CN107762494A - 随钻偶极声波测井仪器以及声波测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明的随钻偶极声波测井仪器具备：钻铤，由中空的柱状管构成；隔开规定的距离安装在所述钻铤的外壁上的发射换能器和接收换能器；以及数据处理装置，用于对由所述随钻偶极声波测井仪器测量得到的测井数据进行处理，在所述发射换能器和所述接收换能器之间的所述钻铤上未作隔声处理。根据本发明，利用已经被“搁置”了的随钻偶极子声波测井技术（结构），能够在不需要设置隔声体的情况下将随钻偶极声波测井技术直接用于测量慢速地层的横波速度，得到精准的地层横波速度。也就是说，在本申请中能够应用被认为无法直接应用的随钻偶极子技术进行随钻测井，并且能够得到偏差非常小的地层横波速度值，能够获得准确的慢速地层横波速度。

Description

随钻偶极声波测井仪器以及声波测井方法

技术领域

本发明涉及一种随钻声波测井仪器，特别是涉及一种专门针对慢速地层（即，地层横波速度小于井内泥浆声速）横波测量并且在发射探头和接收探头之间不需要做隔声处理的随钻偶极声波测井仪器以及声波测井方法。

背景技术

在电缆测井时，单极子声波测井技术无法获取慢速地层的横波速度，所以，人们发明了偶极声波测井技术，以期利用弯曲波的速度在其截止频率附近等于地层横波速度这一特性进行慢速地层横波速度测量。随钻测井技术是近年来在电缆测井技术和钻井工程基础上迅速发展和成熟起来的先进测井技术，在大斜度井和水平井测井、疏松地层、高压地层以及非常规油气藏测井等方面发挥着越来越大的作用。在随钻测井技术中刚兴起时都采用如下结构，即，例如，在采用偶极子的情况下，将偶极子（即，发射换能器和接收换能器）安装于钻铤外壁上进行随钻测井，并且，随钻单极子、四极子声波测井都是采用这种结构，但是，后来随钻偶极子被证明测井结果有误，无法直接应用，因而使随钻偶极子声波测井技术被“搁置”（用四极子代替偶极子）。具体地说，与传统的电缆偶极声波测井不同，随钻偶极声波测井技术不能直接用于测量慢速地层的横波速度，这是因为低频全波列中钻铤弯曲波和地层弯曲波严重混杂且不易区分，同时为了保证钻铤的刚度，不能像电缆测井仪器那样刻大量的槽来隔声，而且即便隔声效果非常好，但因地层弯曲波相速度与地层实际横波速度相差较大，所以，获得的速度非常不准确。另外，随钻测井时的钻井等环境噪声集中在低频段，这对利用低频偶极弯曲波进行地层横波测量也非常不利。

发明内容

本发明正是为了克服现有成熟的偶极声波测井技术无法应用于随钻测井环境的不足而提出的,其目的在于提供一种随钻偶极声波测井仪器以及声波测井方法，在本发明中，不需要在发射换能器和接收换能器之间的钻铤上做刻槽等隔声处理，就能够获得准确的慢速地层横波速度，并且，由于所采用的声源频率高于一般意义的偶极仪器的低频，所以也避开了环境噪声。

为了实现上述目的，本发明提供一种随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，具备：

钻铤，由中空的柱状管构成；

隔开规定的距离安装在所述钻铤的外壁上的发射换能器和接收换能器；以及

数据处理装置，用于对由所述随钻偶极声波测井仪器测量得到的测井数据进行处理，

在所述发射换能器和所述接收换能器之间的所述钻铤上未作隔声处理。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

所述接收换能器对从所述发射换能器发出并且穿过了地层的声波进行接收，从而得到井孔声场全波列波形，

所述数据处理装置根据所得到的所述井孔声场全波列波形提取第一阶弯曲波相速度，并且，根据所述第一阶弯曲波相速度得到地层横波速度。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

在所述数据处理装置中利用STC方法根据所述井孔声场全波列波形提取所述第一阶弯曲波相速度。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

在所述数据处理装置中，利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，a、b是对应于所述钻铤的各项参数对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

在所述数据处理装置中，利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，c、d是对应于所述钻铤的各项参数对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

选择实际测井区块的岩样参数重新计算上述公式，然后根据新得到的上述公式来计算实际地层横波速度，在现场区块岩样数据难以获取的情况下，直接使用上述公式来进行操作。

此外，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，

所述发射换能器发出的声波的中心频率为6kHz以上。

此外，本发明提供一种声波测井方法，其特征在于，具备如下步骤：

发射换能器发出测井声波；

接收换能器对从所述发射换能器发出并且穿过了地层的所述测井声波进行接收，从而得到井孔声场全波列波形；以及

根据所得到的所述井孔声场全波列波形提取第一阶弯曲波相速度，并且，根据所述第一阶弯曲波相速度得到地层横波速度。

此外，在本发明的声波测井方法中，

利用STC方法根据所述井孔声场全波列波形提取所述第一阶弯曲波相速度。

此外，在本发明的声波测井方法中，

利用如下公式得到地层横波速度值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，a、b是对应于所述钻铤的各项参数对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

