偶极子声波测井讲义学习教案

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1、会计学1偶极子声波测井讲义偶极子声波测井讲义(jingy)第一页，共56页。一、声波基础理论概述二、偶极子及交叉偶极子阵列声波测量原理三、偶极子及交叉偶极子阵列声波地质应用 1、岩石力学参数的计算 2、岩性的识别 3、识别气层 4、判断裂缝发育井段、类型及区域有效性 5、地层各向异性分析(fnx) 6、地应力参数计算及井眼稳定性分析(fnx)四、总结第1页/共56页第二页，共56页。声波声波(shn b)在地层在地层中传播的原理中传播的原理 声波在岩石中传播的体波有两种，即纵波和横波，面波有斯声波在岩石中传播的体波有两种，即纵波和横波，面波有斯通利波。纵波也叫通利波。纵波也叫P P波，是一种岩

2、石的压缩和膨胀所产生的波，传波，是一种岩石的压缩和膨胀所产生的波，传播方向于岩石中的质子的震动方向一致；横波也叫播方向于岩石中的质子的震动方向一致；横波也叫S S波，是岩石受波，是岩石受剪切力的作用而产生的一种波，传播方向与岩石中质子的震动方向剪切力的作用而产生的一种波，传播方向与岩石中质子的震动方向垂直。声波的传播速度受岩石机械特性的控制，岩石的机械特性可垂直。声波的传播速度受岩石机械特性的控制，岩石的机械特性可以以(ky)(ky)用岩石的密度和弹性力学参数来表示。用岩石的密度和弹性力学参数来表示。 在被流体饱和的岩石中，其机械特性取决于所含流体的类型在被流体饱和的岩石中，其机械特性取决于所

3、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。软的松散的岩石和含量、岩石颗粒的构成以及颗粒间的胶结程度。软的松散的岩石具有较小弹性硬度，因此声波在软地层中的传播速度比在硬地层中具有较小弹性硬度，因此声波在软地层中的传播速度比在硬地层中的传播速度慢。的传播速度慢。第2页/共56页第三页，共56页。纵纵 波波 纵波，有时称为纵波，有时称为“压缩波压缩波”，是一种典型的纵向波。纵波，是一种典型的纵向波。纵波按按“压缩模式压缩模式”传播，即波的传播方向与质点位移传播，即波的传播方向与质点位移(wiy)方方向平行。气体、液体及固体都能反抗压缩，因此，纵波能向平行。气体、液体及固体都能反抗压缩，

4、因此，纵波能通过气体、液体及固体传播。纵波的速度为：通过气体、液体及固体传播。纵波的速度为： Vp=(K+1.33)/0.5 ：传播波的物质的密度：传播波的物质的密度 K ：体积模量：体积模量 ：剪切模量：剪切模量 第3页/共56页第四页，共56页。没有孔隙的固体没有孔隙的固体(gt)：材材 料料 时时 差（差（us/ft） 材材 料料 时时 差（差（us/ft）硬石膏硬石膏: 50 石石 膏：膏： 52.6 方解石：方解石： 49.7 石灰石灰岩：岩： 47.6 水水 泥泥 (固结）固结）: 83.3 石石 英：英： 52.9 白云石：白云石： 43.5 岩岩 盐：盐： 66.6 钢钢 ：

5、50 套套 管：管： 57.0 花岗岩：花岗岩： 50.7第4页/共56页第五页，共56页。白云岩（孔隙度白云岩（孔隙度5-20%） 50-66.6石灰岩（孔隙度石灰岩（孔隙度5-20%） 54-76.9砂砂 岩（孔隙度岩（孔隙度5-20%） 62.5-86.9砂岩砂岩(sh yn)（未固结）孔隙度（未固结）孔隙度20-35% 86.9-111.1页页 岩岩 58.8-143饱和原生水的孔隙饱和原生水的孔隙(kngx)岩石：岩石：第5页/共56页第六页，共56页。水（淡水水（淡水(dnshu)）：）： 208水（含水（含NaCl 100,000mg/L） 192.3水（含水（含NaCl 200

