于華偉 譚寶海 蘇遠(yuǎn)大 莊春喜 李剛

摘要：聲波測(cè)井是石油勘探的重要測(cè)量手段之一，而其在裂縫或氣層中的周波跳躍現(xiàn)象是該測(cè)井方法的典型響應(yīng)特征。為了滿足勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生的理論及實(shí)踐教學(xué)需要，本文通過設(shè)計(jì)并制作等比縮小的聲波測(cè)井單發(fā)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(yīng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償聲波測(cè)井在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的周波跳躍現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生更好地掌握聲波測(cè)井的工作原理及其在石油勘探開發(fā)過程中的應(yīng)用，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：聲波測(cè)井；聲波時(shí)差；縱波；裂縫；周波跳躍

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）41-0269-02

補(bǔ)償聲波測(cè)井是石油勘探開發(fā)過程中的一種重要物理手段[1]。為了讓學(xué)生了解聲波在不同類型地層中的傳播規(guī)律，有效掌握該測(cè)井方法的原理、儀器結(jié)構(gòu)及地質(zhì)應(yīng)用，中國(guó)石油大學(xué)（華東）自主研制了基于真實(shí)巖石地層的聲波測(cè)井模擬測(cè)量系統(tǒng)[2-4]。但是，早先的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能測(cè)量純巖石地層中的滑行縱波的速度或時(shí)差，而對(duì)于聲波測(cè)井在裂縫或氣層中的典型周波跳躍現(xiàn)象難以實(shí)現(xiàn)，因此學(xué)生對(duì)于該現(xiàn)象的理解存在困難。為了接近工程實(shí)際、幫助學(xué)生拓寬理論知識(shí)，我校對(duì)聲波測(cè)井模擬系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了聲波測(cè)井周波跳躍現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

一、專業(yè)及課程介紹

中國(guó)石油大學(xué)（華東）的地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，是首批入選國(guó)家“雙一流”學(xué)科建設(shè)的專業(yè)，而勘查技術(shù)與工程專業(yè)作為該學(xué)科的分支，是國(guó)家的特色和重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)。對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是提高學(xué)生對(duì)石油及礦產(chǎn)資源勘探方法和技術(shù)手段的理論和工程實(shí)踐能力。

聲波測(cè)井是油氣勘探的主要測(cè)井方法之一，是在鉆孔中測(cè)量地層的聲速或聲幅特性來辨識(shí)地下巖石類型及彈性參數(shù)、流體性質(zhì)以及評(píng)價(jià)固井質(zhì)量的方法，根據(jù)測(cè)量方式又分為補(bǔ)償聲波測(cè)井、聲波全波列測(cè)井、多極子聲波測(cè)井等。其中，補(bǔ)償聲波測(cè)井（也稱聲波時(shí)差測(cè)井）通過測(cè)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(zhì)[5]。

二、補(bǔ)償聲波測(cè)井原理及實(shí)驗(yàn)

1.補(bǔ)償聲波測(cè)井原理。補(bǔ)償聲波測(cè)井測(cè)量主要是利用聲波探頭（又稱為換能器），包括發(fā)射探頭和接收探頭，由壓電陶瓷晶體制成[6]。由于工程測(cè)井時(shí)，井眼尺寸并不規(guī)則，為了消除井眼的影響，往往使用單發(fā)雙收或雙發(fā)雙收的探頭結(jié)構(gòu)，以單發(fā)雙收為例，探頭由一個(gè)發(fā)射探頭（T）和兩個(gè)接收探頭（R1、R2）組成。R1、R2間的距離為L(zhǎng)d，井內(nèi)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(dá)兩個(gè)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(dá)R1、R2的傳播時(shí)間分別為：

