声幅变密度测井原理.docx
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声幅变密度测井原理
声幅－变密度测井原理
便携式测井操作以及测井解释方法
一、测井原理简介
声幅－变密度测井是由磁定位（CCL）、自然伽马仪（GR）和声幅-变密度仪（CBL-VDL）组成，能够实现一次下井，测出CCL、GR、CBL-VDL等多条组合曲线。
声幅－变密度（CBL-VDL）井下仪包括电子线路和声系两大部分，其中声系包括一个发射器和两个接收器，源距分别为3英尺和5英尺。
对于3英尺源距接收器，声波发射器发射声脉冲，经过泥浆（或井液）折射入套管，产生套管波。
套管波沿最短路径传播，折射入井里泥浆（或井液）。
接收器接受声波波列中首波的幅度。
经过电子线路把他转换为相应的电压值予以记录。
当仪器沿井身移动时，就测出一条随井深变化的声幅曲线。
并通过声幅曲线值的高低对比来确定套管与水泥环胶结的好坏。
对于5英尺源距接收器，接受到的是声波的全波列，分为三个部分，即套管波、地层波、直达波（泥浆波和井液波），接收电子线路把信号转换为与其幅度成正比的点信号，经电缆传至地面，检波后只保留其正半周部分，这部分电信号加到示波器或显象管上，调制其光点亮度。
波幅大，电压高，光点就亮，测井图上显示条带为黑色。
而光点亮度低时，测井图上显示为灰色条带。
负半周电压为零，光点不亮，测井图上显示为白色条带。
变密度测井图就是黑（灰）白色相见的条带，以其颜色的深浅表示接收到的信号的强弱，通过对变密度测井图上显示的套管波、地层波和直达波（泥浆波和井液波）的强弱程度分析，来确定套管与水泥环和水泥环与地层胶结质量的好坏。
※仪器测井原理（CBL）
1、声波发射器发射声脉冲被3英尺源矩接收器接收，经井液折射入套管，产生套管波；
2、套管波沿最短路径传播，折射入井液；
3、接收器接收声波波列中首波的幅度；
4、幅度到达电子线路被转换为相应的电压值并予以记录；
5、当仪器沿井身移动时，就测出一条随井深变化的声幅曲线；
6、通过声幅曲线值的高低对比来确定套管与水泥环胶结的好坏。
※仪器测井原理（VDL）
1、声波发射器发射声脉冲被5英尺源矩接收器接收声波全波列（套管波、地层波、泥浆和井液波）；
2、线路把信号转换为与其幅度成正比的电信号，经电缆传至地面；
3、电信号在显像管上被调制其光点亮度，根据其波幅大小和电压高低在测井图上显示成黑白相间的条带；
4、测井图黑（灰）白相间的条带，以其颜色的深浅表示接收到信号的强弱；
5、通过对全波列的强弱程度分析，确定套管与水泥环、水泥环与地层的胶结质量。
也可以用下图加以解释，全部波列形成亮暗条纹显示在胶片上，对比度取决于正峰幅值。
波列的不用部分可以在VDL测井图上被区分开来。
套管波信号显示了很有规律的条纹，而地层波的条纹显得更为扭动。
二、测井资料质量控制
几个基本概念:
自由套管：
未胶结的套管。
第一胶结面：
套管与水泥的胶结。
第二胶结面：
水泥与地层的胶结。
声幅曲线要根据套管外径尺寸的大小在自由套管处进行刻度检查，且有30－50米连续曲线，曲线变化平稳，符合质量要求，声幅重复曲线误差小于10％。
不同套管外径刻度值如下：
套管外径（英寸）
声幅值（mV）
4
89
41/2
81
5
76
51/2（常用）
69-72（常用71）
7
62
75/8
59
95/8
51
103/4
48
变密度门坎合适，灰度清晰，在第一、第二交接面均好的井段，波列变化与岩性具有相关性；
测速600m/h；
变密度曲线在自由套管处应反映出套管波信号，呈现一条条黑白相见的直条带；
声幅-变密度测井时，必须带扶正器，以保证仪器居中；
测井时间一般在固井后36－48小时进行测量。
三、测井资料解释方法
1、定性解释
固井质量情况
声幅曲线（CBL）响应特征
变密度曲线（VDL）响应特征
“自由套管”即未胶结的套管，出现在水泥返高以上的井段，大部分声能将通过套管传到接收器，而很少投射到地层中去。