6、,000mg/L） 181.8石石 油：油： 238.1泥泥 浆：浆： 189氢：氢： 235.3甲甲 烷：烷： 666.6液体液体(yt)及及气体：气体：第6页/共56页第七页，共56页。横横 波波 横波横波(hngb)，有时称，有时称“畸变波畸变波”，是一种典型的横向，是一种典型的横向波，横波波，横波(hngb)按按“剪切模式剪切模式”传播，即波的传播方向垂传播，即波的传播方向垂直于质点的位移方向。固体由于其刚性，趋向反抗剪切，即直于质点的位移方向。固体由于其刚性，趋向反抗剪切，即这种固体的力能引起一个物体的两个连续部分彼此相对的滑这种固体的力能引起一个物体的两个连续部分彼此相对的滑动。因

7、此，横波动。因此，横波(hngb)能通过固体传播。液体及气体不能通过固体传播。液体及气体不具有刚性（若其粘滞性可以忽略），而且不能反抗剪切，因具有刚性（若其粘滞性可以忽略），而且不能反抗剪切，因此横波此横波(hngb)不能通过液体及固体传播。横波不能通过液体及固体传播。横波(hngb)的速度为：的速度为： Vs=(/)0.5 对于大多数岩石，对于大多数岩石，Vs比比Vp小小1.6至至2.4倍倍第7页/共56页第八页，共56页。软地层中声波软地层中声波(shn b)(shn b)的传播的传播由于软的固结松散的岩石具由于软的固结松散的岩石具有较小的弹性硬度，使得软有较小的弹性硬度，使得软地层中声速

8、相对较慢。因此地层中声速相对较慢。因此在硬地层中可以获得横波和在硬地层中可以获得横波和纵波时差，然而在慢速的固纵波时差，然而在慢速的固结较差的地层中，由于横波结较差的地层中，由于横波速度小于井内流体声速，横速度小于井内流体声速，横波首波与井中钻井液一起传波首波与井中钻井液一起传播，不能产生临界播，不能产生临界(ln ji)(ln ji)折射的滑行横波，使得单极折射的滑行横波，使得单极声波测井无法测出横波的首声波测井无法测出横波的首波。波。第8页/共56页第九页，共56页。斯斯 通通 利利 波波 斯通利波在泥浆中产生，通过仪器斯通利波在泥浆中产生，通过仪器外壳和井壁间的泥浆传播，斯通利波对外壳和

9、井壁间的泥浆传播，斯通利波对井壁的刚性及地层井壁的刚性及地层(dcng)的渗透性非的渗透性非常敏感。斯通利波的能量是以低频及低常敏感。斯通利波的能量是以低频及低衰减的形式传播。其速度低于泥浆的声衰减的形式传播。其速度低于泥浆的声速。速。第9页/共56页第十页，共56页。硬地层硬地层(dcng)(dcng)中声波测井仪探测到的波形中声波测井仪探测到的波形分析分析纵波纵波(zn b)横波横波(hngb)斯通利波斯通利波第10页/共56页第十一页，共56页。软地层中声波测井仪探测到的波形软地层中声波测井仪探测到的波形(b (b xn)xn)分析分析纵波纵波(zn b)斯通利斯通利(tn l)波波第1

10、1页/共56页第十二页，共56页。 常规声波测井仪采用常规声波测井仪采用单极子技术，在快速地层单极子技术，在快速地层中可以从波形数据中提取中可以从波形数据中提取纵、横、斯通利波慢度，纵、横、斯通利波慢度，但在软地层中只能探测到但在软地层中只能探测到纵、斯通利波信号纵、斯通利波信号(xnho)，且仪器稳定性，且仪器稳定性较差。较差。常规全波列声波测井仪的测量常规全波列声波测井仪的测量(cling)原理原理第12页/共56页第十三页，共56页。 利用测井资料中的纵波时差、横波时差、体利用测井资料中的纵波时差、横波时差、体积积(tj)密度、岩性指示曲线（自然伽马等）、双密度、岩性指示曲线（自然伽马等

