井周声波扫描仪在测井过程中的影响因素分析

李 超 徐永发 叶高鹏 郭道连 徐加梅 徐 翠

(1.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司仪修大队 黑龙江 大庆 163153;2.中国石油集团测井有限公司青海事业部 青海 格尔木 736202)

0 引 言

随着油田的开发，对裂缝性储层的勘探和开发变得越来越重要。因此，对裂缝测井技术提出了更高的要求，我们公司从美国哈里伯顿公司引进了井周声波扫描仪(CAST-V)如图1 所示，并通过十几年的实践，我们对这种仪器的性能有了更深刻的了解。目前这种仪器仍然在新疆油田服务。

1 工作原理

井周声波扫描仪(CAST -V)是一种只能工作在井眼内为液体介质的超声波测井仪。该仪器不能运行在气井和含游离气的井中，否则采集的数据可靠性大大降低。CAST-V 每扫描一周可以采集100 或200 次发射的数据，能够在裸眼井和套管井内的垂直方向以及环形空间上获得较全面的信息［1］。

图1 井周声波扫描仪(CAST-V)的整体结构

CAST-V 的测量换能器既作为发射器又作为接收器。换能器(作为发射器)发射一组超声波能量脉冲，该脉冲穿越井眼内的流体入射在井壁上。在井壁界面上大部分脉冲能量被反射回换能器。此时，换能器(作为接收器)接收到井壁反射的信号。如图2 所示详细说明［2］，该图说明了超声波在井壁和CAST -V 仪器之间的传播。

图2 CAST-V 超声波的传播

CAST-V 有两种测井模式:套管井模式、成像模式。在成像模式下换能器每次点火记录两个测量数据。这两个数据是:传播时间(TT)以及峰值幅度(AMP)。传播时间是指换能器点火到峰值信号返回瞬间的时间如图3所示。该测量的幅度值就是返回信号的最大值。换能器的每次点火，幅度与传播时间都被同时记录。这些井眼参数被绘成彩图或用不同灰色等级绘成图。通常，浅灰色阴影代表的传播时间短而深灰色阴影代表传播时间长。幅度图中浅灰色阴影代表反射回的能量强而深灰色阴影则表示返回能量低。在套管井模式下可以测量声阻抗和套管壁厚。

图3 传播时间与信号幅度

2 信号幅度衰减因素

在每次的点火发射后的测量中都存在许多因素使得反射声波信号在幅度上有所衰减。其中一些信号衰减因素发生在声波与井壁的相互作用中，而其他一些因素则与仪器的设计以及井眼内的流体对声波的衰减效应有关。理解这些影响因素和采取适当的测前技术准备工作可以提升操作员录取高质量资料的能力。尽管一些影响因素在测井工程师的掌握之外，而其他一些因素却是可以避免的，诸如:仪器扶正不好，扫描头尺寸不当以及换能器不合适。以下是信号幅度衰减的六大因素，如图4 所示。

1)声波信号的频率;

2)井眼内流体的衰减率;

3)换能器与靶的距离;

4)靶表面质地;

5)靶的角度;

6)靶(地层或套管壁)与井眼内流体声阻抗的差异程度。

声波信号的频率受换能器设计的限制。流体的衰减率以及靶与换能器之间距离是分别由井眼内流体的类型，扫描头尺寸和井眼大小决定的。靶的质地，靶的角度和声阻抗的差异在声波信号与靶的相互作用中都有影响。

图4 六种信号幅度衰减因素

偶尔，这些衰减因素的综合影响使得换能器接收不到有效的声波信号。在这种情况下，CAST-V 无法录取有用的测量数据。这种情况被称作“零反射”。靶距与靶的角度这两种因素更容易导致此种情况。然而，使用合适尺寸扫描头和可靠的扶正器可以使这两种衰减因素的影响减小到最小。如果这两种衰减因素的影响被减小到最小的情况下，“零反射”仍然存在，那么探测到的不是声波信号而是仪器和换能器的噪声。

2.1 频率

声波信号穿越流体时的衰减与换能器频率直接成正比。为了能在理想图像分辨率，电能要求和衰减率之间获得一个好的折中点，CAST-V 的换能器在直径和频率上的选择上都是最优的。

2.2 井眼内的流体

井眼内不同类型的流体有不同的衰减率。对于某一特定泥浆和恒定的换能器频率来说，衰减率在某种程度上与泥浆比重成正比。气体的衰减率可以使得超声波信号无法有效的传播。这就意味着CAST -V 仪器无法工作在空气中或井内为气体介质的井中，除非该井随后被注入液体。

2.3 靶距

超声波脉冲从换能器到井壁和返回换能器这一去一回必须经历的距离是信号衰减的一个主要因素。距离越大信号被流体衰减的就越严重。这种关系是非线性的，在距离上的一个微小增量可能使得信号幅度产生显著的衰减。

2.4 靶的质地

如果其他所有的衰减因素保持恒定，那么质地光滑的靶面反射声波的能力通常要比靶面粗糙的好。粗糙的靶面可以看成有许多朝向不同的小靶面组成。从这方面说，靶的质地与靶的角度相关。这两者之间的差异在于表面粗糙对声波的影响局限于声波入射的部分［3］。靶的角度影响更大的面积，它的最小范围也是声波入射的部分。当声波入射到足够粗糙的靶表面时被微靶反射到不同的方向去。这样，反射回的能量就失去其一致性导致很大程度上的扩散。由于反射的能量分散在很大的区域，换能器能接受到的能量大大减少。