（如下图）
幅度高且较稳定，套管接箍处幅度显示明显。
套管波很强，为黑白相间的直条带，黑白线条是平行的，如显现摆动则说明仪器居中不佳。
几乎不出现地层波（甚至没有），套管接箍处出现人字纹。
套管与水泥、水泥与地层胶结都好（即第一、第二胶结面都好）套管与水泥胶结良好，并且水泥与地层胶结也良好的情况下，声能将会极有效地由套管传到水泥环再传到地层。
（如下图）
幅度低，随深度有所变化。
套管波弱，为灰白色相见条带，有时甚至缺失；而地层波较强，呈现清晰地黑白相见地波状条带。
快速地层胶结，即水泥与套管和地层胶结都好，只是地层波传播速度快。
（如下图）
幅度较高，这是由于套管外地层岩性致密引起的。
显示为明显的波纹条带状的地层波，缺少套管波。
套管与水泥胶结良好，而水泥与地层胶结不好。
（即第一界面胶结好，第二界面胶结差）（如下图）
幅度低。
套管波微弱或缺失，记录的地层波极弱或根本没有，最右边出现直条带的泥浆直达波。
微环胶结，即水泥和地层胶结良好，套管和水泥之间存在微小空隙。
但能封住液体运移，只有气体能通过。
（如下图）
幅度较高（相当于胶结中等）。
显示出套管波，地层波也较明显。
局部胶结，即套管、水泥、地层相互之间只有一部分胶结，而一部分没有胶结，在实际测井中常常遇到。
（如下图）
幅度略低于自由套管幅度值，即幅度值较高，且不稳定。
套管波比自由套管时显示的弱，能显示出一些地层波信息。
套管与水泥胶结不好，水泥与地层胶结好。
即第一胶结面胶结差，第二交接面胶结好。
这种情况目前在测井资料上还很那难解释分析清楚，因第一胶结面不好，大部分声能留在套管中，直接传到接收器，投射到地层的很少，这就给测井资料认识带来困难。
实际中以为套管与水泥胶结不好，就已直接造成上下段串通。
（如下图）
幅度为高值。
出现明显的套管波，而地层波呈现出较难辨认的现象。
2、定量解释
①根据声幅曲线的幅度值，采用相对幅度法评价第一胶结面的固井质量。
即：
相对幅度C=（目的层段的声幅值/自由套管井段的声幅值）*100%
当相对幅度≤20%时，确定为胶结良好；
当相对幅度20-30%时，确定为胶结中等；
当相对幅度≥30%时，确定为胶结差。
②根据变密度图上套管波显示的强弱来确定第一胶结面的胶结级别，套管波信号微弱或缺失定为第一胶结面胶结良好；套管波显示清晰，曲线粗而黑，套管接箍明显，定为第一胶结面胶结差；套管波显示较弱时定为第一胶结面胶结中等。
③根据声幅－变密度测井资料解释规程，依据变密度图上显示的地层波的强弱来确定第二胶结面的胶结级别。
对同一口井的不同井段，变密度地层波显示强确定为胶结良好；地层波微弱或缺少，确定为胶结差；地层波可以辨认出，但地层波信息不清晰，确定为胶结中等。
四、补充规定
１、对于新钻井挂尾管、套损管部分悬挂小套管等测量井段内出现套管内径不同的情况，进行CBL-VDL测井时，在不同直径的套管内实行“分别刻度，分段测量”。
2、CBL刻度值必须和所在刻度井段自由套管CBL理论响应值一致。
3、若无自由套管，在进行刻度时，可以在基本无水泥胶结的CBL值的相对较高的井段进行刻度。
4、对于全井段悬挂小套管且无自由套管的情况，可以在基本无水泥胶结的CBL值的相对较高的井段进行刻度。
5、“分别刻度，分段测量”时，两段都必须测量出悬挂器位置，且重复井段不得少于50米。
五、CSU配接便携式CBL-VDL测井仪
1、设备连线
测量时，便携式机箱上的接线孔下排的1、7、10分别连线对应于电缆缆芯的1、7、10，上排的10连线对应于电缆缆芯的3，未列出的接线孔没有用到。
如图：
电缆各缆芯的功能如下表，未列出的没有用到：
电缆缆芯
主要功能
1、3
磁定位CCL信号
4、6
接供电器，给井下仪器供电，要快速供电
7
声波、GR信号
3、10
接地
2、仪器连接
注意：
下井前一定要检查上下扶正器的销子，防止滚轮处脱开，造成卡仪器的后果。
3、软件操作
①CCS置于测RFTA位置，启动便携式机箱的Win98系统，进入CBL/VDL测井程序。