11、）、双井径、井斜角等曲线，计算泊松比、杨氏模量、井径、井斜角等曲线，计算泊松比、杨氏模量、切变模量、体积切变模量、体积(tj)弹性模量、体积弹性模量、体积(tj)压缩系压缩系数等岩石力学参数及地层孔隙压力、地层破裂压数等岩石力学参数及地层孔隙压力、地层破裂压力、垂向主应力（岩层上覆压力）、最大水平主力、垂向主应力（岩层上覆压力）、最大水平主应力、最小水平主应力、最大水平主应力方向等应力、最小水平主应力、最大水平主应力方向等应力参数。测井资料中的横波时差是计算岩石力应力参数。测井资料中的横波时差是计算岩石力学参数、应力参数及地层各向异性的重要基础资学参数、应力参数及地层各向异性的重要基础资料，因

12、此准确获取横波资料致关重要。料，因此准确获取横波资料致关重要。第13页/共56页第十四页，共56页。 MAC MAC、XMACXMAC仪器是目前国际上非常先进仪器是目前国际上非常先进(xinjn)(xinjn)的声波测井仪，由于声波换能器的的声波测井仪，由于声波换能器的响应频带较宽，低频响应更好，在井下实现响应频带较宽，低频响应更好，在井下实现数字化，信号动态范围更大，因此记录的波数字化，信号动态范围更大，因此记录的波形更完整，更有利于获得准确的纵波、横波、形更完整，更有利于获得准确的纵波、横波、斯通利波的时差、幅度等参数，特别是斯通利波的时差、幅度等参数，特别是XMACXMAC仪器在分析地层

13、速度各向异性方面具有独特仪器在分析地层速度各向异性方面具有独特的优势。的优势。 第14页/共56页第十五页，共56页。一、声波(shn b)基础理论概述二、偶极子及交叉偶极子阵列声波(shn b)测量原理三、偶极子及交叉偶极子阵列声波(shn b)地质应用 1、岩石力学参数的计算 2、岩性的识别 3、识别气层 4、判断裂缝发育井段、类型及区域有效性 5、地层各向异性分析 6、地应力参数计算及井眼稳定性分析四、总结第15页/共56页第十六页，共56页。偶极声波测井仪的测量偶极声波测井仪的测量(cling)原理原理 偶极技术采用偶极声波源，偶极技术采用偶极声波源，当偶极子声源振动时，很像一个当偶极

14、子声源振动时，很像一个活塞，能使井壁一侧的压力增加活塞，能使井壁一侧的压力增加，而另一侧压力减小，使井壁产，而另一侧压力减小，使井壁产生扰动，形成轻微的扰曲，这种生扰动，形成轻微的扰曲，这种由井眼扰曲运动产生的剪切扰曲由井眼扰曲运动产生的剪切扰曲波具有频散特性，在适当的低频波具有频散特性，在适当的低频(dpn)(dpn)范围内该扰曲波的传播速范围内该扰曲波的传播速度趋近于横波，其传播方向与井度趋近于横波，其传播方向与井轴平行。轴平行。第16页/共56页第十七页，共56页。第17页/共56页第十八页，共56页。第18页/共56页第十九页，共56页。 ECLIPS5700 ECLIPS5700测井

15、系统中的交互式多极子阵测井系统中的交互式多极子阵列列(zhn li)(zhn li)声波仪（声波仪（XMAC-IIXMAC-II）是将一个单极）是将一个单极阵列阵列(zhn li)(zhn li)和一个偶极阵列和一个偶极阵列(zhn li)(zhn li)交叉交叉组合在一起，两个阵列组合在一起，两个阵列(zhn li)(zhn li)配置是完全独配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。单极阵列立的，各自具有不同的传感器。单极阵列(zhn (zhn li)li)包括两个单极声源和包括两个单极声源和8 8个接收器。声源发射个接收器。声源发射器发射的声波是全方位的，既是柱状对称的，中器发射的声波是全