2.實(shí)驗(yàn)裝置。工程聲波測(cè)井一般采用單發(fā)雙收或雙發(fā)雙收探頭測(cè)量縱、橫波到達(dá)的時(shí)差。我校自主研發(fā)的聲波測(cè)井模擬系統(tǒng)由天然巖石模型井、控制系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)組成。而國(guó)內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的測(cè)量系統(tǒng)一般由一個(gè)發(fā)射和一個(gè)接收探頭組成，通過手工調(diào)節(jié)接收探頭位置來模擬單發(fā)雙收探頭的功能。由于采用單發(fā)單收探頭，過去的聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)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(cè)量結(jié)果會(huì)受到影響，更不能實(shí)現(xiàn)過地層界面及裂縫性地層的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

另外，所測(cè)量的地層模型為真實(shí)測(cè)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(xù)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(duì)于聲波探頭提出了較高的要求。為了滿足實(shí)驗(yàn)的需要，實(shí)驗(yàn)室對(duì)聲波探頭進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并加工制作。改進(jìn)后的探頭為單發(fā)雙收結(jié)構(gòu)，如圖1所示。聲波探頭發(fā)射頻率為100kHz，發(fā)射探頭與第一和第二接收探頭距離分別為8cm、12cm。利用電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)可以帶動(dòng)聲系在地層間移動(dòng)，并同時(shí)測(cè)量縱波速度及聲波時(shí)差。

三、周波跳躍及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在聲波測(cè)井中，遇到聲波幅度衰減嚴(yán)重的某些地層時(shí)，第二道（遠(yuǎn)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(fā)，而是觸發(fā)記錄首波后沿，其相位將明顯滯后，造成記錄的時(shí)差比巖層的實(shí)際時(shí)差大。更嚴(yán)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(fā)，每差一個(gè)峰值，時(shí)差就增大一個(gè)周期，這種現(xiàn)象稱為周波跳躍。它可以作為裂縫層段或儲(chǔ)集層中含氣的特征標(biāo)志。

為了在實(shí)驗(yàn)室模擬周波跳躍現(xiàn)象，將地層模型中多塊巖石的接縫作為地層的裂縫，通過測(cè)量聲波探頭過接縫前后的聲波波形變化，來進(jìn)行裂縫地層中聲波測(cè)井響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。聲波探頭在通過裂縫位置時(shí)，由于裂縫中填充的為淡水，而淡水的聲波速度遠(yuǎn)低于巖石，使得聲波的幅度大幅降低，而對(duì)于首波的識(shí)別是依靠電壓幅度的高低，因此容易將后面幅度高的波識(shí)別為縱波的首波，從而造成所測(cè)量的聲波波速明顯降低，即聲波時(shí)差增大。由于探頭移動(dòng)過程中，幅度忽高忽低而使得測(cè)量的聲波時(shí)差忽大忽小。測(cè)量結(jié)果如圖2所示，圖中聲波探頭移動(dòng)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(shí)差明顯出現(xiàn)了周波跳躍現(xiàn)象，且影響范圍約等于聲波探頭之間的間距。

四、結(jié)論

本文針對(duì)勘查技術(shù)與工程專業(yè)的聲波測(cè)井課程，利用所設(shè)計(jì)的單發(fā)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(cè)量聲波時(shí)差的周波跳躍現(xiàn)象。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)補(bǔ)償聲波測(cè)井的周波跳躍現(xiàn)象有了明確的認(rèn)識(shí)和了解，有效提高了實(shí)驗(yàn)效果，加深了學(xué)生對(duì)聲波測(cè)井的方法和應(yīng)用等知識(shí)的掌握。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]于華偉.勘查技術(shù)與工程專業(yè)校外實(shí)習(xí)困難及對(duì)策[J].大學(xué)教育，2013，（18）：45-46.

[3]鄧少貴，李剛.基于同一平臺(tái)的聲電測(cè)井模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010，13（1）.

[4]于華偉，羅琳，譚寶海，等.《聲波測(cè)井》課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].高教學(xué)刊，2015，（18）：236-237.

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

[6]洪有密.測(cè)井原理及綜合解釋[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2008.