测井原理7-声幅测井

1、,第八章 套管井中声波测井,在套管井中测量声波信号的声幅测井主要用于评价固井质量，也称水泥胶结测井。 内容： 8.1 套管井波成分 8.2 声幅测井及其应用（Acoustic Cement Bond Logging） 8.3 变密度测井（Acoustic Variable Density Logging） 8.4超声脉冲反射法简介 8.5 其他声幅测井方法*,11163,微妙,/,英尺,砂岩,骨架,声速,18000,英尺,/,秒,砂岩,骨架,时差,55.5,微妙,/,英尺,8.1 套管井中波成分,接收器依次得到波有：套管波、地层波水泥环波、泥浆波,一、 套管井中波型种类,由于套管是圆的,沿套管

2、圆周方向(X方向)传播的声波是周而复始的,可以等效认为X方向的尺寸是无限的。则对于此类问题，只考察YOZ平面内的声场即可。,1、套管波,Lamb波是有纵波和SV波偶合而成，是非均匀波，具有频散特性，其速度是接近于钢管中纵波速度的某一数值。,首波传播服从费马原理。最先到达的是套管滑行纵波。,滑行波与一次反射波到达接收器时间只差0.2us，可看作同时到达，其他类型的波（多次反射波、地层波）时间比滑行波要晚，而且能量衰减也大。,由以上分析可知，套管波到达接收器时间只与源距，套管、仪器尺寸有关，所以其到达时间在全井段是不变的，可以采用单发单收声系。,套管波的声强（或幅度）大小与水泥胶结好坏有关，设12

3、为折射系数, 23为反射系数,入射声强为J0,则反射声强为: J=J01223 21= J0 21223 说明反射声强与套管水泥界面反射系数23有关.胶结不好23就大,声强幅度增大;管外是水泥还是泥浆或空气,接收套管波幅度将增大45倍。 因此套管波幅度的大小可确定第一界面水泥胶结质量。,2、水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波，只有一次或多次反射波（sin2/sin3=V2/V3,V2V3), 由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密,一般水泥环的能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计. 3、地层波：水泥地层(第二界面)胶结好时（V4V3), 一般出现地层波(滑行纵横波),地层波到达时间约在T=L

4、t(裸眼井地层时差)左右,在砂岩中(V4V2)在套管波前到达,所以对套管波和地层的识别存在困难。 4、泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变，T=189*5=945us,管外无水泥胶结，为自由套管 仅套管与水泥胶结，水泥与地层无胶结 套管与水泥、水泥与地层部分胶结 低速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好 高速地层，套管与水泥、水泥与地层胶结良好,二、声波波型与固井质量的关系,从全波列上来分析，为声幅测井、变密度测井提供方法原理。分几种水泥胶结类型来讨论。,1、自由套管,1、自由套管 (1)L=5ft，T=320us出现套管波，幅度大，固井声幅测井往往以自由套管波幅度作刻度的； (2)套管波有

5、规则，其周期可以计算套管波的频率(18kHz); (3)整个波型的包络线有高的振幅和能量,延续时间长; (4)无地层波,在945us左右出现泥浆波。 套管波幅度受套管特性影响： (1)未胶结套管的衰减系数: a=(10/L)LN(J0/J)(分贝/米) a=2.4分贝/米,J=0.575JO(L=1米),为源声强的57.5% (2)套管直径的影响: 套管直径本身对套管波衰减无关,反映了泥浆对套管波的衰减影响,直径大衰减大,套管波幅度减小. (3)套管厚度的影响:自由套管时,厚度影响不明显,当外有水泥时,套管波衰减与厚度有关,厚度大反射回井中套管幅度大,衰减系数变小.(这与声场能量分布有关,套管