②仪器串名称选择：
声波变密度VCBL。
③输出参数选择：
第二组，深度采样率应为32，时间采样率为0.1，每米脉冲数为393.8。
④接口控制选择：
磁定位，声波变密度，单芯传输，自动逻辑，10mA。
⑤给仪器供电。
通过供电器由电缆4、6芯给声幅仪器供电。
电压175-180V，电流50mA。
⑥仪器刻度采用“VBL测试”。
根据套管外径（英寸）选择合适的套管CBL值（mV），寻找“清水段”，即未固井段，使监视波形达到最大，可以进行“测试”，然后进行测前刻度。
⑦测试完成后，即可按照测量时的连线方式进行正常测井了。
4、测井步骤
①供电180V，电流大小视井下仪器不同而不同；
②在自由套管处刻度，声幅刻度值与套管外径（见下页）对应；
③下井过程中监视VBL值，使其不超过刻度值；
④在水泥返高处测重复曲线；
⑤下至凡尔位置，测主曲线。
用CBL／VDL资料评价薄层水泥胶结
李艳华薛梅楚泽涵李剑浩任佐斌聂国柱
摘要 李艳华，薛 梅，李剑浩等．用CBL／VDL资料评价薄层水泥胶结．测井技术，1999，23（3）：
180～185
由于分辨率的限制，声波水泥胶结评价测井（CBL／VDL）不可能解释评价厚度在3ft*以下的未胶结层段。
对于未胶结层段厚度在仪器纵向分辨率以下的薄层，在源距为3ft及5ft的声系所记录到的声幅曲线上的贡献是不同的。
根据不同源距声系所记录到的声幅值的差异，可定量解释评价没有水泥胶结的薄层（其厚度小于仪器的纵向分辨率）。
根据水泥胶结刻度井群中的实际测量结果，作出了未胶结层段厚度与源距为3ft及5ft的声系所记录到的声幅值差异的关系图版，根据这种关系图版对大庆油田2口井的固井质量重新进行解释评价。
主题词：
水泥胶结测井 薄层 声波全波列测井 定量分析 测井解释
ABSTRACT LiYanhua，XueMei，LiJianhao，etal．．AMethodforThinLayersCementBondEvaluationwithCBL／VDLData．WLT，1999，23（3）：
180～185
Duetotherestrictionofresolution，theunbondedintervalswiththicknesssmallerthan3ftcannotbeevaluatedwiththeCementBondEvaluationloggingData（CBL／VDL）．Astothoseunbondedintervals，theircontributionstotheamplitudecurvesrecordedbytheacousticsondeswithspacingof3ftand5ftaredifferent．Accordingtotheamplitudedifferencerecordedbythesondeswithdifferentspacings，unbondedthinlayers（withthicknesssmallerthantheinstrumentresolution）canbequantitativelyevaluated．Accordingtotheexperimentresultsobtainedfromcementbondcalibrationwells，therelationshipchartbetweenthethicknessofunbondedintervalandtheamplitudedifferencerecordedbytheacousticsondeswithspacingof3ftand5ftisgiven．CementbondqualityoftwowellsinDaqingOilfieldisreevaluatedwiththiscart．
SubjectTerms：
cementbondloggingthinlayerfullwavetrainacousticloggingquantitativeanalysisloginterpretation
