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1、1偶极横波测井仪及应用综述前言声波测井起初只是作为地震勘探中确定地层层速度的手段，逐渐发展成为孔隙度测井方法之一。后来，又出现了双发双收的补偿声波测井仪。在此基础上，又发展了声波首波幅度测井，用于检查水泥胶结的质量。由于上述声波测井仪源距较小，只观测纵波信号，很难观测到横波信号，为此，用加大源距、增加接收器的数目、减小接收器间隔的方法，先后生产了长源距声波测井仪和阵列声波测井仪。这两种声波测井仪都能记录声波全波信号，在硬地层亦能获得良好的横波测井资料。然而，在剪切强度较低的软地层，常规声波测井却受到了一定的限制，它不能获得地层横波首波。为了解决这个问题，国外的几家大测井公司先后都研制成功了自己
2、的偶极横波测井仪。代表性的仪器有:哈里伯顿公司的低频偶极声波测井仪(LFD)、阿特拉斯公司的多极阵列声波测井仪(MAC 和 XMAC)和斯伦贝谢公司的偶极横波成象仪(DSI)。从目前的应用情况来看，都取得了良好的效果。本文在这三种仪器（见表）的基础上对偶极横波测井的特点、应用情况及今后的发展进行了综述。偶极横波测井仪的特点和优点一 、发射器的改进常规声波测井仪的全方位的换能器在井眼流体中激发出纵波脉冲，然后纵波脉冲向地层传播。这些脉冲将使井壁产生轻微均匀的膨胀，在地层中激发出纵波和横波。他们都在地层中传播，进而在井眼流体中产生首波，而接收器探测到的正是首波。而不是直达的纵波和横波。只有当地层波
3、的传播速度大于流体中产生的波的传播速度时，才产生首波。地层纵波总是快于流体波，但对横波来说却不总是这样。特别是在慢而胶结差的地层中，横波速度经常小于流体波速度，这样用单极声波测井就探测不到横波。如图所示。偶极横波测井仪使用了具有方向性的发射器和接收器。偶极发射器像一个活塞，它使井眼一侧的压力增大，而另一侧的压力减小，引起井壁出现小的扰动，这样可以直接向地层中激发纵波和横波。同时产生沿井眼向上的挠曲波。它是一种频散波，偶极声波测井仪可以记录到这种波（如图） 。从挠曲波形中，也可以提取出横波时差。另外它的两个偶极发射器是相互正交的。由此可见，发射器的改进，直接引起了功能的飞跃提高。2二、低频及大功
4、率发射功能偶极横波测井仪具有低频发射功能。这就决定了横波在衰减较重的软地层中不容易发生频散，保 表 三种仪器的性能指标对比表：技术指标 LFD XMAC DSI外径（ ） 92 98.6 92长度（） 9.6 10.7 15.5耐温（ ） 177 204 175井中位置 居中 居中 居中适用最小井径（）127 114 139适用最大井径（）356 533 457测速（）测 ： 30t测全波列 ：7.6交叉偶极 ：6.4单一模式： 18.3三种模式同测： 5.076in ： 4.57t工作方式单极时差模式单极全波和偶极线性全波模式交叉偶极模式偶极方式交叉偶极方式纵横波方式斯通利波方式首波方式接收
5、器 锅状接收器 组（每组个， 相互正交，间距为 6in） 组（每组个，相互正交，间距为 6in）单极 2 1发射器（个） 偶极2（相互正交）2（相互正交） 2（相互正交）单极 15 215 12 发射频率 偶极 1.5 .单极 0.530 120 830接收频率 偶极 0.5 110 0.085采集信息挠曲波，单极和偶极的挠曲波，单极和偶极的全波列信号，慢度，Vp/Vs，传播时间，斯通利波等挠曲波，单极和偶极的纵波，快、慢横波和斯通利波等3纵横波，斯通利波等主要应用计算泊松比，识别自然裂缝，检测固井质量，计算孔隙度，计算渗透率，岩性识别，各向异性分析，岩石机械性能分析，合成地震记录，油气检测，
