油氣田聲波測井技術

孫向連

單極子聲波測井技術已經成為我國成熟的聲波測井技術，包括非對稱聲源技術在內的多極子聲波測井技術已經進入產業化進程。已經成為石油勘探開發過程中的重要技術手段，通過以聲波測井換能器技術的變化為主線，分析了聲波測井技術的進展以及我國在該技術領域內取得的進步。

隨著石油勘探開發的需要，測井技術發展已愈來愈迅速，高分辨陣列感應、三分量感應和正交偶極聲波等新型成像測井儀為研究地層各向異性提供了強有力的手段新的過套管井測井儀器，如電阻率、新型脈沖中子類測井儀、電纜地層測試及永久監測等現代測井技術可以在套管井中確定地層參數，精細描述油藏動態變化；隨鉆測井系列也不斷增加。通過介紹國外如斯倫貝謝、哈里伯頓、阿特拉斯、康普樂、俄羅斯等測井新技術的測量原理和部分儀器結構，尋求我國測井技術的差距和不足，這對于我國當前的科研和生產具有指導和借鑒作用。

從聲學上講，聲波測井屬于充液井孔中的波導問題。由聲波測井測量的井孔中各種波動模式的聲速、衰減是石油勘探、開發中的極其重要參數。巖石的縱、橫波波速和密度等資料可用來計算巖石的彈性參數（楊氏模量、體積彈性模量、泊松比等）；計算巖石的非彈性參數（單軸抗壓強度、地層張力等）；估算就地最大、最小主地層應力；估算孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力；計算地層孔隙度和進行儲層評價和產能評估；估算地層孔隙內流體的彈性模量，從而形成獨立于電學方法的、解釋結果不依賴于礦化度的孔隙流體識別方法；與stoneley波波速、衰減資料相結合用以估算地層的滲透率；為地震勘探多波多分量問題、avo問題、合成地震記錄問題等提供輸人參數等等。經過半個多世紀的發展，聲波測井已經成為一個融現代聲學理論、最新電子技術、計算機技術和信息處理技術等最新科技為一體的現代測量技術，并且這種技術仍在迅速發展之中，聲波測井在地層評價、石油工程、采油工程等領域發揮著越來越重要的作用。與電法測井和放射性測井方法并列，聲波測井是最重要的測井方法之一。 1、聲波測井技術的發展現狀

聲波測井技術的進步是多方面的。聲波測井聲波探頭個數在不斷增加以提高聲波測量信息的冗余度、改善聲波測量的可靠性；聲波測井中探頭的振動方式經歷了單極子振動方式、偶極子振動方式、四極子振動方式和聲波相控陣工作方式，逐步滿足在任意地層井孔中測量地層的縱橫波波速、評價地層的各向異性和三維聲波測井的需求。聲波探頭的相鄰間距不斷減小，而發收探頭之間的距離在不斷增大，這一方面提高了聲波測井在井軸方向的測量分辨率；另一方面也提高了聲波測井的徑向探測深度。聲波測井的工作頻率范圍在逐步向低頻和寬頻帶范圍、數據采集時間在不斷增大，為擴大聲波測井的探測范圍提供了保障。聲波測井中應用的電子技術從模擬電路、數字電路技術逐步發展為大規模可編程電路和內嵌中央處理器技術，從而實現聲波測井儀器的探頭激勵、數據采集、內部通訊、邏輯控制、數據傳輸等方面的智能化和集成化。可以預期，下一代聲波測井儀器研制的關鍵技術之一是研制能夠控制聲束指向性的基陣式換能器。應用相控陣換能器的最大優勢就是增大空間某個方向的聲輻射強度，使聲波沿著預先設定好的方向輻射，該文原載于中國社會科學院文獻信息中心主辦的《環球市場信息導報》雜志http：//www.ems86.com總第535期2014年第03期-----轉載須注名來源從根本上增加有用信號的能量、提高信噪比和探測能力。顯然，聲波探頭結構和振動模態性質的變化直接導致了聲波測井技術的根本進步。 2 單極子聲波測井技術

聲波測井儀器的聲系一般由聲波發射探頭、隔聲體和聲波接收探頭等部件構成。在井下采用單極子聲源（對稱聲源）及單極子接收技術的聲波測井技術稱之為單極子聲波測井技術或者為對稱聲波測井技術。井下的單極子聲源采用圓管狀結構的壓電振子，其在沿徑向膨脹和收縮的振動過程中始終保持圓管狀的對稱外形不變。當圓管狀的壓電振子所輻射聲波的波長比壓電振子的尺度大許多時，可以將圓管狀的壓電振子視為一個脈動球源，其輻射指向性近似為一個球面，其水平指向性曲線近似為如一個圓圈。井下的單極子聲源可以向各個方向的井壁均勻輻射聲波能量，顯然，由單極子接收器接收到的聲波信號攜帶了整個圓周上井壁介質性質的綜合信息。

單極子聲源在硬地層井孔中激發起以滑行縱波為首波，包括滑行橫波、偽rayleigh波和stoneley波為先后順序的全波列，其中滑行縱波、滑行橫波、偽rayleigh波和stoneley波的幅度依次增大，而主頻則依次降低。在軟地層井孔中，由于地層的橫波波速小于井內液體的波速，對稱聲源產生的波列中沒有滑行橫波模式波包，因而無法在軟地層測量地層的橫波信息。單極子聲波測井技術已經成功地應用于電纜聲波測井（裸眼井和套管井）和隨鉆聲波測井。我國已經熟練地掌握了電纜單極子聲波測井技術，正在進行隨鉆單極子聲波測井技術的研發。 3 多極子聲波測井技術

在軟地層充液井孔中利用單極子聲波測井技術無法獲得地層的橫波波速，而地層的橫波波速對于地層評價和石油工程是一個至關重要的參數。因此，從1980年代起人們著力研究在井下應用包括偶極子聲源和四極子聲源在內的非對稱聲源進行聲波測井的方法研究。綜合采用單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源的聲波測井儀器稱之為多極子聲波測井儀器。研究結果表明，在充液井孔中應用偶極子聲源或四極子聲源技術，可以分別在充液井孔中激勵起彎曲波和螺旋波。彎曲波和螺旋波都是頻散波，其波速略小于地層的橫波波速，但各自的截止頻率處的彎曲波和螺旋波的波速接近于地層的橫波波速。1990年，以斯倫貝謝公司的dsi為代表的偶極子橫波測井儀已投入市場，偶極子橫波測井儀不斷在現場獲得良好資料。使用多極子聲波測井儀器可以直接測量而不是估算出地層的橫波波速，這對于地層評價和地層應力分析都具有十分重要的意義。另外，利用正交偶極子聲波測井技術可以評價地層的各向異性，這成為在井眼中評價地層水平主應力和垂直裂縫的最直接、最準確的技術手段。因此可以說，偶極子和四極子聲波測井技術的出現是聲波測井技術的一次重大技術進步。 4、結束語

以聲波測井換能器的發展變化為主線，評述了聲波測井技術的發展和變化。聲波測井換能器技術的變化恰恰是聲波測井技術更新換代的最主要的特征。我國在發展自己的聲波測井技術時遵循著引進、消化、吸收和再創新的路線，單極子聲波測井技術已經成為我國成熟的聲波測井技術，包括非對稱聲源技術在內的多極子聲波測井技術是我國剛剛攻克的先進聲波測井技術并已經進入產業化進程。