问题的提出
目前在水泥胶结测井评价中，用CBL／VDL方法代替在技术上陈旧的声幅测井已成为一种方向和趋势［1，2，3］。
源距为3ft的CBL方法记录井壁上套管波的幅度，并据此估算与套管外水泥胶结情况有关的套管波衰减率，并由衰减率计算出套管外水泥的胶结指数
非法定计量单位，1ft＝0．3048 m，下同BI。
VDL方法是在源距为5ft的单发单收声系上记录声波变密度曲线，并据此判断套管外水泥胶结状况，但VDL的解释通常只是定性的［4］。
从CBL／VDL的仪器方法原理上说，VDL可以根据所记录到的首波幅度得出一条源距为5ft的声幅曲线，也可以根据这条曲线计算套管波的衰减率及套管外水泥的胶结指数。
这样，在CBL／VDL测井中可以记录到源距为3ft（CBL）及5ft（VDL）的2条声幅测井曲线，由这2条声幅曲线都可以算出套管波的衰减率及水泥胶结指数曲线。
在源距为3ft及5ft时，即使声学发射探头性能稳定，而且2个接收探头性能完全一致，由于2个接收探头与发射探头的距离不同，因此接收到的信号幅度是不相同的，由此计算出的套管波的衰减率及胶结指数也不相同。
由于5ft源距声系记录的声波信号幅度较小，因而计算出的套管波的衰减率较大而胶结指数较小。
这样就提出一个问题：
用3ft和5ft源距记录到的声幅曲线及由此换算出的水泥胶结指数曲线，哪一个更可靠?
另外，由声波幅度曲线解释出的水泥胶结指数曲线给出的是一种渐变的结果，往往不能像确定水泥返回界面一样给出在井下可能存在的有水泥胶结和没有水泥胶结的突变面。
水泥胶结测井的另一难题是，无论源距是3ft，还是5ft的声系，所测得任何曲线的纵向分辩率都在3ft以上，无法分辩3ft以下的未胶结层段。
对于目的层段厚度小于仪器纵向分辩率的薄层问题，历来是测井的难题，现有的声波水泥胶结测井未能除外。
本文提出，用现有的3ft和5 ft源距声系记录的套管波的幅度差，可以解释评价厚度在3ft以下的没有水泥胶结的层段，还可以确定没有水泥胶结层段的厚度。
CBL／VDL评价薄层水泥胶结的思路
CBL和VDL方法都是通过单发单收声系接收井壁套管波的幅度。
套管波是在尺寸（厚度）有限的套管内传播的声波导，其物理实质是有限厚薄板中传播的板波（Lamb波）。
其幅度取决于套管壁厚度、套管波（板波）信号频率，在套管壁厚和套管波频率固定的前提下，套管波的幅度取决于套管外介质（例如固结水泥）的密度和分布范围。
套管外固结的水泥对套管波起“阻尼”作用，在固井水泥密度大及水泥环厚度大时，阻尼作用强，因而套管波幅度小，反之，当固井水泥密度小及水泥环厚度变薄时，阻尼作用弱，因而套管波幅度大［5］。
从测量的角度来说，套管波幅度还取决于井内声学发射探头和接收探头的距离（源距），因为套管波在井壁上沿井轴方向传播时，即使忽略套管本身对套管波的吸收，套管波在沿井轴方向上传播时也还会略有几何扩展而衰减。
另外，在源距为3ft或5ft时，所记录的是在井壁套管上、沿井轴方向3ft或5ft内套管波的平均（或积分）结果。
因此，若在井壁套管上有1ft井段没有水泥胶结，在用源距为3ft或5 ft的声系测量时，这1ft未胶结层段的贡献是不同的。
对3ft声系，在其纵向分辨率范围内，约有1／3的层段未胶结而对套管波的阻尼作用弱，对5ft声系，约1／5的层段水泥未胶结而对套管波的阻尼作用强，因此用3ft的声系记录的套管波的幅度比用5ft的声系记录的套管波幅度大。
因此，本文解决薄层水泥胶结评价的基本思路是：
若在井壁套管外有某一厚度小于仪器纵向分辨率的层段，则在用源距为3ft及5ft的声系所记录的声幅曲线上，套管波的幅度将出现差异而且这种幅度差异与测量范围内或仪器纵向分辨范围内未胶结层段的厚度有关，一般来说，未胶结层段的厚度越大，源距不同的声系记录到的声幅曲线的差异越大。
而且从方法原理上说，只要井下测量记录的精度足够高，根据不同源距声幅曲线的差异，能对厚度小于仪器的纵向分辨率的未胶结层段进行识别和评价。
