正交偶極橫波測井

1、7 .正交偶極聲波測井7. 1正交偶極聲波測井儀器1678MA Receiver Mandrel (XMAC)圖22偶極聲波測井儀器探頭（下）和正交偶極聲波測井儀器（上）探頭比較7. 2各向異性和橫波分裂物理性質(zhì)隨方向而變的介質(zhì)稱為各向異性介質(zhì)。對于均勻各向異性介質(zhì)，一個主軸方向就是 物理性質(zhì)不發(fā)生變化的方向（例如，在此方向上彈性波傳播速度是常數(shù)）.正交各向同性地層 可以由三個互相垂直的主軸方向描述.物理性質(zhì)僅隨方位方向而變的介質(zhì)稱為方位各向異 性介質(zhì)（TI介質(zhì)）。如圖23所示，各向同性撓曲模式波從各向同性介質(zhì)進(jìn)入方位各向異性 介質(zhì)，將分裂成兩個撓曲模式波。兩種模式波的極化（偏振方向）是正交的

2、，且平行于方 位各向異性介質(zhì)的主軸方向。每一個撓曲波以不同的速度傳播：即快波（FP）、慢波（SP）. 利用正交偶極子測井儀器我們可以確定正交各向同性地層的水平主軸方向。理想情況下， 應(yīng)用正交偶極子測井時，假設(shè)其中一個主軸平行井軸.主平面（對稱面）是跨越一對主軸的 平面.如果一個主平面是各向同性，即在這個平面上的任何一個方向都是主軸方向，我們就說 它是方位各向異性地層（TI地層）。理想情況下，含垂直裂縫系統(tǒng)的地層，即裂縫面平行于 井軸，類似于TI介質(zhì)（這時裂縫面是各向同性面），聲波在沿井軸方向傳播就類似于在TI地 層中傳播。然而，在實(shí)際中有多種地質(zhì)特征導(dǎo)致聲波在這些介質(zhì)中傳播類似于在正交各向同

3、性或TI介質(zhì)中傳播（見圖23）.垂直TI介質(zhì)中的橫波分裂是方位各向異性地層中的偶極橫波 測井的理想模型.儀器激發(fā)的偶極橫波將分裂成兩個沿井軸傳播的快波和慢波。圖23橫波分裂紅色軸表示快主軸藍(lán)色軸表示慢主軸極化（振動方向）就是軸的 方向.藍(lán)色平面是裂縫平面引起橫波分裂的地質(zhì)特征：裂縫（裂縫系統(tǒng)），垂直或準(zhǔn)垂直.構(gòu)造活動區(qū)的現(xiàn)場主應(yīng)力地層層面不垂直于井軸.7. 3各向同性介質(zhì)、TI介質(zhì)中的撓曲模式波測量Shear Wave Splitting in Anisotropic MediumFlexural Waves in Isotropic andTransversely Isotropic (TI

4、) MediaIsotropic formation圖24各向同性介質(zhì)、77介質(zhì)中的撓曲模式波測量各向同性地層：X發(fā)射X接收(XX):測量一個速度為c的水平極化橫波Y發(fā)射Y接收(YY):測量一個速度為c的水平極化橫波X發(fā)射Y接收(XY):除了噪聲什么都測不到Y(jié)發(fā)射X接收(YX):除了噪聲什么都測不到正交各向同性/TI地層(X和Y分別與主軸x1和x2 一致)X發(fā)射X接收(XX):測量一個速度為C1的水平極化橫波(XI方向)X發(fā)射X接收(XX):測量一個速度為C2的水平極化橫波(x2方向)X發(fā)射Y接收(XY):除了噪聲什么都測不到Y(jié)發(fā)射X接收(YX):除了噪聲什么都測不到當(dāng)X和Y方向分別與x1和x

5、2不平行.將會測到兩個主橫波四個分量(XX, YY, XY和 YX)的疊加，測量的速度在c1和c2之間.4-C Cross Dipole Data圖25 TI介質(zhì)中的撓曲模式波測量的個分量。XMAC儀器與MAC相比，就單極測量來說，是一種更好的儀器，對于偶極測量更是如此.因 為XMAC設(shè)計的接收器固定的安裝在儀器心軸上,與儀器的心軸是去耦的,因此比MAC相比 有更好的信噪比.常規(guī)MAC偶極測井時常常出現(xiàn)的儀器模式對于XMAC已不復(fù)出現(xiàn).使用 XMAC技術(shù),可以獲得高質(zhì)量的橫波慢度，最大可達(dá)到1100 us/ft.這樣,使聲波偶極測井的應(yīng) 用擴(kuò)展到所有慢地層范圍。7. 4正交偶極子測井資料處理常

