專利名稱：：利用井下單極和交叉－偶極聲學測量識別和估計地層應力的制作方法利用井下單極和交叉-偶極聲學測量估計地層應力理論和方法本發(fā)明背景和概要本發(fā)明涉及利用聲學技術(shù)確定地質(zhì)層信息的方法。具體地說，本發(fā)明涉及確定關(guān)于地質(zhì)層中應力場的信息的聲學方法。背景聲波場地質(zhì)層特征的知識對許多產(chǎn)業(yè)是重要的。這些產(chǎn)業(yè)包括石油勘探和開發(fā)。已發(fā)展了許多收集這種信息的方法。表征地質(zhì)層的這些方法中有一些使用聲學手段收集那些信息。在這些方法中通常是聲波場被傳送到地層中。關(guān)于地層的某些信息是基于這樣的事實即聲波場以依賴于介質(zhì)的不同速度傳播。然而，聲波場不僅以依賴于介質(zhì)的不同速度傳播，而且還以不同的振型(mode)穿過彈性介質(zhì)傳播。這些振型包括壓縮波或稱P-波，其中的質(zhì)點沿波行進的方向運動；以及剪切橫波或稱S-波，在假定為均勻、各向同性介質(zhì)時，它可以沿兩個正交方向偏振，其運動垂直于波行進方向。還存在非對稱的撓曲波，這將在下文中討論。P-波可通過液體和固體傳播。在液體中不能存在剪切波。當壓縮波穿過井孔中液體傳播時，如果井壁材料的剪切波速度大于井孔中液體的壓縮波速度，則根據(jù)斯內(nèi)爾(Snell)折射定律，該壓縮波會在井壁材料中轉(zhuǎn)換振型，變?yōu)榧羟胁?。否則，在井壁材料中的剪切波只能由直接激發(fā)產(chǎn)生。撓曲波是彎曲波。撓曲波包含質(zhì)點在介質(zhì)中基本上沿著與傳播方向橫交的方向上的位移，但撓曲波既不能歸類于壓縮波也不能歸類于橫波。攜帶彎曲波的構(gòu)造所具有的橫阻抗(對波傳播的阻止)能與相鄰液體中聲波阻抗的大小相近，所以有利于在這兩種介質(zhì)中的能量交換。除了其他參數(shù)外，各種傳播振型是可由它們的相對速度來區(qū)分的。壓縮波和剪切橫波的速度是波所穿過的介質(zhì)的彈性常數(shù)和密度的函數(shù)。為了實用的目的，S-波速度約為P-波速度的一半。穿過井孔中液體傳播的壓縮波場通常慢于地層中的剪切波，但是對于鉆入某些類型松軟地層的井孔，井孔中液體速度可能大于井壁地層的S-波速度。據(jù)說，撓曲波的速度作為聲激發(fā)頻率的倒函數(shù)會達到S-波速度。某些作者把撓曲波稱作偶極剪切波。背景聲波測井工具測量帶套管和不帶套管井孔中井壁材料性質(zhì)的聲波測井工具是眾所周知的。實質(zhì)上講，這種工具是測量一個聲脈沖穿過井壁材料在已知距離上傳播的行進時間(traveltime)。在某些研究中，感興趣的是該聲脈沖穿過地殼后的振幅和頻率。按其最簡單的形式，一個聲波測井器包含一或多個發(fā)射器變換器(transmittertransducer)，它周期性地把一聲脈沖發(fā)射到井孔周圍的地層中。一或多個接收器變換器(receivertransducer)放置在與發(fā)射器相距一已知距離的位置上，檢測穿過周圍地層后的脈沖。用脈沖發(fā)射和脈沖接收二者之間的時間差除兩個變換器之間的距離便是地層速度。如果變換器不與井孔壁接觸，則必須扣除(allowance)穿過井孔中液體造成的時延。背景聲學單極偶極測井儀器除了其他目的外，聲學單極／偶極測井儀器用于進行涉及被井孔穿過的地層剪切波傳播速度和壓縮波傳播速度的測量。聲波測井工具一般是柱狀的，而且其尺寸適于通過充液的井孔。通常，該工具攜帶兩個或更多個變換器，它們布設和固定在彼此相距一固定的距離上。在一典型的聲波測井工具中，一個變換器陣列用作聲波發(fā)射器，而另一個變換器陣列用作聲波接收器。接收器沿工具的縱軸分布在發(fā)射器的一側(cè)，彼此相距一預定的距離。在操作過程中，工具中的發(fā)射器被周期性地電啟動以發(fā)射聲能(或壓強波)，它從發(fā)射器向外傳播，其速度取決于該能量穿過的介質(zhì)。在相繼放置的接收器處檢測該聲能的到達，以觸發(fā)工具中的電路，這些電路的作用是由穿過陣列接收器之間該預定距離的聲能脈沖確定地層的特征。在一典型的井孔中，聲波測井工具通常放置在離開井孔壁的地方，從而使所發(fā)射的聲波能量或壓強脈沖首先穿過井孔中的液體(通常為泥漿)全方位傳播，且在穿過液體中從工具到井孔壁的距離之后，一部分行進的波能量被傳送到井孔周圍的鄰近介質(zhì)中。穿過井中液體的波運動或波能量的特征速度一般為5000英尺／秒左右，而穿過相鄰介質(zhì)的波運動的特征速度對于壓縮波而言可以在5000英尺／秒至25，000英尺／秒之間變化，取決于所遇到的介質(zhì)。其他類型的波有類似的性質(zhì)。傳播到介質(zhì)中的那部分聲波能量通常的傳播速度高于其相應部分波能量在井孔液體中的傳播速度。由于這一原因，穿過介質(zhì)傳播的那部分波能量到達接收器的時間先于穿過液體傳播的那部分聲波能量的到達時間。正是介質(zhì)傳播速度較高這一特性使得允許測量井孔周圍介質(zhì)中聲波能量的速度。背景地層應力場關(guān)于地層應力場的詳細信息對于油田操作是很重要的。應力控制著有限強度巖層的完整性／穩(wěn)定性。這樣，知道應力取向和大小將有助于設計鉆井計劃，以避免井孔不穩(wěn)定或垮塌。在水庫工程中，知道應力將會或?qū)⒉粫斐删撞环€(wěn)定性將有助于確定是否必須某種昂貴的處理(例如礫石填充)。再有，應力知識有助于發(fā)現(xiàn)水壓裂隙(hydraulicfracture)的方向并幫助確定水庫中的液流方向。