下载文档原格式
交叉多极子阵列声波测井资料在页岩气储层评价中的应用摘要：交叉偶极子声波克服了普通单极在软地层中无法测量横波的弊端，能提供地层纵波、横波和斯通利波的丰富信息。
本文总结了多极子阵列声波在页岩气储层中的应用，尤其是在岩性识别、气层判别及地层各向异性分析方面具有良好的应用效果。
关键词：阵列声波；页岩气；储层评价；各向异性1 引言交叉多极子阵列声波克服普通单极在软地层中无法测量横波的弊端，能精确测量地层的各种声波参数，尤其是对慢速地层的测量。
交叉偶极阵列声波（XMAC–II）是贝克休斯公司推出的声波测井仪器, 属于新一代声波成像测井技术。
它将一个单极阵列和一个偶极阵列组合在一起，具有许多优点：偶极子频率响应低，有助于测量具有大井眼的慢速地层；模数转换器的应用, 使动态范围大大增加；一次下井可以同时采集交叉偶极、单极全波列、单极DT 等资料；应用数字DSP滤波, 提高了数据质量。
多极子阵列声波资料在页岩气储层流体性质及岩石力学、地层各向异性分析中至关重要。
2 XMAC-Ⅱ测井资料的应用2.1 识别岩性和气层不同岩性的纵波和横波时差值具有一定的分布范围，利用它们的比值特性可以定性地识别岩性。
如果是两种岩性混合组成的岩层，横波与纵波的时差比值与两种岩性成分的含量有关，借此可以求出这两种岩性的百分含量。
纵波速度对气体和轻质油敏感性强，少量的气体或轻质油会使纵波速度明显降低。
所以当岩石孔隙内充满石油和天然气时，岩层的纵波速度比含水的纵波速度要小，而对横波速度影响很小，只是使横波速度略微增大。
所以在岩石孔隙度一定的条件下，随着含气饱和度的增加，纵横波速度比值迅速下降，以此可识别页岩气层。
泊松比是纵横波速度比的函数，当含气增加时，纵波速度降低，横波速度增加，因此纵横波速度比会有大幅度降低，从而导致泊松比的变化比较明显，含气饱和度越高，其值越低。
杨氏模量随孔隙度增加而减小，气饱和与水饱和的岩石杨氏模量虽然有一些重叠，但气饱和岩石的杨氏模量是一贯而又显著地低，而且，对低孔隙度的岩石，加少量水，杨氏模量就增大。
交叉偶极子声波测井在坪北油田长9储层中的裂缝识别何浩然万平杰房延亮（江汉油田测录井工程公司）摘要：坪北油田长9储层较为致密，裂缝较为发育，是其主要储集空间。
本文阐述了交叉偶极子声波测井原理和裂缝识别方法，指明了长9裂缝走向，为下一步水平井钻探提供了宝贵的资料。
关键词：交叉偶极子地应力横波裂缝横波分裂斯通利波1、偶极子声波测井仪简介目前，较先进的多极子声波测井仪有斯伦贝谢的DSI偶极子横波成像仪、贝克休斯的XMAC多极阵列声波成像仪和哈里伯顿第三代Wavesonic正交偶极声波测井仪以及斯伦贝谢声波全井眼扫描仪Sonic Scanner。
哈里伯顿第三代Wavesonic正交偶极声波测井仪由1个单极发射器、2个偶极发射器和8个接收器阵列组成（图3），主要用来评价地层的岩石物理机械特性（杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量、裂缝指数等）、渗透性和各向异性。
2、坪北油田基本地质概况坪北油田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，属于构造稳定区域,地层倾角约1°。
坪北油田目前主要开发中生界三叠系延长组，延长组主要特征为河流三角洲-湖泊沉积体系，向内变为浅-深湖湘，向外变为河流相。
按沉积旋回将延长组从上到下划分为10个油层组，长10～长7期为湖盆形成至发展全盛阶段；长6～长4+5期湖盆持续稳定下降阶段；长3～长1湖盆收缩至消亡阶段。
鄂尔多斯盆地构造主要受印支运动影响，构造应力场最大主应力方向主要为北南向，但坪北油田现今最大主应力方向约为75°北东东向（图1），这主要是受后期燕山运动构造影响，这种应力场影响了三叠系裂缝的发育（图2）。
3、交叉偶极子声波裂缝识别方法3.1 正交偶极子声波测井原理单极子源一般是圆管型的换能器以轴对称方式沿径向振动（膨胀或缩小），单极子声源在井孔中激发起以地层纵波为首波、横波和斯通利波的全波列。