6、流体分析等图 图上图为软地层中用单极声源时声波的传播 上图为在软地层中用偶极声源时声波的传播下图为软地层中用单极声源记录的波列 下图为软地层中用偶极声源仪记录的波列 证了测量精度，几乎不需要校正。它的大功率发射器改善了冲蚀段的信噪比，增强了抑制噪音的能力。另外，在这种模式下，探测深度也加大了。以 DSI 为例，常规声波测井探深一般为 13cm，而 DSI 探深可达：横波为 1330cm，纵波为 3060cm。由此可见，偶极横波测井的探测深度有了很大的提高，效果自然明显。三、独特的接收器部分4接收器部分含有八组接收器阵列，其间距为 6 英寸，跨度为 42 英寸。每组接收器阵列包含两个检波器对，一
7、个与上偶极发射器方向一致，另一个与下偶极发射器的方向一致。对于偶极方式，每对 检波器的信号是分开传输的；对于单极来说，则是合在一起传输的。 四、可任意组合的多种工作模式偶极横波测井仪具有多种工作模式(表) ，他们可以进行任意的组合，用于采集数字化波形。由表工作模式可以看出，间距为英寸的个接收器组成的阵列可以产生线性时差；同一深度处可以同时采集线性和交叉偶极波形数据；同一位置可以采集单极和偶极数据；在慢速非固结地层中可以记录横波慢度。表仪器 工作模式工作特征单极时差模式上单极发射，下四个接收组接收。采用“深度导出式”计算 单极全波模式由两个单极发射器发射，可采集个单极全波信号偶极线性全波模式由两
8、个偶极发射器发射，采集到个偶极线性全波信号XMAC 交叉偶极模式两个正交的偶极发射器发射信号，与此相对应的两组接收器接收信号。同一方向上接收的信号为线性信号，正交方向上接收的信号为交叉信号。最后可得到 12 个线性偶极信号和 12 个交叉偶极信号。上下偶极模式与上偶极/下偶极对应的 8 个检波器，采集 8 个波形（40us、512 个数据）交叉偶极模式上/下偶极发射器均激发信号， 8 阵列接收器对应的 16 个检波器同时工作，接收来自上偶极和下偶极的 162=32个波形斯通利波模式由低频脉冲激发单极换能器，8 个接收器阵列采集 8 个波形（10us、512 个数据）DSI纵横波模式由高频脉冲激
9、发单极换能器，8 个接收器阵列采集 8 个波形（10us、512 个数据，此时 16 个检波器合为 8 个）5首波检测模式主要用于提取单极纵波时差，由高频脉冲激发单极换能器，8 个接收器阵列记录与阈值交叉的 8 个波形 偶极横波测井仪的主要应用 一、裂缝识别1)利用纵横波能量法识别裂缝声波体波对裂缝有敏感的反映，这是由声波传播的固有特点所决定的。裂缝对体波的影响有:各种波相对时差增大;各种波相出现程度不同的能量衰减,波形的幅度减小;模式转换引起杂乱显示;出现反射现象。在低角度裂缝和网状裂缝发育段，纵、横波能量均有较大的衰减；在直劈裂缝发育段,纵、横波能量均有衰减，横波衰减尤为严重；切入井壁较浅
10、的诱导缝，由于偶极识别测井的探测深度较大，对纵、横波的能量衰减影响不大，用能量衰减基本上可划分出此类裂缝。2)利用斯通利波衰减法识别裂缝斯通利波是一种导波，在低频的情况下近似为管波。它在井筒内沿井壁表面传播，其能量从井壁开始向两侧呈指数衰减。在井眼中，管波的传播类似于活塞运动，使得井壁在径向上膨胀和收缩。井壁上由于裂缝的存在会导致斯通利波传播速度的变化，产生斯通利波的反射，导致斯通利波的能量衰减。如图所示。裂缝对斯通利波的影响可归纳为:斯通利波的能量小，时差增大。在水平裂缝处出现斯通利波的反射，斯通利波出现“人”字形图,“人”字出现的位置为裂缝位置。出现斯通利波的模式转换。时差增大。裂缝的倾角