6、規(guī)處理：各向異性和快波角度旋轉(zhuǎn)四分量數(shù)據(jù)到地層的主軸方向，則能量交叉最小 方位角指明快行波和慢行波方向（Alford旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)）. . . . . . . . 對旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直波型（主波）進(jìn)行速度分析，確定快慢橫波、各向異性參數(shù)（確定快慢橫波的 方向）.常規(guī)處理的缺點(diǎn)：如果各向異性（快慢波速度差異）超過速度分析的誤差總和時，這種方法將不 能湊效，在各向異性不顯著的情況，兩個慢度比較接近時,可能會出現(xiàn)將慢波方向指示成快波 方向，反之亦然；角度的多解性。圖25清晰的示范了常規(guī)處理方法的缺點(diǎn)。給出快橫波 和慢行波（主波）的誤差橢圓圖（紅色），處理后所確定的慢度（白色星狀）可能比真正的慢 度大或小.因此在

7、這種情況下，導(dǎo)出的快橫波慢度比真快橫波慢度大，比處理確定的慢行波慢 度大（如圖所示），是我們將快波角指示為慢橫波角，反之亦然.Drawback conventional processing: AngleAmbiguity4 (js From staifruess。analysesi i! Slow圖25常規(guī)處理的缺點(diǎn)改進(jìn)處理方案：旋轉(zhuǎn)四分量數(shù)據(jù)獲得每個接收器的兩個主波；利用所有接受信號聯(lián)合，對第m個接受器的慢主波（SP）時移去匹配第n個接收器的快主波（FP）；針對不同角度和各向異性參數(shù)重復(fù)上述過程，疊加所有接受器信號，使時移的SP波和FP 波之間的殘差極小化；對一個波行平移后，取兩個波形的差

8、值再取平方，然后對所有接受器上的波形求和，在整個 時間窗積分（見圖26）。Cross-Dipole inversion analysisg (t) = u (t) cos 2 0 + sin 0 cos 0 lu (t) + u (t)】+ u (t) sin 2 0(t) + u ( t)+ u (t)cos 2 0122122g (t) = u (t) sin 2 0 - sin 0 cos 0 LShift FP wave over time to obtain SP waveg(t)次 g： (t -T )T = Asz - (n - m)AzsA s = s s圖26正交偶極子測井資

9、料反演分析X-Dipole ProcessingThe Global Solution圖27.與各向異性和快波角度為變量的誤差函數(shù)(目標(biāo)函數(shù))形態(tài)圖正交偶極反演分析注意g1(t)和g2(t)在快主波角度9=90+(k/2)鏡象交換，因?yàn)?c 兀.Ccos(0 + ) = - srn(0).c 兀八sin(9 + ) = cos(0)首先我們聯(lián)立四分量數(shù)據(jù)獲得快和慢主波g1(t)和g2(t).你可以看到，這個過程是兩個相 關(guān)的。對于特定。，我們移動在接收器m的快主波獲得在接收器n的慢主波。顯然，我們必須 在正時間J移動它.它可以按如下方式計算：如果我們假定從源向前的橫波出現(xiàn)分裂,這樣在接收器m中

10、兩個橫波之間將會有一個延遲 J1=Aszm.然而，該延遲降低(J2)，因?yàn)槲覀儑L試移動接收器m處的快主波去獲得接收器n處的 慢主波.如果我們用s2表示慢主波的慢度,顯然,我們有J2=(n-m) Azs2.結(jié)果,我們有J= J1- J2. 在移動之后,我們?nèi)蓚€波形差的平方,重復(fù)這個過程，對所有接收器求和，疊加這些結(jié)果并在 整個時間窗積分得出一個殘差值。這就是說在每一個測井深度點(diǎn)，對特定的。，慢度差A(yù)s和 慢主波的慢度s2,我們將由此計算過程輸出一個殘差值。然而，慢橫波慢度可以用。和慢 度差A(yù)s表示，因此，求殘差最小值的過程僅依賴于兩個變量。和慢度差A(yù)s。圖27是各向 異性和快波角度為變量的誤差

11、函數(shù)形態(tài)圖的例子。形態(tài)圖僅限定于正的各向異性，因此全局 最小值可以確定的指定快橫波方向。局部最小值是波形移動過程的人為現(xiàn)象，是g1(t)和 g2(t)在9=90+90鏡象互換的結(jié)果，因?yàn)槲覀兛偸窃谙嗤姆较蛏弦苿?，漏掉了一些周期，這使 得殘差值增大。常規(guī)處理方法與反演處理技術(shù)的對比：圖28清楚地表明：在各向異性不顯著區(qū)域,與常規(guī)處理方法相比，依據(jù)反演的處理技術(shù)就角度的穩(wěn)定性來說，效果好。圖28常規(guī)處理方法與反演處理技術(shù)的對比圖29正交偶極測井處理結(jié)果和質(zhì)量控制指示即.處理時窗和波形重疊顯示快 慢波分裂數(shù)據(jù)擬合殘差比較相對儀器方位的快橫波方位7.6正交偶極測井的應(yīng)用裂縫評估套管井壓裂效果（硬地曷

12、評估現(xiàn)場應(yīng)力評估（砂巖地曷An image presentation combining anisotropy and its azimuthA2IMUTHAL JWISO1RCPY HAPAMAP(ANISOTROPY % )F2Fracture Analysis From Cross-dipole LoggingAnisotropy MapAiMisoraPY(ANi m孩)F2AVG. ANISOTROPYNIA閔F2圖30正交偶極測井處理結(jié)果和質(zhì)量控制指。幅度可以由色彩中的亮區(qū)域確定 方位可以從北極開始在360度范圍內(nèi)測量標(biāo)記范圍的平均值由玫瑰圖指律 四道）。正交偶極測井裂縫分析如果各