但在软地层井眼中单极子声源只能激发起纵波和斯通利波而不能激发起地层横波模式。
偶极子阵列声波测井仪最显著的不同就在于它所使用的声波探头的振动方式与以往的声波测井仪器的探头的振动方式不同，因而它在井孔中激发的声波模式与对称声源激发的声场不同。
5700测井技术介绍——阵列声波测井原理及地质应用目录一、前言 (2)二、阵列声波测井原理 (2)1、多极子阵列声波仪器的测量原理 (2)2、交叉偶极子阵列声波仪器的测量原理 (3)3、阵列声波的测量方式 (4)4、阵列声波测井波形分析 (4)三、阵列声波的处理 (6)1、提取纵波、横波及斯通利波 (6)2、数据处理STC算法 (6)3、全波列分析处理程序 (7)四、阵列声波的基本地质应用 (8)1、利用纵波、横波及斯通利波识别裂缝 (8)2、鉴别岩性和识别气层 (9)3、在计算岩石机械特性中的应用 (10)4、压裂施工分析 (11)5、利用时滞频移识别裂缝带 (13)6、判断地层各向异性 (14)7、计算地层应力和确定应力方位 (16)五、总结及建议 (17)一、前言阵列声波仪器能够测量地层的纵波、横波、斯通利波，通过一定的数学计算方法便能提取这些波的首波传播时间，计算频散特性，从而分析出岩石的声学特性，再结合密度、泥质含量、孔隙度等曲线能够计算地层弹性力学参数、机械特性参数、泥浆参数、地层渗透率等参数，并且能够计算各向异性地层的各向异性大小和方位。
利用这些参数能够评价井眼的稳定性，评价裂缝的发育带，确定应力大小及方位，为压裂施工提供压力参数，为钻井泥浆的配制提供泥浆参数，并能判断岩石裂缝的有效性。
由于这些特点，目前阵列声波测井已得到了广泛的应用。
尤其在解决复杂的地质问题，为油田增产、增效服务方面，起到了非常重要的作用。
二、阵列声波测井原理1、多极子阵列声波仪器的测量原理多极子阵列声波测井仪器（MAC）将单极子阵列和偶极子阵列进行有效地组合，两个阵列的配置是完全独立的（如图2-1）。
该仪器的声系包括1个单极子声系和1个偶极子声系。
单极子声系包括2个单极子发射换能器T1、T2和8个接收换能器，发射换能器带宽为2KHz-15KHz，中心频率为8KHz，可以激发地层纵波、斯通利波，在地层中激发转换横波。
正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）(一)、正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）原理ECLIPS—5700测井系统中的交互式多极子阵列声波仪（XMAC-II）是将一个单极阵列和一个偶极阵列交叉组合在一起，两个阵列配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。
单极阵列包括两个单极声源和8个接收器。
声源发射器发射的声波是全方位的，既是柱状对称的，中心频率为8kHz。
偶极阵列是由两个交叉摆放（相差900）的偶极声源及8个交叉式偶极接收器组成。
接收器间距为0.5英尺。
每个深度点记录12个单极源波形，其中8个为阵列全波波形（TFWV10），4个为记录普通声波时差的全波波形（TNWV10）。
每个深度点记录32个偶极源波形，即每个接收器记录XX、XY、YX、YY 4个偶极源波形，X、Y表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如XY表示X方向发射器发射，Y方向接收器接收；YY则表示Y方向发射器发射Y方向接收器接收。
8个接收器共记录32个偶极源波形（TXXWV10、TXYWV10、TYXWV10、TYYWV10）。
（二）、正交偶极子阵列声波资料的处理偶极子阵列声波测井资料是用eXpress的W A VE模块处理，主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及其时差计算、岩石物理参数计算、岩石机械特性分析等。
