新一代交叉偶极声波测井仪：设计与应用实例

随着深海区勘探开发的不断发展和随钻测井地层评价技术的不断进步，同时也由于钻机费用高昂，电缆地层评价常常受限于一次钻杆传送测井。一种可用于钻杆传送环境的新型单极和交叉偶极声波测井仪已经设计出来。这种声波仪器因具有坚固的机械设计，使其不仅仅只限于接在仪器串的底部。进行钻杆传送测井或电缆传送测井时，NMR和泵抽式地层测试器可以放在测井仪器串上声波仪器的下部。该仪器用一套系统方法设计，其多数功能可地面调节。例如，每一深度的交叉偶极子声源弯棒的脉冲形状、周期、幅度和频率均可调。同样，单极子输出信号幅度也可在地面选择。对每个深度采样点的96条波形数据进行数字化时，采样点数、采样间隔和波形压缩均可选择。通过一个四组合测井系列以每英尺两个采样点采集声波数据，可以实现每个深度采样96条波形，测井速度接近1800ft／hr(30ft／min)。不同地层的实例证实了这种仪器在获取单极P波数据、单极折射横波数据、交叉偶极弯曲波时差和地层各向并性特征方面的能力。实例中包括下面几种代表性地层：*孔隙度接近零的碳酸盐岩地层，其折射横波时差和弯曲波时差小于100μs／ft。*多孔柔韧的墨西哥湾砂岩和页岩，其弯曲波传播时间可超过700μs/ft。*天然裂缝地层，可通过交叉偶极弯曲波时差探测到，并可由裸眼井眼成像资料证实。     

新一代交叉偶有声波测井仪：设计和实例

随着深水区勘探开发继续增长和随钻测井地层评价不断发展，同时由于钻机费用高昂，电缆地层评价常常受限于一次钻杆传送测井。一种用于钻杆传送环境的新型单极和交叉偶极声波测井仪已经设计出来，它具有稳固的机械设计，可以使这种声波仪器不仅仅只有用于仪器串的底部，占杆传送浊井或电缆传送测井时，NMR和泵入地层测试器可以放大测井仪器串的声波仪器的下部，该仪器用一套系统方法设计，其多数功能可地面调节。,例如，每一深度的交叉偶极子声源弯曲条的脉冲形状，周期，幅度和频率均可调。同样，单极子输出信号幅度也可选择，通过一个四组合测井系列以每英尺两个采样点采集声波数据，可以实现每个深度采样96条波形，测井速度接近1,800ft/hr(30ft/min)。不同地层的实例证实了这种仪器在获取单极P波数据，单极折射横波数据，交叉偶极弯曲波时差和地层各向异性特征方面的能力，实例中包括下面几种代表性地层：孔隙度接近零的碳酸盐岩地层，其折射横波时和弯曲波时差小于100μs/ft；孔隙可塑的墨西哥湾砂岩和泥岩，其弯曲波传播时间可超过700μs/ft；天然裂缝地层，可通过交叉偶极弯曲波时差探测到，并可由裸眼井成像资料证实。     

时差—频率成像测井：一种精确计算声波时差的新的质量控制方法

任何声波时差测井，不管它是单极纵波、偶极横波、单极斯通利波，是铠装电缆测井或随钻测井，人们总是要问这个问题：时差值正确吗？当估计算时差的大多数方法是用基于时间相关的处理方法．它把相关性作为关键的质量控制（QC）指标。基于时间的相关性方法是极好的、稳定的，但是它没有回答精确度是多少的问题。有一个方法．它把时差计算值重叠在频散曲线上（即时差对频率），描绘波越过接收器阵列传播时的特性。对于频散的井眼到达波．例如偶极弯曲波（或泄漏纵波），其频散曲线的低频极限就是正确的地层横波（如纵波）时差。把处理计算得到的时差重叠到频散曲线上，这种方法是确定时差正确值的好的处理方法，由于它逐一对每个深度都进行分析．所以也是费时的。我们已经开发了一种新的控制时差曲线质量的方法，它精确地评估声波测井的正确程度。这种新的质量控制方法叫做时差频率分析（SFA）．在SFA中，每个深度根据记录波形产生频散曲线，把频散曲线的时差对频率的关系投影在时差轴上，然后把各个深度的时差随深度投影绘制成测井曲线。这样，基于时间相关性处理得到的时差测井曲线就叠加在SFA成像上了。对于偶极弯曲波信号，如果计算得到时差测井曲线处于SFA投影的最下限，那么计算的时差就匹配上偶极弯曲波信号的低频极限匹配，时差测井曲线就是正确的。它之所以正确，是因为它与数据描述的频散曲线是一致的。 这种新的质量控制方法可应用于所有声传播模型。文章给出了慢速地层中测量的单极和偶极数据的电缆测井现场实例。     