岩石的机械特性和钻井过程共同决定了靶的质地。相应的，解释人员可以根据不同类型的岩石的表面质地差异来区分不同岩石类型。有时，钻井导致的非自然的岩石表面决定了成像图，如图5 所示。在这种情况下，存在明显的斜斑。通常，斑点是个解释难点，然而在给定的区域内斑点常与特定类型岩石相伴出现，是个有用的特征。另外一种井眼变形可能是测井过程造成的。在松软和机械特性软的岩层中，CASRT -V 的扶正器会在地层纵向上刮出沟道，并且显示在成像图上。如图6 所示。这种情况下，沟道就是必须扶正的一个负效应。

图5 CAST-V

图6 扶正器留下的沟道在CAST-V 图上的显示

2.5 靶的角度

靶(或者是井壁)相对于入射声波的角度很大程度上决定了换能器接收能量的多少。如果靶面与声波路径成足够大的角度，反射回来的声波将偏离换能器。靶的角度合适时，声波的入射角和反射角相等。靶的角度偏差极大时常导致无返回声波。在每一次反射后，声波散射，换能器尺寸和靶距在决定换能器接收声波能量多少上是必须考虑的因素。井眼成椭圆形和扫描头不居中是入射声波与靶和井壁角度不当的两种常见情况。如图7 所示，超声波在入射到长轴和短轴附近时被直接反射回换能器。在椭圆井眼长短轴之间的部分产生的角度使得反射声波偏离换能器。这样，成像图上就呈现带状。浅灰色的带状表示从轴附近接收到的相对的高能量。图7 说明这种现象。椭圆度小的井眼呈模糊带状，而椭圆度大的呈明显带状。非规则形状和倾斜的井眼会使仪器不居中。图8 中仪器在井眼中不居中。靶与入射超声波的角度只有在仪器与井壁最远和最近的部分是正常的。其他距离上靶的角度都是不合适的。成像图上靶距最近的方向上就会产生一条最浅灰色的带。在最大靶距的方向上产生一条较浅色的带。黑色带状是由不恰当的靶角度产生的，如图8 所示。因为仪器在井内旋转使得带状并不成直线［4］。在极度不居中的情况下，靶距最小的方向上也可能呈黑色带状，因为反射信号在仪器测量允许之前到达换能器而产生“死区”效应。

图7 超声波在椭圆井眼中的反射

图8 超声波在不规则井眼和斜井中的反射

2.6 声阻抗的差异

假定井壁是光滑的，声波由声阻抗为Z1的介质M1入射到声阻抗为Z2的介质M2 上。一部分声波能量进入介质M2，另一部分被反射回M1。图9 说明了这种情况。

图9 声波在边界的相互作用

在常规入射的条件下，如果用Ai，Ar和At分别表示入射波，反射波和透射波的幅度，那么透射系数和发射系数可以表示为:

物质反射或透射声波的能力是他们声阻抗的方程。声阻抗可以定义为介质的密度与压缩波速度的乘积。

下标x 表示相应的介质。这样反射系数和折射系数可以用以下公式表示。

反射系数对于CAST -V 的测量来说是个十分重要的参数，因为它决定了反射信号的压缩波幅度。如果两种介质的声阻抗相近(Z1≌Z2)反射几乎为零，那就意味着反射信号幅度很低。这种情况(Z1≌Z2)说明声波在边界上耦合的非常好。泥浆与松软的地层之间的交界面就是这种情况。如果Z2≫Z1，反射声波在幅度上衰减量微小并且不存在反相。这种情况说明声波耦合很差，可以用泥浆与硬质岩层之间的交界面来类比。井眼流体与地层(或套管)之间的声阻抗的差异对于CAST -V的测量是十分重要的［5］。声阻抗差异越大，反射信号幅度值越大。由于不同的岩层有不同的声阻抗，解释人员可以根据成像图把它们区分开来。从解释的观点上需要注意的是，诸如靶距和靶面粗糙度等方面的衰减因素要比声阻抗差异起更大的作用。由于泥浆块的声阻抗较地层低，CAST-V 测量的信号主要来自井壁的反射。

3 结 论

通过以上这些方法，掌握和了解这些影响因素对录取和解释出优质的测井资料有一定帮助。尽管受各种影响因素的限制，CAST - V 仍然是测井精度较高的仪器。目前国内外许多油田经过多年的开发，已经进入套损高发期，套管腐蚀、破裂、变形、错断、张断以至于成片套损等多次出现。在特殊情况下，遇到复杂井况时，还可以结合可见光电视、MIT、声波变密度等仪器的测井资料，优势互补，综合分析得出更加准确的解释结果。

［1］CIRCUMFERENTIAL ACROUSTIC SCANNING TOOL -VISUALIZATION SERVICE MANNUAL. July 1997 Revision NW Manual No.770.00696

［2］CIRCUMFERENTIAL ACROUSTIC SCANNING TOOL -VISUALIZAIION FIELD OPERATIONS MANNUAL. Revision NW April 1996 Manual No.770.00709

［3］张建军，潘恒超.超声成像测井工作原理与影响因素［J］.声学与电子工程，2001，16(3):56 -57.

［4］秦建国，曾朝安.快速井周声波扫描仪在套管井中的应用［J］.长江大学学报(自然科学版)，2011，19(7):29 -30.

［5］卞立安.环周声波扫描测井仪(CAST)原理及应用［J］.企业科技与发展，2009，25(7):63 -65.