根据以上讨论，在CBL／VDL仪器记录的源距为3ft及5ft声幅曲线上，其声幅的差异能反映套管外未胶结层段的厚度。
因此，进一步的问题是建立3ft和5ft声幅曲线幅度差与未胶结层段厚度的对应关系。
本文所建立的这种关系图版是根据在已通过原中国石油天然气总公司鉴定的水泥胶结刻度井群中用CBL／VDL仪器实际测量的结果得出。
在刻度井群中，套管外未胶结层段的厚度、深度位置都是确定的，这样建立的关系比理论或模拟计算的结果更为可信。
而且与通常的CBL测井解释方法相比，按照不同源距声幅差异值还能准确地划定有水泥胶结和无水泥胶结界面的深度位置，因而能较准确地认定套管外未胶结层段的厚度。
根据源距为3ft和5ft的声系记录的声幅值的差异，对套管外水泥未胶结层段的解释，也回答了根据3ft和5ft源距的声幅曲线计算出的水泥胶结指数孰更可靠的问题。
实际上，源距为3ft的声系所记录的声幅值较大，因此计算出的胶结指数较低，即判据较严；而源距为5ft的声系所记录的声幅较小，因而计算出的胶结指数较高，即判据较宽。
从理论上说，若3 ft和5ft声系的2个接收探头的性能完全一致，则用不同源距声系记录到的幅度差来判断套管外的水泥胶结状况更为合理。
未胶结层段厚度与各声幅差异关系图版制作
辽河油田于1997年建成国内最大的水泥胶结刻度井群，并通过原中国石油天然气总公司鉴定。
在刻度井中，用聚胺酯橡胶模拟套管外不同程度的胶结情况。
胶结程度与用CBL／VDL测井仪所记录的源距为3ft和5ft的声系所记录的套管波幅度值见表1。
表1胶结程度与不同声系记录的声幅值
胶结程度100%
0
25
50
75
87.5
93.75
3ft声幅值mV
320
190
61.5
22.1
12.3
9.8
5ft声幅值mV
166
98
12.3
9.8
6.15
幅度差／mV
154
92
49.2
12.3
6.15
由表1可见，源距为3ft和5ft的声系所记录的声幅值随着胶结程度的增大而减小，2种源距声系所记录到的声幅差异也随之减小。
套管外不同角度胶结情况的模拟是在直径为139．7mm的套管外分别粘贴隔声橡胶360°、270°、180°、90°、45°、22．5°共6段，每段长度均为1.25m。
在建立未胶结层段厚度与不同源距声系记录的幅度差关系前，为了确定未胶结层段的厚度，本文承认在圆心角上的水泥胶结程度等效于在纵向深度上的水泥胶结程度。
在刻度井中，每个模拟层段的厚度均为1.25m，在胶结程度为0时（套管周围360°均有隔声橡胶，其余90°为水泥），其未胶结层段厚度为1.25m；胶结程度为25%时（套管周围270°有隔声像胶），其未胶结层段厚度为0.94m（0.75m×0．125m）；其它依此类推，即在胶结程度为50%、25%、12.5%时，未胶结层段的厚度为0.625、0.3125、0.156m。
由于声波水泥胶结测井解释评价的最后结果是水泥胶结指数，也就是说并不在套管周围的方位上或套管外的纵向深度上对水泥的分布进行区分，因此这种等效是合理的。
未胶结层段厚度与不同源距声系所记录的声波幅度差的关系数据见表2，其关系图版见图1。
图1未胶结层段厚度与声波幅度差关系图（a以未胶结层段厚度为横轴）
图1未胶结层段厚度与声波幅度差关系图（b以幅度差为横轴）
表2 未胶结层段厚度与声波幅度差的关系数据
未胶结层段厚度／m
1.25
0.94
0.625
0.3125
0.156
幅度差／mV
154
92
49.2
12.3
6.15
由于本文讨论的是薄层胶结评价问题，因此解释图版制作的条件是未胶结层段的最大厚度是1.25m，即比3ft略大而比5ft略小。
这一方面是由于刻度井刻度条件的制约，另外，在未胶结层段厚度大于5ft（1.5m）时，已不属于薄层问题，而且在这种情况下源距为3ft和5ft的声系所记录到的声幅值的差异应该稳定不变，例如在自由套管段。
另外，在建立关系图版时所用的仪器与实际测井所用的仪器并不相同，这样，根据一支仪器测量建立的关系图版是否适用于其他仪器?