這些只是說明知道地層應力場的重要性的少數(shù)例子。傳統(tǒng)上是利用井孔封隔器(packer)和微裂隙測試來完成現(xiàn)場應力測量。這種方法通常是費時和費錢的?；诰茁晫W測量確定現(xiàn)場應力場會提供一種快速而且便宜的途徑來收集地層應力場的詳細信息。授予Mao的美國專利No．4，641，520中描述了一種建議的利用聲學測量來確定有關(guān)地層應力場的信息的方法。在Mao的方法中，利用聲學剪切波來測量井孔周圍和附近的由應力引起的剪切波速度各向異性，從而確定現(xiàn)場應力。對應力場的估計是基于這樣的事實，即兩個剪切波速度之差與質(zhì)點運動在兩個方向上的應力差成比例。授予Sinha等的美國專利No．5，298，215中描述了另一種建議的利用聲學測量確定有關(guān)地層應力場信息的方法。在這一方法中，利用雙極變換器產(chǎn)生低頻和高頻的撓曲波。根據(jù)在接收變換器處進行的測量，這些變換器的取向是在垂直于井孔軸的水平平面中的兩個正交方向上，通過已知的處理技術(shù)，所收到的信號被轉(zhuǎn)換成到達時作為頻率的函數(shù)，從而在不同的頻率上確定了主偏振方向和在那些方向上最大和最小波速度的大小。通過比較低頻波和高頻波的最大和最小剪切波速度的方向，可以確定在地層中的單軸應力是歸因于由方位各向異性〔一些參數(shù)，如滲透性(permeabilify)的取向差，這些參數(shù)由于應力造成在井孔周圍隨角度變化〕造成的應力，還是相反地歸因于固有的各向異性(對于地層為固有的各向異性，并非由于應力造成)。然后，其低頻信息被利用于得到地層剪切應力參數(shù)之值。這兩種技術(shù)都是基于應力對剪切波速度的影響。Mao的技術(shù)利用應力和速度之間的線性關(guān)系，而Sinha等的技術(shù)利用應力和速度的非線性關(guān)系。然而，這兩種技術(shù)都有本質(zhì)上的缺點。Mao的技術(shù)的一些缺點在于只是井孔周圍和附近的速度變化被測量這個事實，而且在其關(guān)系中的應力-速度耦合系數(shù)事實上是未知的。Sinha等的技術(shù)的一些缺點在于事實上它需要確定非線性彈性常數(shù)，而且它利用高頻處的快和慢雙極剪切波頻散曲線(dispersioncurres)的交叉現(xiàn)象來檢測由應力導致的各向異性。對于通常觀測到的只有百分之幾的各向異性值而言，這種交叉現(xiàn)象可能難于觀測到。再有，在兩種技術(shù)中，井孔壓強對地層剪切波速度的影響都未予考慮。如將要說明的那樣，這一壓強能顯著地影響那些可用于識別由應力導致的各向異性的單極剪切波。利用井下單極和交叉-偶極聲學測量識別和估計地層應力。本申請公開一種系統(tǒng)和方法，用于根據(jù)井孔聲學單極和交叉-偶極測量來確定現(xiàn)場應力場。在井孔中產(chǎn)生一個由徑向偏振單極引導(guided)的剪切波。然后確定該剪切波是否分裂成兩個剪切波。如果是，則利用這兩個分裂的剪切波之間的速度差確定在井孔周圍和附近由應力導致的各向異性。測量交叉雙極剪切波的速度差和快剪切波的方向，并用于確定地質(zhì)層的最大剪切應力大小和最大應力取向。本申請還公開一種方法用于根據(jù)實驗室測量以及通過野外測量標定來確定應力-速度耦合系數(shù)?？紤]了井孔壓強對確定應力-速度耦合系數(shù)的野外測量標定方法的影響。本申請還公開了一種確定一應力指標的方法，該指標與應力引起的巖石形變有關(guān)，并可用于確定是否即將發(fā)生巖石破裂。這是重要的，因為巖石破裂能引起井孔毀壞，使鉆桿陷在里面和產(chǎn)生重新鉆孔的需要。在其各種實施例中所公開的發(fā)明提供了至少下述優(yōu)點的一個或多個提供一種快速和廉價的途徑來確定地層的現(xiàn)場應力場；提供比先有方法更好的方法來確定關(guān)于地質(zhì)層的信息，因為考慮了井孔壓強對剪切波速度的影響。圖2表示測試應力-速度耦合系和利用Rai和Hanson(1987)的實驗室數(shù)據(jù)確定耦合系數(shù)的曲線圖。圖3A-3C表示井孔周圍徑向應力的、剪切應力和切向應力的變化(表示為等值線)。圖4A-4C表示由于地層和井孔壓強造成的井孔周圍的剪切模量圖(表示為等值線)。圖5表示沿最大應力和最小應力方向偏振的剪切速度剖面圖。圖6表示由應力引起的偶極剪切波分裂圖，這是在各向異性應力-速度模型上利用有限差分波模擬得到的。圖7A-7B表示由于應力引起的各向異性和由于固有的各向異性造成的單極剪切波分裂的對比圖，作為區(qū)分它們的一種手段。圖8表示由交叉雙極數(shù)據(jù)分析得到的應力引起的剪切波方位各向異性實例圖。圖9表示利用野外單極聲學測井數(shù)據(jù)樣本對與應力有關(guān)的波傳播理論的驗證。圖10表示對于沙層的應力估計圖。圖11表示適于實現(xiàn)這里所公開的方法的測井裝置圖。圖12表示在適于實現(xiàn)這里所公開的方法的測井裝置中單極和偶極發(fā)射器和接收器陣列的取向詳圖。最佳實施例詳述將具體參考這里的最佳實施例(以舉例方式，而不是作為限定)描述本發(fā)明的多種創(chuàng)新的原理。定義下面是本發(fā)明中使用的一些技術(shù)術(shù)語的通常含義的簡短定義。(然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會理解其上下文中是否需要不同的含義。)