补偿声波测井在裂缝地层的周波跳跃教学实验设计

于华伟 谭宝海 苏远大 庄春喜 李刚

摘要：声波测井是石油勘探的重要测量手段之一，而其在裂缝或气层中的周波跳跃现象是该测井方法的典型响应特征。为了满足勘查技术与工程专业学生的理论及实践教学需要，本文通过设计并制作等比缩小的声波测井单发双收声系，利用天然岩石模型井中的接缝视作裂缝，通过声系在模拟裂缝中的响应，实现补偿声波测井在教学实验中的周波跳躍现象。本实验有利于学生更好地掌握声波测井的工作原理及其在石油勘探开发过程中的应用，增强了学生的实践动手能力。

关键词：声波测井；声波时差；纵波；裂缝；周波跳跃

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）41-0269-02

补偿声波测井是石油勘探开发过程中的一种重要物理手段[1]。为了让学生了解声波在不同类型地层中的传播规律，有效掌握该测井方法的原理、仪器结构及地质应用，中国石油大学（华东）自主研制了基于真实岩石地层的声波测井模拟测量系统[2-4]。但是，早先的实验设备只能测量纯岩石地层中的滑行纵波的速度或时差，而对于声波测井在裂缝或气层中的典型周波跳跃现象难以实现，因此学生对于该现象的理解存在困难。为了接近工程实际、帮助学生拓宽理论知识，我校对声波测井模拟系统进行了改进，并设计了声波测井周波跳跃现象的实验内容。

一、专业及课程介绍

中国石油大学（华东）的地质资源与地质工程专业，是首批入选国家“双一流”学科建设的专业，而勘查技术与工程专业作为该学科的分支，是国家的特色和重点建设专业。对学生的培养目标是提高学生对石油及矿产资源勘探方法和技术手段的理论和工程实践能力。

声波测井是油气勘探的主要测井方法之一，是在钻孔中测量地层的声速或声幅特性来辨识地下岩石类型及弹性参数、流体性质以及评价固井质量的方法，根据测量方式又分为补偿声波测井、声波全波列测井、多极子声波测井等。其中，补偿声波测井（也称声波时差测井）通过测量声波在地层中的传播速度，确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质[5]。

二、补偿声波测井原理及实验

1.补偿声波测井原理。补偿声波测井测量主要是利用声波探头（又称为换能器），包括发射探头和接收探头，由压电陶瓷晶体制成[6]。由于工程测井时，井眼尺寸并不规则，为了消除井眼的影响，往往使用单发双收或双发双收的探头结构，以单发双收为例，探头由一个发射探头（T）和两个接收探头（R1、R2）组成。R1、R2间的距离为Ld，井内流体中纵波速度为V1，井外地层的滑行纵波速度为VP，TA为探头到井壁的距离，AB、AC分别为到达两个探头的声波在岩石中穿过的距离，BC距离等于Ld。

声波由T到达R1、R2的传播时间分别为：

2.实验装置。工程声波测井一般采用单发双收或双发双收探头测量纵、横波到达的时差。我校自主研发的声波测井模拟系统由天然岩石模型井、控制系统及测量系统组成。而国内教学实验用的测量系统一般由一个发射和一个接收探头组成，通过手工调节接收探头位置来模拟单发双收探头的功能。由于采用单发单收探头，过去的声波测井实验仅能在完整、单块岩石模型中开展，而且要求探头的位置避开岩石的边界，否则测量结果会受到影响，更不能实现过地层界面及裂缝性地层的实验测量。

另外，所测量的地层模型为真实测井的1/10等比缩小模型，岩石类型包括砂岩、大理石及花岗岩等，每块岩石直径为60cm、厚度30cm，井眼直径仅约为2cm，而要保证声波探头可以连续穿过多块地层模型，可以允许的直径必须小于1.6cm。并且还需要声波探头保证需要的功率、频率和能量，因此对于声波探头提出了较高的要求。为了满足实验的需要，实验室对声波探头进行了重新设计并加工制作。改进后的探头为单发双收结构，如图1所示。声波探头发射频率为100kHz，发射探头与第一和第二接收探头距离分别为8cm、12cm。利用电动传动系统可以带动声系在地层间移动，并同时测量纵波速度及声波时差。

三、周波跳跃及实验设计

在声波测井中，遇到声波幅度衰减严重的某些地层时，第二道（远接收探头）首波幅度可能明显减小，致使第二道首波前沿不能触发，而是触发记录首波后沿，其相位将明显滞后，造成记录的时差比岩层的实际时差大。更严重的是，第二道首波被第二周或推延多周后的幅度峰所触发，每差一个峰值，时差就增大一个周期，这种现象称为周波跳跃。它可以作为裂缝层段或储集层中含气的特征标志。

为了在实验室模拟周波跳跃现象，将地层模型中多块岩石的接缝作为地层的裂缝，通过测量声波探头过接缝前后的声波波形变化，来进行裂缝地层中声波测井响应实验。声波探头在通过裂缝位置时，由于裂缝中填充的为淡水，而淡水的声波速度远低于岩石，使得声波的幅度大幅降低，而对于首波的识别是依靠电压幅度的高低，因此容易将后面幅度高的波识别为纵波的首波，从而造成所测量的声波波速明显降低，即声波时差增大。由于探头移动过程中，幅度忽高忽低而使得测量的声波时差忽大忽小。测量结果如图2所示，图中声波探头移动过程中依次穿过了红砂岩、花岗岩和黄砂岩，在地层接缝处声波时差明显出现了周波跳跃现象，且影响范围约等于声波探头之间的间距。

四、结论

本文针对勘查技术与工程专业的声波测井课程，利用所设计的单发双收声系、多块天然岩石组成的模型井，将岩石间的接缝视作地层裂缝，通过记录探头通过地层及裂缝位置处的波形，从而观察所测量声波时差的周波跳跃现象。通过该实验，学生对补偿声波测井的周波跳跃现象有了明确的认识和了解，有效提高了实验效果，加深了学生对声波测井的方法和应用等知识的掌握。

参考文献：

[1]王秀明，张海澜，何晓，等.声波测井中的物理问题[J].物理，2011，40（2）：79-87.

[2]于华伟.勘查技术与工程专业校外实习困难及对策[J].大学教育，2013，（18）：45-46.

[3]邓少贵，李刚.基于同一平台的声电测井模拟系统设计与研究[J].实验室科学，2010，13（1）.

[4]于华伟，罗琳，谭宝海，等.《声波测井》课程实验设计与建设[J].高教学刊，2015，（18）：236-237.

[5]李山生.声波测井模型井实验研究[J].石油地球物理勘探，2004，39（2）：187-190.

[6]洪有密.测井原理及综合解释[M].东营：中国石油大学出版社，2008.