油氣田聲波測(cè)井技術(shù)

孫向連

單極子聲波測(cè)井技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)成熟的聲波測(cè)井技術(shù)，包括非對(duì)稱聲源技術(shù)在內(nèi)的多極子聲波測(cè)井技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。已經(jīng)成為石油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要技術(shù)手段，通過(guò)以聲波測(cè)井換能器技術(shù)的變化為主線，分析了聲波測(cè)井技術(shù)的進(jìn)展以及我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)取得的進(jìn)步。

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)的需要，測(cè)井技術(shù)發(fā)展已愈來(lái)愈迅速，高分辨陣列感應(yīng)、三分量感應(yīng)和正交偶極聲波等新型成像測(cè)井儀為研究地層各向異性提供了強(qiáng)有力的手段新的過(guò)套管井測(cè)井儀器，如電阻率、新型脈沖中子類測(cè)井儀、電纜地層測(cè)試及永久監(jiān)測(cè)等現(xiàn)代測(cè)井技術(shù)可以在套管井中確定地層參數(shù)，精細(xì)描述油藏動(dòng)態(tài)變化；隨鉆測(cè)井系列也不斷增加。通過(guò)介紹國(guó)外如斯倫貝謝、哈里伯頓、阿特拉斯、康普樂(lè)、俄羅斯等測(cè)井新技術(shù)的測(cè)量原理和部分儀器結(jié)構(gòu)，尋求我國(guó)測(cè)井技術(shù)的差距和不足，這對(duì)于我國(guó)當(dāng)前的科研和生產(chǎn)具有指導(dǎo)和借鑒作用。

從聲學(xué)上講，聲波測(cè)井屬于充液井孔中的波導(dǎo)問(wèn)題。由聲波測(cè)井測(cè)量的井孔中各種波動(dòng)模式的聲速、衰減是石油勘探、開(kāi)發(fā)中的極其重要參數(shù)。巖石的縱、橫波波速和密度等資料可用來(lái)計(jì)算巖石的彈性參數(shù)（楊氏模量、體積彈性模量、泊松比等）；計(jì)算巖石的非彈性參數(shù)（單軸抗壓強(qiáng)度、地層張力等）；估算就地最大、最小主地層應(yīng)力；估算孔隙壓力、破裂壓力和坍塌壓力；計(jì)算地層孔隙度和進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和產(chǎn)能評(píng)估；估算地層孔隙內(nèi)流體的彈性模量，從而形成獨(dú)立于電學(xué)方法的、解釋結(jié)果不依賴于礦化度的孔隙流體識(shí)別方法；與stoneley波波速、衰減資料相結(jié)合用以估算地層的滲透率；為地震勘探多波多分量問(wèn)題、avo問(wèn)題、合成地震記錄問(wèn)題等提供輸人參數(shù)等等。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，聲波測(cè)井已經(jīng)成為一個(gè)融現(xiàn)代聲學(xué)理論、最新電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理技術(shù)等最新科技為一體的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，并且這種技術(shù)仍在迅速發(fā)展之中，聲波測(cè)井在地層評(píng)價(jià)、石油工程、采油工程等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。與電法測(cè)井和放射性測(cè)井方法并列，聲波測(cè)井是最重要的測(cè)井方法之一。 1、聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

聲波測(cè)井技術(shù)的進(jìn)步是多方面的。聲波測(cè)井聲波探頭個(gè)數(shù)在不斷增加以提高聲波測(cè)量信息的冗余度、改善聲波測(cè)量的可靠性；聲波測(cè)井中探頭的振動(dòng)方式經(jīng)歷了單極子振動(dòng)方式、偶極子振動(dòng)方式、四極子振動(dòng)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(cè)量地層的縱橫波波速、評(píng)價(jià)地層的各向異性和三維聲波測(cè)井的需求。聲波探頭的相鄰間距不斷減小，而發(fā)收探頭之間的距離在不斷增大，這一方面提高了聲波測(cè)井在井軸方向的測(cè)量分辨率；另一方面也提高了聲波測(cè)井的徑向探測(cè)深度。聲波測(cè)井的工作頻率范圍在逐步向低頻和寬頻帶范圍、數(shù)據(jù)采集時(shí)間在不斷增大，為擴(kuò)大聲波測(cè)井的探測(cè)范圍提供了保障。聲波測(cè)井中應(yīng)用的電子技術(shù)從模擬電路、數(shù)字電路技術(shù)逐步發(fā)展為大規(guī)模可編程電路和內(nèi)嵌中央處理器技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)井儀器的探頭激勵(lì)、數(shù)據(jù)采集、內(nèi)部通訊、邏輯控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴闹悄芑图苫？梢灶A(yù)期，下一代聲波測(cè)井儀器研制的關(guān)鍵技術(shù)之一是研制能夠控制聲束指向性的基陣式換能器。應(yīng)用相控陣換能器的最大優(yōu)勢(shì)就是增大空間某個(gè)方向的聲輻射強(qiáng)度，使聲波沿著預(yù)先設(shè)定好的方向輻射，該文原載于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志http：//www.ems86.com總第535期2014年第03期-----轉(zhuǎn)載須注名來(lái)源從根本上增加有用信號(hào)的能量、提高信噪比和探測(cè)能力。顯然，聲波探頭結(jié)構(gòu)和振動(dòng)模態(tài)性質(zhì)的變化直接導(dǎo)致了聲波測(cè)井技術(shù)的根本進(jìn)步。 2 單極子聲波測(cè)井技術(shù)

