声波测井仪器的原理及应用

1、声波测井仪器的原理及应用单位：胜利测井四分公司姓名：王玉庆日期：2011年7月摘 要声波测井是石油勘探中专业性很强的一个领域。它是一门多学科的应用技术，已经成为油田勘探、储量评估、油气开采等方面不可缺少的工具。 声波速度测井简称声速测井是利用声波在岩石中传播的速度来研究钻井剖面的一类物探方法，其方法是测量滑行波通过地层传播的时差t（声速的倒数，单位us/ft）。目前主要用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等方面，是主要测井方法之一。数字声波测井仪，其中包括66667声波数字化通用短节和6680声波探头2部分。能完成声波时差测井和水泥胶结测井，能与SL6000型地面系统和进口的5700型地面系统相

2、配接。正交多极子阵列声波测井(XMACII)将新一代的偶极技术与最新发展的单极技术结合在一起，提供了当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法。当偶极子声源振动时，使井壁产生扰动，形成轻微的跷曲，在地层中直接激发出横波和纵波，根据正交多极子阵列声波资料得出的纵横、波速度比可识别与含气有关的幅度异常。关键词：数字化；声波时差；声波变密度；阵列声波；声波全波列； 目录第1章 前 言1第2章 岩石的声学特性2第3章 数字声波测井原理及应用33.1 数字声波测井原理33.2仪器的工作模式53.3时差计算53.4 数字声波测井仪器的性能63.5 SL6680测井仪器的不足73.6数字声波仪器小结7第4章

3、 正交多极子阵列声波测井84.1 XMACII多极子阵列声波测井原理84.2 XMACII多极子阵列声波仪器组成94.3 XMACII多极子阵列声波的使用及注意事项104.4 应用效果及结论14第5章 声波测井流程及注意事项155.1 声波测井流程155.2 注意事项16参考文献17第1章 前 言第1章 前 言声波测井是近年来发展较快的一种测井方法。由最早的声速测井、声幅测井发展到后来的声波全波列测井、偶极子和多极子测井、声波成像测井、井间声波测井及随钻声波测井等。常用的声波测井，如声波测井和声幅测井，是记录滑行纵波首波的传播时间和第一个波得波幅。利用井孔中的信息非常少。随着声波在裸眼井中传播

4、理论的研究如果把声波全波列都记录下来，通过数字信号处理可获得纵波横波和斯通利等波形信息，由此展开地层弹性特性、破裂压力、地层渗透性、裂缝及油气识别等方面研究，有利于扩大声波测井在石油勘探中的应用。正交多极子阵列声波测井是当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法之一，无论在大井眼井段还是非常慢速的地层中都能得到较好的测量结果，另外探测深度也有所增加。根据正交多极子阵列声波资料得出的纵横、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。对于裂缝性储层，裂缝发育带的划分及裂缝类型的识别是测井资料评价的重点，而裂缝发育程度及裂缝类型在波形幅度及衰减上具有不同的测井响应特征，因此，可根据纵、横、斯

5、通利波的波形幅度及衰减程度划分裂缝发育井段、识别裂缝类型、判断裂缝有效性；根据地层速度各向异性百分比大小和方向确定现今最大水平主应力方向，分析与裂缝系统走向的一致性，进一步判断裂缝系统的区域有效性，寻找储层有利相带。目前测井四分公司主要以Eclips5700和SL6000为主要地面系统，常用到声波测井仪器主要以数字声波和正交多极子阵列声波为主。17第2章 岩石的声学特性第2章 岩石的声学特性首先，先让我们来了解一下岩石的声学特性。声波是物质运动的一种形式，它是由物质的机械振动而产生的，通过质点间的相互作用将振动由近及远的传递而传播的。人耳听到的声波频率在20HZ至20KHZ之间，频率大于20K