此外，在本发明的声波测井方法中，

利用如下公式运算地层横波速度值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，c、d是对应于所述钻铤的各项参数对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

此外，在本发明的声波测井方法中，

选择实际测井区块的岩样参数重新计算上述公式，然后根据新得到的上述公式来计算实际地层横波速度，在现场区块岩样数据难以获取的情况下，直接使用上述公式来进行操作。

此外，在本发明的声波测井方法中，

所述发射换能器发出的声波的中心频率为6kHz以上。

根据本发明，利用已经被“搁置”了的随钻偶极子声波测井技术（结构），能够在不需要设置隔声体的情况下将随钻偶极声波测井技术直接用于测量慢速地层的横波速度，得到精准的地层横波速度。也就是说，在本申请中能够应用被认为无法直接应用的随钻偶极子技术进行随钻测井，并且能够得到偏差非常小的地层横波速度值，能够获得准确的慢速地层横波速度。

说明书附图

图1是本发明的随钻偶极声波测井仪器的仪器物理模型图。

图2是慢速地层随钻偶极子源条件下各模式波的相速度频散曲线。

图3是慢速地层最低阶弯曲波对地层参数的灵敏度曲线。

图4是针对表1中慢速地层参数只改变地层横波速度得到的不同横波速度时频散曲线。

图5是最低阶弯曲波相速度与地层横波速度的关系。

图6是慢速地层随钻偶极子全波响应曲线。

具体实施方式

以下，参照附图对本申请发明进行说明。

图1是本发明的随钻偶极声波测井仪器的仪器物理模型图。如图1所示那样，在本发明的随钻偶极声波测井仪器中，测井声系镶嵌在钻铤的外边缘（即，钻铤的外壁），所述测井声系包括发射换能器以及接收换能器，所述钻铤例如是中空的环柱状厚壁管，所述发射换能器和所述接收换能器隔开规定的距离安装在所述钻铤的外壁上，并且，在所述钻铤上，在所述发射换能器和所述接收换能器之间不做隔声处理。此外，如上述那样，钻铤是环柱状管，但是，关于所述钻铤的形状、材料以及壁厚，都没有特别的要求，只要能够在随钻测井中应用即可，此外，发射换能器和接收换能器也没有特别的限定，只要适于测井即可。此外，本发明的随钻偶极声波测井仪器还具有用于对测井数据进行处理的数据处理装置，例如，能够对随钻偶极子全波响应曲线等数据进行处理，并且能够进行各种数据的运算等。

此外，关于上述仪器物理模型的相关参数，作为一个例子，举出模型的物理参数，参见如下的表1。

表1

	纵波速度(m/s)	横波速度(m/s)	密度(kg/m3)	外半径(m)
					钻铤内流体	1500	——	1000	0.027
钻铤	5940	3220	7840	0.090
					钻铤外流体	1500	——	1000	0.117
慢速地层	2700	1200	2400

此外，图2是慢速地层随钻偶极子源条件下各模式波的相速度频散曲线（图中的横轴表示频率，纵轴表示相速度），在图中示出了第1、2、3、4阶弯曲波相速度曲线，其中，最低阶弯曲波（即，图2中的第1阶弯曲波）相速度在全频段低于地层横波速度，并且与电缆测井不同，它不存在低频截止频率。正如前述的那样，传统的电缆偶极子测井技术不能直接运用到随钻测井中，这是因为结合各模式波的激发强度可知，在低频时随钻弯曲波1、2阶模式严重混杂，即便利用隔声体等手段或信号处理手段将钻铤的影响去掉，得到的速度也远低于真实的地层横波速度值。因此，在随钻测井环境下利用偶极声波测井的方法直接测量地层横波速度是不合适的。

此外，本申请的发明人计算了慢速地层最低阶弯曲波对地层参数的灵敏度曲线（图3），在图3中，横轴表示频率，纵轴表示灵敏度，其中，ρ是地层密度，v_p是纵波速度，v_s是横波速度。如图3所示，当频率大于1.2kHz时最低阶弯曲波主要受地层横波速度控制，而受地层密度和纵波速度的影响较小，并且地层纵波速度的影响最小，所以，最低阶弯曲波携带地层横波信息，也就是说，能够通过对最低阶弯曲波进行数据处理，从而间接地得到地层的横波速度。

