电缆声波测井发展史

2892测井仪器

在 1935 年授予的一项专利中,康拉德·斯伦贝谢详细说明了如何采用一个发射器和两个接收器测量井眼穿透的一小段岩层的声速(下图)。他认为利用声速和衰减可以对岩性特征进行描述。他的发明失败了,因为以当时测井工程师的水平和技术能力无法探测到信号以声速传播到相距仅几英寸的接收器之间的时间差。这种时间差极短,仅为数十微秒。

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康拉德•斯伦贝谢于 1935 年获得的声波测井专利示意图。现场工程师(13)滑动套筒(17),直至来自发射器(3 和 4)的声音同时达到左右耳。

在第二次世界大战中,必要的电子仪器出现了,使声波测井成为可能。根据一种说法,声波测井的首次油田应用是在1946年用于确定套管接箍位置。多数其它历史观点则认为,声波测井的首次应用出现在 1948年 Humble Oil Research 开展实验研究之后,接着 Magnolia 石油公司和壳牌公司也进行了类似实验。这些公司设计出可以采集声速信息的仪器,用于地面地震剖面时间 – 深度转换,以及用于建立地震反射与岩性界面之间的关系。这些仪器包括一个发射器和一或两个接收器,发射器和接收器之间由隔声材料隔开。到20 世纪 50 年代中期,服务公司和油公司都采集声波测井数据来产生合成地震记录,以与地面地震剖面进行对比。1957 年,斯伦贝谢在获得了 Humble 专利许可之后推出第一支声波仪器,即速度测井仪器(VLT),用于改进地震解释。

虽然 Magnolia 石油公司的早期论文曾经提出过利用声速确定孔隙度和岩性的可能性,但首先发表证实其相关性实验结果的是海湾石油公司研究部门的科学家。在很短的时间内,对声波孔隙度测井的需求就超过了对地震应用的需求。

1960 年,在委内瑞拉套管井测试VLT响应的现场人员注意到一些层段会引起不能分辨的低波幅信号。他们得出如下结论,即这些异常信号是由胶结条件引起的。测量和记录波至时间与信号幅度导致一种新应用的诞生,CBT 水泥胶结测井很快取代了温度测量用于确定水泥顶部。

到 20 世纪 60 年代初期,第一代声波测井仪器已经获得了数万条测井曲线,工程师们开始设计第二代仪器以解决以下三个问题:仪器耐用性、井眼不规则情况下的弱信号和近井变化。因为早期仪器采用橡胶来隔离发射器和接收器,防止无用信号通过仪器传播而影响所需信号。但是,橡胶会吸收来自气层的气体,导致仪器上提到地面过程中气体膨胀使仪器破裂。通过用钢代替橡胶提高了仪器强度,但是仪器的外壳必须重新设计,以便使声波通过钢传播的路径大于通过地层传播再返回接收器的路径(下图)。许多现代声波仪器仍然采用开槽来延缓完全通过仪器传播的信号波至,即所谓的仪器直达波至。

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声波测井探头上开了很多沟槽,以衰减仪器直达波至。

壳牌公司负责开发第一代声波仪器的工程师提出了解决第二个问题(即不规则井眼中测井质量差)的方法。他采用了接收器和发射器井眼补偿配置,不仅解决了冲刷段信号差的问题,而且解决了仪器倾斜和偏心对测井响应的影响。解决了影响早期仪器的三个问题中的两个之后,斯伦贝谢将该概念应用到1964 年推出的井眼补偿(BHC)声波测井仪的全钢仪器中。BHC 仪器包括两个发射器和四个接收器。

BHC技术问世之后便可以在测井车内的示波器上观察记录的波形。出现在显示屏上的不仅有纵波(P),还有横波(S)以及续至波。由于认识到横波的重要性,20世纪60年代中期成为扩展声波应用的一个重要时期。壳牌的专家提出应用 P 波和 S 波波速比作为岩性指标应用声波测井预测超压层。斯伦贝谢的工程师和研究人员对利用 P 和 S 波波幅确定裂缝位置的效果进行了评估。尽管已经有人提出这些和其它一些横波应用,但当时的采集系统只能记录 P 波的波至时间。波形本身,包括 P 波、S 波和续至波并没有被记录下来。

井眼补偿仪器的另一个缺点是其不能准确测量泥浆侵入、页岩蚀变和钻井诱发破坏的层段的真实地层声波时差。3 - 5 英尺(0.9 - 1.5 米)的发射器-接收器(TR)间距只能捕获在蚀变区传播的波,而不能探测离井眼较远的未蚀变区。通过将 TR 间距提高到8 - 12 英尺(2.4 - 3.7 米),LSS 长源距声波测井仪改善了蚀变页岩地层的测井响应。未蚀变地层的波速更能代表储层的自然态,产生的合成地震记录与地面地震道更吻合。

长 TR 间距还伸展了接收到的波列,将 P、S 和其它波分离到可识别的能包中。为了捕获所有波形,人们不断努力,最终开发出了可记录来自接收器阵列的数字波形的仪器。斯伦贝谢于20世纪80年代推出该技术的第一代商业化仪器,称为阵列声波全波形声速仪器。全波形测井催生出了许多新的处理技术。

20世纪80年代开展了第二代数字声波仪器的研究实验。DSI 偶极横波成像仪有八组四个单极接收器,可以作为正交偶极接收器,还带有一个单极发射器和两个正交定向偶极源。偶极源产生弯曲波,因此可以描述快慢地层的各向异性和横波慢度。

在 20 世纪 80 年代后期,斯伦贝谢的研究人员对许多多接收器声波仪器进行了试验,以测试其采集声波图像(远离井眼、与震波类似的图像)的能力。

声波成像服务的首次商业应用出现在1996 年,但其处理却非常耗时耗力。2005 年,Sonic Scanner 声波扫描平台结合了许多过去的发明并增加了径向测量功能,以同时探测近井地层和远场慢度。仪器本身经过全面的特征描述,具有可以预测的声学属性。单极和偶极发射器有很宽的频带,在所有地层中都能获取很好的波形质量。