标准电缆声波测井仪测量三维地层（方位、径向、轴向）声波特性

井眼岩石的多种机械特征依赖声波时差的三维特性,即径向、方位、轴向的不同,出现这些岩石声波特性的不同是因为非均匀应力的分布,钻井过程对近井眼交替进行机械或化学处理及地层固有的各向异性。通过使用所有的井眼模式(单极、偶极和斯通利波)对各种带宽波形进行综合测量以获取地层三维声波特性,这些井眼模式与所测量的数据积分反演相关。通过单极发射器在一个从很短到很长的大范围发射—接收空间进行测量,能够得到纵波时差的径向变化,这是该新技术的独到之处。通过在一个相当宽的频带范围内,以偶极弯曲和斯通利波模式的宽带弥散曲线的反演,横波时差径向变化能被定量测得。这就是新的声波测井仪器的特色。这个偶极声波源的独到设计使仪器既可以脉冲模式发射声波,也可以鸣叫模式发射声波。由于增加了轴向和方位接收探头以及无声发射和可预知的结构,从来自中国、挪威、墨西哥、巴西和美国的裸眼井测井资料中可以证明,纵波和横波时差测量和它们的径向变化精度都有所提高。在数据可靠指示时差各向异性小于1～2%时,也能可靠地对横波各向异性进行评价。新仪器已经可以测量90～900μs/ft横波时差。更好的单极和偶极模式的弥散曲线能清晰识别均质地层和非均质地层的各向异性和各向异性形成的各种机理。先进的反演算法通过宽频带弥散曲线信号对三维岩石特性做精确的评价。相关岩石特性的精度测定可及时地作出决定(如射孔、防砂、井位及增产措施)。     

对井内弯曲波进行频散处理得到横波时差

声波测井中，可利用偶极声源产生的弯曲波测量慢速地层的横波时差．慢速地层是指地层横波速度小于井眼流体速度的地层。弯曲波是频散波，但当前的许多处理方法没有考虑这种频散。本文推演了统计相似法(semblance)的近似方程，用它说明使用无频散波会发生的情况。时差时间相关方法(STC)通常用在阵列声波波形处理中，本文叙述了STC的频散模拟方法。根据模拟的频散曲线回传(back propagate)波形并计算统计相似值。它是最大相似法(ML)和最小二乘法(LMSE)求地层横波时差的一个特定版本。把频散模拟(STC）方法用于逐一处理各深度测井数据是太慢了，但它是一个有用的分析工具。一种高速运算的频散STC法(DSTC)克服了这种困难，它采用新的时窗定位技术，可以比STC方法快得多。DSTC的结果是以实轴积分模型为基础的，它测定的地层横波时差有小的偏差，原因在于时窗定位和还有其它波至。本文给出了两口井的偶极测量结果。快速地层中，用DSTC方法处理偶极弯曲波得到的横波时差与单极结果一致；另一个是慢速地层的测量处理结果。     

