2005年第 3 期 声学与电子工程 总第 79 期
高分辨率声波测井仪
苏慧茹
(第七一五研究所，杭州 310012)
摘要：为了延长进入高含水期的油田稳产期,需要开采薄差油层。针对油田这一需求，我所开发了两型高分辨率声波测井仪，第一型源距为3′，四接收换能器间间距为6″，主要针对薄层开采；第二型源距为3′，四接收换能器间间距为8″，薄层分层能力较好，同时兼顾水泥胶结测井，使单支仪器有多种用途。本文介绍了第二型高分辨率声波测井仪的结构组成、工作原理及信号处理方法。
关键词：声波测井； 高分辨率时差曲线 ；深度推移井眼补偿
1引言
声波测井方法是测量记录井剖面上岩层的声学性质-岩石的声速、声波在岩石中的衰减规律等，借此判断岩性和估算储集层孔隙度及岩层的弹性力学性质，了解井壁附近岩层的性质和分布的一种每口井必测的重要方法。与电法测井、放射性测井相比，声波测井问世较晚，但近几十年来发展却是相当快的。其主要优点是不受泥浆性质、矿化度及泥浆侵入的影响[1]。
声波测井所能解决的问题，从初期的判断水泥和套管的胶结质量发展到裸眼井中判断岩性、估算孔隙度，乃至在下套管井中判断套管外各种声学性质不同的介质的分布，即除了可以判断套管和水泥、水泥和地层的胶结情况外，还可以研究地层中裂缝和孔洞的发育情况及开发过程中地层结构的变化等地质问题。而且，通过声波测井可以定量计算岩层的弹性力学参数。声波测井已经和电法测井、放射性测井一样，成为一种重要的井下地球物理探测方法。
目前国内各老油田，多数已进入高含水期，需要开采薄差油层，薄层一般在0.5m以下，国内目前采用的单发双收、双发双收声波测井仪对这样的薄层无能为力，国外的阵列声波测井仪能记录全波列资料，并可准确划分薄层，但由于其成本很高、现场施工难度大，目前难以在国内大规模应用。高分辨率声波测井仪基本解决了以上几个问题。
8″(20.32cm)，能较好地划分0.2m以上的薄层，因而比目前普遍使用的双发双收仪器（接收器间距为2′）有更高的地层纵向分层能力。发射器T由两个发射换能器单元（T1、T2）组成。离接收器近的单元（T1）延迟触发发射，利用束控技术增加临界角方向的入射声能，提高滑行纵波首波的幅度，从而改善测井曲线质量。
图1 声系统布置示意图
2测井仪结构及特点
单发四收的高分辨率声波测井仪由电子线路短节和声系两大部分组成，声系布置示意图如图1所示,四接收换能器（R1-R4）中各换能器的间距为
高分辨率声波测井仪，其接收换能器之间间距小，分层能力强。可以同时测得深度推移井眼补偿高分辨率时差及普通间距声波时差；另外，还可用于声幅测井，检查套管井水泥胶结情况。
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3工作原理及信号处理方法
高分辨率声波测井仪每发射一次，4个接收换能器中只有一个接收换能器的信号经电子线路处理后传送到地面系统。每发射4次，4个接收换能器作一完整记录。高分辨率声波测井仪是测量滑行纵波在地层中的传播速度，为了提高分辨率又不增大测量误差，采用小间距和对同一地层多次测量取平均值的方法。如图2所示，测井时，随着仪器的提升，接收换能器R1～R4依次通过同一测量井段h1(h1=8″)可计算出三个高分辨率时差：
∆t2'=[(TR2)N+2−(TR3)N+3]/d (2) ∆t3'=[(TR3)2N+3−(TR4)2N+4]/d (3)
取平均值，便得到该测量井段h1的高分辨率时差值：
∆t′=(∆t1'+∆t2'+∆t3')/3 (4)
上述各式中，各传输时间用(TRx)n表示，x为接收器序号1-4，n为发射器T的发射次数，图2中N为声波探头移动距离h1(＝d)时所发射的次数。这样，用小间距d(8″)对同一地层h1三次测量取平均，提高了纵向分辨率又不增大测量误差。
∆t1'=[(TR1)1−(TR2)2]/d (1)
图2 单发四收声系井眼几何形状深度推移补偿时差测量图
32
(1)～(3) 式相当于单发射双接收的情况，所得出的Δt′受井径扩大或缩小的影响而出现与地层无关的假异常。为此，我们可在不增加探头几何长度和发射器个数的条件下，利用声学中互易原理进行深度推移井眼形状补偿，以达到双发双收声系上、下发射，中间接收的补偿效果，参见图2。随着声波探头的继续上提，当发射器T通过测量井段h1(8″)时，我们可得到另外三个高分辨率时差：
∆t''1=⎡⎣(TR1)8N+1−(TR2)9N+2⎤⎦/d (5) ∆t''2=⎡⎣(TR2)8N+2−(TR3)9N+3⎤⎦/d (6) ∆t''3=⎡⎣(TR3)8N+3−(TR4)9N+4⎤⎦/d (7)