在標準的技術(shù)詞典和雜志中可發(fā)現(xiàn)更多的定義。速度除非在本說明中特別限定，否則速度將是指聲波場穿過介質(zhì)的速度，而不是介質(zhì)本身的運動速度井孔一個深的窄小的柱狀孔，特別是為尋找水、油等在地下造成的孔。各向同性在所有方向上有相同的物理性質(zhì)。各向異性在不同的方向上具有的物理性質(zhì)不同，例如木頭沿紋理的強度不同于穿過紋理方向的強度。井孔聲學單極一種聲波，它沿井孔傳播，且其伴隨的質(zhì)點運動(例如偏振)是相對于井孔軸對稱的。井孔聲學偶極一種聲波，它沿井孔傳播，且其伴隨的質(zhì)點運動(例如偏振)主要是沿垂直于井孔的一個方向。地層(或巖層)環(huán)繞井孔的特定類型巖石或不同巖石組合所構(gòu)成的地球分層。交叉偶極兩個偶極，它們的偏振方向彼此成直角。方位離開垂直于垂線的xy平面中x軸的角距離。方位的屬于方位的或與方位有關(guān)的。剪切波一種聲波，其中質(zhì)點運動的方向垂直于波傳播的方向。壓縮波一種聲波，其中質(zhì)點運動的方向平行于波傳播的方向。概述本申請描述了一種簡單但有效的方法，它利用井孔聲學單極和交叉偶極測量來確定地層應力場。這種方法是基于一線性的應力-速度關(guān)系。利用已發(fā)表的實驗室數(shù)據(jù)檢驗這一關(guān)系不僅證實了這一關(guān)系的有效性，而且還確定了這一關(guān)系所需要的必不可少的參數(shù)。把此應力-速度關(guān)系應用于井孔環(huán)境產(chǎn)生一種理論，它描述了井孔周圍由應力引起的剪切速度變化。這一理論能夠令人滿意地描述由應力引起的對單極和偶極聲波的影響，為利用井孔聲學測量確定由應力引起的剪切波各向異性提供了堅實的基礎。數(shù)值模擬表明，垂直于井孔的兩個主應力在由交叉偶極測量得到的偶極剪切波數(shù)據(jù)中產(chǎn)生分裂。它們還在單極剪切波數(shù)據(jù)中產(chǎn)生甚至更大的分裂。這后一個分裂提供一種判據(jù)，以核實所確定的各向異性是否是由應力場引起的。這樣，通過把這兩種測量相結(jié)合，可檢測出由應力引起的剪切波各向異性并估計出兩個主應力的取向和兩個主應力之間的差。再有，利用交叉偶極測量可確定一個應力指標，它與巖石形變及地層剪切應力大小有關(guān)。這一指標可用于指示即將到來的巖石破裂或其產(chǎn)額，從而可能用于沙控制和井孔穩(wěn)定性等應用。顯示了一個野外數(shù)據(jù)實例，以說明本方法的應用。這一數(shù)據(jù)集表明由應力引起的剪切波速度變化和各向異性在沙中是顯著的，而在頁巖中是可忽略的，這與實驗室測試結(jié)果一致。把所建議的方法應用于聲學測井數(shù)據(jù)，產(chǎn)生了最大應力取向和剪切應力大小。應力-速度關(guān)系利用實驗室數(shù)據(jù)進行的評估考慮雙軸加載的情況，這里兩個正交的主應力σx和σy分別作用在x和y方向。剪切波的傳播方向是在z方向。在x和y方向上偏振的剪切波傳播速度分別由如下的應力-速度關(guān)系給出(Mao，N．H的美國專利4，641，520號)式中S∥是對于平行于剪切波偏振方向的應力的應力-速度耦合系數(shù)，而S⊥是對于垂直于剪切波偏振方向的應力的交叉耦合系數(shù)；Vox和Voy分別為對于x和y偏振方向的無應力剪切波速度。如果Vox和Voy不等，則存在固有各向異性。等式(1)和(2)提供了一個簡單的關(guān)系來描述由應力引起的剪切波速度變化。在把這一關(guān)系應用于地層應力估值問題之前，表明這一關(guān)系可應用于真實巖石是很重要的。將利用實驗室數(shù)據(jù)檢驗這一關(guān)系。還將提供一種確定式(1)和式(2)中的耦合系數(shù)的方法。在實驗室中，可由單軸加載下的剪切波速度測量來確定巖石樣品的耦合系數(shù)S∥和S⊥。按照圖1中所示的安排，單軸應力σx110沿x方向加到樣品120上。(雖然圖中示為塊狀構(gòu)造，但該樣品不一定要有這樣的形狀，而是可以有其他形狀，如柱狀。然而，如果使用其他形狀的樣品，則剪切變換器必須使其形狀能與那種形狀的表面很好地耦合。)面向z方向的剪切波發(fā)射器和接收器變換器130被裝在樣品的相對兩側(cè)。在兩個偏振方向140上測量剪切波速度一個在x方向，另一個在y方向，二者都垂直于所加應力的方向。對于這種配置，式(1)和式(2)簡化為Vx2-V0x2=S//σx-----(3)]]>如果對一個σx值范圍測量Vx和Vy，那么通過分別使Vx2-Vox2對σx和Vy2-Voy2對σx數(shù)據(jù)進行線性擬合，可以確定系數(shù)S∥和S⊥。Rai，C．S．和Hanson，K．E在“沉積巖中的剪切波速度各向異性實驗室研究”〔地球物理學，53，800-806(1987)〕中發(fā)表的實驗室數(shù)據(jù)被用于演示這一方法。圖2表示對于三種不同沉積巖的測量平方剪切速度差對單軸應力的關(guān)系曲線。第一個是2．5％孔隙度的沙巖〔實心圓(平行)，空心圓(垂直)〕。隨著應力增加，在平方速度和應力之間存在清楚的線性關(guān)系，正如式(3)和(4)描述的那樣。對這一沙巖，使數(shù)據(jù)對應力線性擬合并對擬合直線的斜率求值，給出S∥=40，414m2／s2Mpa和S⊥=18，663m2／s2Mpa。