摘 要
用于低渗砂岩油气开发的压裂需要地层的纵横波时差参数；压裂形成的人工裂缝或砂泥岩中的自然裂缝是油气流入井中的主要通道．声波测井是测量地层的纵横波时差、探测连通裂缝的有效方法．本文给出了新设计的偶极子组合声波测井仪器在低渗砂泥岩地层所测量的波形．新仪器利用声波在井内传播的固有频率设计探头，利用探头阻抗随频率的变化曲线设计匹配电路，有效地提高了声发射功率，在井下采用１６位Ａ／Ｄ转换器提高了原始波形的采样精度．测量的波形比通常的声波测井波形所含的地层信息丰富．单极子长源距声波测井波形中除了通常的纵、横波和Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波外，还发现了起始于纵波首波的反射波以及随深度改变其到达时间的后续波．通过与其它测井曲线综合对比发现：其反射波与井眼扩径有关，使测量的声波时差加大；后续波在显示地层特征的同时，与横波混叠在一起，使横波时差的提取变得困难．另外，在偶极子所测量的低频波形中也发现了明显的反映地层连通裂缝的反射波，该反射波可以用于指示低渗砂岩地层中的连通裂缝．
０ 引 言
西北部地区储油的地层大多是低渗透性的砂岩．当这些砂岩伴随有次生裂缝时油井的产量比较高．没有裂缝时，需要进行压裂改造，人工造出裂缝后才能够出油．由于大多数地层没有自然裂缝，所以，常常需要进行压裂施工．声波测井的首要任务是测量地层的纵横波时差，为压裂改造提供设计依据，其次是直接寻找砂岩地层中的自然裂缝．
国外用于测量地层纵横波时差的仪器是单极子长源距阵列声波测井仪．用于裂缝探测的是低频声波测井仪（主频５００Ｈｚ）．斯伦贝谢公司将单极子、正交偶极子和低频声波测井仪整合，分别设计了长、短源距单极子发射和正交偶极子发射，采用８扇区接收探头，分布在１３个不同的源距形成接收阵列，构成了３维声波测井仪器［１，２］Ｓｏｎｉｃ ｓｃａｎ．不但能够提供地层的纵横波时差和裂缝探测，还能够提供地层横波的各向异性方位角曲线．３维声波测井仪目前是测量信息最多，时差处理精度比较高，应用比较广的仪器．国内大量使用的是ＸｍａｃＩＩ声波测井仪器．该仪器也同样将单极子长源距与正交偶极子声波测井进行了组合，能够提供地层的纵横波时差和地层的各向异性方位角曲线．
本文用于低渗地层测量的是新设计的长、短源距单极子和正交偶极子组合声波测井仪．采用８个不同源距的阵列接收方式，分别测量到了单极子长、短源距激发的波形和正交偶极子波形．通过阵列波形的处理得到地层的纵、横波时差［２，３］，用于地层评价［４］，其中横波时差有两种测量方法，一种是单极子长短源距、另外一种是偶极子．单极子长短源距发射探头的主频与砂岩地层井中的固有频率接近，偶极子的主频比ＸｍａｃＩＩ低．这些特殊设计的频率和探头结构使得所测量的声波测井原始波形除了包含地层的纵、横波时差信息外，还包含了其它地层信息．采用１６位Ａ／Ｄ转换器，提高了声波测井原始波形的数模转换精度，从波形的变密度上可以看到更多地层的信息．例如，裂缝和扩径导致的反射波、地层内部界面和岩性变化所导致的声波测井波形变化等．本文列举了在西北部低渗砂岩地层测量的这些波形特征，并且结合其它测井曲线简单分析了这些波形产生的原因．另外，偶极子测井波形中也有反射波，由于偶极子激发的声波频率比较低，它所接收到的反射波是地层的裂缝所导致的．
声波测井波形中的纵、横波和Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波的基本特征已经研究的比较清楚［３－６］．地层特征改变例如地层倾斜［７］、仪器靠近井壁或者偏心［８］以及地层非均匀［９］等对测井波形的影响也有所报道．水平分层［１０］以及井外地层非轴对称时的波形特征［１１］也可以通过数值计算的方法得到．现在有大量的文献［１２－１５］配合随钻声波测井仪器的研制．这些研究结果均发现了井中所传播声波的新特征．其主要特点是在变密度图上波的到达时间随深度变化．很少有文献报道这些特征的实验结果．本文是这些新特征的一个现场实例．从这些实例中我们不但可以确定这些规律，认识这些波形特征，更重要的是可以讨论其对声波波形处理的影响以及这些新特征的应用方法．
