補償聲波測井在裂縫地層的周波跳躍教學實驗設計

于華偉 譚寶海 蘇遠大 莊春喜 李剛

摘要：聲波測井是石油勘探的重要測量手段之一，而其在裂縫或氣層中的周波跳躍現象是該測井方法的典型響應特征。為了滿足勘查技術與工程專業學生的理論及實踐教學需要，本文通過設計并制作等比縮小的聲波測井單發雙收聲系，利用天然巖石模型井中的接縫視作裂縫，通過聲系在模擬裂縫中的響應，實現補償聲波測井在教學實驗中的周波跳躍現象。本實驗有利于學生更好地掌握聲波測井的工作原理及其在石油勘探開發過程中的應用，增強了學生的實踐動手能力。

關鍵詞：聲波測井；聲波時差；縱波；裂縫；周波跳躍

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）41-0269-02

補償聲波測井是石油勘探開發過程中的一種重要物理手段[1]。為了讓學生了解聲波在不同類型地層中的傳播規律，有效掌握該測井方法的原理、儀器結構及地質應用，中國石油大學（華東）自主研制了基于真實巖石地層的聲波測井模擬測量系統[2-4]。但是，早先的實驗設備只能測量純巖石地層中的滑行縱波的速度或時差，而對于聲波測井在裂縫或氣層中的典型周波跳躍現象難以實現，因此學生對于該現象的理解存在困難。為了接近工程實際、幫助學生拓寬理論知識，我校對聲波測井模擬系統進行了改進，并設計了聲波測井周波跳躍現象的實驗內容。

一、專業及課程介紹

中國石油大學（華東）的地質資源與地質工程專業，是首批入選國家“雙一流”學科建設的專業，而勘查技術與工程專業作為該學科的分支，是國家的特色和重點建設專業。對學生的培養目標是提高學生對石油及礦產資源勘探方法和技術手段的理論和工程實踐能力。

聲波測井是油氣勘探的主要測井方法之一，是在鉆孔中測量地層的聲速或聲幅特性來辨識地下巖石類型及彈性參數、流體性質以及評價固井質量的方法，根據測量方式又分為補償聲波測井、聲波全波列測井、多極子聲波測井等。其中，補償聲波測井（也稱聲波時差測井）通過測量聲波在地層中的傳播速度，確定地層孔隙度、巖性及孔隙流體性質[5]。

二、補償聲波測井原理及實驗

1.補償聲波測井原理。補償聲波測井測量主要是利用聲波探頭（又稱為換能器），包括發射探頭和接收探頭，由壓電陶瓷晶體制成[6]。由于工程測井時，井眼尺寸并不規則，為了消除井眼的影響，往往使用單發雙收或雙發雙收的探頭結構，以單發雙收為例，探頭由一個發射探頭（T）和兩個接收探頭（R1、R2）組成。R1、R2間的距離為Ld，井內流體中縱波速度為V1，井外地層的滑行縱波速度為VP，TA為探頭到井壁的距離，AB、AC分別為到達兩個探頭的聲波在巖石中穿過的距離，BC距離等于Ld。

聲波由T到達R1、R2的傳播時間分別為：

2.實驗裝置。工程聲波測井一般采用單發雙收或雙發雙收探頭測量縱、橫波到達的時差。我校自主研發的聲波測井模擬系統由天然巖石模型井、控制系統及測量系統組成。而國內教學實驗用的測量系統一般由一個發射和一個接收探頭組成，通過手工調節接收探頭位置來模擬單發雙收探頭的功能。由于采用單發單收探頭，過去的聲波測井實驗僅能在完整、單塊巖石模型中開展，而且要求探頭的位置避開巖石的邊界，否則測量結果會受到影響，更不能實現過地層界面及裂縫性地層的實驗測量。

另外，所測量的地層模型為真實測井的1/10等比縮小模型，巖石類型包括砂巖、大理石及花崗巖等，每塊巖石直徑為60cm、厚度30cm，井眼直徑僅約為2cm，而要保證聲波探頭可以連續穿過多塊地層模型，可以允許的直徑必須小于1.6cm。并且還需要聲波探頭保證需要的功率、頻率和能量，因此對于聲波探頭提出了較高的要求。為了滿足實驗的需要，實驗室對聲波探頭進行了重新設計并加工制作。改進后的探頭為單發雙收結構，如圖1所示。聲波探頭發射頻率為100kHz，發射探頭與第一和第二接收探頭距離分別為8cm、12cm。利用電動傳動系統可以帶動聲系在地層間移動，并同時測量縱波速度及聲波時差。

三、周波跳躍及實驗設計

在聲波測井中，遇到聲波幅度衰減嚴重的某些地層時，第二道（遠接收探頭）首波幅度可能明顯減小，致使第二道首波前沿不能觸發，而是觸發記錄首波后沿，其相位將明顯滯后，造成記錄的時差比巖層的實際時差大。更嚴重的是，第二道首波被第二周或推延多周后的幅度峰所觸發，每差一個峰值，時差就增大一個周期，這種現象稱為周波跳躍。它可以作為裂縫層段或儲集層中含氣的特征標志。

為了在實驗室模擬周波跳躍現象，將地層模型中多塊巖石的接縫作為地層的裂縫，通過測量聲波探頭過接縫前后的聲波波形變化，來進行裂縫地層中聲波測井響應實驗。聲波探頭在通過裂縫位置時，由于裂縫中填充的為淡水，而淡水的聲波速度遠低于巖石，使得聲波的幅度大幅降低，而對于首波的識別是依靠電壓幅度的高低，因此容易將后面幅度高的波識別為縱波的首波，從而造成所測量的聲波波速明顯降低，即聲波時差增大。由于探頭移動過程中，幅度忽高忽低而使得測量的聲波時差忽大忽小。測量結果如圖2所示，圖中聲波探頭移動過程中依次穿過了紅砂巖、花崗巖和黃砂巖，在地層接縫處聲波時差明顯出現了周波跳躍現象，且影響范圍約等于聲波探頭之間的間距。

四、結論

本文針對勘查技術與工程專業的聲波測井課程，利用所設計的單發雙收聲系、多塊天然巖石組成的模型井，將巖石間的接縫視作地層裂縫，通過記錄探頭通過地層及裂縫位置處的波形，從而觀察所測量聲波時差的周波跳躍現象。通過該實驗，學生對補償聲波測井的周波跳躍現象有了明確的認識和了解，有效提高了實驗效果，加深了學生對聲波測井的方法和應用等知識的掌握。

參考文獻：

[1]王秀明，張海瀾，何曉，等.聲波測井中的物理問題[J].物理，2011，40（2）：79-87.

[2]于華偉.勘查技術與工程專業校外實習困難及對策[J].大學教育，2013，（18）：45-46.

[3]鄧少貴，李剛.基于同一平臺的聲電測井模擬系統設計與研究[J].實驗室科學，2010，13（1）.

[4]于華偉，羅琳，譚寶海，等.《聲波測井》課程實驗設計與建設[J].高教學刊，2015，（18）：236-237.

[5]李山生.聲波測井模型井實驗研究[J].石油地球物理勘探，2004，39（2）：187-190.

[6]洪有密.測井原理及綜合解釋[M].東營：中國石油大學出版社，2008.