注意到S∥至少大于S⊥的兩倍，說明應力在平行于波偏振方向上引起的速度變化比垂直于波偏振方向上引起的速度變化大得多。由Nur，A和Simmons，G的實驗室結(jié)果〔“巖石中由應力引起的速度各向異性實驗研究”，地球物理研究雜志，72，6667-6674(1969)〕，也能導出同樣的結(jié)論，盡管他們的測量是以不同的配置進行的。第二組數(shù)據(jù)是對18．6％孔隙度的沙巖得到的〔實心方塊(平行)，空心方塊(垂直)〕。使用與前相同的方法，確定S∥=89，213m2／s2Mpa和S⊥=31，867m2／s2Mpa。這些值比2．5％孔隙度沙巖的值大得多，表明對于有更多缺陷(孔、縫隙等)的巖，應力產(chǎn)生的速度變化比具有更少缺陷的要大。同樣，又是S∥比S⊥大得多。對平行數(shù)據(jù)的擬合表明多少有些偏離線性理論(非線性效應，如Sinha，B．K．和Kostek，S在美國專利5，398，215號中描述的理論描述的那樣)。盡管如此，作為一級近似，該線性理論對數(shù)據(jù)的擬合是合理地好的。第三組數(shù)據(jù)是對10．3％孔隙度的頁巖樣品得到的〔實心三角(平行)，空心三角(垂直)〕。這一樣品顯示出z方向和x方向(或y方向)之間有強烈的剪切波橫向各向異性(Rai和Hanson，1987)。令人吃驚的是，如圖2中所示，在x方向和y方向之間有極小的依賴于應力的各向異性以及由應力引起的速度變化。估計的S∥=1，850m2／s2Mpa和S⊥=-1，600m2／s2Mpa。與前面兩個例子相比，這兩個應力-速度耦合系數(shù)相當小。這一結(jié)果表明，在頁巖中由應力引起的方位各向異性是不顯著的。如下文中將表明的那樣，這一結(jié)果在解釋沙頁巖地層中交叉偶極各向異性測井資料中是很重要的。利用實驗室數(shù)據(jù)對線性應力-速度關(guān)系的評估不僅證明了該理論的有效性，而且還提供了一種確定耦合系數(shù)的方法。它還表明在具有高孔隙度和／或裂隙密度的巖石中的應力-速度耦合效應大于具有低孔隙度／裂縫密度的巖石中的應力-速度效應。特別是已經(jīng)看到在頁巖中這種效應是不顯著的。在已經(jīng)建立了應力-速度關(guān)系〔式(1)和式(2)〕的有效性之后，便可把這些等式應用于研究井孔周圍由應力引起的速度變化，如在下節(jié)中將要討論的那樣。井孔周圍應力引起的剪切波速度變化理論在這一節(jié)中描述關(guān)于井孔周圍應力引起的剪切波速度變化的簡單而有效的理論。除了利用應力-速度關(guān)系外，該理論的實質(zhì)是把應力場和造成的速度變化分解成方位各向同性和各向異性分量。結(jié)果，可以為許多井孔和地層應力狀況(如加壓井孔、不平衡地層應力等)有效地建立模型。考慮圖3中所示充液井孔結(jié)構(gòu)，以其井孔軸處在垂直方向。有三個應力作用在井孔中和井孔周圍P，σx和σy，這里P是井孔內(nèi)的流體壓強，σx和σy分別是在x和y方向上的兩個主應力。利用P，σx和σy，地層徑向應力(σr)、切向應力(σθ)和剪切(σrθ)應力可表示為(Jaeger，J．C和Cook，N．G．W巖石力學基礎，Halsted出版社，1977)σr=σx+σy2(1-R2r2)+pR2r2]]>+σx-σy2(1+3R4r4-4R2r2)cos2θ------(5)]]>σθ=σx+σy2(1+R2r2)-pR2r2]]>-σx-σy2(1+3R4r4)cos2θ------(6)]]>σrθ=-σx-σy2(1-3R4r4+2R2r2)sin2θ------(7)]]>式中θ是距x方向的角度，r是徑向距離，R是井孔半徑。利用給出的應力-速度關(guān)系〔式(1)和(2)〕及應力場〔式(5)、(6)和(7)〕，可描述井孔周圍由應力引起的速度變化。需要澄清相對于方位的兩類變化各向同性的和各向異性的。各向同性變化是不依賴方位角θ的，而各向異性變化是隨方位角θ而變化的。于是，式(5)至(7)中的應力要素被分解成方位各向同性的和方位各向異性的分量，如下式所示σr=σriso+σrani------(8)]]>σθ=σθiso+σθani------(9)]]>σrθ=0+σrθani------(10)]]>式中上標iso和ani分別代表各向同性分量和各向異性分量。式(5)和式(6)的頭兩項對應于σriso和σθiso，而這兩式中的最后一項分別對應于σrani和σθani。σrθ的各向同性分量為零。請注意，各向異性應力分量由應力差σx-σy控制?，F(xiàn)在將應力-速度關(guān)系〔式(1)和(2)〕應用于各向同性分量。在這一關(guān)系中的應力為主應力。對于方位各向同性的應力，徑向和切向應力已經(jīng)是主應力。對于單極和偶極聲學測量，剪切波偏振主要是在平行于σriso的徑向。因此，所造成的剪切速度由下式給出式中V0是不受應力的地層剪切速度。在式(11)中的剪切速度只是徑向距離的函數(shù)。它由平均地層應力(σx+σy)／2和井孔壓強P控制〔見式(5)和(6)〕。在先前提到的技術(shù)中，未考慮井孔壓強作用。如下文中將看到的那樣，井孔壓強對近井孔剪切速度變化有貢獻，因而影響對近井孔變化敏感的單極剪切波。讓我們考慮各向異性應力分量。這一應力系統(tǒng)的主方向是在x和y方向，在這兩個方向上剪切應力消失。