１ 声波测井仪器的声系结构及测量波形
图１所示为单极子长、短源距和偶极子组合声波测井仪器的声系结构．上面是发射声系，从左到右分别是单极子长源距发射、偶极子发射．下图是接收声系，从左到右分别是近源距发射和８个阵列接收探头．８个阵列接收探头既可以接收单极子波形也可以接收偶极子波形．从８个阵列接收探头所接收到的单极子波形可以处理出地层的纵、横波时差．图２右边两道的变密度图是单极子长源距发射时第４个和第８个接收探头所接收到的原始测井波形；左边两道分别是用所测量的８个单极子波形处理（相位法）的地层的纵波时差（左边第１道）和横波时差（左边第２道）分布．从图中可以看到：波形中纵、横波波形越明显，所处理的纵、横波时差分布越集中，从纵横波时差分布中所得到的地层的纵、横波时差曲线精度越高．
纵波时差分布曲线中有个别位置分布不集中，时差曲线提取比较困难；横波时差分布曲线中有比较多的井段分布比较散，横波时差提取比较困难，需要进行分段处理．
２ 单极子测井的波形特征
仔细观察图２中时差分布比较分散的井段的波形我们发现，在所测量的波形中，除了地层的纵横波外，还有其它类型的声波存在．我们将这些波形根据其随深度的变化特征进行归类总结．
２．１ 井内反射波
波形的到达时间随深度线性变化的声波通常是井内沿井筒传播的声波的反射波，其在变密度图上呈直线变化．以往我们只在后续的Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波遇到连通裂缝时看到这些明显的反射Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波沿井筒传播．后来在岩性发生突变或者相邻地层的波阻抗差别比较大时也看到了这类反射波．反射波在井内的传播速度不同，在变密度图上呈现出不同的直线斜率．图２中９８４、９８５、９８９、１００６、１００９米处首波位置出现了明显的反射波．其中Ａ处的反射波有两个，它们的到达时间随深度变化的斜率不一致，一个其斜率比较小、幅度也比较小；另外一个的斜率比较大，幅度也比较大．Ｂ处的波形中横波附近有多种波叠加．
２．２ 后续波
硬地层井内的Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波速度与井内液体接近，近似为常数，在测井波形中到达时间相对固定，不随深度改变，很容易识别．我们下面分析的后续波位于该波附近，因此我们以该波为参照体对后续波进行分析．
在９７０～９８０米之间有两组后续波混叠在横波和Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波之间，其上面９７１米处的后续波类似于反射波的到达时间，随着深度的增加到达时间减小，混叠在横波波形附近，仔细对比左边第２个变密度图的波形４还可以发现：该后续波在９７６米以后，到达时间随深度增加，在９７０～９８０米井段到达时间的形状类似于右括号．这个波位于横波附近，干扰横波时差的提取．与这个波对应，在９７５米附近还有一个幅度比较大，位于Ｓｔｏｎｅｌｅｙ波附近、随着深度的增加其到达时间的形状类似于右括号的后续波，这种类型的声波在其它井段也出现．例如９８７、１００２、１０２５米等井段，如图２中Ｃ所标注的波形特征，其中，１００２米处后续波的到达时间随深度变化比较大，弯曲的比较快．
３ 单极子声波测井波形的特征分析