13、向異性是由定向裂縫引起的，那么正交偶極分析的快橫波方位與裂縫的走向相關(guān)，且各 向異性幅度指示裂縫密度.Fast Shear WaveCross Dipole Through Casing Finds Frac Azimuth andExtent: (Pre And Post Frac Comparison)AnisotropyPre / Post40% Full ScaleFastsh圖32正交偶極測井在套管井中確定裂縫方位和延伸范圍 過套管正交偶極測井確定裂縫方位和延伸范圍（圖32壓裂前后處理比較）：如果套管與地層膠合得較好，正交偶極儀器可以從套管井確定地層的各向異性，這樣就提供 了一種在套

14、管井中評估壓裂效果的方法。這種各向異性測井可以尋找裂縫的垂直延伸，利 用快橫波方位確定地層中的裂縫方位.在這個例子中，從目的層的上下射孔段進(jìn)行壓裂（射孔段的位置標(biāo)記在第四道）壓裂之后, 從下射孔段注入放射性同位素示蹤劑.第一道顯示注入前后伽馬測井曲線（注入前用黃色曲 線表示，注入之后用紅色表示），二者之間的差別表明裂縫從底部開始延伸。正交偶極子各向 異性曲線顯示在第五道（注入前用黃色曲線表示，注入后用紅色表示）,它們的差別是由壓裂 引起的，各向異性幅度測量裂縫密度。實(shí)際上曲線確實(shí)顯示,在兩條伽馬曲線差別消失的 地方，各向異性曲線達(dá)到最小值。這暗示著從底部伸長的裂縫在這里被停止（一個可能的屏障）

15、, 上部的各向異性是由上部射孔段進(jìn)行壓裂造成的。圖33應(yīng)力引起的橫波速度在井眼周圍的變化地層中的非平衡應(yīng)力與井眼壓力一起，產(chǎn)生了井眼周圍的橫波速度變化.這種速度變化可以 用聲波測井測量,進(jìn)而確定地層應(yīng)力。應(yīng)力-速度模型的數(shù)值模擬表明：快橫波方位沿著最大應(yīng)力方向，慢橫波方位沿著最小應(yīng)力方向。各向異性分裂可以使我們能夠測量應(yīng)力的差異.使 用正交偶極測井是確定地層應(yīng)力的重要的基本手段.Monopole Shear Splitting: A Stress Indication圖34單極橫波分裂：一種應(yīng)力指示，應(yīng)力引起的各向異性Stress-induced anisotropy(Cross-dipole

16、 results in sand/shale)Max Stress AzimuthWALS9712005.28X60Shale:no stress- induced anisotropyDEPTGR 0-200 (gAPi)Fast WaveSlow WaveAVE_ANIS |AVERAGE ANISOTROPY (3706Measure of Stress Difference圖35正交偶極測井測量的應(yīng)力導(dǎo)致各向異性的例子圖35是正交偶極測井測量的應(yīng)力導(dǎo)致各向異性的例子（砂泥巖地層的交叉偶極子測井結(jié)果） 這種各向異性在砂巖中意義重大,但在泥巖中不出現(xiàn).各向異性結(jié)果給出最大應(yīng)力方位，各向 異

17、性幅度提供地層剪切應(yīng)力（或應(yīng)力差異）的測量。Stress EstimationPTH (fe GRIndication of stress and related rock deformation0 200(gAPI)“STRESS INDICATOR (Ani V) 0100(km /s)X850,FAST VSLOW V2000 3000 (m/s)-3500 5000(m/s)POISSONRATIOEstimation of Max and Min stress difference圖36應(yīng)力評估應(yīng)力評估圖36正交偶極測井曲線可以聯(lián)合橫波速度資料給出應(yīng)力指示參數(shù)（第二道）。指示參數(shù)是剪

18、 切應(yīng)力幅度和巖石形變的聯(lián)合效應(yīng)。指示參數(shù)對應(yīng)力敏感，在砂巖中顯示高值，在穿過剪切應(yīng)力層顯示低值（見第一道GR曲線）。利用各向異性也可以確定地層的應(yīng)力差異（第三道）mi0.50Cross Dipole & In-situ Stress (Max stress AZ from minifrac agrees with fast-shear AZ)Rock Modulli Anisotropy Azimuthal Shear, BulKBorehole Image Borehole Image0 -10 % Scale Anisotropy Map 0 Youngs 20Pre - Frac Post - FracDTS F/S 0360 Poissons0360 0360圖37正交叉偶極子與現(xiàn)場應(yīng)力圖37顯示正交偶極測井確定水壓裂前的快橫波方位為51度。壓裂后最大應(yīng)力方位為46 度，與偶極測量結(jié)果確定的應(yīng)力方向符合得很好。Flow Chart: Cross-Dipole ProcessingWALS9712005.32OPTIONALProcessing ParametersZoneableCreate anismap PDF file ABtomatic