16、方位的，既是柱状对称的，中心频率为心频率为8kHz8kHz。偶极阵列。偶极阵列(zhn li)(zhn li)是由两个交是由两个交叉摆放（相差叉摆放（相差900900）的偶极声源及）的偶极声源及8 8个交叉式偶极个交叉式偶极接收器组成。接收器间距为接收器组成。接收器间距为0.50.5英尺。英尺。第19页/共56页第二十页，共56页。 每个深度点记录每个深度点记录1212个单极源波形，其中个单极源波形，其中8 8个为个为阵列全波波形（阵列全波波形（TFWV10TFWV10），），4 4个为记录普通声波时个为记录普通声波时差的全波波形（差的全波波形（TNWV10TNWV10）。每个深度点记录）。每

17、个深度点记录3232个个偶极源波形，即每个接收器记录偶极源波形，即每个接收器记录XXXX、XYXY、YXYX、YY YY 4 4个偶极源波形，个偶极源波形，X X、Y Y表示不同方位的发射器或接表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如收器的方向，例如(lr)XY(lr)XY表示表示X X方向发射器发射，方向发射器发射，Y Y方向接收器接收；方向接收器接收；YYYY则表示则表示Y Y方向发射器发射方向发射器发射Y Y方方向接收器接收。向接收器接收。8 8个接收器共记录个接收器共记录3232个偶极源波形个偶极源波形（TXXWV10TXXWV10、TXYWV10TXYWV10、TYXWV10TYXW

18、V10、TYYWV10TYYWV10）。）。第20页/共56页第二十一页，共56页。一、声波基础理论概述二、偶极子及交叉偶极子阵列声波测量原理三、偶极子及交叉偶极子阵列声波地质应用(yngyng) 1、岩石力学参数的计算 2、岩性的识别 3、识别气层 4、判断裂缝发育井段、类型及区域有效性 5、地层各向异性分析 6、地应力参数计算及井眼稳定性分析四、总结第21页/共56页第二十二页，共56页。1 1、岩性特征分析、岩性特征分析 理论上，利用纵横波速度比可以大致确定地层(dcng)的岩性，一般情况下，纵横波速度比（VP/VS或DTS/DTC）：砂岩为1.58-1.8；灰岩为1.9；白云岩为1.8

19、；泥岩为1.936；在多数地区若1.9 VP/VS0.25则认为含有泥质。 第22页/共56页第二十三页，共56页。在砂泥岩中纵、横、斯通利波在砂泥岩中纵、横、斯通利波及及(bj)纵横波的分布情况纵横波的分布情况第23页/共56页第二十四页，共56页。 地层中的气体使纵波速度降低，但对横波地层中的气体使纵波速度降低，但对横波的影响很小，在含气地层岩石具有异常低的纵、的影响很小，在含气地层岩石具有异常低的纵、横波波速比。因此横波波速比。因此(ync)(ync)根据交叉偶极横波根据交叉偶极横波资料得出的纵横、波速度比可帮助地球物理学资料得出的纵横、波速度比可帮助地球物理学家识别与含气有关的幅度异常

20、。家识别与含气有关的幅度异常。2 2、气体、气体(qt)(qt)识别识别第24页/共56页第二十五页，共56页。纵横波纵横波(hngb)(hngb)速比速比Vp/VsVp/Vs与横波与横波(hngb)(hngb)时时差差DTSDTS交会识别气层交会识别气层第25页/共56页第二十六页，共56页。纵波纵波(zn b)(zn b)衰减幅衰减幅度较横波衰减幅度明显度较横波衰减幅度明显增大，在砂泥岩地层中增大，在砂泥岩地层中造成该种测井响应的原造成该种测井响应的原因主要为储层含气，气因主要为储层含气，气层可以引起纵波层可以引起纵波(zn (zn b)b)慢度及幅度的衰减，慢度及幅度的衰减，但却对横波影