11、对斯通利波的能量衰减有影响，裂缝倾角增加引起斯通利波幅度变化的数值大约正比于裂缝与井壁切割面值的增加。当裂缝的倾角为 450时，它对斯通利波衰减的影响将增加 20%;当裂缝的倾角为 700时。这种影响将增加一倍。也就是说，在裂缝宽度恒定的情况下，斯通利波的能量衰减随裂缝倾角的增加而增加。 裂缝对斯通利波的影响是由流体在裂缝中的流动引起的，因此，斯通利波识别的仅仅是开口裂缝。6图 3)利用横波各向异性识别裂缝其原理是利用两个交叉偶极发射器，向地层沿两个垂直方向定向发射信号。如果地层是均匀的，则两个信号同时到达。反之具有一定的时间差和相位差。根据这些差异可以判断地层的各向异性，并评价裂缝和应力状态
12、。构造性裂缝通常有很好的方向性，通常其走向相互平行。走向一致的裂缝会引起横波分裂，形成快、慢横波。由于裂缝中流体影响，平行裂缝走向偏振的横波的传播速度要大于垂直于裂缝走向偏振的横波的传播速度。如果横波偏振的方向与裂缝走向成一定的交角，横波将分裂成偏振平行于裂缝走向的快速高能横波分量和垂直于裂缝走向的低能慢速分量。快/满横波的能量差异和速度差异通常用百分各向异性来表示:Pe= 1)(2Esq式中，Pe 一为能量百分各向异性;Eq 一为快速横波的时差; Es1 一为慢速横波的能量。 Pt= Tsq1)(2式中，Pt 一时差的百分各向异性; Tss1 一为慢速横波的时差; Tsq 一为快速横波的时差
13、。用横波分解和分量旋转技术可以提取快/慢横波的时差，指示快速横波的方位，进行快慢横波的能量处理。 74) 利用 VDL（声波变密度图）识别裂缝低角度裂缝和网状裂缝在 VDL 图象上显示基本上与层面相似；纵波、横波和斯通利波的能量均有较大的衰减，各种波至出现模式转换，全波信息较为模糊，斯通利波出现“人”字型图， “人”字出头的位置为裂缝的发育位置。对于高角度裂缝，由于纵波的传播方向平行于裂缝面，与传播方向一致，纵波能量衰减相对较小。横波的传播方向垂直于裂缝面，能量衰减较为严重，反映在 VDL 图上，横波波至模糊不清。5)利用 T/R, 差值评价裂缝t其特征和检测裂缝的原理是当声波仪处于井眼裂缝或
14、井眼扩大附近时,其发射器和接收器时差的差值不为零，即两种时差值不相等。P、S、ST 时差的差值与裂缝的大小、特性有关，如果这些波的 T/R 的差值与其它数据结合起来，可以确定裂缝的高度、宽度和倾角.这种评价裂缝的方法不受地层界面反射的影响，可以把裂缝与井眼不规则区分开来。二、估算地层渗透率其原理是利用斯通利波能量衰减来指示有效裂缝渗透性。斯通利波不是体波,而是一种制导波，在低频的情况下斯通利波可近似为管波。地层中裂缝、孔洞及孔隙性渗透层都可以在斯通利波上得到反 映。渗透性越好其对斯通利波的声吸收能力越强，斯通利波泄漏的能量越大,表明渗透性最好。井壁的岩性越软，对斯通利波的声吸收越大。图显示出了
15、两口井的一段测井曲线，同时还显示出了计算的斯通利波能量的经标准化的能量差。它表明在孔隙层斯通利波的能量衰减很大，指示该层具有很好的渗透率。 三、岩石机械特性分析利用偶极横波测井仪测量数据可以得到高质量的纵横波资料,结合密度测井资料,进而计算泊纵比和其它动态弹性模量。这些数据(表)是确定岩石强度和地应力等的重要依据。1)进行岩石机械特性分析,可以确定井眼稳定性。钻井过程中井眼的稳定性不仅受泥浆柱的压力、地应力、孔隙压力、岩石强度的影响，而且还受岩石水化应力、泥浆支撑效率等诸多因素的影响，它是井壁所受各种力的综合反映。如果地层岩石本身强度大于维持井眼稳定所需的平衡力，井眼趋于稳8图定，相反则井眼不稳定，在这种情况下，泥浆密度过大则井漏。过小则井眼垮塌或缩径，安全的泥浆比重可表示为:P ( HPHh /)cos2sin2/)sin1( 0P tPZSKIm)(/2式中，K 一构造应力系数; 一最小水平主应力; 一最大水平主应力; 一有效应力系数;hH一岩石的内摩擦角; 一岩石的固有抗剪强度;P P一地层孔隙压力;I m一地层的原状指数;S t0一岩石固有的抗张强度。表 利用纵横波时差计算动态弹性参数表9泊松比 v纵 向 应 变横 向 应 变 1)(2pss
