波所通过的路径大体相等，便可首先接收到滑行波。根据一般的低速度岩石计算，采用1米的源距，可以实现这一要求。井下仪器的偏心会使测量的时差增大，使用扶正器使井下仪器居中声波测井仪器声系部分的外形9如果发射器在某一时刻t0发射声波，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收器2225.0vmvlvCDt其中，l是两个接收器之间的距离，称为“间距”。这样时差的大小就反映地层声速的高低。所以声波速度测井就是测量声波在两个接收探头之间的时间差，它等于间距所对应的地层中传播速度的倒数就是声波时差t单发射双接收声系原理图源距间距ftsms//或单位：1v2v1R2R2v2、单发双收声速测井仪的测量原理声速测井原理动画0t1t2t10（1）仪器工作原理发射声脉冲后立刻记录滑行纵波先后到达两个探测器的时间t1和t2，再按上式记录△t，由地面仪器将两个接收先后产生的电信号的时间差△t转换成与其成比例的电位差进行记录，仪器在井中移动，就得到一条随深度变化的反映地层声波传播速度的声波时差曲线。（2）深度记录点：两个接收探头的中点。（3）单发双收声系的优点①、能够直接测量岩层的声波速度或时差。在l固定的情况下，在整个井眼剖面上得到的岩层速度是指在l间距内的平均值。②、为了提高对薄层的分辨率，可减小间距，最小间距为l=0.1524m③、选择间距需要考虑的因素有●纵向分辨率：为有效划分薄层，间距选择要小●相对误差：当仪器测量系统误差（精度）一定时，间距减小会使相对误差增大；●声功率：在声功率一定时，间距过小时，会使接收探头之间的相互干扰增大；间距过大时，第2个接收探头的信号衰减过大导致周波跳跃11声速测井曲线实例微电极声波时差121）、在井眼几何尺寸变化的井眼不规则层段，时差曲线出现异常。在井眼扩大段的上及下界面分别出现时差增大和减小的尖峰。井径变化对声波时差影响示意图上发射器AC曲线1AC曲线23、单发双收声系存在的问题12vCEDFvCDt13在井径扩大的岩盐处，时差增大或减小十分明显井径对声波速度测井曲线影响的实例在膏盐剖面上单发双收的实测曲线扩径段扩径段扩径段142）、深度误差仪器记录点与实际传播路径中点不在同一深度上。该深度误差无法校正记录点深度误差图O—为仪器记录点R1、R2的中点O’—实际深度点，为声传播路径的中点a—接收器与井壁之间的距离（井径）θp—纵波入射角H—测井深度对于上发下收，实际深度应为paHhHtan对于下发上收，实际深度应为paHhHtan151、双发双收声系结构仪器的井下声系包括两个发射器和两个接收器。它们的排列方式如右图。其中，两个接收器之间的距离（间距L）为0.5米，T1、R1和R2、T2之间的距离为1米。测井时，上、下发射器交替发射声脉冲，两个接收器接收T上、T下交替发射产生的滑行波，得到时差、，地面仪器的计算电路对二者取平均值有：上T下T2)(下上＋TTt记录仪记录平均值对应的时差曲线声波速度测井井下仪器外形及结构示意图源距间距1T2T1R2R3.2.2井眼补偿声速测井原理162、井眼补偿原理补偿声波时差的确定))()(1121211221vCEvDFvCDvCEvBCvABvDFvCDvBCvABT上井眼补偿声速测井仪原理图1v2v2v))()(1121211221vECvFDvDCvECvCBvBAvFDvDCvCBvBAT下)(212112112vECvFDvDCvCEvDFvCDTTt下上当在上、下两次发射之间的时间内仪器移动距离很小时FDCEECDFDCCD22221vlvCDt下T上T1t2t3t4t5t0t上T下T17双发双收声波测井仪的井眼变化补偿示意图●双发双收声速测井仪的T1发射得到的△t1和T2发射得到的△t2曲线，在井径变化处的变化方向相反，所以，取二者的平均值得到的曲线恰好补偿掉了井径变化对测量结果的影响。