21、响较小，但却对横波影响较小，因此在该类衰减地层中因此在该类衰减地层中纵横波速比都有不同程纵横波速比都有不同程度的减小，可以推断该度的减小，可以推断该类地层中可能含气。类地层中可能含气。 第26页/共56页第二十七页，共56页。 可以利用纵、横、斯通利波的幅度衰减直可以利用纵、横、斯通利波的幅度衰减直观的判断裂缝发育带，前提观的判断裂缝发育带，前提(qint)(qint)是结合常是结合常规资料剔除泥岩、大井眼的影响，因为泥岩、规资料剔除泥岩、大井眼的影响，因为泥岩、大井眼同裂缝一样也不同程度能造成三类波的大井眼同裂缝一样也不同程度能造成三类波的衰减，在经验丰富的情况下，还可根据三类波衰减，在经验

22、丰富的情况下，还可根据三类波衰减程度不同定性的判断裂缝发育类型。衰减程度不同定性的判断裂缝发育类型。3、判断(pndun)裂缝发育井段及发育类型第27页/共56页第二十八页，共56页。裂缝、溶孔发育段声波裂缝、溶孔发育段声波(shn b)幅度及幅度及衰减情况衰减情况第28页/共56页第二十九页，共56页。高角度裂缝高角度裂缝(li fng)发育段声波幅度发育段声波幅度衰减情况衰减情况第29页/共56页第三十页，共56页。 4、岩石力学参数(cnsh)计算 根据根据XMAC-IIXMAC-II获取的纵、横波信息结合常规测井获取的纵、横波信息结合常规测井资料可计算地层的泊松比、杨氏模量、切变模量、

23、资料可计算地层的泊松比、杨氏模量、切变模量、体积弹性模量、体积压缩系数、破裂压力梯度、上体积弹性模量、体积压缩系数、破裂压力梯度、上覆压力梯度、孔隙压力梯度、单轴抗压强度、固有覆压力梯度、孔隙压力梯度、单轴抗压强度、固有(gyu)(gyu)剪切强度、等岩石力学参数，并能为岩石机剪切强度、等岩石力学参数，并能为岩石机械特性分析提供重要的信息。械特性分析提供重要的信息。第30页/共56页第三十一页，共56页。第31页/共56页第三十二页，共56页。在构造应力不均衡或在构造应力不均衡或裂缝性地层中，横波裂缝性地层中，横波在传播过程中通常分在传播过程中通常分离成快横波、慢横波，离成快横波、慢横波，且快

24、、慢横波速度通且快、慢横波速度通常显示出方位各向异常显示出方位各向异性，质点平行于裂缝性，质点平行于裂缝走向振动走向振动(zhndng)(zhndng)、方向沿井轴向上传播方向沿井轴向上传播速度比质点垂直于裂速度比质点垂直于裂缝走向振动缝走向振动(zhndng)(zhndng)、方向沿、方向沿井轴向上传播的横波井轴向上传播的横波速度要快，以上就称速度要快，以上就称之为地层横波速度的之为地层横波速度的各向异性。各向异性。5、地层速度(sd)各向异性第32页/共56页第三十三页，共56页。交叉偶极子在各向异性地层中的测量交叉偶极子在各向异性地层中的测量(cling)情况情况 横波在横波在各向异性的

25、各向异性的地层中将地层中将(zhngjing)分裂成快横分裂成快横波和慢横波。波和慢横波。交叉交叉(jioch)(jioch)偶偶极子声波测井可极子声波测井可以获得以获得4 4种组份的种组份的波形：波形：线性轴组分：线性轴组分：X X toto X X；Y Y toto Y Y交叉交叉(jioch)(jioch)轴轴组分：组分：X X toto Y Y；Y Y toto X X第33页/共56页第三十四页，共56页。第34页/共56页第三十五页，共56页。第35页/共56页第三十六页，共56页。第36页/共56页第三十七页，共56页。该图显示了地层各向异性( xin y xn)百分比大小及各向