6、厚度一般VS 横波到达时间晚 TS=1.51.8TP,二、变密度测井资料解释,（1）自由套管 大部分能量通过套管传播回到接收器，很少有能量进入地层中。 全波列波形中套管波幅度很大，地层波非常弱或没有。 变密度曲线左端套管波为黑白反差明显呈整齐直线条；右端地层波为灰白模糊不清的曲线条或缺失，没有地层波为套管波后续波，右端呈灰白间隔的直线条。 声幅曲线为高幅值,1、检查固井质量,（2）仅一界面胶结好 大部分能量通过套管透射到水泥环中，很少进入地层中。 全波列波形中套管波幅度弱，地层波也非常弱或没有。 变密度曲线左端套管波为灰白模糊不清直线条或缺失；右端地层波为灰白模糊不清的曲线条或缺失，泥浆波呈灰

7、白间隔的直线条。 声幅曲线为低幅值,（3）部分胶结 一部分能量在套管中传播，也有相当大能量透射到地层中。 全波列波形中套管波幅度中等，地层波也呈中等强度 变密度曲线左端套管波为灰白间隔直线条；右端地层波为灰白间隔的曲线条。 声幅曲线为中等幅值,（4）两个界面都胶结好 套管、水泥和地层连成一体，大部分能量通过套管透射水泥，再透射到地层中。 全波列波形中套管波幅度很弱，地层波很强 变密度曲线左端套管波为灰白模糊不清直线条或缺失；右端地层波为黑白反差明显的曲线条。 声幅曲线为低幅值,2、检查窜槽 CBL对一界面窜槽现象评价是有效的，但二界面窜槽是无能为力的，例上下两层CBL都为低幅值，但油层射开出水

8、，通过变密度测量，显示地层波很弱，可确定为二界面窜槽。,3、检查压裂 为了增产需要，对低产油层需要进行压裂。经压裂后，地层存在大量的裂缝，声波传播其能量衰减很大，传播时间也增大，通过压裂前后两次变密度测井对比，可检查压列效果。 压列前地层致密地层波幅度大，变密度黑白反差明显；压列后裂缝发育地层波幅度小，变密度灰白模糊显示，弯曲率也大。,假定模型为轴对称，第i层波动方程为:,结合边界条件解得井内压力响应为：,套管井几何模型示意图,套管井中声波传播数值模拟,不同地层的自由套管全波波形（频率13kHz) (a) V=6100m/s (b) V=4175m/s (c) =2771m/s,套管波,导波,

9、套管井中声波传播数值模拟,8.4 超声脉冲反射法测井,2.5 超声脉冲反射法测井,R1 R2 R3,第一门 套管水泥,第二门 水泥地层,USI超声成像测井,USI超声成像测井,1.仪器偏心 ECCE(in) 2.套管接箍(CCL),黑色为射孔 3.内半径曲线,平均效果 4.原始声阻抗成像 5.套管反射成像 6.胶结成像综合显示 兰色代表液体,绿色代表钻井液 黄色代表已胶结,红色代表微环 7.带门槛值的声阻抗成像,SBT分区胶结测井,SBT分区胶结测井,六个独立极板，贴紧套管内壁提供各自600的短源距补偿声波衰减率测量。 优点：1）提供6个600扇区即井周3600的水泥胶结定量分析，改善了微间隙

10、的影响； 2）受井中气体、快速地层或重泥浆的影响小； 3）探测出水泥窜槽(小到150)或水泥空隙，克服多解性； 4）对一般的仪器偏心不敏感 5）定量分析水泥环与套管的胶结状况SBT； 6）定性分析水泥环与地层的胶结状况VDL。,特点,环状声路：水平、垂直,SBT分区胶结测井,a1=20log(A12/A13) a2=20log(A43/A42) 补偿衰减=10log(A12*A43） /(A13*A42),L=6in l=6in F=100kHz 工作频率三个波长左右,SBT 主测井显示图 类似于常规测井图,显示最小衰减曲线、平均衰减率，自然伽玛，套管接箍曲线（CCL）振幅（mV）曲线，VDL

11、或特征曲线图。 最小衰减率曲线与平均衰减率差值（阴影部分），反映了水泥环中存在的窜槽大小。,SBT分区胶结测井,SBT分区胶结测井,SBT 分区阵列显图 1）水泥图（变衰减测井图），采用五级灰度显示水泥的胶结程度，）最浅灰色代表最低一级水泥胶结程度或地层地层坍塌；黑色代表率减率达到了与水泥抗压强度规定值所对应的率减值80%（与套管尺寸、重量有关） 2）六条补偿率减率曲线； 3）方位曲线。,声幅测井,声幅测井,超声成像测井(井下电视),超声成像测井(井下电视),采用自发自收方式 1)旋转34周/秒及磁北信号; 2)一周4802000次分别率高; 2）测速12米/分（国外5英尺/分），随着深度变化