一种测量三维（方位、径向和轴向）地层声学性质的模块式电缆声波仪器

井眼岩石的综合力学特征取决于径向、方位和轴向上变化的三维声波慢度。岩石声波性质的这些变化起因于应力分布不均匀、钻井过程引起井眼附近地层的力学或化学变化、以及地层的内在各向异性。 通过综合采集所有井眼波形（单极波、偶极波和斯通利波），井与全部采集数据的综合反演结果相结合，就能得到岩石的三维声学性质。纵波慢度的径向变化是通过单极探测实现的，这种新技术特有的单极收发间距变化范围很大．从很短到很长。横渡慢度径向变化是通过反演偶极弯曲波和斯通利波的宽带频散曲线得到定量值，这种新的声波仪器具有宽带特色。偶极声源的独特设计使它在脉冲模式或在线性调频脉冲模式下都能激发。 中国、挪威、墨西哥、巴西和美国的裸眼井电缆测井情况表明，纵波和横波慢度测量值以及它们的径向变化的精度都提高了。在增加轴向的和方位方向的接收器数目和一个静音装置及预测装置后。横波各向异性的估算就更可靠了，数据表明快横波方位方向上测量的慢度各向异性可小到1％～2％。这种新的测井仪能够测量从90-900μs／ft的横波慢度。改进后的单极和偶极频散曲线能够更清楚地识别地层的均匀性、非均匀性、各向同性和各向异性的机理。套管井地层评价数据表明，能够过套管可靠地测量高达450μs／ft的横波慢度。 先进的反演算法能够用宽带频散曲线正确地估计岩石的三维特性。精确测定相应的岩石特性能使决策及时（例如，射孔，防沙，确定井位及增产措施）。     

新一代交叉偶极声波仪器的横波各向异性的应用

新一代交叉偶极声波仪器WaveSonic采集的数据，可以被用来计算横波的各向异性。这种新仪器采用了系统设计，其发射脉冲的形状、中心频率、幅度和持续时间等仪器功能都可以由地面程序控制；此外，仪器设计得非常坚固，在井眼条件许可时可用转杆传送；它也可以与其他测井仪器组合，由于它是“双接头”的，可以放在测井仪器串的任何位置。横波数据是从互相垂直的X—Y方向上得到的，并且由导航程序确定其方向。导航程序使用的数据是从与仪器一起测井的4臂或6臂井径仪得到的。根据这些测量结果，就可以确定横波时差的各向异性，以及快横波时差的方向。把这些数据输入到一个模型中，可计算出最大和最小主应力及其方向。主应力的信息对优化完井和改善油井增产措施是有帮助的。在希望知道自然裂缝信息的场合，交叉偶极声波数据可以被用以探测和确定这些裂缝的方向。     

由偶极子和斯通利波估算地层横波速度的频散波处理技术

本文提出了一种可从井中声全波估计横波速度的频散导波的处理技术。所用的声波波列数据可以是单极子源产生的斯通利波或偶极子源产生的挠性波。该方法中用一个给定的接收器记录的波列与第二个接收器的波列相比较，第二个接收器记录的波列是由测试地层中以地层横波速度传播的波到达给定接收器位置的波列组成。对特定的波模式(偶板子源或斯通利波)，数字传播过程用适当的频散关系模拟。两波列的相位差最小化过程可通过改变横波的速度来实现。使相位差最小的横波速度可作为最终的横波速度，此时两个波形可达到最佳相位匹配。该方法中波形的频散效应可通过横波理论自动解释，也可通过与相似分析方法结果的对比得到展示。用这种方法与多发射点方法相结合可以处理阵列声波数据。所估计的地层横波速度可达到一个接收器间距的分辨率(有代表性的为0．5ft)。这一结果已通过野外实例的演示得到，横波速度测井中提高分辩率的这种事实已为单接收器间距的密度测井曲线的高分辩特性所证实。野外实测的斯通利波的横波速度测井曲线和偶极声波波形数据对比表明，利用该方法可以从频散的声波波形得到高分辨率的地层横波速度。本文所介绍的新方法可以在声波波列确定地层横波特性方面得到广泛的应用。     

