[科普中国]-偶极横波成像测井

原理

普通声波测井使用单极声波发射器，可向井周围发射声波，使井壁周围产生轻微的膨胀作用，因此在地层中产生了纵波和横波。在硬地层条件下，可以得到纵波和横波，由此得出纵波和横波时差，如在阵列声波测井中所述，但是在疏软地层中，由于地层横波首波与井中钻井液波一起传播，因此单极声波测井无法获取横波首波。为了解决这个问题，研制了偶极横波成像测井(DSI)。

它采用了偶极声波源，偶极声波源很像一个活塞，它能使井壁的一侧压力增加，而另一侧压力减小，故使井壁产生扰动，形成轻微的挠曲，在地层中直接激发出纵波与横波。这种挠曲波的振动方向与井轴垂直，但传播方向与井轴平行，通常这种声波发射器的工作频率，一般低于4kHz。另外这种发射器：有低频发射功能，其工作频率，可低于1kHz，在大井眼和速度很慢的地层中可得出很好的测量结果，同时也增大了探测深度。

除沿地层传播的纵波与横波外，沿井眼向上还存在有剪切挠曲波的传播，这种由井眼挠曲运动形成的剪切挠曲波具有频散特性，不同频率其波的传播速度不同，在高频时其传播速度低于横波的速度;低频时其传播速度与横波相同。右图是慢速地层中偶极声波源的纵波、横波和挠曲波的传播示意图，图的下部是记录的慢速地层中偶极声波的波列图，由此可见，用偶极声波测井可以由剪切、挠曲波提取软地层的横波时差。1

仪器组成偶极横波成像测井仪如图所示，该仪器分为发射器、接收器和数据采集电子线路部分。

发射器由三个发射器单元组成：下偶极发射器和上偶极发射器，两个偶极发射器的方向互相垂直;一个单极全方位陶瓷发射器。用低频脉冲激励单极换能器产生斯通利波，用高频脉冲激励该换能器产生纵波和横波。用低频脉冲激励偶极换能器产生纵波和横波。用低于1KHz 的脉冲激励偶极换能器，能在大井眼和非常低速地层中提取横波。声波隔离短节实际是一种机械衰减器，其作用是阻止由发射器部分来的信号沿仪器直接上传。

接收器部分包括8 个接收器位置，相邻两个接收器位置的间距为6in (15.2cm)，第一个接收收器位置与第八个接收器位置之间的距离为42in (1.07m)。每个接收器位置上有两对接收器。一对同上偶极发射器方向一致，另一对同下偶极发射器方向一致。对于偶极方式，每对接收器是分开传输的;对于单极方式，二者是合在一起传输的。最低接收器位置与单极发射器的距离为9ft(2.7m)，与上偶极发射器的距离为11ft(3.4m)，与下偶极发射器的距离为11.5ft(3.5m)。

并行数据采集电路包括有同时数字化的8 个独立波形，能把几次发射产生的波形叠加起来、进行自动增益控制，并把信号传输到地面的相关电路。还包括记录每条波形的幅度门坎交叉时间所用的门坎探测器，门坎探测器用于检测纵波首波，得出时差值。1

仪器的工作方式偶极横波成像测井有多种工作方式，它们可以进行任意组合。

1)下偶极方式

采集和处理下偶极发射器发射时，相应接收器接收到的偶极波形数据及挠曲波的慢度，从而获取有关横波数据。

2）上偶极方式

采集和处理上偶极发射器发射时，相应接收器接收到的偶极波形数据及挠曲波的慢度，从而获取有关横波数据。

3)斯通利波方式

当用低频脉冲激励单极发射器发射时，采集和处理相应接收器接收到的单极波形数据，从而得出斯通利波的时差。

4)纵波和横波方式

用高频脉冲激励单极发射器发射时，采集和处理相应接收器接收到的单极波形数据，从而得出纵波和横波时差。

5)首波检测方式

用高频脉冲激励单极发射器发射时，采集和处理相应接收器接收到的单极波与阀值的交叉数据，从而测得纵波的时差。偶极横波成像测井仪可与大部分测井仪进行组合测量。1

偶极横波成像测井的应用偶极横波成像测井除一般纵波的应用外，主要还有下列几方面的应用：

1）鉴别岩性和划分气层

实验室和现场实际经验表明，利用纵波速度与横波速度比（vp/vs）可以鉴别岩性，在vp/vs与纵波时差Δtc的交会图(如图)中，白云岩的 vp/vs=1.8，石灰岩的vp/vs=1.86 二者几乎是一条与横轴平行的直线，同样对于纯砂岩或含气砂岩vp/vs=1.58，而且vp/vs 与Δtc的关系也近似于一条直线。利用这些特点即可由vp/vs与Δtc交会图中鉴别岩性。但对于含水砂岩来说，随着孔隙度的增大和压实程度的降低，vp/vs增大，如图中的实线所示，呈一斜线状。

2)划分裂缝带

当斯通利波遭遇张开裂缝时，由于裂缝处声阻抗大，故使斯通利波的能量被反射，通过对斯通利波波形的处理，可提取反射系数(反射能量与人射能量之比)，从而判别裂缝带。右图是一硬地层的实例，图中显示出第一个接收器记录的斯通利波的变密度图(第三道)和计算的反射系数(第二道)，在605ft、781ft、784ft、807ft、811ft 和840ft 的深度处有明显的反射波，同时相应的反射系数也增大，地层微电阻率扫描测井证实在605ft、807ft、811ft 和840h处存在有裂缝，而在781ft 和784ft 深度处的裂缝难以确定，由于裂缝处的反射系数大，表明这些裂缝是张开的，但该图无法评价裂缝的张开度。

3)岩石机械特性分析

根据测得的纵、横波时差及地层密度，可以计算地层岩石的机械特性，如泊松比(σ)、杨氏弹性模量(E)、切变模量(μ )、体积模量(k)及拉梅常数(λ )等。利用这些岩石的机械特性，可以评价井眼稳定性，以及预测水力压裂效果等。

偶极横波成像测井是一种新的测井技术，在其解释方法和应用方面尚需进一步研究开发。1