1、地层纵波、横波和斯通利波的提取及慢度分析采用慢度—时间相关STC（Slowness-Time Coherence）技术从MAC全波列中提取地层的纵波、横波及斯通利波，并计算其慢度。
STC采用一种类似地震中使用的相似算法，检测阵列接收器中相关的波至，并估算它们的慢度。
在利用STC技术处理之前要对波形进行滤波，以便消除所有直流偏移和信号频带以外的噪声。
另外，为了得到真实的地层横波，在处理中要包括一个计算前的校正步骤，以便校正挠曲波频散引起的偏差。
校正量取决于声源的声波响应特征、STC滤波器特征、井眼大小和横波慢度。
对硬地层来说这种校正量很小，但对大井眼软地层来说这种校正量可能达到10%。
正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）(一)、正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）原理ECLIPS—5700测井系统中的交互式多极子阵列声波仪（XMAC-II）是将一个单极阵列和一个偶极阵列交叉组合在一起，两个阵列配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。
单极阵列包括两个单极声源和8个接收器。
声源发射器发射的声波是全方位的，既是柱状对称的，中心频率为8kHz。
偶极阵列是由两个交叉摆放（相差900）的偶极声源及8个交叉式偶极接收器组成。
接收器间距为0.5英尺。
每个深度点记录12个单极源波形，其中8个为阵列全波波形（TFWV10），4个为记录普通声波时差的全波波形（TNWV10）。
每个深度点记录32个偶极源波形，即每个接收器记录XX、XY、YX、YY 4个偶极源波形，X、Y表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如XY表示X方向发射器发射，Y方向接收器接收；YY则表示Y方向发射器发射Y方向接收器接收。
8个接收器共记录32个偶极源波形（TXXWV10、TXYWV10、TYXWV10、TYYWV10）。
（二）、正交偶极子阵列声波资料的处理偶极子阵列声波测井资料是用eXpress的W A VE模块处理，主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及其时差计算、岩石物理参数计算、岩石机械特性分析等。
1、地层纵波、横波和斯通利波的提取及慢度分析采用慢度—时间相关STC（Slowness-Time Coherence）技术从MAC全波列中提取地层的纵波、横波及斯通利波，并计算其慢度。
STC采用一种类似地震中使用的相似算法，检测阵列接收器中相关的波至，并估算它们的慢度。
在利用STC技术处理之前要对波形进行滤波，以便消除所有直流偏移和信号频带以外的噪声。
另外，为了得到真实的地层横波，在处理中要包括一个计算前的校正步骤，以便校正挠曲波频散引起的偏差。
校正量取决于声源的声波响应特征、STC滤波器特征、井眼大小和横波慢度。
对硬地层来说这种校正量很小，但对大井眼软地层来说这种校正量可能达到10%。
2、岩石力学参数的计算根据提取的纵横波时差、常规密度曲线及其它资料计算的孔隙度并利用岩石特性分析模块计算纵横波速度比、泊松比、体积模量、切变模量和杨氏模量等岩石物理参数。
3、岩石机械特性分析利用上面计算的岩石力学参数、常规分析计算的泥质体积、泥浆性能等参数计算各项应力、破裂压力梯度、闭合压力梯度等参数。
(三)、地层岩石力学参数的基本概念及计算方法1、泊松比（σ）又称横向压缩系数，就是横向相对压缩与纵向相对伸长之比。
计算公式:22225.0DTDTS DT DTS --=σ (6-1) 式中：DTS —横波时差；DT —纵波时差。
2、杨氏模量（E ）又称纵向弹性模量，就是张应力与张应变之比，它量度岩石的抗张应力。