聲波測(cè)井儀器的聲系一般由聲波發(fā)射探頭、隔聲體和聲波接收探頭等部件構(gòu)成。在井下采用單極子聲源（對(duì)稱聲源）及單極子接收技術(shù)的聲波測(cè)井技術(shù)稱之為單極子聲波測(cè)井技術(shù)或者為對(duì)稱聲波測(cè)井技術(shù)。井下的單極子聲源采用圓管狀結(jié)構(gòu)的壓電振子，其在沿徑向膨脹和收縮的振動(dòng)過(guò)程中始終保持圓管狀的對(duì)稱外形不變。當(dāng)圓管狀的壓電振子所輻射聲波的波長(zhǎng)比壓電振子的尺度大許多時(shí)，可以將圓管狀的壓電振子視為一個(gè)脈動(dòng)球源，其輻射指向性近似為一個(gè)球面，其水平指向性曲線近似為如一個(gè)圓圈。井下的單極子聲源可以向各個(gè)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(hào)攜帶了整個(gè)圓周上井壁介質(zhì)性質(zhì)的綜合信息。

單極子聲源在硬地層井孔中激發(fā)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(nèi)液體的波速，對(duì)稱聲源產(chǎn)生的波列中沒(méi)有滑行橫波模式波包，因而無(wú)法在軟地層測(cè)量地層的橫波信息。單極子聲波測(cè)井技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于電纜聲波測(cè)井（裸眼井和套管井）和隨鉆聲波測(cè)井。我國(guó)已經(jīng)熟練地掌握了電纜單極子聲波測(cè)井技術(shù)，正在進(jìn)行隨鉆單極子聲波測(cè)井技術(shù)的研發(fā)。 3 多極子聲波測(cè)井技術(shù)

在軟地層充液井孔中利用單極子聲波測(cè)井技術(shù)無(wú)法獲得地層的橫波波速，而地層的橫波波速對(duì)于地層評(píng)價(jià)和石油工程是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。因此，從1980年代起人們著力研究在井下應(yīng)用包括偶極子聲源和四極子聲源在內(nèi)的非對(duì)稱聲源進(jìn)行聲波測(cè)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(cè)井儀器稱之為多極子聲波測(cè)井儀器。研究結(jié)果表明，在充液井孔中應(yīng)用偶極子聲源或四極子聲源技術(shù)，可以分別在充液井孔中激勵(lì)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(cè)井儀已投入市場(chǎng)，偶極子橫波測(cè)井儀不斷在現(xiàn)場(chǎng)獲得良好資料。使用多極子聲波測(cè)井儀器可以直接測(cè)量而不是估算出地層的橫波波速，這對(duì)于地層評(píng)價(jià)和地層應(yīng)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(cè)井技術(shù)可以評(píng)價(jià)地層的各向異性，這成為在井眼中評(píng)價(jià)地層水平主應(yīng)力和垂直裂縫的最直接、最準(zhǔn)確的技術(shù)手段。因此可以說(shuō)，偶極子和四極子聲波測(cè)井技術(shù)的出現(xiàn)是聲波測(cè)井技術(shù)的一次重大技術(shù)進(jìn)步。 4、結(jié)束語(yǔ)

以聲波測(cè)井換能器的發(fā)展變化為主線，評(píng)述了聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展和變化。聲波測(cè)井換能器技術(shù)的變化恰恰是聲波測(cè)井技術(shù)更新?lián)Q代的最主要的特征。我國(guó)在發(fā)展自己的聲波測(cè)井技術(shù)時(shí)遵循著引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新的路線，單極子聲波測(cè)井技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)成熟的聲波測(cè)井技術(shù)，包括非對(duì)稱聲源技術(shù)在內(nèi)的多極子聲波測(cè)井技術(shù)是我國(guó)剛剛攻克的先進(jìn)聲波測(cè)井技術(shù)并已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。