MAC多极阵列声波测井

多极阵列声波仪MAC是把单极阵列声波仪和偶极阵列声波仪组合一体的新型声波仪，其中单极和偶极阵列各自独立工作。每一阵列中应用高功率发射器，提高裸眼井和套管井测井数据质量。单极和偶极阵列接收器都是8个组成，间距6英寸，偶极阵列可进行顺序或交叉横波测量，它的传感器频率低，确保在很宽范围内，弯曲波校正量最小。MAC测井数据用于优秀的测井分析程序中，评价裂缝、岩性、岩石物理特性及判别流体成份。还可与地面地震数据相关，绘制人工合成地震波曲线，刻度检验炮点测量时闭。MAC仪是一个很有用且很有发展潜力的新型测井仪。     

加利福尼亚极慢速地层声特性描述

慢速地层定义为地层横波速度小于井眼流体速度的地层。为了测量慢速地层的横波速度，研制出了带偶极发射器的声波测井仪。自从在十多年前偶极声波测井被引入使用后。偶极声波测井仪提供了大量有关慢速地层声性质信息，包括探测各向异性和非均质性。非均质性的机理显现出地层本身纵波和横波时差的径向变化，现在这些都可以做到定量分析。 Cymrie油田位于加利福尼亚Bakersfield附近的San Joaquin。该油田的一个产层Opa lA硅藻岩，就是一个极慢速地层，其纵波时差约为200μs／ft，横波时差约为800μs／ft。在本文在中，我们检验了在该油田一口井中记录的宽带交叉偶极声波仪器的测量数据。交叉偶极声波测井仪是专门为地层三维声特性描述而设计的。它通过把地层归类为四种类型之一的地层分类来达到地层三维声特性描述的目的。这四类地层是：A）各向同性均匀地层，B）各向同性非均匀地层，C）各向异性均匀地层，D）各向异性非均匀地层。在分类法中使用时差频散分析，在频散分析中这四类地层中的每一种都有独特的特征。 当出现非均质性时，采用称为“偶极径向剖面”的新技术来测量横波时差离开井眼不同距离的径向变化。它可用于确定一定范围内可能的地层伤害、蚀变、泥浆滤液侵入，并提供远场横波时差测量值。这些技术已经用于描述Opal A硅藻岩地层声特征。     

在声速极慢的地层中测定纵波速度

井眼表层的纵横波速度常用井中声波波形测定的。为此，现代的声波测井仪配备有多种类型的声源，例如单极声源和偶极声源，偶极声源主要用于测定横波速度。但我们发现，在一种孔隙度为35％，横波速度为465米／秒的松散砂岩中，用偶极子声源测定纵波速度，比单极声源优越。在这种地层中，记录到的折射纵波信号受到其它声波成份的损害，这种成份已被识别出是泄漏纵波，它妨碍了在这种砂岩中辨认纵波。然而对偶极声源来说，由记录波形得到的频谱上，折射纵波位于6．5千赫，泄漏纵波位于1．3千赫，呈现为两个清清楚楚分开的成份，因而能用带通滤波器从中把折射纵波分离出来；而单极声源的记录波形频谱上，其各种声波成份严重重叠，难以用带通滤波器从中分离折射纵波。针对这种地层，从偶极折射纵波得到纵波速度是2150米／秒。偶极声源激励的泄漏纵波是频散的，相速度的范围从1．0千赫时的1800米／秒到1．6千赫时的1630米／秒。看起来，在这种声速极慢的地层中，采用从记录的波形中分离出纵波成份的方法，来测定地层的纵波速度，偶极声源比单极声源优越。     

套管内偶极横波测井资料提取方法及校正技术

套管钢级和水泥环复合介质制约套后偶极横波的测量,导致提取的声波时差数值出现偏差.分析了套管波和地层波的波至时间和相关等值线图.认为识别波形和滤波窗口的选取是提取横波时差的主要手段.通过实验室模拟套管和水泥环对声波值的影响,拟合了3套校正图版.软件模拟结果表明,偶极横波穿越钢管和水泥环复合介质时,波阻抗小于纯地层对横波的...     