●消除深度误差：上发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的上方；下发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的下方，当接收器对应地层速度及井径变化不大时，即可保证实际记录点与仪器记录点重合，不再出现深度误差1t2tt3、补偿声速测井仪的优点18●当上下围岩岩性相同时，曲线对称于地层中点●岩层界面位于时差曲线的半幅点处●在界面上下0.25m不反映岩层的时差（当l=0.5m）3.2.3补偿声速测井曲线特征1、曲线基本特征192、地层厚度对曲线的影响1）、厚层在地层中部时差曲线出现平直段，该段时差值为地层时差值。当地层岩性或孔隙性不均匀时，曲线稍有波动，取地层中部时差曲线的平均值作为地层的时差值。时差曲线的半幅点处对应于地层的上、下界面层厚对声波时差测井曲线的影响2)、薄层目的层时差受相邻地层时差影响较大。若相邻地层时差高于目的层的时差，则目的层时差增加；反之，目的层时差减小。厚度越薄，围岩影响越大，时差与地层实际时差值差异越大，半幅点间的距离越大于目的层真实厚度。不能应用曲线半幅点确定地层界面厚层薄层地层厚度的大小是相对于声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层，小于间距的称为薄层。由于声速测井的输出（时差）代表0.5米厚地层的平均时差，因此它们的声速测井时差曲线存在一定差异。203)、薄互层间距大于互层中的地层厚度时，测井值不能反映地层的真实速度，甚至还可能出现反向。交互层的声波时差测井曲线小结：间距大于地层厚度时，声波时差曲线分辨地层的能力变差，甚至无法分层和正确读取时差值，因此间距尺寸必须小于目的层中最薄地层的厚度。间距越小，分辨地层的能力越强，但测量的精度也就越差。应该合理选择间距，目前我国现场多采用0.5m的间距。213、声波时差曲线读值方法●均匀层中：由上下岩层界面内缩0.3m，取平均值（图a）●非均匀层中读值：采用由上下岩层界面内缩0.3m取面积平均法●层内非均质性或划分有效厚度：将层分两段取值，含泥质夹层由上下界面内缩0.3m，扣除夹层后取面积平均值（图d）224、首波触发的相位移动和“周波跳跃”现象在正常情况下，第一接收器R1和第二接收器R2应该被首波的同一个波峰（一般为头一个周期的负峰）的前沿所触发（一定的触发电平）。由于某种原因造成声波衰减严重，使两个接收器不是被同一个峰触发而造成的相位明显滞后、曲线跳动现象。第二道首波被第二周或推迟多周后的幅度峰所触发，由于每差一个峰，时差就增大一个周期，称为周波（期）跳跃。在这种影响条件下所测时差将不反映岩层的真实声速，且时差增大，在声波时差曲线上，以急剧地偏转或特别大的时差值反映出来。声波测井曲线上的周波跳跃声波周波跳跃的解释23引起周期跳跃的地层有：(1)、裂隙地层或破碎带；(2)、含气的未胶结的纯砂层（含油水的纯砂层或含泥质的砂层，一般不引起周期跳跃）；(3)、井壁垮塌（井径扩大较大的地层），以及泥浆中溶有气体时。周波跳跃可以作为裂缝层段或储集层中含气的特征标志。但它是一种无规律的现象，结果很难解释。应该不断改进仪器，尽量避免它的干扰。24一般是指井壁滑行波的影响范围，它和声波的波长λ有关：6、探测范围fv在频率为20kHz、岩层中声波速度为1500～7600m/s时，波长为8～38cm。根据实验，声波测井的探测范围大约等于三倍波长。在上述条件下，研究深度大约为25～115cm。5、源距和间距●首先要考虑使首波先于直达波到达接收器，选择1m的源距就足够了●间距的大小影响分层能力●声速测井记录的地层速度与真实速度有某些差别，井壁附近存在声速较低的过渡带。由于过渡带声速低于地层速度，为了得到从没有遭到破坏的由地层返回的折射波，要有足够大的源距。过渡带大约在15～125cm范围。253.2.4.1含水纯砂岩层的声波孔隙度计算Wyllie威利时间平均公式（孔隙均匀分布、压实的纯地层）：fmattt)1(mafmastttt体积模型：把声波在单位体积岩石中传播的时间分成几部分传播时间的体积加权值fmavvv11声