為了應用應力-速度關(guān)系，這些應力分量需利用下式旋轉(zhuǎn)到它們的主方向σxxani=σranicos2θ-σrθanisin2θ+σθanisin2θ------(12)]]>σyyani=σranisin2θ+σrθanisin2θ+σθanicos2θ------(13)]]>對于這里的情況還需要定義“不受應力的”速度。因為式(11)中的各向同性速度不依賴于各向異性應力，現(xiàn)在把這一速度定義為各向異性應力場的不受應力的速度。這樣的話，各向同性和各向異性應力系統(tǒng)的作用被組合在一起。利用應力-速度關(guān)系，沿x和y方向偏振的剪切波的速度由下式給出式(14)和(15)定義了一種特殊類型的彈性波各向異性，稱作橫向各向同性(TI)，它是描述在兩個正交方向(例如x和y)上偏振的剪切波不同傳播特性的最簡單模型。這種TI介質(zhì)的對稱軸是沿x方向(即最大應力方向)。TI介質(zhì)有5個彈性模量C11、C12、C13、C44和C66，其中最后二個，即C44和C66對于剪切波傳播具有頭等重要性(例如，White，J．E地下聲，ElsevierScience出版公司，1983)。利用式(14)和(15)，這兩個模量由下式給出C66=ρVx2(r,θ)------(16)]]>C44=ρVy2(r,θ)------(17)]]>式中ρ是地層密度。其余模量按C12=C13=C11-2C66和C11=ρV2p計算，這里Vp是壓縮波速度，它可被設成一個適當值，因為主要關(guān)心的是剪切波。當用式(16)和(17)為井孔周圍的方位各向異性建立模型時，井孔軸取作z方向，它垂直于xy平面。式(16)和(17)必須滿足一個必要的物理條件。這就是當?shù)貙討Ρ黄胶鈺r，即當σx=σyC44=C66時，二式描述的各向異性地層剪切波性質(zhì)必須變成各向同性的。利用式(14)和(15)能容易地證實這一點，因為當σx=σy時各向異性應力場消失。正是這一物理條件導致應力和速度場分解成各向同性和各向異性分量?！踩绻咽?5)至(7)中的總應力直接旋轉(zhuǎn)到主方向和使用旋轉(zhuǎn)后的應力代替式(14)和(15)中的σxxani和σyyani，則這一物理條件將不被滿足〕。式(16)和(17)定義的介質(zhì)既是各向異性的又是不均勻的，因為由式(14)和(15)給出的速度隨r和θ變化。為了說明在井孔周圍由應力引起的剪切模量(或速度)的變化，對地層應力〔式(5)、(6)和(7)〕及各向同性〔式(11)〕和各向異性〔式(14)和(15)〕速度進行了數(shù)值估計以計算剪切模量。圖3表示對于p=30Mpa，σx=40Mpa和σy=30Mpa時井孔周圍的徑向、剪切和橫向應力分布。圖4表示結(jié)果造成的井孔周圍各向同性〔Ciso=ρV2iso，式中Viso在式(11)中給出〕和各向異性(C44和C66)剪切模量分布，這里使用S∥=89，213m2／s2Mpa和S⊥=31，867m2／s2Mpa，是由18．6％孔隙度的沙巖確定的值(圖2)。如能預料的那樣，在井孔周圍Ciso只有徑向變化，而C44和C66隨方位顯著變化。C44和C66變化中的很有意義的特點是沿x方向的剪切模量在接近井孔處較低，在距井孔1-2個半徑左右的地方剪切模量變得較高；而對于y方向，它們在接近井孔處較高，而在離開井孔處變低。這一剪切模量或速度變化特性只是由于在井孔附近區(qū)域應力集中造成的。為說明靠近井孔和遠離井孔的特性，可利用式(14)和(15)計算沿x軸的Vx和沿y軸的Vy。其結(jié)果示于圖5。可以清楚地看出兩個速度的交叉。對于這一例子，在井孔處Vx約比Vy低10％，但在距井孔7個半徑處Vx變成比Vy高4％。如圖5中所示，Vx和Vy相等處的距離近似地定義了靠近井孔區(qū)和遠離井孔區(qū)之間的邊界。剪切速度分布的這些特性對于井孔中的聲學測量有很重要的應用。利用井孔中聲學測量表征和估計地層應力井孔周圍由應力引起的速度變化對單極和偶極／交叉偶極聲學測井數(shù)據(jù)產(chǎn)生可測量的作用。反過來，這些測量到的作用允許我們估計應力場信息。在下文中將討論速度分布〔式(14)和(15)〕對偶極和單極聲波的影響。將會表明，交叉偶極各向異性測量能確定主應力的取向以及它們之差，而且單極剪切波測量能把應力引起的各向異性與地層各向異性的其他來源區(qū)分開?，F(xiàn)在考慮由交叉偶極聲學工具測量得到的應力引起的剪切波各向異性。這個工具包含兩個方向的偶極發(fā)射器和接收器系統(tǒng)，它們的指向相距90°(Patterson，D．和Shell，G“用于改進的地層評估的交叉偶極聲學集成”，第38屆年會文集中的文章E，專業(yè)測井分析協(xié)會，1996)。偶極工具作為一種低頻聲裝置，能穿透到深部地層。根據(jù)式(5)和(6)(也見圖4)，在2～3個井孔半徑距離上，依賴于r的項迅速消失。這表明指向x和y方向的低頻偶極將分別測量兩個速度，其由下式給出式中Vx2和Vy2分別由式(14)和(15)給出?？紤]到σx＞σy和S∥＞S⊥的事實(見圖2)，便能立即得出結(jié)論Vx＞Vy這表明在遠離井孔處低頻偶極工具將測量出沿最大應力方向的速度快于沿最小應力方向的速度。上述分析結(jié)果被以使用Cheng等發(fā)展的技術(shù)進行的數(shù)值有限差分模擬所證實，Cheng等發(fā)展的技術(shù)見Cheng等的“在三維中的井孔波傳播”，美國聲學協(xié)會雜志，97，3483-3493(1995)。利用各向異性應力-速度模型〔式(14)至(17)〕，分別對沿x和y方向的兩個偏振計算出偶極陣列波形。