6、HZ的机械波称为超声波。声波测井是研究介于声波和超声波之间的机械波的传播特性。对于声波测井发射的声波来说，井下岩石可以认为是弹性介质，在振动作用下能产生切变弹性形变和压缩弹性形变。所以岩石既能传播横波又能传播纵波，岩石中横波与纵波速度和岩石的弹性有密切关系。声波测井中声源发射的声波的能量较小，作用在岩石上的时间很短，所以对声波速度测井来讲，岩石可以看作弹性体。可以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。在均匀无限的岩石中，声波速度只要取决于岩石的弹性和密度。作为弹性介质的岩石，其弹性可以用以下的参数来描述：杨氏模量E = 应力（F/A）/应变（L/L）泊松比 （值为0-0.5之

7、间）式中：为横向相对减少量 ；为纵向相对减少量。下面我们在说下声波在岩石中的传播特性，当我们把岩石看成弹性体，我们就可以运用弹性波在介质中的传播规律来研究。弹性波在介质中的传播实质上是质点的振动的依次传递。当波的传播方向和质点的运动方向一致的时候叫纵波，因其在传播过程中，介质发生压缩和扩张的体积形变，又叫压缩波。我们测井只要应用的就是纵波，其在弹性介质中的传播速度主要取决于弹性模量和密度，在均匀各向同性介质中，纵波速度与杨氏弹性模量E、波松比、密度之间的关系式为：=从式中我们可以看出声速主要与杨氏模量和密度有关。第3章 数字声波测井原理及应用第3章 数字声波测井原理及应用3.1 数字声波测井原

8、理数字声波是一种对阵列声波信号进行数据采集，将采集后的数据按照要求编码并通过仪器接口上传到地面系统的声波测井仪器。它可以进行不同源距和间距的声波测井，用于测量井眼周围从发射器到接收器之间一段地层的声波旅行时间，其测量结果用来计算地层孔隙度，或直接用来进行地层对比；也可以用来对声信号可进行全部记录，提取更多的，包括纵波、横波的幅度和速度在内的各种信息。总之，数字声波测井仪可广泛应用于时差测井、固井质量以及裂缝性地层的证实等。它由三大部分组成，即SL6667通讯和信号采集、SL6680高压发射控制及信号处理以及声系组成等。数字声波测井仪机构如图1-1所示，主要包括以下几个部分：测井数据采集模块、时

9、序逻辑控制模块、曼彻斯特编译码、数据压缩。图1-1 数字声波仪结构框图总体方案采用DSP芯片，并配合单片机和外围电路实现。DSP的运算速度快，可以用软件实现多种功能，如曼彻斯特码的编解码、软件滤波等，而且DSP是专用数字处理芯片，在数字信号处理方面有着独特的优势。这种方案电路简洁、功能强大。时序逻辑控制模块接收解码后的井上控制命令，产生控制上下发射的控制信号及控制接收电路的的接收逻辑，以及必要的各种控制信号。整个电子线路短节采用了当今高速单片机处理技术、高速A/D采样技术和大规模的可编程器件，结构紧凑，集成度高。它由两块电路板组成：一是主控板，该板包含单片机及相关外围电路、遥测通信接口及驱动电

10、路、采样数据双缓存SRAM、对6680仪器进行控制的串行通信接口电路及A/D转换脉冲产生电路；另一块是A/D采集板，该板包含4道12bits采样速率高达1.5MHz的A/D转换通道、采样结果缓存FIFO和A/D转换的控制电路。SL6680EA负责发射控制、信号采集等功能，包括升压稳压、发射选择、接收多路传输、接收增益控制。同步信号与发射控制信号共同触发点火电路，相应的发射探头被高压触发，这样便完成了一次发射，SL6680EA电子线路的两个接收板接收到地面发送来的数据采集中断时，对四道接收信号同时进行接收，接收到的声波信号由SL6680EA电子线路进行转换和处理。SL6680MA声系主要由两个发