26、异性( xin y xn)的方向。第37页/共56页第三十八页，共56页。第38页/共56页第三十九页，共56页。第39页/共56页第四十页，共56页。第40页/共56页第四十一页，共56页。第41页/共56页第四十二页，共56页。第42页/共56页第四十三页，共56页。第43页/共56页第四十四页，共56页。第44页/共56页第四十五页，共56页。第45页/共56页第四十六页，共56页。第46页/共56页第四十七页，共56页。第47页/共56页第四十八页，共56页。第48页/共56页第四十九页，共56页。第49页/共56页第五十页，共56页。在准确地计算出上述岩石在准确地计算出上述岩石(yn

27、sh)(ynsh)力学参数的力学参数的基础上，利用、借助声电成象及其它常规测井基础上，利用、借助声电成象及其它常规测井资料建立相应的处理解释模型，定量确定地应资料建立相应的处理解释模型，定量确定地应力方向、大小以及最大、最小泥浆密度，评价力方向、大小以及最大、最小泥浆密度，评价井眼崩落、压裂状况和钻井液漏失的层位和性井眼崩落、压裂状况和钻井液漏失的层位和性质等，然后再结合破碎模型中的地应力数据，质等，然后再结合破碎模型中的地应力数据，定量确定井眼稳定性。定量确定井眼稳定性。6 6、地应力参数计算、地应力参数计算(j sun)(j sun)及井眼稳定及井眼稳定性分析性分析第50页/共56页第五十

28、一页，共56页。第51页/共56页第五十二页，共56页。从庄从庄1 1井、庄井、庄101101井井偶极子声波资料计偶极子声波资料计算出的最大、最小算出的最大、最小及理想的钻井液密及理想的钻井液密度可以看出，该区度可以看出，该区块 在 钻 井 过 程块 在 钻 井 过 程(guchng)(guchng)中所使中所使用的钻井液密度一用的钻井液密度一般介于最小和理想般介于最小和理想的钻井液密度之间，的钻井液密度之间，因此较为合理，井因此较为合理，井眼的不稳定性主要眼的不稳定性主要是由于岩性及应力是由于岩性及应力不均衡性造成的。不均衡性造成的。第52页/共56页第五十三页，共56页。一、声波基础理论概

29、述二、偶极子及交叉偶极子阵列声波测量原理三、所提供的基本成果及图件四、偶极子及交叉偶极子阵列声波地质应用 1、岩石力学参数的计算 2、岩性的识别 3、识别气层 4、判断裂缝发育(fy)井段、类型及区域有效性 5、地层各向异性分析 6、地应力参数计算及井眼稳定性分析五、总结 第53页/共56页第五十四页，共56页。 偶极子阵列声波测井是将普通声波测井仪的单偶极子阵列声波测井是将普通声波测井仪的单极子技术同偶极子技术有机的组合在一起，其最大极子技术同偶极子技术有机的组合在一起，其最大优势是在地层横波速度低于井内流体声速时的松软优势是在地层横波速度低于井内流体声速时的松软地层，同样可以获得准确的纵波

30、、横波、斯通利波地层，同样可以获得准确的纵波、横波、斯通利波的时差及各类波形在不同接收器上的幅度、衰减系的时差及各类波形在不同接收器上的幅度、衰减系数等参数，同偶极子阵列声波相比数等参数，同偶极子阵列声波相比(xin b)(xin b)交叉交叉偶极子阵列声波测井还可以提供地层横波各向异性偶极子阵列声波测井还可以提供地层横波各向异性的大小和方向，对上述结果进行综合分析，可协助的大小和方向，对上述结果进行综合分析，可协助常规测井资料有效地对储层进行评价。此外，在计常规测井资料有效地对储层进行评价。此外，在计算岩石力学参数、工程应力参数、评估井眼稳定性算岩石力学参数、工程应力参数、评估井眼稳定性方面都有其独特的功效。方面都有其独特的功效。第54页/共56页第五十五页，共56页。谢谢谢谢(xi xie)第55页/共56页第五十六页，共56页。