關(guān)于模型特性，請參考圖5。在當前的模型中，在井孔處Vx比Vy低16．8％，而在遠離井孔處Vx比Vy高6．8％。在模擬中的波中心頻率在3．5KHz左右。圖6表示模擬結(jié)果。指向x(最大應力)方向的波(實線)的確傳播得快于指向y(最小應力)方向的波(虛線)，盡管在井孔附近的各向異性速度有復雜的變化(例如圖4和圖5)。圖6中快波和慢波的分裂給出各向異性的量度，它幾乎是嚴格的遠場值6．8％。在兩個正交應力方向上剪切波偏振的速度差稱作“應力引起的剪切波各向異性”。這是一個重要結(jié)果，它構(gòu)成利用交叉偶極聲學測井確定應力引起的各向異性的基礎。利用交叉偶極測井技術(shù)的新進展(Joyce等，“利用4分量交叉偶極分析對斷裂的碳酸鹽巖儲層的現(xiàn)代解釋”，第39屆年會文集中的文章R，專業(yè)測井分析協(xié)會，1998)和處理技術(shù)的新進展(如授予Tang和Chunduru的美國專利5，712，829號中所描述的，或Tang，X．M．和Clunduru，R．K的“由交叉偶極陣列聲波形數(shù)據(jù)聯(lián)合反演地層剪切波各向異性參數(shù)”，地球物理，待發(fā)表，1998)可以容易地確定地層的方位各向異性。交叉偶極測量給出快剪切波偏振方向和快、慢剪切波的速度Vx和Vy。對于由應力引起的各向異性來說，這一研究的結(jié)果表明，交叉偶極測量把最大應力方向確定為快剪切波偏振方向，并找出沿最大和最小應力方向的快速度和慢速度。這兩個速度分別由式(18)和(19)給出。這兩個等式允許我們確定垂直于井孔的最大和最小主應力之間的差值大小。通過式(18)和(19)相減，得到這一結(jié)果表明，應力之差與測量到的速度差(或各向異性)成正比，而且其比例系數(shù)是平行和垂直耦合系數(shù)之差的倒數(shù)。式(20)的一個直接應用是用于解釋由交叉偶極測量結(jié)果得到的應力引起的各向異性。根據(jù)Tang和Chunduru(1998)，方位剪切各向異性被定義為γ=(Vx-Vy)V‾,]]>并且V=(Vx+Vy)／2和Vx≥Vy(21)利用式(20)和(21)，定義一個地層應力指標如下式中τmax=(σx-σy)／2是地層中遠離井孔的最大剪切應力。如果已知偶合系數(shù)之差，則式(22)可被用于直接從交叉偶極各向異性分析結(jié)果計算地層中的應力差或最大剪切應力。即使不知道S∥-S⊥的值，式(22)中定義的參數(shù)組合可直接用作與應力有關(guān)的地層特征的重要指標。對此有兩個理由。第一，如從實驗室測試結(jié)果所看到的那樣，具有高S∥-S⊥值的巖石一般在應力作用下由于缺陷集中度較高而易于變形。所以，在相同應力條件下，這些巖石比具有較小S∥-S⊥值的巖石更易于屈服或破壞。第二，如果給定相同的耦合系數(shù)，受到較高(剪切)應力的巖層將比受到較低應力的巖層更快地遭到破壞。這樣，應力和耦合系數(shù)差之積用作巖層區(qū)間臨近破裂的一個有效指標。在儲層生產(chǎn)過程中的沙控制中或在井孔穩(wěn)定性及地層力學性質(zhì)等的研究中，這一指標可找到有用的應用。再有，可從交叉偶極測量中直接得到這一指標，作為各向異性與平方平均剪切速度的乘積〔式(22)〕。解釋交叉偶極測量得到的各向異性的一個重要方面是確定各向異性的原因，因為能由其他來源造成各向異性，如由于排列的微結(jié)構(gòu)或裂縫等造成的固有各向異性。這里表明，可由單極剪切波形中的剪切波分裂程度來區(qū)分出應力引起的各向異性。聲學單極源引起沿井孔壁傳播的徑向偏振剪切波。如果在井孔周圍的地層是方位各向異性的，如式(16)和(17)描述的那樣，則徑向剪切波將分裂成分別在x和y方向振的兩個剪切波。通過衍射回井孔液體，這兩個剪切波被單極接收器檢測到。存在衍射剪切波的條件是這兩個剪切波的速度大于井孔液體的速度，這被稱作快地層狀況。應力引起的各向異性與其他類型各向異性之間的最重要區(qū)別在于前者以強的近井孔變化為其特征(見圖4和5)，而后者沒有這些變化(即在穿過靠近井孔和遠離井孔的區(qū)域上它們可被模擬為均勻的。這種近井孔變化可用單極剪切波測量到。與偶極剪切波相比，單極剪切波由于其較高的頻率成份(一般在10KHz的量級)故有較淺的穿透深度。這樣，可以預料，單極剪切波將受到由地層應力引起的近井孔剪切速度變化(見圖4和5)的顯著影響。使用與偶極波模擬中所用模型相同的應力-速度模型，利用Cheng等(1995)的有限差分技術(shù)模擬單極波的傳播。模擬了兩種情況。第一種情況使用應力-速度模型理論〔式(14)和(15)〕來計算各向異性剪切模量C44和C66在井孔周圍的分布。第二種模擬使用具有常數(shù)值C44和C66的均勻模型，這里C44和C66之值分別等于第一模型中各自的遠離井孔值，其相應的速度值分別為2，603m／s和2，432m／s。在這兩種情況中，地層和液體壓縮波速度和密度以及井孔直徑都完全相同地設定為適當值。圖7表示對于一井孔中8-接收器陣列模擬的單極波形，其圖7a對應于應力-速度模型，而圖7b對應于均勻模型。圖7a中的一個重要特征是該波形的剪切波部分被分裂成快波和慢波。它們之間的速度差約為15％。對于圖7b中的均勻模型結(jié)果，在剪切波中只有輕微分裂。其速度差約為6％。請注意，在圖7a中的剪切波速度差與近井孔速度變化有相同量級，而在圖7b中的差值與均勻模型中的剪切波各向異性大體相同。這清楚地表明，顯著的單極剪切波分裂是由應力引起的在近井孔區(qū)域中的速度變化造成的。