声幅测井.ppt

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声波测井方法和应用,长江大学地球物理与资源学院,第三章声波幅度测井,声波在介质中传播，其幅度会逐渐衰减，声波幅度的衰减在声波频率一定的情况下，是和介质的密度、弹性等因素有关的。

声波幅度测井就是通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层特点以及水泥胶结情况的一种测井方法。

第三章声波幅度测井,本章主要讲解套管井中用于评价固井质量的声幅测井,可称为固井声幅（水泥胶结）测井。

内容：

第一节套管井中波成分第二节声波波型与固井质量关系第三节固井声幅测井主要方法及其应用第四节其它声幅测井方法,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,第一节套管井中波成分,接收器依次得到波有：

套管波、地层波水泥环波、泥浆波,滑行纵波,1、套管波（纵波横波复合波）:

滑行波、一次反射波及多次反射波（能量很弱），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。

一次反射纵波,对于套管波到达接收器时间在全井段是不变的，只与源距、套管、仪器尺寸有关,第一节套管井中波成分,1、套管波（纵波横波复合波）套管波的声强（或幅度）大小与水泥胶结好坏有关，设12为折射系数,23为反射系数,入射声强为J0,则反射声强为:

J=J0122321=J021223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,接收套管波相差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。

第一节套管井中波成分,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=Lt（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，（变密度、全波列）,第一节套管井中波成分,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套管与水泥、水泥与地层胶结良好（低速地层）套管与水泥、水泥与地层胶结良好（高速地层）,第二节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,第二节声波波型与固井质量的关系,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）,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,套管厚度一般）,第二节声波波型与固井质量的关系,1套管外为水2套管外为固结水泥以d=14cm测得的声幅为100%,套管直径的影响,1、自由套管,套管外有水泥,3000,1、自由套管,套管厚度的影响,1、自由套管,由于泥浆、仪器测量条件影响，套管波不规则，要求记录本井自由套管幅度，用于刻度。

V1V2V3V1V4,2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）,320us,945us,2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）,此时大部分能量进入水泥环（水泥环波衰减大），套管波幅度很小，其特点：

（1）320us（L=5ft）,由于一界面胶结好,套管波幅度大大减小;

（2）套管波后为水泥环波,衰减无规则,幅度小,有时无显示;（3）无地层波,仅少量能量环形流体层（泥浆）,进入地层更少;（4）最后出现为泥浆波.水泥环参数对套管波幅度的影响:

（1）水泥抗压强度的影响:

水泥环抗压强度大,进入水泥环的能量就多,套管波就变小,衰减变大;计算抗压强度值与出厂值比较（标定值）,两者相等为胶结好,小于出厂值可能为套管与水泥胶结不好有裂隙或窜槽、水泥不纯、水泥凝固时间不够（一般48小时）。

（2）水泥环密度或声速影响：

波阻抗Z大，进入水泥环的能量多，套管波幅度就低，衰减大；（3）水泥环厚度影响：

厚度小（1.905cm变化不明显;,（4）水泥凝固时间对套管波的影响,（4）水泥凝固时间对套管波的影响,水泥凝固时间长,水泥强度大,套管波愈能透射到水泥环向地层传播使套管波幅度下降,衰减系数增大.水泥凝固时间受速凝剂、水灰比、水泥中杂质等影响，实验考察3048小时进行声幅测井比较合适。

3、部分胶胶结,3、部分胶结（窜槽）,

（1）套管波幅度介于自由套管和仅一界面胶结好的情形，

（2）后续波有地层波,幅度不大（3600部分传播）,到达时间与地层速度有关.问题1:

泥饼影响:

泥饼存在往往使水泥地层胶结不好（固结水泥吸收泥饼水分，泥饼收缩）问题2：

窜槽影响：

固井要求套管与地层间环行空间（3600），全部被水泥占有，如一部分没有水泥或水泥没有胶结,给油水运动形成通道,造成窜槽（油层射孔出水）.是不是发生窜槽要看油水层是否被封隔开,发生窜槽就要进行补挤水泥（成本很高）.问题3:

微环影响:

由于注水泥加压,套管膨胀,撤去压力套管收缩,造成水泥与套管间形成微裂隙或水泥与地层间（往往在碳酸盐岩中）产生微裂隙,微裂隙不为造成窜槽,但影响声耦合,测得的波形类似部分胶结.区分微裂隙还是窜槽,要加压测量与未加压测量比较.若幅度变小为微裂隙,无变化为窜槽.,3、部分胶结（窜槽）,胶结程度=窜槽部分衰减系数/完全胶结衰减系数,4、完全胶结（砂岩）,由于套管、水泥、地层之间声耦合好，进入套管的大部分能量透射到地层，地层波幅度大，套管波幅度很小（与水泥抗压强度有关），泥浆波叠加在地层波末端,地层纵波,4、完全胶结（碳酸岩）,第二节声波波型与固井质量的关系,影响套管波大小除了套管特性、水泥胶结情况、地层特性外，还与测量仪器性能有关（例偏心倾斜、声功率、频率等因素）。

考虑到衰减，一般采用3、5ft短源距，频率20kHz。

第三节固井声幅测井方法,水泥胶结测井（CBL）声波变密度测井（VDL）三超声脉冲反射法测井（UPS）四分区水泥胶结测井（SBT）,一水泥胶结测井（CBL）,（声幅测井）,在下套管的井中注水泥后，套管与井壁之间的环形空间内应充满注入的水泥。