对声波测井中软地层也存在滑行横波的诠释

王克协等．对声波测井中软地层也存在滑行横波的诠释．测井技术，１９９８，２２（增刊）：１９～２３通过理论分析和对单极、偶极声波测井进行的计算机数值模拟和解释验证了即使在软地层（地层横波速度小于井中泥浆声速）情况下，声波测井中也存在滑行（临界折射）横波。以往认为软地层不存在滑行横波是忽略了局部源辐射声波中不均匀波的贡献和对斯耐尔定律理解不全面所致。以数值算例说明了这一机制在偶极横波测井中有着直接的实用意义。     

用井眼斯通利波评价地层渗透率和各向异性

单极声波波形数据中的斯通利波包含地层非均质性和渗透率的重要信息。分析斯通利波数据可以得到渗透率和各向异性的信息。在各向同性、非渗透性地层中，根据横波测井资料可以预料斯通利波特性。渗透性地层可引起斯通利波幅度衰减、斯通利波时差大，这些变化提供了渗透率指示。相反地，若地层各向异性则倾向于减小斯通利波时差，使它比用横波数据模拟的斯通利波时差还小。其原因在于，在VTI地层(纵向地层不同性，径向地层各向同性)中，斯通利波是受水平横波控制的，通常这种水平横波要比从偶极声波测井中测到的垂直横波快；因此，这些数据能够有效显示地层渗透率和各向异性。采用先进的理论模型和数据分析，处理斯通利波数据和其他测井资料，能够同时得到地层各向异性和渗透率信息。实际上，把各向异性与渗透率评价结合起来，能够充分地提高砂-泥岩层序地层渗透率评价的质量。现场试验结果表明，在砂一泥岩地层中，用斯通利波数据可得出泥岩各向异性和砂岩渗透率，证实了上述分析。我们已经处理了不同地层的许多数据，结果证明VTI各向异性是沉积岩的共性，尤其是泥岩。许多泥岩地层的VTI大小在10到40％范围内。将从声波测井中获得的横波各向异性与地震波传播联系起来，可改善地震处理和分析结果。     

LFD低频偶极声波测井仪

LFD是由偶极和单极声波组合，在井下进行数字化，可同时测量。在1.5KHz的低频下，偶极传感器产生的弯曲波速度与横波速度相同。LFD仪可以测量所有地层的纵波速度、横波速度和斯通利波速度，可以计算出岩石的力学参数，拓宽了声波信息的应用范围。用来计算地层孔隙度，判断岩性，用于地震资料处理，提高人工压裂的设计，计算出砂和地层强度，用于钻井和采油工程，可在套管井中测量地层孔隙度。LFD是成象测井系列中一种，它可以提供测开曲线、计算曲线和图象，使声波测昔技术又进了一步。     

慢度-频率投影测井：一种精确计算声波慢度的新质量控制法

对任何声波慢度测井,不管是单极纵波,偶极横波,单极斯通利波,电缆测井波或是随钻测井波,总有会人问一个问题:这些慢度值正确吗?现在通用的大多数计算慢度的方法是基于时间一致性的处理方法,它把一致性作为质量控制的关键。时间一致性处理方法是很优秀的,也是很稳定的,但是它不能准确的回答这个问题。有一种方法是把预测的慢度值投影到散射曲线上(例如慢度对频率曲线图),这个散射曲线图描述波通过接受器阵列的传输特性。对频散井眼传播如偶极挠曲(例如泄露纵波),它在散射曲线的低频限是一个正确的地层横波慢度。而在散射曲线上重叠处理预测慢度是识别正确慢度的一个很清晰的过程,它是一个单一深度的分析、是很费时的。我们已经完善了一种新的的质量控制方法(慢度对深度),它能准确的估计声波测井的正确性。这个新的质量控制方法叫慢度频率分析(SFA),在SFA方法中,从记录波形中的每个深度产生一个散射曲线,散射曲线的上的慢度对频率信息被投影到慢度轴上,然后每个深度的慢度投影绘成一条曲线。从基于时间一致性处理得到的慢度重叠在SFA投影图上。对于偶极挠曲波信号,如果预测的慢度曲线位于SFA投影的最低限,则预计的慢度与偶极挠曲波信号的低频限一致,慢度曲线是正确的。这个测井是正确的,那是因为它与散射曲线描述的数据一致。这种新的QC方法适用于任何形式的声波传播。我们的论文提供的是电缆测井在软地层中记录的单极波和偶极波。     

