[科普中國]-偶極橫波成像測井

原理

普通聲波測井使用單極聲波發(fā)射器，可向井周圍發(fā)射聲波，使井壁周圍產(chǎn)生輕微的膨脹作用，因此在地層中產(chǎn)生了縱波和橫波。在硬地層條件下，可以得到縱波和橫波，由此得出縱波和橫波時差，如在陣列聲波測井中所述，但是在疏軟地層中，由于地層橫波首波與井中鉆井液波一起傳播，因此單極聲波測井無法獲取橫波首波。為了解決這個問題，研制了偶極橫波成像測井(DSI)。

它采用了偶極聲波源，偶極聲波源很像一個活塞，它能使井壁的一側(cè)壓力增加，而另一側(cè)壓力減小，故使井壁產(chǎn)生擾動，形成輕微的撓曲，在地層中直接激發(fā)出縱波與橫波。這種撓曲波的振動方向與井軸垂直，但傳播方向與井軸平行，通常這種聲波發(fā)射器的工作頻率，一般低于4kHz。另外這種發(fā)射器：有低頻發(fā)射功能，其工作頻率，可低于1kHz，在大井眼和速度很慢的地層中可得出很好的測量結(jié)果，同時也增大了探測深度。

除沿地層傳播的縱波與橫波外，沿井眼向上還存在有剪切撓曲波的傳播，這種由井眼撓曲運(yùn)動形成的剪切撓曲波具有頻散特性，不同頻率其波的傳播速度不同，在高頻時其傳播速度低于橫波的速度;低頻時其傳播速度與橫波相同。右圖是慢速地層中偶極聲波源的縱波、橫波和撓曲波的傳播示意圖，圖的下部是記錄的慢速地層中偶極聲波的波列圖，由此可見，用偶極聲波測井可以由剪切、撓曲波提取軟地層的橫波時差。1

儀器組成偶極橫波成像測井儀如圖所示，該儀器分為發(fā)射器、接收器和數(shù)據(jù)采集電子線路部分。

發(fā)射器由三個發(fā)射器單元組成：下偶極發(fā)射器和上偶極發(fā)射器，兩個偶極發(fā)射器的方向互相垂直;一個單極全方位陶瓷發(fā)射器。用低頻脈沖激勵單極換能器產(chǎn)生斯通利波，用高頻脈沖激勵該換能器產(chǎn)生縱波和橫波。用低頻脈沖激勵偶極換能器產(chǎn)生縱波和橫波。用低于1KHz 的脈沖激勵偶極換能器，能在大井眼和非常低速地層中提取橫波。聲波隔離短節(jié)實(shí)際是一種機(jī)械衰減器，其作用是阻止由發(fā)射器部分來的信號沿儀器直接上傳。

接收器部分包括8 個接收器位置，相鄰兩個接收器位置的間距為6in (15.2cm)，第一個接收收器位置與第八個接收器位置之間的距離為42in (1.07m)。每個接收器位置上有兩對接收器。一對同上偶極發(fā)射器方向一致，另一對同下偶極發(fā)射器方向一致。對于偶極方式，每對接收器是分開傳輸?shù)?對于單極方式，二者是合在一起傳輸?shù)?。最低接收器位置與單極發(fā)射器的距離為9ft(2.7m)，與上偶極發(fā)射器的距離為11ft(3.4m)，與下偶極發(fā)射器的距離為11.5ft(3.5m)。

并行數(shù)據(jù)采集電路包括有同時數(shù)字化的8 個獨(dú)立波形，能把幾次發(fā)射產(chǎn)生的波形疊加起來、進(jìn)行自動增益控制，并把信號傳輸?shù)降孛娴南嚓P(guān)電路。還包括記錄每條波形的幅度門坎交叉時間所用的門坎探測器，門坎探測器用于檢測縱波首波，得出時差值。1

儀器的工作方式偶極橫波成像測井有多種工作方式，它們可以進(jìn)行任意組合。

1)下偶極方式

采集和處理下偶極發(fā)射器發(fā)射時，相應(yīng)接收器接收到的偶極波形數(shù)據(jù)及撓曲波的慢度，從而獲取有關(guān)橫波數(shù)據(jù)。

2）上偶極方式

采集和處理上偶極發(fā)射器發(fā)射時，相應(yīng)接收器接收到的偶極波形數(shù)據(jù)及撓曲波的慢度，從而獲取有關(guān)橫波數(shù)據(jù)。

3)斯通利波方式

當(dāng)用低頻脈沖激勵單極發(fā)射器發(fā)射時，采集和處理相應(yīng)接收器接收到的單極波形數(shù)據(jù)，從而得出斯通利波的時差。

4)縱波和橫波方式

用高頻脈沖激勵單極發(fā)射器發(fā)射時，采集和處理相應(yīng)接收器接收到的單極波形數(shù)據(jù)，從而得出縱波和橫波時差。

5)首波檢測方式

用高頻脈沖激勵單極發(fā)射器發(fā)射時，采集和處理相應(yīng)接收器接收到的單極波與閥值的交叉數(shù)據(jù)，從而測得縱波的時差。偶極橫波成像測井儀可與大部分測井儀進(jìn)行組合測量。1

偶極橫波成像測井的應(yīng)用偶極橫波成像測井除一般縱波的應(yīng)用外，主要還有下列幾方面的應(yīng)用：

1）鑒別巖性和劃分氣層

實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，利用縱波速度與橫波速度比（vp/vs）可以鑒別巖性，在vp/vs與縱波時差Δtc的交會圖(如圖)中，白云巖的 vp/vs=1.8，石灰?guī)r的vp/vs=1.86 二者幾乎是一條與橫軸平行的直線，同樣對于純砂巖或含氣砂巖vp/vs=1.58，而且vp/vs 與Δtc的關(guān)系也近似于一條直線。利用這些特點(diǎn)即可由vp/vs與Δtc交會圖中鑒別巖性。但對于含水砂巖來說，隨著孔隙度的增大和壓實(shí)程度的降低，vp/vs增大，如圖中的實(shí)線所示，呈一斜線狀。

2)劃分裂縫帶

當(dāng)斯通利波遭遇張開裂縫時，由于裂縫處聲阻抗大，故使斯通利波的能量被反射，通過對斯通利波波形的處理，可提取反射系數(shù)(反射能量與人射能量之比)，從而判別裂縫帶。右圖是一硬地層的實(shí)例，圖中顯示出第一個接收器記錄的斯通利波的變密度圖(第三道)和計(jì)算的反射系數(shù)(第二道)，在605ft、781ft、784ft、807ft、811ft 和840ft 的深度處有明顯的反射波，同時相應(yīng)的反射系數(shù)也增大，地層微電阻率掃描測井證實(shí)在605ft、807ft、811ft 和840h處存在有裂縫，而在781ft 和784ft 深度處的裂縫難以確定，由于裂縫處的反射系數(shù)大，表明這些裂縫是張開的，但該圖無法評價裂縫的張開度。

3)巖石機(jī)械特性分析

根據(jù)測得的縱、橫波時差及地層密度，可以計(jì)算地層巖石的機(jī)械特性，如泊松比(σ)、楊氏彈性模量(E)、切變模量(μ )、體積模量(k)及拉梅常數(shù)(λ )等。利用這些巖石的機(jī)械特性，可以評價井眼穩(wěn)定性，以及預(yù)測水力壓裂效果等。

偶極橫波成像測井是一種新的測井技術(shù)，在其解釋方法和應(yīng)用方面尚需進(jìn)一步研究開發(fā)。1