這一重要結(jié)果允許我們把應力引起的各向異性與地層各向異性的其他來源區(qū)分開?；谏鲜鼋Y(jié)果，能發(fā)展出一種方法來檢測由交叉偶極工具測量到的應力引起的各向異性。為此，需要地層剪切波速度顯著地高于井孔液體速度。這樣，剪切波及其分離可由單極聲接收器陣列測量。對于具有顯著各向異性的地層，如由交叉偶極工具測量到的那樣，可以檢查由單極接收器測量到的剪切波數(shù)據(jù)。如果存在兩個剪切波，而且它們的分裂是顯著的，以致于可以確定它們各自的速度，則可進行速度分析以確定這兩個剪切速度之差。如果這個差值與測量到的各向異性是可比的，則各向異性是由應力以外的其他因素造成的。然而，如果這個差值顯著地高于所測到的各向異性，則這一各向異性是由地層應力造成的。一旦檢測到了應力引起的各向異性，則可找到最大和最小主應力的取向，它們分別是快、慢剪切波的偏振方向。通過把式(20)至(22)應用于交叉偶極測量，可進一步確定兩個主應力之差和計算出應力指標值。野外數(shù)據(jù)舉例在這一節(jié)中演示將井孔應力-速度模型理論應用于野外聲單極和交叉偶極數(shù)據(jù)以做現(xiàn)場應力估計。圖8表示對于具有沙／頁巖地層的深度段的交叉偶極各向異性分析結(jié)果。上面的頁巖地層對應于高伽馬射線(GR)值(見第一道)，而下面的沙巖地層對應于低GR值并與某些頁巖記錄道有交錯。交叉偶極確定的方位異常在沙層地層中被清楚地識別出來，但在頁巖地層中幾乎消失了。如在第4道中的帶陰影曲線顯示的各向異性，受到在第3道中快、慢偶極剪切波的分裂很好地支持。(注意，在上面的頁巖中分裂消失)。它還受到第2道中顯示的確定得很好的快剪切波偏振方位的支持。與此相反，在頁巖地層中這一方位變?yōu)椴淮_定的，顯示出一種遵循工具方位的趨勢(該工具在穿過整個深度進行測井的過程中是自旋的)。觀測單極剪切波數(shù)據(jù)提供一個應力指示。圖9對頁巖和沙巖地層中測井記錄的單極剪切波加以比較。在頁巖地層中，在波形數(shù)據(jù)中只有一個剪切波振型。與此相反，在沙巖地層中存在兩個剪切波振型。這一剪切波分裂是與應力有關(guān)的波傳播理論的直接結(jié)果，如在圖7a的合成波形例中所表示的那樣。再有，兩個剪切波之間的速度差約為10％，而交叉偶極測量得到的各向異性約為5％。這一觀測結(jié)果與對單極剪切波的理論分析很好地符合。所以，可以確定該各向異性是由地層應力引起的。這一野外數(shù)據(jù)例不僅證明了我們的應力-速度理論的有效性，而且還表明單極剪切波分裂是檢測應力引起的各向異性的一種有效手段。兩個附加的強指標還表明所觀測到的各向異性是由應力引起的。第一個指標是對于所研究的沙巖地層之上大約1000英尺處的一個巨大的沙巖體也觀測到了同樣的快方位。這兩個沙巖體的方位彼此重合，表明這一方位是這一區(qū)域中最大水平應力的方位。第二個指標是各向異性主要是在沙巖中觀測到但在頁巖中沒有。〔盡管頁巖是一種強的橫向各向同性(TI)巖石，但這個與TI有關(guān)的各向異性不能被觀測到，因為井是豎直的〕。這與我們先前展示的實驗室結(jié)果，即在頁巖中應力引起的各向異性不顯著相一致。對于來自世界上不同地區(qū)的許多交叉偶極數(shù)據(jù)集也已觀察到類似的現(xiàn)象。一般而言，該實驗室和野外觀測表明在頁巖中應力引起的各向異性是小的。對于具有應力引起的各向異性的地層來說，上述分析結(jié)果〔式(20)至(22)〕可用于產(chǎn)生圖10給出的結(jié)果。該圖中的第2道表示式(22)中定義的應力指標。這一曲線總體上表明在沙巖段有較高值而在穿過薄的頁巖巖脈時顯示出較低值。(注意，這些曲線有不同的分辨率對于GR為3英尺，對于應力指標為11)。這種情況正好表明在沙巖中應力引起的剪切波效應是顯著的，而在頁巖中是不顯著的。事實上，在上面的頁巖地層中這一指標有相當小的值。由于頁巖對應力不敏感從而在頁巖地層中不能估計應力，所以圖10中的結(jié)果主要是對沙巖地層給出的。如第2道中展示的應力指標的特征表明它是指明沙巖地層段即將來臨的地層破裂或不穩(wěn)定性的可能的有用工具，特別是在井孔穩(wěn)定性和沙巖生產(chǎn)控制問題中。對應力差大小的估計需要知道耦合系數(shù)差S∥-S⊥之值。可惜，沒有可得到的核心數(shù)據(jù)來使用上述方法從實驗室測量估計這個值。為演示該方法的應用，從對18．6％孔隙度的沙巖樣品的實驗室測試取S∥-S⊥值，如圖2中所示。(沙巖地層的孔隙度變化范圍為15％至20％)。這給出S∥-S⊥的值為57，346m2／s2Mpa。如果給定這個值，則利用式(20)可得到應力差。為得到主應力的大小，利用傳統(tǒng)的方法。假定沒有橫向應變而且兩個水平應力相等，則傳統(tǒng)方法是用下式計算平均水平應力σh=v1-vσv------(23)]]>式中v是泊松比，σv是垂直過載應力，它可由密度測井記錄來估計。從單極壓縮波(第5道)和剪切波速度可計算出泊松比曲線(第5道)。(為了比較，這兩條剪切速度曲線在第4道中重劃了，對差值加了陰影。)利用式(20)中給出的應力差并假定σh為兩個水平應力的均值，則得到第3道中所示的最大和最小應力剖面，以其差值加上了陰影，且σh示于這兩條曲線之間。此外，通過對圖10所示穿過沙巖層的快、慢剪切波速度求平均，可估計出這一地層區(qū)間的總應力差和最大剪切應力。平均應力差是8．6Mpa，而且平均最大剪切應力是4．