11、射换能器和四个接收换能器构成。探头结构：T1与T2距离2英尺，T2与R1距离3英尺；R1、R2、R3、R4各距离0.5英尺。排列在上端的为发射晶体XMIT1、XMIT2，两个发射晶体之间为2个发射变压器。接收阵列位于仪器的最下端,包括四个响应频率范围在1-20KHz接收晶体。6个换能器同轴，靠固定支架支撑 。发射换能器的高压输入引线采用双芯屏蔽导线，可以避免磁场对接收道的干扰。接收换能器的输出引线也用双层屏蔽导线提供静电屏蔽。为了和其他测井仪器组合，声系内部有19条贯通线。 上述全部器件、机械零部件以及导线等装载一皮囊内，囊内充以硅油，既保护了囊内的零部件，又使声波信号能很好的向外耦合。橡皮囊

12、外部是刻槽的钢保护壳，支持整个声系。在换能器的位置开有窗口，保证声能波能向地层辐射和地层传播返回的声信号得以到达接收探头。声系能通过上接头与SL6680电子线路短节连接。上接头的安排使得发射脉冲的密封插头与接收信号的密封插头安装在两个面上，有效的避免了连接处发射对接收的磁干扰。 图1-2 数字声波测井仪器设计与实现3.2仪器的工作模式Subset2：DELTA-T测井，TX1发射，RX1、RX2、RX3和RX4接收Subset3：DELTA-T测井，TX2发射，RX1、RX2、RX3和RX4接收Subset5：VDL和CBL测井，TX2和TX1交替发射、RX1接收Subset6：DELTA-T

13、测井，TX2和TX1交替发射，RX1、RX2、RX3和RX4接收工作模式的选择由串行数据来控制。3.3时差计算 声波采集处理卡定时按井下仪器需要的逻辑方式向井下仪器发出逻辑信号，启动井下仪器不同的发射探头发射声波，同时启动声波声波采集卡开始AD采样，常规的采样频率1MHZ，采样时间2ms，每个AD采样间隔1us，一个声波信号需要采集2000个点，一般声波信号频率基本是18khz-20，波形与正弦波类似，一个波完整周期是50us，大致相当于50个采样点。图1-4 单次记录声波信号对于声波测量数据只取少数特征点的幅度值以及时间间隔，地面将根据所得到的数据进行线性拟合，还原声波曲线。每个周期一般需要

14、6个8位参数描述：正负峰值点的幅度、时间间隔，一个声波信号需要传输的最大原始数据量位6*8*40=1920bits。考虑到发射标志与首波之间大量零值点，使用Huffman编码进行无损压缩之后进行传输。3.4 数字声波测井仪器的性能数字声波测井仪可以同时与伽马、连斜、高分辨率感应测井仪并联。这样大大缩短了测井时间，优其是在较深的井效果比较明显。且抗干扰能力强。与补偿声波相比还较具有以下几个优点：数字信号便于存储，可以单发多收，同时存储四路声波信号，这样，测一个点只需发射一次声波，大大提高了测井的速度；相对模拟信号而言，数字信号的抗干扰能力很强，传送时干扰的影响会小得多，从而大大提高了信道传输时信

15、息的准确性；可以采用数字信号处理方法，来增强系统性能和扩展功能。单发双收声系测井受到井眼扩大和井下仪器倾斜的影响一而产生测量误差。如果两个单发双收声系的源距和间距相同，仅发射器位置颠倒，则两者在声速曲线上造成的假异常完全是相反的，两者在声速曲线的平均值是正常值。据此，发展了双发双收声速测井；两个接收器在中间，上下各有一个发射器，源距相同。T1和T2交替发射声脉冲，并分别在接收器测量时差，再取其平均值记录时差；这种方法不仅能消除井眼扩大的影响，而且能消除仪器记录点与井壁实际采样点在深度上的误差。不过双发双收声速测井的缺点是纵向分辨率降低，容易出现低速地层的盲区和井下仪器长度偏大等。从技术上说，数