取平均值，得到同一测量井段h1的另一高分
辨率时差：
∆t''=(∆t''1+∆t''2+∆t''3)/3 (8)
(4)式表示的Δt′相当于普通双发双收补偿声波下发射上接收时差。根据声学收发互易原理，(8)式的Δt″则相当于上发下收时差。两者平均，便得到深度推移高分辨率补偿时差：
DDBHC∆t=(∆t′+∆t′′)/2 (9)
R1与R4之间的间距D＝2′(60.96cm)。如图2所示，当R1、R4通过井段H1(＝D)时，可计算出一个大间距时差ΔT′：
∆T′=⎡⎣(TR1)1−(TR4)4⎤⎦/D (10)
仪器上提，当发射器T通过测量井段H1时，
可获得另一个大间距时差ΔT″：
∆T′′=⎡⎣(TR1)6N+1−(TR4)9N+4⎤⎦/D (11)
两者平均，便得到测量井段H1的补偿时差
值DDBHC ΔT：
DDBHC∆T=(∆T′+∆T′′)/2 (12)
当进行水泥胶结测井时，仅用R1和R2接收。T发射，R1接收的幅度用以判断第Ⅰ界面（套管与水泥环）的胶结情况；R2接收的全波列波形，用以判断第Ⅱ界面（水泥环与地层）的胶结质量。所以该声波测井仪既可完成普通双发双收补偿声波测地层声速的功能，又能进行高分辨率深度推移补偿声速测井，提高对地层的分层能力，还能用以进行常规的3′水泥胶结CBL测井和5′声波变密度VDL测井，起到了一支仪器多种用途的目的。
4测井应用
仪器在油田测得的测井曲线如图3所示。水平方向为井深深度，垂直方向为时差大小，上下图分别为高分辨和普通时差曲线。高分辨率声波时差与普通声波时差曲线在形态上基本对应，但对薄层而言, 高分辨率声波时差曲线反映很灵敏，从而对地层的岩性判别和分层能力大为提高。
图3 高分辨率时差曲线与普通声波时差曲线
5 结束语
高分辨率声波测井仪既可进行高分辨测井，解决油田薄层开采问题；又可进行普通补偿声波测井，满足油田的普遍需要；另外还可以进行水泥胶结测井，实现了单支仪器多种用途，方便了油田的使用。
参考文献：
[1]《测井学》编写组. 测井学[M]. 北京: 石油工业出版社,1998.
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2005年第 3 期 声学与电子工程 总第 79 期
高分辨率声波测井仪
苏慧茹
(第七一五研究所，杭州 310012)
摘要：为了延长进入高含水期的油田稳产期,需要开采薄差油层。针对油田这一需求，我所开发了两型高分辨率声波测井仪，第一型源距为3′，四接收换能器间间距为6″，主要针对薄层开采；第二型源距为3′，四接收换能器间间距为8″，薄层分层能力较好，同时兼顾水泥胶结测井，使单支仪器有多种用途。本文介绍了第二型高分辨率声波测井仪的结构组成、工作原理及信号处理方法。
关键词：声波测井； 高分辨率时差曲线 ；深度推移井眼补偿
1引言
声波测井方法是测量记录井剖面上岩层的声学性质-岩石的声速、声波在岩石中的衰减规律等，借此判断岩性和估算储集层孔隙度及岩层的弹性力学性质，了解井壁附近岩层的性质和分布的一种每口井必测的重要方法。与电法测井、放射性测井相比，声波测井问世较晚，但近几十年来发展却是相当快的。其主要优点是不受泥浆性质、矿化度及泥浆侵入的影响[1]。
声波测井所能解决的问题，从初期的判断水泥和套管的胶结质量发展到裸眼井中判断岩性、估算孔隙度，乃至在下套管井中判断套管外各种声学性质不同的介质的分布，即除了可以判断套管和水泥、水泥和地层的胶结情况外，还可以研究地层中裂缝和孔洞的发育情况及开发过程中地层结构的变化等地质问题。而且，通过声波测井可以定量计算岩层的弹性力学参数。声波测井已经和电法测井、放射性测井一样，成为一种重要的井下地球物理探测方法。
目前国内各老油田，多数已进入高含水期，需要开采薄差油层，薄层一般在0.5m以下，国内目前采用的单发双收、双发双收声波测井仪对这样的薄层无能为力，国外的阵列声波测井仪能记录全波列资料，并可准确划分薄层，但由于其成本很高、现场施工难度大，目前难以在国内大规模应用。高分辨率声波测井仪基本解决了以上几个问题。
8″(20.32cm)，能较好地划分0.2m以上的薄层，因而比目前普遍使用的双发双收仪器（接收器间距为2′）有更高的地层纵向分层能力。发射器T由两个发射换能器单元（T1、T2）组成。离接收器近的单元（T1）延迟触发发射，利用束控技术增加临界角方向的入射声能，提高滑行纵波首波的幅度，从而改善测井曲线质量。
图1 声系统布置示意图
2测井仪结构及特点