计算公式：2222243DT DTS DT DTS DTS DEN E --⨯= (6-2) 式中：DEN —体积密度。
3、切变模量（μ）是剪切应力与切变角之比，它量度岩石抗切应力。
计算公式：2DTS DEN =μ (6-3) 4、体积弹性模量（k ）和体积压缩系数（CB ）岩石各个方向都受到力的作用时，应力与体积相对变化之比，它量度岩石的抗压应力。
体积压缩系数与体积弹性模量互为倒数关系。
计算公式：2222343DTDTS DT DTS DEN K ⨯-= (6-4) 5、单轴抗压强度及固有剪切强度单轴抗压强度表示岩石抵抗外力压性破坏的能力，它的大小与岩石的杨氏模量、泥质含量等参数有关。
固有剪切强度表示岩石抵抗剪切破坏的能力，它的大小与单轴抗压强度及体积压缩系数等参数有关。
6、地层孔隙压力它是作用在地层孔隙空间里的流体上的压力。
地层压力有正常地层压力和异常地层压力之分，异常地层压力又有异常高压和异常低压之别。
高于正常地层压力称为异常高压。
异常地层压力的形成是多方面的，有快速不平衡欠压实沉积，地质构造运动，孔隙流体膨胀，烃类的裂解等诸多因素。
目前多见到的异常高压地层一般都是不平衡欠压实沉积形成的。
在地层沉积过程中，由于沉积速度过快，孔隙排水能力下降，随着地层的继续沉积，上覆岩层的重量逐渐增加，孔隙内的流体要支撑部分上覆岩层压力，这样就形成异常高压。
根据测井资料，采用声波时差等效深度法计算地层压力是用来检测因不平衡欠压实沉积形成地层异常高压的有效方法，该方法适用范围为砂泥岩剖面。
在砂泥岩地层中，随着地层深度的增加，泥岩所受上覆岩层的压力越来越大，由于压实和失水的作用，其孔隙度逐渐减小，声波时差可反映岩石孔隙度的变化。
在正常压实情况下，当深度增加时，泥岩的声波逐渐减小，由此可建立泥岩的声波时差随深度变化的规律—正常压实趋势线。
正常压实趋势线表达式：DEP=A ·LOG （DT ）+B （6-5）式中：DEP —地层深度；A —趋势线斜率；B —趋势线截距。
趋势线方程确定以后，根据任一点的声波时差值，就可计算该时差的等效深度。
如果某一时期沉积物迅速堆积，且造成了水力的“关闭”，地层水不易排出，孔隙度相对变大，这样，地层就由于欠压实而形成了异常高压。
地层压力计算公式如下：P p =(D b ·P h +D a ·P oa -D b ·P ob )/D a (6-6)式中：P p —地层孔隙压力；D a —当前深度点；D b —等效深度点；P oa —当前深度点的上覆压力；P ob —等效深度点的上覆压力；P h —正常地层压力。
由于该技术只适用于砂泥岩剖面，并且有较多的限制因素，因此对较复杂的地质剖面还无能为力。
7、岩层上覆压力岩层上覆压力也称垂向主应力，它是由上覆地层的岩石重量和孔隙空间里的流体（油、气、水）的总重量引起的。
当有密度测井资料时，可由密度曲线积分求得：()⎰=Hgdz Z DEN p 00 (6-7) 式中：Po —深度为H 处的上覆岩层压力；g —重力加速度；DEN(Z)—地层密度，它是深度Z 的函数。
由上面的公式可知，要想求得准确的岩层上覆压力，密度曲线应尽量测至井口。
8、水平地应力地应力简称地壳内的应力，它是地壳固体介质受重力、各地球构造力和天文动力以及探掘工程附加动力的作用，在介质内部单元引起响应变形的力学参数。
地应力既有大小，又有方向，既有垂向地应力，又有水平地应力。
描述水平地应力时用到最大水平地应力、最小水平地应力、水平地应力方向三个地质概念。
岩石在垂向应力作用下，由于泊松效应，在水平方向有产生变形的趋势，但由于周围岩石的约束，不易产生横向变形。
由于相邻岩石的阻挡作用，就相当于对岩石施加了水平应力。
岩石除受垂向应力作用外，还受地层孔隙压力、构造应力作用。
地层中若不存在构造应力时为各向同性地层，此时水平地应力相同，当构造应力存在时，水平地应力将变为各向异性。