16、字声波测井技术先进、功能强大、测井质量高，同时具有传输和处理方便等特点，是声波测井的新一代技术。由于数字声波测井仪的信号处理能力和质量得到明显提高，可以通过数字声波测井仪更快更好的获取地层的物理、化学特性，进而对石油勘探的决策提供准确可靠的依据。在砂泥岩剖面中，补偿声波与数字声波资料吻合，而在复杂岩性剖面井中，数字声波采用井下数字化上传，减小了干扰，更具有优势但从总体上来说数字声波较补偿声波要稳定的多，抗干扰能力强，对测井资料的准确性提供保障。3.5 SL6680测井仪器的不足SL6680在油田勘探开发中获得了广泛的应用，在完井测井和固井测量中均得到了广泛的应用，并取得了很好的效果，在对油气的

17、开发的过程中，获得了良好的经济效益，但该仪器在实际应用中也出现了一些使用方面的问题：1、在浅部地层声波衰减变化比较大的层段，常常发生跳跃现象，声波增益值只能用手动方法调节，在实际操作过程中不能及时调节来适应该变化层段，在测井过程中我们需要对比其它电阻率曲线来打之判断言行，提前根据经验修正声波增益数值。2、在固井评价测井中有时出现相互干扰现象，后面的声波变密度数值对声波幅度测量有影响，在示波器上显示M2和M5数据存在毛刺现象。3、在固井测井变密度图中有时与套管接箍CCL深度不一致。3.6数字声波仪器小结1、SL6680针对井下岩性复杂和作业现场环境恶劣等情况,采用阵列接收探头、高速数字化采集和传

18、输方式的新一代数字声波测井仪器。采用阵列信号处理技术来校正由于各种原因造成的测量误差,极大地提高了测井数据的有效性与准确性;直接在井下仪器中对采集到的声波信号进行数字化,将数字声波信号通过数字遥传系统传送到地面设备,提高了仪器的可靠性和抗干扰能力。2、采用数字遥传仪器总线标准,可与多种仪器进行组合,提高了仪器使用的灵活性。现场实验表明，该仪器设计合理，在完井声波时差的测量中取得了很好的效果。第4章 正交多极子阵列声波测井第4章 正交多极子阵列声波测井4.1 XMACII多极子阵列声波测井原理1、单极子声源 单极子声源相当于一个点声源在裸眼井中可激发纵波、横波、伪瑞利波和斯通利波等波形，通过波形

19、处理技术即可提取接收波形中的纵波、横波和斯通利波的波速，但这种声源有其难以克服的自身缺点： 工作频率(1525 kHz) 太高，声波穿透地层的深度较小、信号的传播距离较小，使全波波形中纵波、横波难以在时域中分辨开来，尤其是横波测量不够准确(波至点难以准确拾取) ；在软地层(横波波速比井内流体波速小的地层) 不能激发横波，因而无法测量这种地层的横波波速。2、偶极声源 偶极声波源很象一个活塞，它能使井壁一侧压力增加，而另一侧压力减小，从而产生扰动，形成轻微的挠曲，在地层中直接激发出纵波与横波。这种挠曲波的振动方向与井轴垂直，但传播方向与井轴平行。这种声波发射器的工作频率一般低于4kHz ，而且它还

20、具有低频发射功能，其工作频率可低于1 kHz ，这在大井眼和速度很慢的地层中可得出很好的测量结果，同时也增大了探测深度。3、偶极子横波测井基本原理 图2-1 为地层中的单极波形和偶极波形图。从图中可以看到，在软地层单极波形中没有出现横波，纵波之后跟随着幅度很大的斯通利波；在软地层偶极波形中也没有出现横波，纵波受到抑制，在纵波之后跟随着幅度很大的挠曲波。因此，偶极横波测井的基本原理，其一是偶极发射器能产生沿井壁传播的挠曲波；其二，挠曲波是一种频散界面的波，它在低频下以地层横波的速度传播，在高频下则以低于地层的横波速度传播；其三，偶极横波测井实际上是通过挠曲波的测量来计算地层的横波速度；其四，为减

