測井裝備應(yīng)用新趨勢——交叉偶極子聲波測井儀
時間：2015-10-23 13:19
來源：
作者:王靜 賀昌明 彭文
近年來，偶極子聲波測井技術(shù)的應(yīng)用逐漸增加，目前具有代表性的儀器有斯倫貝謝偶極子橫波成像測井儀DSI、阿特拉斯多極子陣列聲波測井儀XMAC 和哈利伯頓交叉偶極子聲波成像測井儀器 WSTT。中石化江漢工程公司先后引進 WSTT 和 XMAC-II 儀器，并對兩種儀器進行分析，總結(jié)出相關(guān)的應(yīng)用經(jīng)驗，以便其他企業(yè)作為應(yīng)用參照。
與常規(guī)聲波測井相比，交叉偶極子聲波測井可實現(xiàn)常規(guī)聲波測井無法實現(xiàn)的對軟地層的橫波測井。橫波測井已有近三十年的歷史， 測量橫波有兩種方法，一是間接橫波測井法，即從常規(guī)聲波測井的全波列中提取橫波，或者根據(jù)斯通利波速度反演求得橫波速度；另一種是用偶極子橫波測井直接激發(fā)作為在特定條件下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換橫波的直接橫波測井法。前一種方法使用的是傳統(tǒng)的單極子聲源的聲波測井儀，只能在快速地層中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波，在慢地層中不產(chǎn)生轉(zhuǎn)換橫波，而用斯通利波反演橫波則會受到井眼條件、地層密度等諸多因素影響，可靠性差， 且提取斯通利波也十分困難，很難獲得準(zhǔn)確的橫波信息。因此建議采用偶極子橫波測井方法。
WSTT 與 XMAC-II結(jié)構(gòu)的異曲同工之處
交叉偶極子聲波測井的基本原理是利用偶極子源的頻率響應(yīng)特性——橫波在低頻處有傳播特征頻率，而縱波在低頻處無傳播特征頻率的聲波傳播的基本特性，采用發(fā)射中心頻率為低頻的偶極子源可以有效地抑制縱波，在井壁附近產(chǎn)生撓曲波，通過對撓曲波的測量來計算地層的橫波速度，從而達到測量橫波的目的。交叉偶極子聲波測井儀通過利用單極縱波和偶極橫波測量的組合在硬地層和軟地層中都能測得基礎(chǔ)的聲波數(shù)據(jù)以及縱、橫波和斯通利波等特征參數(shù)。
哈利伯頓交叉偶極子聲波成像測井儀（以下簡稱 WSTT）由四部分組成：傳輸控制部分、發(fā)射器／隔聲體部分、接收探頭部分、主電子線路部分。阿特拉斯多極子陣列聲波測井儀（以下簡稱XMAC-II）由五部分組成：發(fā)射控制短節(jié)、發(fā)射探頭短接、隔聲體短接、接收探頭短接和數(shù)據(jù)采集短節(jié)。兩款測井儀有三點相同之處。第一，撓曲波激發(fā)方式相同。WSTT 與 XMAC-II 測量的均是撓曲波的速度，并且激發(fā)撓曲波聲源的壓電換能器都是板狀結(jié)構(gòu)。在激發(fā)的主頻上，均選擇在 7KHz 以下的低頻。第二，WSTT 與 XMAC-II 儀器本身不帶有井斜方位和井徑數(shù)據(jù)，因此要獲得地層的各向異性，須與能提供井眼幾何結(jié)構(gòu)和定位信息的儀器組合下井。第三，為了獲得優(yōu)質(zhì)的測井曲線質(zhì)量，WSTT 與 XMAC-II 在測井時必須居中良好，所以在儀器體上適當(dāng)位置必須加裝橡膠扶正器。 如果儀器不居中，則測井?dāng)?shù)據(jù)不能用于各向異性的確定，但時差的測量有效。
WSTT 與 XMAC-II應(yīng)用的不同之處
交叉偶極子聲波成像測井是一種測量地層巖石聲學(xué)信息的測井新技術(shù)，WSTT 與 XMAC-II 在構(gòu)造和系統(tǒng)設(shè)計上有著各自的優(yōu)缺點，它們能有效獲得地層縱波、橫波和斯通利波，在確定現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向及裂縫系統(tǒng)的走向，尋找有利儲層，以及分析地層各向異性方面具有獨特的優(yōu)勢。以下著重對比了 WSTT 與 XMAC-II 的不同之處。在傳輸模式上，WSTT 采用ADSL傳輸模式， 能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，最大上傳輸速率可以達到 800KBps，而 XMAC-II 使用曼徹斯特碼模式，傳輸速率可達 93.75KBps。WSTT 比XMAC-II 的傳輸速率要高很多。從探頭來看，WSTT 探頭長度要小于XMAC-II 的探頭長度，但 XMAC-II的源距更長，它所能取得的地層資料將更全面。