获取地应力的方法有多种，如声发射凯塞效应法，现场水力压裂试验法，测井资料计算的井眼崩落法等。
利用测井资料计算地应力使用成本较低，计算速度快，显示井段长，计算结果较准确，具有其它方法不可比拟的优势。
下面简要介绍利用测井资料计算地应力方向及大小的方法。
①地应力大小当岩石为线性多孔弹性体，远场孔隙压力为恒定值且在埋藏过程中其横向应变为零时，最小水平主应力可用下式计算：S2=σ·P0/（1-σ）+[1-σ/（1-σ）]αP P （6-8）式中：S2—最小水平主应力；α—有效应力系数。
有效应力系数α根据岩石的体积压缩系数和骨架的体积压缩系数计算，其数值大于0小于1。
由双井径测井曲线可近似计算不平衡构造因子，根据式6-8计算的最小水平主应力及不平衡构造因子计算最大水平主应力。
根据最大水平主应力与最小水平主应力，进而计算地应力差。
②地应力方向地下不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因此在地壳应力场的作用下，都可能发生弹性变形或产生弹性势能。
某深度的岩石在垂向主应力，最大与最小水平主应力的作用下，一般处于相对平衡状态。
当井眼在地层内被钻开后，在井壁岩石上形成应力集中，垂直于井轴的横向截面上处于两个水平应力的压力作用及钻井液的张应力作用。
根据力的叠加原理，井壁上的应力状态用下式表示：Sθ= S1+S2-2（S1-S2）·COS2θ-P m （6-9）式中：Sθ—井壁岩石的切向应力；S1—最大水平主应力；P m—钻井液柱压力；θ—相对于最大水平主应力方向的逆时针方位角。
由(6-9）式可看出，当θ为0度或180度时，即在最大水平主应力的方向，井壁岩石所受的应力最小，此时切向应力值为：Sθ=3S2-S1-P m（6-10）当θ为90度或180度时，即在最小水平主应力的方向上，井壁岩石所受的切向应力最大，此时切向应力值为：Sθ=3S1-S2-P m（6-11）根据脆性材料破裂理论，当作用力达到或超过材料的破坏强度时，就会发生破裂现象。
井眼周围的岩石在最大水平主应力方向，受到较弱的压应力，此时的岩石不易受地应力破坏，井眼尺寸应接近钻头直径。
如果泥页岩与钻井液作用，发生水化膨胀，进而出现井壁破坏的情况，要与地应力的作用区别开来。
井眼在最小水平主应力方向受到较强的压应力，当这个压应力超过岩石的抗剪强度时，井壁岩石就会发生剪切破坏，出现井壁崩落，形成椭园井眼。
显然，椭园井眼的短轴方向即为最大水平主应力方向。
井眼崩落椭园的测量是由四臂或六臂地层倾角测井仪直接测量的。
测井是在电缆提升过程中进行的，当电缆以一定速度提升时，测井仪器也以一定速率旋转，当某对极板进入椭园井眼的长轴位置时，测井仪不再旋转，而是按一定的方向上升，这样就可测出或计算出椭园井眼的长轴及短轴。
再结合一号极板测量的方位，就可判断出最大水平主应力方向。
9、地层破裂压力井内一定深度的地层，承受井眼液柱压力的能力是有限的，当压力达到某一定值时，就会使地层破裂，这时的压力值就称这个地层的破裂压力。
地层破裂往往是由于井内钻井液密度过大，使井壁岩石所受的切向应力超过岩石的拉伸强度而造成的。
由（6-10）式可知，在最大水平主应力方向受到较小的切向应力。
进而可知当液柱压力Pm增大时，在这个方向上将受到较大的拉伸力。
式6-10所示为总切向应力，设有效切向应力为Sθe，则：Sθe=3S2-S1-αP p-P m（6-12）设岩石的抗拉强度为St,并且与切向应力方向相反。
当Pm增大，且有效切向应力值等于或超过岩石的抗拉强度时，地层则破裂，即：-S t=3S2-S1-αP p-P m(6－13)因为这时的破裂压力值就是液柱压力值Pm，设破裂压力为P f则由上式得：P f=3S2-S1-αP p+S t（6-14）在砂泥岩地层中，上式中的抗拉强度St数值较小，一般它是抗剪强度的十分之一至五分之一，因此它由抗剪强度近拟计算。
10、出砂指数油气生产时，岩石若发生了剪切破坏，就会出砂，它反映了岩石的强度和稳定性。