21、小频率的影响，应尽量降低偶极发射器的发射频率，以确保横波速度的测量精度。 图2-1 地层中单极和偶极波形4、四极子声波原理 四极子声源是由相邻点声源的振动相位相反的4 个点声源组成，换能器在X 与Y 方向上是反位相振动状态。四极子声源在井眼中激发螺旋波单一模式波及其高阶模式，较低频率的四极子源有抑制纵波的作用，对于横波测井非常有利。XMACII多极子阵列声波测井仪的测量原理是为了适应各种地层情况，将单极子、偶极子和四极子声波测井技术进行有效组合，更好的获得硬地层和软地层的纵、横波和斯通利波等特征参数。4.2 XMACII多极子阵列声波仪器组成XMACII主要由五个部分组成：数字声波电子线路、接

22、收器短节、声波隔声体、发射短节以及发射控制电子线路短节。此外，测量时应当配合使用3514数据传输短节以及1329伽马，4401井斜方位仪，4430电源适配器，4341灯笼体扶正和防转。1、 XMACII 多极子阵列声波测井仪声系 XMACII多极子阵列声波测井仪声系由发射声系、隔声体和接收声系组成。其中发射声系由1 组单极子发射、1 组相互垂直的压电式偶极换能器(同深度偶极子发射: X 方向偶极发射器和Y 方向偶极发射器) 和1 组四极子发射换能器组成。接收声系由8 组口字形多极子接收换能器接收声波信号,每组有2 对接收器。一对同X 方向偶极发射器在一条直线上,用于接收X 偶极信号;另一对同Y

23、 方向偶极发射器在一条直线上,用于接收下偶极信号;交叉偶极时,每组接收器产生1 对相交叉的偶极信号。当单极或四极声波源工作时,将每个接收器组的所有输出进行组合和得出相应模式的声波信号。隔声体是多节合瓣组成的机械衰减结构,它能在整个频率范围内有效地隔离声能量,保证仪器能在时差很大的软地层中进行慢度测量2、 XMACII 多极子阵列声波测井仪电子线路XMACII多极子阵列声波测井仪的由数据采集短节和发射控制短节构成其电子线路部分。数据采集短节除了电源模块外，整个电子线路由三块电路板组成：一块CPU模块，两块DSP采集模块。CPU模块完成与地面系统的数据传输、对声系的控制及数据采集的控制和处理等功能

24、。每块从DSP采集模块包含四个DSP采集通道，每个通道完成对一道声波信号的采集和处理。两块从DSP模块在CPU模块的控制下可同时实现对8道声波信号的采集。发射控制短节根据数据采集短节的命令为发射短节提供发射高压脉冲（如图2-2）。整套仪器设计有贯通线，使得仪器可以与其他仪器进行组合测井。 图2-2 XMACII多极子阵列声波仪器组合4.3 XMACII多极子阵列声波的使用及注意事项1、 XMACII多极子阵列声波生产准备（方位刻度）XMACII接受声系在测量交叉偶极模式是需要方位的。这意味着正交的偶极列需要精确的参考到贮能结构上，必须用4401XB来完成这个功能，且要进行4401XB特有的刻度

25、。测量其方位传感器和XMACII接收声系之间的方位偏移，如果服务表内没有刻度，接收器和4401XB之间的偏移量手工测量并标注到测井图头和工作注释上。2、XMACII接收器的4401方位（单独的方位设备） 推荐4401直接接在XMACII的电子线路上部。在这种连接下，将水平指示仪放置在XMACII接收部分的标志指示"mark"上，测量并标注出方位仪器和XMACII接收器之间的RB偏移。3、XMACII方位和其他方位设备有时XMACII接收器和其他方位或其他成像设备进行组合，这种复杂的方位及调用需要一个更复杂的方位获得超过一种设备的方位。推荐从上到下的仪器串为XMACII-44

26、01-其他方位仪器，服务表将给成像设备所用的适合的4401刻度。用4401的刻度器来测量和标注出4401标志和XMACII发射部分的偶极调整线之间的RB偏移量。4、 XMACII的自检由于XMACII新的固件不允许通过下传命令来重显井下增益，因此，下传命令不会导致任何增益及T尖峰改变。如果有任何关于已下传命令的疑问，新的状态表可用于确定井下仪器的状态，图4给出的是新的状态表。 图2-3 XMAC状态表5、XMACII的模式选择： XMAC仪器控制和井下固件支持三个subset模式。1、XMAC subset5：单极T，4个叠加，4个信号，1个仪器子循环。2、XMAC subset6:单极全波，