WSTT 儀器偶極發(fā)射器外殼開窗后有連接部分，見圖 1。該部分為儀器的主隔聲體，它還有一部分隔聲體放置在接收器的接收陣列之間，能夠最大限度的起到隔聲效果。該隔聲體能夠承受 100,000 磅的拉力或推力，還能在較寬頻率范圍內(nèi)隔離 90 分貝以上的聲波，其頻率可低到 500Hz~600Hz。但該節(jié)儀器的材質(zhì)軟，過度的彎曲會損壞內(nèi)部的密封而導(dǎo)致漏油。XMAC-II 的發(fā)射探頭及聲波隔聲體短節(jié)上有許多槽用來減少聲波在儀器體上的衰減，見圖 2。它的機械強度比外殼是實桿的儀器要低，因此避免對儀器施加過大的壓力。由于其機械強度不夠，XMAC-II 的聲波探頭及隔聲體短節(jié)在井下容易受壞損，進行測井過程中要格外注意，高速下放遇阻就可能導(dǎo)致?lián)p壞，打撈時成為了弱點。但就儀器發(fā)射效果而言，XMAC-II偶極發(fā)射器外殼開窗面積較大，發(fā)射時無遮攔物，發(fā)射效果較好。
XMAC-II 有上下兩組單極發(fā)射源（T1,T2），在單極全波記錄過程中，為了記錄到更多的信息，儀器的發(fā)射器到接收器的距離應(yīng)盡可能大，故用遠單極子發(fā)射器 T1 發(fā)射，8 組接收器接收，然后將每一組中四片接收器的信號進行累加形成所要記錄的單極全波列信號；四極子發(fā)射器 T2 主要用于時差的測量，另外該聲源在井眼中激發(fā)螺旋波，單一模式波及其高階模式，較低頻率的四極子源有抑制縱波的作用，對于橫波測井非常有利。WSTT 只有一組單極子發(fā)射源。在儀器連接上，WSTT 發(fā)射探頭在儀器串的頂部，接收陣列則在儀器的底部。而 XMAC-II 則正好相反，發(fā)射探頭在儀器串的底部，上部陣列接收。這樣 WSTT 相對于 XMAC-II 來說增加了實際測井深度，可以盡量減少漏測。
在接收形式上，WSTT 中 X/Y 偶極發(fā)射器為板狀，接收器為柱狀，板狀發(fā)射柱狀接收；而 XMAC-II 發(fā)射器和接收器形狀相似均為板狀，板狀激發(fā)和板狀接收。由于相似性原理，XMAC-II 的接收波形則相對較好。在構(gòu)造上 WSTT 接收探頭采用了壓電陶瓷的晶體來直接接收聲波信號，它的偶極發(fā)射探頭外部則采用的是高強度peek 材料。這種結(jié)構(gòu)在測井時可以忽略腐蝕性氣體對儀器的影響，也不會被泥漿中的巖屑所損傷，能夠提高測井一次成功率。XMAC-II 則是壓電陶瓷晶片利用硅油耦合外包皮囊來實現(xiàn)偶極聲波信號的發(fā)射和接收，有一定優(yōu)勢。在接收陣列中，WSTT 儀器是一個共面環(huán)上有四個相差90°的圓柱狀接收器，每一組接收陣列都是一個獨立的帶有液壓平衡的小單元。XMAC-II 是四個單片的接收器作為一組接收器，其結(jié)構(gòu)與偶極發(fā)射器結(jié)構(gòu)類似，八組接收模塊都安裝在一個充滿硅油的皮囊里。因此WSTT 的接收探頭更為獨立，在維修時比較方便。
WSTT 與 XMAC-II 在焦石地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，目前兩種儀器在焦石總共上三十余井次，通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，WSTT 主要是通過圖像特征來表征地質(zhì)現(xiàn)象，具有高分辨率、高的井眼覆蓋率和直觀可視等特征， 有利于裂縫評價、構(gòu)造識別、研究沉積環(huán)境、確定古水流方向及砂體延伸和加厚方向等方面的應(yīng)用研究。XMAC-II 可有效地檢測到慢地層的橫波信號，求取地層巖石彈性力學(xué)參數(shù)、進行地層滲透率計算，在儲層地應(yīng)力分析、地層各向異性分析、最大水平主應(yīng)力大小及方向的分析等方面有獨到的優(yōu)勢。
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