单发四收的高分辨率声波测井仪由电子线路短节和声系两大部分组成，声系布置示意图如图1所示,四接收换能器（R1-R4）中各换能器的间距为
高分辨率声波测井仪，其接收换能器之间间距小，分层能力强。可以同时测得深度推移井眼补偿高分辨率时差及普通间距声波时差；另外，还可用于声幅测井，检查套管井水泥胶结情况。
31
3工作原理及信号处理方法
高分辨率声波测井仪每发射一次，4个接收换能器中只有一个接收换能器的信号经电子线路处理后传送到地面系统。每发射4次，4个接收换能器作一完整记录。高分辨率声波测井仪是测量滑行纵波在地层中的传播速度，为了提高分辨率又不增大测量误差，采用小间距和对同一地层多次测量取平均值的方法。如图2所示，测井时，随着仪器的提升，接收换能器R1～R4依次通过同一测量井段h1(h1=8″)可计算出三个高分辨率时差：
∆t2'=[(TR2)N+2−(TR3)N+3]/d (2) ∆t3'=[(TR3)2N+3−(TR4)2N+4]/d (3)
取平均值，便得到该测量井段h1的高分辨率时差值：
∆t′=(∆t1'+∆t2'+∆t3')/3 (4)
上述各式中，各传输时间用(TRx)n表示，x为接收器序号1-4，n为发射器T的发射次数，图2中N为声波探头移动距离h1(＝d)时所发射的次数。这样，用小间距d(8″)对同一地层h1三次测量取平均，提高了纵向分辨率又不增大测量误差。
∆t1'=[(TR1)1−(TR2)2]/d (1)
图2 单发四收声系井眼几何形状深度推移补偿时差测量图
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(1)～(3) 式相当于单发射双接收的情况，所得出的Δt′受井径扩大或缩小的影响而出现与地层无关的假异常。为此，我们可在不增加探头几何长度和发射器个数的条件下，利用声学中互易原理进行深度推移井眼形状补偿，以达到双发双收声系上、下发射，中间接收的补偿效果，参见图2。随着声波探头的继续上提，当发射器T通过测量井段h1(8″)时，我们可得到另外三个高分辨率时差：
∆t''1=⎡⎣(TR1)8N+1−(TR2)9N+2⎤⎦/d (5) ∆t''2=⎡⎣(TR2)8N+2−(TR3)9N+3⎤⎦/d (6) ∆t''3=⎡⎣(TR3)8N+3−(TR4)9N+4⎤⎦/d (7)
取平均值，得到同一测量井段h1的另一高分
辨率时差：
∆t''=(∆t''1+∆t''2+∆t''3)/3 (8)
(4)式表示的Δt′相当于普通双发双收补偿声波下发射上接收时差。根据声学收发互易原理，(8)式的Δt″则相当于上发下收时差。两者平均，便得到深度推移高分辨率补偿时差：
DDBHC∆t=(∆t′+∆t′′)/2 (9)
R1与R4之间的间距D＝2′(60.96cm)。如图2所示，当R1、R4通过井段H1(＝D)时，可计算出一个大间距时差ΔT′：
∆T′=⎡⎣(TR1)1−(TR4)4⎤⎦/D (10)
仪器上提，当发射器T通过测量井段H1时，
可获得另一个大间距时差ΔT″：
∆T′′=⎡⎣(TR1)6N+1−(TR4)9N+4⎤⎦/D (11)
两者平均，便得到测量井段H1的补偿时差
值DDBHC ΔT：
DDBHC∆T=(∆T′+∆T′′)/2 (12)
当进行水泥胶结测井时，仅用R1和R2接收。T发射，R1接收的幅度用以判断第Ⅰ界面（套管与水泥环）的胶结情况；R2接收的全波列波形，用以判断第Ⅱ界面（水泥环与地层）的胶结质量。所以该声波测井仪既可完成普通双发双收补偿声波测地层声速的功能，又能进行高分辨率深度推移补偿声速测井，提高对地层的分层能力，还能用以进行常规的3′水泥胶结CBL测井和5′声波变密度VDL测井，起到了一支仪器多种用途的目的。
4测井应用
仪器在油田测得的测井曲线如图3所示。水平方向为井深深度，垂直方向为时差大小，上下图分别为高分辨和普通时差曲线。高分辨率声波时差与普通声波时差曲线在形态上基本对应，但对薄层而言, 高分辨率声波时差曲线反映很灵敏，从而对地层的岩性判别和分层能力大为提高。
图3 高分辨率时差曲线与普通声波时差曲线
5 结束语
高分辨率声波测井仪既可进行高分辨测井，解决油田薄层开采问题；又可进行普通补偿声波测井，满足油田的普遍需要；另外还可以进行水泥胶结测井，实现了单支仪器多种用途，方便了油田的使用。
参考文献：
[1]《测井学》编写组. 测井学[M]. 北京: 石油工业出版社,1998.
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