27、4个叠加，8个信号，1个仪器子循环；偶极同向全波，4个叠加，8个信号，1个仪器子循环；单极T，4个叠加，8个信号，1个仪器子循环 3、XMAC subset 10：偶极16个同向及16个交叉全波，4个叠加（32个信号），4个仪器子循环；单极全波，4个叠加，8个信号，1个仪器子循环；单极T，4个叠加，4个信号，1个仪器子循环。 其中，4个叠加用于提高数据质量，减小在不良井眼条件和/或井壁壁碰撞下产生的随机噪声。 通过模式选择可以得到以下波形图，单极T波形图（图2-4）,全波单极波形图（图2-5），全波偶极XX（YY）波形图（图2-6），同向偶极XX-YY波形（图2-7），交叉偶极XY(YX)波形

28、图（图2-8）。 图2-4 单极T波形图图2-5 全波单极波形图图2-6 全波偶极XX（YY）波形图图2-7 同向偶极XX-YY波形图图2-8 交叉偶极YX及XY波形图4.4 应用效果及结论通过在东北外部市场的测井作业， XMACII多级阵列声波都取得了令人满意的测井资料，且测量的波形信噪比高，波形特征清楚、正确，为进一步的波形处理奠定了良好的基础。多极子阵列声波测井仪是目前国际上较先进的声波测井仪，是声波测井技术的重大突破，它是把单极、偶极和交叉偶极声波技术结合在一起的新一代测井技术。声波换能器的响应频带较宽，低频响应更好，在井下实现数字化，信号动态范围更大，记录的波形更完整，有利于获得准确

29、的纵波、横波、斯通利波的时差、幅度等参数，特别是在分析地层速度各向异性方面具有独特的优势。第5章 声波测井流程及注意事项第5章 声波测井流程及注意事项5.1 声波测井流程1、生产准备在测井工作中极为重要，没有的生产准备是不可能顺利进行测井的。测井行业是服务性的行业，我们的宗旨是最大限度的提高服务质量，提高客户的满意度，只有在测井过程中顺利进行的情况下，才会有良好的服务质量，才可能有良好的信誉。所以生产准备一定要做好做细才行，声波仪器在车间检验的方法是将仪器接好后放在水槽中，将水槽加满水，向仪器供电，供电到180V左右，检查仪器是否运行正常，测量值是否是572us/ft。2、在生产准备充分的情况

30、下到达井场后，要合理的做好施工前的布置，宣布施工方案，一切就绪后开始测井。首先，在滑板上组装好仪器串，做下井前做后一遍检查。在仪器下井的过程中操作员应观察测井曲线，作好记录前的准备工作：可适当的调节显示和出图曲线及曲线的显示、出图参数，设置好千米校正值，选择好绘图仪，检查绘图纸和硬盘空间是否够用。下放过程中还应注意遇阻情况。3、仪器下井后，要着重注意声波仪器的调节，加载服务表后，检查DCT,PCT窗口是否被加载过，若检查无误，向仪器供电，供电到180V左右，进入测井界面，调出补偿声波计算参数窗口，检查首波位置是在正峰还是负峰，将声波信号档位调到合适的位置（一般情况下是在5挡6挡上），调节噪声门槛值，压低噪声，使信号能有很好的同步并咬住首波相应的波峰或波谷。信号调试好后，进行套管值测量，在测量的过程中，应注意观察波形变化，适时的调节声波的接收增益的大小，保证能够咬到首波。测量声波的套管值在套管中测声波的套管数值，一般572us/ft，曲线上要拉出两个套管接箍。4、重复曲线的测量将仪器下放到测量井段的上半部，选取有特征的井段，用合适的测速进行重复曲线的测量，测量记录至少50m重复曲线井段。5、测量主曲线当仪器下到井底后，