为了进一步分析上述波形的特征，我们将变密度图ＶＤＬ与其它测井曲线绘制在一起进行分析（见图３）．最左边第一道的曲线包含井径ＣＡＬ曲线以及从数字声波（一个发射探头、４个接收探头，接收探头之间的间距是８英寸，发射探头到最近的接收探头１的距离只有３英尺，到最远的接收探头４的距离是５英尺）实际测量的４个波形（的时间差）提取的时差曲线ｄｔ１２、ｄｔ１３和ｄｔ１４，用单极子远源距发射所测量的波形通过阵列波形处理方法所得到的纵波时差曲线ｆａｒＤＴＣ和横波时差曲线ｆａｒＤＴＳ．左起第２道是去铀伽马曲线ＧＲ－ＮＧＳ、钍曲线ＫＴＨ和井径ＣＡＬ曲线，第３道是用俄罗斯高频阵列感应所测量的５条电阻率曲线，其分辨率比较高，最右边的变密度曲线ＶＤＬ是单极子长源距发射时所测量的第１道（第１个即最近的接收探头）波形绘制的．
从图中可以看到：凡是在首波的到达时间出现反射波的井段均有比较短（扩径井段大约１米）的扩径现象．即短距离的扩径是引起测井波形中首波位置出现反射波的主要原因，所引起的这类反射波沿深度向上时反射波幅度比较大，特征比较明显；向下时则幅度比较小，特征不明显．在这些扩径的井段内，ｄｔ１２、ｄｔ１３和ｄｔ１４均比较大，远远大于ｆａｒＤＴＣ，形状与井径曲线非常相似．该结果表明：这三条曲线受井径的影响比较大．图４是比较长的井段扩径时的波形特征．从图中可以看到：首波的反射波幅度比较小，后续波的到达时间随深度变化的特征明显．有多个深度区间内出现类似于右括号形状的波形，多个这样的形状连起来构成随深度连续变化的波浪形状，这些波浪形状交叉形成类似于弦的驻波形状的图案．
４ 偶极子测井波形及其特征
图５是偶极子测井波形及其用相位法处理的横波时差分布曲线．从图上可以看到：用偶极子波形所处理的横波时差分布曲线连续．在７６０米以及７６５米位置，有两个明显的反射波．在其它井段，该反射波不明显。
５ 分析与讨论
本文所给出的声波测井波形是用新的单极子长短源距和偶极子组合声波测井仪器测量的．所测量的目的层是低渗砂泥岩地层．这类地层埋藏比较浅，产量比较低；由于历史的原因，其测井项目简单，通常很少测量偶极子声波这类高端测井项目．但是，该类地层又是我们国家重要的油气资源接替地区，含油面积大，开发成本低，因此，本次实验对进一步认识该类地层的特征具有重要的意义；也为分析声波测井曲线的质量和时差变化的原因提供了具体的实例．
在扩径地层，首波受到了干扰，波形特征发生了明显的变化，出现了反射波影响该层时差的测量．具体的影响结果是：用两个波形的时间差所得到的时差值偏大，不代表地层的纵波时差．或者说，在该类扩径地层用普通声波测井仪器所测量的时差值通常偏大．
本文提供的波形特征在学术上也具有重要意义．首次记录到了源自于声波测井波形首波的反射波和源自于横波波形的其它波．这为声波测井首波特征的认识以及扩径导致的首波特征研究提供了具体的实例．也为该类地层横波时差不容易处理找出了根源———横波附近出现了很多其它波的干扰．另外，这类波形特征目前仅仅在西北部地区的地层中出现，同样的仪器在东部地区的井中测井时没有发现这类现象．因此，这类波形特征是西北部地区地层的一个重要标志．
本文所发现的后续波特征和偶极子反射波会对声波测井的深入认识起到一定的促进作用．结合现有文献所给出的理论和数值计算结果进一步认识这些波形特征，将会开启人们对低渗砂岩的新认识．随着测井资料的不断增加和研究的不断深入，这些新的波形特征将会逐步变成认识地层的有效工具．
沈永进１， 沈建国１，２＊， 韩庆邦１， 余翔宇３
（１．河海大学计算机与信息学院（常州）常州晋陵北路２００号２１３０２２；２．天津大学药物科学与技术学院，天津南开区卫津路９２号３０００７２；３．华南理工大学电子与信息学院，广州市天河区五山路３８１号５１０６４０）
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