针对上述表1中慢速地层参数只改变地层横波速度得到不同横波速度时频散曲线，在图4中示出了这些频散曲线，横轴表示频率，纵轴表示弯曲波相速度。如图4所示,当等间隔（100m/s）地使地层横波速度v_s从800m/s逐渐变为1300m/s时，弯曲波相速度在频率大于4kHz时也近似等间隔增加，而且当频率大于4kHz时，频散曲线处于一种“平坦”区间，弯曲波的频散效应很小，即，弯曲波相速度随频率变化很小。当然也考察了改变地层密度和纵波速度时最低阶弯曲波相速度的变化，发现改变量很小。以上与之前的灵敏度曲线所揭示的现象一致。

实际地层的密度和纵波速度随着横波速度变化而不同。此前本领域技术人员关于地层密度、纵波速度和横波速度参数之间的关系进行了大量的理论和实验研究,为了贴合实际地层的变化规律，在本申请中采取Castagna(1985、1993)关于这三者的关系式进行模拟实际地层数据，不涉及对三参数拟合关系式的优劣对比，关系式如下所示，

······(1)，

在上述的式（1）中，ρ是地层密度，v_p是纵波速度，v_s是横波速度。

在地层横波速度从400m/s连续变化到1400m/s的情况下，地层横波速度和密度按照上式相应改变，计算这些地层参数对应的最低阶弯曲波在6kHz时的相速度值，得到图5所示的空心点线（此处，计算最低阶弯曲波的相速度值可利用本领域公知的方法，因此，在本申请中不做详细描述），实线为对这些数据进行线性拟合得到的近似直线。在图5中，横轴是地层横波速度，纵轴是弯曲波相速度，图5中方形点线对应的数据为根据实际实验室测量得到的共66组慢速岩心密度和声速参数而计算得到地层弯曲波相速度值。如下记载的式(2)是对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值的线性拟合关系，式(3)是对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值的线性拟合关系（即，式(2)和式(3)是根据公知的线性相关方法得到的）。如图5所示那样，无论是理论数据还是实验室数据，计算得到的弯曲波相速度与地层横波速度都有很好的线性一致性，实际上在随钻测井中可以利用这种线性相关关系间接得到准确的地层横波速度，并且成功避开随钻测井时的环境噪声而提高信噪比，

······（2），

······（3），

在上述的式（2）和式（3）中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，此外，用R表示上述的式（2）和式（3）中的x和y的相关系数，即，R是表述x和y相关程度的一个描述量，在式（2）的情况下，相关系数R的值为0.9984，在式（3）的情况下，相关系数R的值为0.9892。

如上所述那样，在本申请发明中，通过较高声源频率（大于6kHz）时最低阶弯曲波相速度与实际地层横波速度的线性相关关系间接计算得到准确的地层横波速度。至于仪器的尺寸、仪器材料属性、声源频率、换能器的选型、具体的信号处理方法以及发射、接收换能器间的源距等，在本发明中都不做限定，因为这些特性或属性都可以根据实际情况进行改进优化，只要这些参数确定即可计算得到类似（2）式的线性关系式。

此外，上述的式（2）和式（3）是在表1中的钻铤的参数条件（即，尺寸以及材料等）下得到，而在钻铤的各项参数发生变化时，上述的式（2）和式（3）也会随之发生改变，即，可根据所使用的钻铤的具体参数得到与上述的式（2）和式（3）相似的式（2’）和式（3’），它们的公式形式是一致的，

······（2'），

······（3'），

同样地，上述的式(2')是对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值的线性拟合关系，式(3')是对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值的线性拟合关系，在上述的式（2’）和式（3’）中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，并且，a、b以及c、d是根据所使用的钻铤的具体参数而得到常数，即，a、b是对应于所述钻铤的各项参数对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数，c、d是对应于所述钻铤的各项参数对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数，此外，上述的式（2’）和式（3’）中相关系数R的值也是确定的。

但是，为了得到更好的测井效果，优选的方案有：（i）由于本发明所涵盖的慢速地层岩心数据的样本量有限，所以，实际测井中可以先找相同区块的岩心数据（密度、纵横波声速）进行预先仿真模拟校准近似关系式（3）（或者式（3’）），若岩心数据不宜获取，可按式（2）（或者式（2’））进行反演计算；（ii）在实际选择声源频率时，虽然大于6kHz均可以得到较为准确的地层横波速度，但是，考虑到高频时换能器辐射效率较低、信号能量较弱，所以，尽量选择6kHz或稍大于6kHz。