如果固井质量不好，套管与井壁之间的环形空间会残留泥浆。

为了检查水泥与套管是否胶结良好，因此提出了水泥胶结测井。

一水泥胶结测井（CBL）,（声幅测井）,1、基本原理CBL下井仪器采用单发单收声系，源距为3ft（0.91m）。

可以近似认为，发射换能器发出声波，其中以临界角入射的声波，在泥浆与套管的界面上折射，产生沿这个界面在套管中传播的滑行波（即套管波），套管波又以临界角折射进入井内泥浆到达接收换能器被接收。

仪器测量记录套管波的第一峰的幅度值（以mV为单位），即水泥胶结测井曲线。

这个幅度值的大小除了决定于套管与水泥胶结程度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度以及仪器居中情况的影响。

若套管与水泥胶结良好，这时套管与水泥环的声阻抗差较小，声耦合较好，套管波的能量容易通过水泥环向外传播。

因此，套管波能量有较大的衰减，测量记录到的水泥胶结测井值就很小；若套管与水泥胶结不好，套管外有泥浆存在，套管与管外泥浆的声阻抗差很大，声耦合较差，套管波的能量不容易通过套管外泥浆传播到地层中去。

因此套管波能量衰减较小，水泥胶结测井值很大，从而利用水泥胶结测井曲线值可以判断固井质量。

2、CBL测井曲线右图给出了水泥胶结测井曲线，从图中可以见到：

（1）在水泥面返离位置以上曲线幅度最大，在套管接箍处出现幅度变小的尖峰，这是因为声波在套管接箍处能量损耗增大的缘故。

1、确定水泥面2、检查固井质量（一界面胶结情况）3、检查套管接箍，间隙对能量衰减大，负峰6070%4、测定套管断裂位置（在无水泥胶结地方，裂缝处套管波衰减大，出现负尖峰）5、判别管外气层6、检查补挤水泥效果,2声幅测井应用,半幅点,相对幅度,2声幅测井应用,第一次固井质量不好，出水,第二次固井质量好，封堵上部水层，产油,水层,油层,泥岩层,3声幅测井定量解释,mv,1）、水泥抗压强度法考虑到套管尺寸、厚度、源距影响，采用抗压强度来衡量固井质量，计算值与出厂值相等，胶结良好。

3声幅测井定量解释,2）、胶结指数法胶结指数=目的层衰减系数/完全胶结段衰减系数一般大于80%，可认为胶结好。

问题：

用相对幅度消除仪器的影响，用胶结指数可消除井中环境参数及井下条件引起的误差。

3、最小封隔长度法固井胶结的水泥要有足够的强度才能有效封隔地层，水泥胶结强度与封隔长度有关。

最小封隔长度与套管尺寸有关，实验与实际观察表明：

在胶结指数为0.8时,可根据套管直径确定最小封隔长度。

13ft=4米,10ft=3米,4声幅测井存在问题,1）、仪器偏心影响：

（1）套管波幅度减小;

（2）到达时间提前;（3）后续波失真;在井剖面上套管波到达时间不是固定的.采用扶正器来实现。

2）、记录套管波的局限（头半周）:

仅评价一界面,不能评价二界面情况,窜槽有可能水泥地层胶结不好引起的。

利用地层波来解决。

3）、水泥环间隙影响：

间隙一般0.1mm,不足以引起流体窜流,但对声耦合有影响,造成套管波幅度与部分胶结相同。

解决办法：

（1）加压再测量依次（可能造成压裂套管、水泥环）,

（2）采用反射脉冲反射法测井。

二变密度测井（VDL）,1变密度测井原理,变密度测井是为了解决二界面胶结情况而提出的。

变密度图-波类型指示,变密度图-波幅度（能量）指示,显示只保留波形正半周（或负半周），幅度大以黑色显示，幅度小以灰色显示，去掉的半周以白色显示，这样以黑白间互线条组成了变密度测井。

其井下仪器为单发单收系统，L=5ft（一般与声幅测井一起测量CBL：

L=3ft），以调辉方式记录整个波形（模拟信号），通过对波形按幅度大小以灰度等级来显示的（数字信号）。

1）、套管波：

直线条（320us）2）、地层波：

曲线条，变化的3）、泥浆波：

近直线条,地层波包括纵波、横波，由于VPVS横波到达时间晚TS=1.51.8TP,2变密度测井的应用,

（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,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，泥浆波呈灰白间隔的直线条。

声幅曲线为低幅值,1）、检查固井质量,（3）仅一界面胶结好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,1）、检查固井质量,（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，通过变密度测量，显示地层波很弱，可确定为二界面窜槽。

2变密度测井资料解释,2变密度测井资料解释,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。

三超声脉冲反射法测井,R1R2R3,第一门套管水泥,第二门水泥地层,四分区胶结测井（SBT）,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=6inl=6inF=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,第四节其它声幅测井方法,一超声脉冲反射法测井,二超声成像测井（USI）,三超声成像测井（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,第四节其它声幅测井方法（超声成像测井井下电视）,井周成像测井（井下电视）,泥浆衰减：

J=J0e-2r,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+31）粘滞吸收（泥浆内摩擦）系数:

1=22/3V3f1=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；（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，由此来确定岩层的产状；水平地层为水平线显示，倾斜地层为波浪线显示tg=波浪线最高最低间垂直距离H/井径d,3、超声电视成果图解释,井周成像测井（井下电视）,2）确定套管井径壁情况

（1）检查射孔部位及射孔质量显示黑色孔、条带

（2）确定套管破损的部位及破损情况套管破损出砂需要修复,3、超声电视成果图解释,井周成像测井（井下电视）,射孔位置,破裂,射孔位置,破损出砂,UBI超声成像测井,tg=浪最高与最低间距离/井径,UBI超声成像测井,UBI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,