对这一问题的回答是，在同一口井中，用3支仪器在同一井段进行测量，尽管不同仪器的同一源距声系测得的声幅值略有差异，但不同仪器2种源距声系测得的声幅差异却相当接近，这说明在刻度井中建立的关系图版是可用的。
解释实例
1998年7月20、21日大庆油田测井公司在南B-4-丙183井及杏7-42-630井中进行了CBL／VDL测井，除记录了3ft的声幅曲线（CBL）外，还由VDL所记录的首波回放处理出一条源距为5ft的声幅曲线。
从这2口井的源距为3ft及5ft的声幅曲线上看，对水泥返回界面的判断一致，自由套管段套管接箍信号清晰，而且深度一致。
此外，前文分析中提到的源距为5ft的声系记录到的声幅值，略低于源距为3ft的声系记录到的声幅值也得到证实。
如南B-4-丙183井，2种源距的声幅曲线都可将水泥返回界面定在890m处。
无论是源距为3ft或5ft的声系，在自由套管段记录的接箍信号在深度坐标上所占的位置都明显大于实际套管接箍的几何尺寸（0.15～0．17m）。
仍以南B-4-丙183井为例，在水泥返回界面以上，6个接箍的“视厚度”（按接箍的两个半幅点在深度坐标上的差值计算）在源距为3ft及5ft的声系记录的声幅曲线上均分别为0.9m及1.4m。
这两个数值都比套管接箍实际几何尺寸（0.15～0．17m）大，接近源距为3ft及5ft声系的纵向分辨率。
由此，应该提出这样一个问题，在水泥返回界面以下，CBL评价为胶结不好的层段是否可靠?
是否会像对接箍的“视厚度”一样，将未胶结段的厚度估计过高。
为此，本文用在刻度井中根据未胶结层段厚度与源距为3ft及5ft的声系所记录的声幅值差异的关系图版，对这2口井的未胶结层段的厚度重新进行解释计算，其目的是查明CBL解释评价的未胶结层段是否过严，即将未胶结层段的厚度划得过大（像对套管接箍的“视厚度”定得过宽一样）。
解释计算的原则及步骤是：
（1）对2种源距声系所记录的声幅曲线解释评价为胶结良好或不好的层段不再重新解释；
（2）只对在用源距为3ft的声系记录的声幅曲线解释为胶结中等（或未胶结），而源距为5ft的声系所测声幅曲线解释为良好的层段，重新进行解释。
即只对2种源距声系测量解释结果有差异的层段进行解释；
（3）对用户认为有特殊价值的层段（如油水交互频繁的主要开发层段）进行重新评价。
重新解释的一般步骤是，读出源距为3ft及5ft的声系所记录的幅度差，然后根据关系图版估算出未胶结层段的厚度，再换算成相应胶结指数下的等效厚度。
这种解释方法的优点在于能保留CBL解释评价的合理成分；另外，在有争议的需要特别关注的井段，采
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