实施例

为了将本发明的内容阐述得更详尽，下面举出一个实例。

以上述表1中的参数为例，图6是该地层模型时声源中心频率为6kHz时井孔声场全波列波形（即，由发射换能器发出声波并且由接收换能器进行接收而得到），右侧和左侧的波群分别是钻铤相关的干扰波（随钻偶极子2阶弯曲波）和后续地层相关的弯曲波（偶极子最低阶（即，第一阶）弯曲波），后续弯曲波的相速度小于地层横波速度。即，由本发明的随钻偶极声波测井仪器得到图6所示的波形，然后，在数据处理装置中利用STC方法提取（计算）出图6中的后续波群（即，左侧的波群）相速度值，其计算结果为1016.5m/s，将该计算结果作为y的值分别代入式（2）和式（3）所得到的x的值即地层横波速度值为1196.1m/s和1235.7m/s，这与模型的地层横波速度值1200m/s相对偏差分别为0.32%和2.98%。也就是说，根据上述的式（2）和式（3）所得到的地层横波速度值与实际的地层横波速度值非常接近，偏差非常小，所以，可以利用上述的式（2）来计算x的值作为实际地层横波速度，也可以利用上述的式（3）来计算x的值作为实际地层横波速度。此外，在提取上述的后续波相速度值时，不限于STC方法，还可以利用其它的方法，只要能够根据图6所示那样的波形得到第一阶弯曲波相速度即可。

如上所述那样，在本申请发明中能够应用被普遍认为在随钻测井中不能够应用的随钻偶极子结构，并且通过弯曲波相速度与地层横波速度之间的关系高精度地获取地层横波速度，不需要在发射换能器和接收换能器之间作隔声处理，就能够得到准确的慢速地层横波速度。

如上所述，对本申请发明进行了说明，但是并不限于此，应该理解为在本发明技术思想的范围内的各种变更以及组合都在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，具备：

钻铤，由中空的柱状管构成；

隔开规定的距离安装在所述钻铤的外壁上的发射换能器和接收换能器；以及

数据处理装置，用于对由所述随钻偶极声波测井仪器测量得到的测井数据进行处理，

在所述发射换能器和所述接收换能器之间的所述钻铤上未作隔声处理。

2.如权利要求1所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

所述接收换能器对从所述发射换能器发出并且穿过了地层的声波进行接收，从而得到井孔声场全波列波形，

所述数据处理装置根据所得到的所述井孔声场全波列波形提取第一阶弯曲波相速度，并且，根据所述第一阶弯曲波相速度得到地层横波速度。

3.如权利要求2所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

在所述数据处理装置中利用STC方法根据所述井孔声场全波列波形提取所述第一阶弯曲波相速度。

4.如权利要求3所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

在所述数据处理装置中，利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，a、b是对应于所述钻铤的各项参数对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

5.如权利要求3所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

在所述数据处理装置中，利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，c、d是对应于所述钻铤的各项参数对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

6.如权利要求5所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

选择实际测井区块的岩样参数重新计算上述公式，然后根据新得到的上述公式来计算实际地层横波速度，在现场区块岩样数据难以获取的情况下，直接使用上述公式来进行操作。

7.如权利要求1～6的任意一项所述的随钻偶极声波测井仪器，其特征在于，

所述发射换能器发出的声波的中心频率为6kHz以上。

8.一种声波测井方法，其特征在于，具备如下步骤：

发射换能器发出测井声波；

接收换能器对从所述发射换能器发出并且穿过了地层的所述测井声波进行接收，从而得到井孔声场全波列波形；以及

根据所得到的所述井孔声场全波列波形提取第一阶弯曲波相速度，并且，根据所述第一阶弯曲波相速度得到地层横波速度。

9.如权利要求8所述的声波测井方法，其特征在于，

利用STC方法根据所述井孔声场全波列波形提取所述第一阶弯曲波相速度。

10.如权利要求9所述的声波测井方法，其特征在于，

利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，a、b是对应于所述钻铤的各项参数对理论岩心数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

11.如权利要求9所述的声波测井方法，其特征在于，

利用如下公式得到地层横波速度的值，

，

其中，x为地层横波速度，y为弯曲波相速度，c、d是对应于所述钻铤的各项参数对实际实验室岩心测量数据计算得到的弯曲波相速度值进行线性拟合时得到的常数。

12.如权利要求11所述的声波测井方法，其特征在于，

选择实际测井区块的岩样参数重新计算上述公式，然后根据新得到的上述公式来计算实际地层横波速度，在现场区块岩样数据难以获取的情况下，直接使用上述公式来进行操作。

13.如权利要求8～12的任意一项所述的声波测井方法，其特征在于，

所述发射换能器发出的声波的中心频率为6kHz以上。