基于软地层随钻多极子声源传播特性的数值研究

基于软地层测量横波的难题,数值考察了软地层随钻测井多极子波的频散特性及声全波波形,对比分析了电缆和随钻多极子声波测井.研究结果表明,随钻测井环境下,单极和偶极声源激发幅度很强的钻铤模式波严重干扰地层纵波或横波的测量;而四极子声源低频时只激发地层模式的四极子波,且截止频率附近以地层横波速度传播.因此,四极子声源最适合于随钻测井的地层横波速度测量.     

用波散处理技术根据偶极和斯通利波形估算地层横波速度

我们研制了以模型为基础的波散处理方法,并用井中声波测井波形估算了地层的横波速度,这些波形数据可能是单极测井中的斯通利波,或偶极测井中的挠曲波。该方法中,在某一接收点记录的波形可与第二接收点记录的波形对比,以传播到该接收点的速度为试算横波速度。数值传播步骤中采用适     

用偶极测量数据确定横波时差

井眼中的声波模型具有频散性质，即它的相速度时差或速度倒数随频率变化而变化。而且，当脉冲波穿过接收阵列时，其波形的形状也总在变化。由单极声源产生的斯通利波和由偶极声源产生的弯曲波都是频散波形。弯曲波是很重要的，因为它提供了软地层的横波速度；软地层是指那些横波时差，或横波速度的倒数，小于井眼流体纵波时差的地层。弯曲波的频散使得确定横波变得困难。只有在零频率时，偶极弯曲波才以横波时差传播；高于零频率，它的相速度时差就会增加一个量，这个量称为频散偏移(dispersionbasis)。频散偏移量通常只占测量结果的一小部分。在频率很低时，可以忽略频散偏移得到近似测量结果。然而，由于要求声源激发的弯曲模式频率极低，这是非常困难的。实际上，弯曲波的颊散不可避免，必须考虑它。当弯曲波的幅度能满足精确估计时差时，有多种方法可从弯曲波中根据频带确定横波，但是频散偏移不能忽略：为了把频散减少到最小，传统的非频散技术在狭窄频带内处理波形，然后对频散偏移进行校正。这种在狭窄频带内处理并继而校正频散偏移的时差时间相关方法(STC)是一种很有用的技术。但在有些情况下其校正不准确，因为校正表不符合实际条件。频散波形的处理方法，利用了弯曲波的全部频散特性，淘汰了频散偏移校正。频散处理技术与最大似然法或最小二乘法非常相似，对于频谱并不确定的信号也能提供较好的结果。而且，它也能把井眼条件更精确地考虑进去，如声速很慢的油基泥浆。本文给出了从模式记录得到的频散曲线，讨论并比较了不同的处理方法和不同地层的例子。     

随钻测井环境中横波速度测量：模型和现场评价

论文对随钻测井中，利用低频单极子，偶极子和四极子声源进行横波速度的测量进行了评价。理论分析表明，随钻测井中单极子和偶极子声源所发出的波中，包含着很强的沿钻铤滑行的仪器波。更进一步表明，随钻测井偶极子－弯曲波速度明显低于慢地层中的横波速度。因此，随着测井中偶极子波是不合适横波速度测量的，比较而言，四极子波有两个理由可说明其为最好的测量方式。首先，低频时可以消除仪器的四极子波干扰，其次，地层四极子波可以用来直接测量横波速度。一种测量横波的多极子随钻测井阵列声源仪器已经制造出来，并且已对不同的快，慢地层进行了几次现场测量。在2－10kHz的频率范围内，单极子声波数据中主要包括钻铤波和斯通利波，偶极子数据包含了钻铤波和地层弯曲波。四极子数据受钻铤波干扰最少，其主要由地层波四极子波组成。所测量的多极子波数据的特征和模型实验结果具有很好的一致性。分析和测量结果表明，四极子声波仪器最适合随钻测井中横波速度的测量。