12、换能器向井壁作连续超声波扫描，旋转120180周(条)/米; 应用:识别裂缝及岩层产状、岩性、套管破裂,1、测量原理,井周成像测井(井下电视),泥浆衰减：J=J0e-2 r,衰减系数由两部分组成：吸收衰减、固相散射衰减 泥浆对超声衰减影响 吸收衰减： =1+2+3 1)粘滞吸收(泥浆内摩擦)系数: 1 =22/3V3f 1=4.7*10-4(厘米-1) 2)热传吸收衰减系数(泥浆压缩和膨胀造成温度变化,一部分声能转化为热能) k-热传导系数, Cv 、Cp-定容和定压热容量 3）驰豫吸收(泥浆压缩和膨胀过程中,伴有泥浆中分子的内外自由度能量的重新分配过程(驰豫过程),这一过程需要一定时间(驰豫

13、时间)。驰豫过程中有规则的声振动转化为无规则热运动的附加能量耗散。 -低频容变粘滞系数；-与驰豫时间有关系数,2、泥浆对超声衰减影响,泥浆固相颗粒对超声的散射衰减 1）散射衰减系数：泥浆中含有固相颗粒（膨润土、漂珠、硅藻土等），会引起一部分声波散射，形成散射衰减，其系数为,N单位体积小球数（与密度有关） a固相颗粒半径（远小于波长的小球）,例：膨润土4=22.647*10-6(-1)(1/厘米),泥浆密度越大，散射衰减系数增加越快;在同样泥浆密度下,颗粒半径增大n倍,颗粒数N减少1/n3倍,则散射系数增大 n3。 2）泥浆添加剂对散射系数的影响：为了防止高压井喷，需要增加泥浆比重，其方法增加固

14、相含量（膨润土、重晶石等）， 采用盐水泥浆。为了改善泥浆性能，还要加一些添加剂（钻井粉、CMC、氢氧化钠、铁铬盐等）。一般采用低固相盐水泥浆（对电阻率测井不利），加适当的添加剂，使固相颗粒少且呈分散体系，能减小散射系数。,2、泥浆对超声衰减影响,井周成像测井(井下电视),采用垂直自发自收方式，其反射回的声波声强取决于井壁与泥浆的声阻抗： 声强反射系数：,2、井壁声学图象分析,井周成像测井(井下电视),1）岩性剖面 泥浆流体密度1为1g/cm3，声速V1=1500m/s，不同岩性反射系数：,（1）区分泥岩与砂岩是困难的，反射系数差别不大； （2）可区分泥岩与碳酸盐岩，但不能区分石灰岩与白云岩；

15、（3）可有效显示碳酸盐岩中裂缝，泥质充填裂缝差一些。,2）套管 提供套管井中射孔位置、套管腐蚀等套管壁声学图象,1）裂缝显示 （1）水平裂缝：水平黑线， 宽度=黑线宽度*深度比例； （2）垂直裂缝：两条平行井轴黑线 裂缝长度=黑线长度*深度比例 裂缝宽度=黑线宽度*井壁周长/图象横向长度 根据黑线的横坐标确定垂直裂缝的方位 （3）倾斜裂缝：出现波浪黑线 tg=波浪线最高最低间垂直距离/井径 根据最低点的横坐标确定倾斜裂缝的倾斜方位角，波浪线最高最低间的纵坐标确定倾斜裂缝的深度范围。,3、超声电视成果图解释,井周成像测井(井下电视),2）判断岩层的岩性、确定层面产状 （1）判断岩层的岩性 根据图象暗亮区分岩性，声阻抗大致密层亮，声阻抗小泥岩等地层暗； （2）确定岩层的产状 由于地层岩性不同，在界面处出现暗亮分界面，波阻抗相差愈大，分界面愈清楚，由此来确定