3Mpa。這些值概括在下表中，它顯示出沙巖地層中平均的快、慢剪切速度。<tablesid="table1"num="001"><table>地層平均深度Vs(快)(m／s)Vs(慢)(m／s)τmax(MPa)Aσ(MPa)沙巖112英尺249823974．38．6</table></tables>該平均應力差和最大剪切應力是在假定式(22)中的S∥-S⊥=57，346m2／s2MPa的情況下計算出來的。對本教導的好處及其他方面的討論本研究的模型理論的好處在于它提供了地層應力差與所造成的剪切速度變化及各向異性之間的一個簡單而直接的連系。這一連系只是一個標度參數(shù)S∥-S⊥，即平行和垂直應力-速度耦合系數(shù)差。所估計的應力值的有效性取決于這一參數(shù)值的有效性和測量到的速度值的準確度。在這一節(jié)中討論這兩個因子。本教導已表明可通過測量來自感興趣地層的巖石樣品來在實驗室中確定此耦合系數(shù)S∥和S⊥。盡管一般而言應力將影響多孔巖石的剪切速度，但S∥和S⊥之值取決于巖石類型(巖石學)以及孔隙度和裂隙密度等。所以，應測試多個樣品以得到代表感興趣地層的平均的S∥-S⊥值。此外，除了單軸試驗外還應適當?shù)剡M行三軸試驗以模擬現(xiàn)場應力條件。例如，可在垂直向和兩個水平向施加應力，然后測量其偏振方向指向這兩個水平應力方向的垂直剪切速度，同時在適當?shù)姆秶鷥?nèi)改變這兩個水平應力之一。巖石樣品還應被飽和以與現(xiàn)場條件相對應。這樣確定的S∥和S⊥值應該對應于現(xiàn)場條件。另一個重要問題是，已知對模量和強度等力學性質(zhì)存在的尺度效應也可能對S∥和S⊥存在。這種尺度效應是當測量不同體積的巖石時由于不同大小的不均勻性引起的。在實驗室中，微裂隙、孔等相信是應力引起的各向異性的原因〔見Nur，A“在有裂隙的巖石中應力對速度各向異性的影響”，地球物理研究雜志(Jour．ofGeoph．kes．)，76，2022-2034(1971)〕。在現(xiàn)場條件下，可能存在不同大小的不均勻性(例如裂紋、晶簇、裂隙等)。這樣，實驗室測量的S∥-S⊥值可能不同于它的現(xiàn)場值。在這種情況中，由現(xiàn)場測量確定S∥-S⊥更為適當。由式(20)可得到假定已經(jīng)由交叉偶極測井得到Vx和Vy值，并由微裂隙測試或泄漏觀測得到了應力值，則能用式(24)確定S∥-S⊥值。于是，所估計的或標定過的S∥-S⊥值能用于具有類似巖性的地層以估計應力大小。剪切速度測量的準確度是應力估計的另一重要因素，因為應力差是由這些速度之間的相對差計算的〔式(20)至(22)〕。應力估計的有效性大大地依賴于偶極(交叉偶極)聲學數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如圖5中的模擬結(jié)果所示，為了測量與原始地層應力相關(guān)聯(lián)的剪切速度，聲穿透必須深。這要求在最低的可能頻率范圍內(nèi)操作偶極工具。低頻偶極測井還可使頻散修正量性(dispersioncorrection)不顯著。除了好的偶極數(shù)據(jù)質(zhì)量外，有效的各向異性分析是至關(guān)重要的。Tang和Chundurn(1998)提出了一種穩(wěn)健的陣列處理方法，用來利用快和慢偶極剪切波之間的相對時延得到各向異性。已經(jīng)表明，所得到的各向異性，特別是從發(fā)射器到接收器的平均各向異性是相當準確的估計。例如，Tang和Chunduru(1998)的分析已被應用于來自幾次重復通過交叉偶極工具的數(shù)據(jù)和來自同一地層由不同工具測井記錄的數(shù)據(jù)，所有結(jié)果顯示出幾乎相同的平均各向異性估計。利用重復通過的一個實例由Patterson和Shell(1997)給出。這些事例研究表明，只用交叉偶極測量〔式(20)〕確定應力差應該是可靠的。當應力引起的速度變化顯著地大于測量得到的各向異性時，利用單極剪切波分裂進行的應力檢測是可靠的。在某些情況下，近井孔剪切速度可能受井孔液體侵入、巖石破裂、鉆井損壞等的影響，特別是在有低剪切剛度的地層中更是如此。所以，利用單極剪切波的應力檢測應主要用于硬巖石。測井裝置適于完成這里公開的單極和交叉偶極測量的測井裝置示于圖11。一種聲學陣列井孔測井工具(總體上以10表示)被固定在鎧裝電纜8的一端。電纜8延伸到穿入地層的井孔2中，總體上以6A和6B表示。絞車18或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的類似裝置，使電纜8延伸到井孔2中。井孔2通常填充液體4，本領(lǐng)域技術(shù)人員已知它為“鉆井泥漿”，或類似液體。液體4使聲能能從工具10向外傳播到井孔2的井壁。聲單極和偶極發(fā)射器被布放在工具10上，總體上示為12。這些發(fā)射器12周期性地發(fā)射聲能脈沖，它們總體上示為22。這些脈沖22通常從發(fā)射器12向外徑向傳播，穿過井孔2中的液體，直至撞在井孔2的壁上。然后脈沖22通常沿井孔4的井壁傳播。一些聲能返回到井孔2中的液體4中，并能被總體上以14表示的，多個單極和偶極接收器檢測到，它們被布放在沿軸向與發(fā)射器12有間隔的地方。接收器14產(chǎn)生與達到接收器14的聲能的振幅相對應的電信號。工具10通常包括信號處理電子電路，總體上以16表示，它能對來自接收器14的信號數(shù)字化，并把此數(shù)字化后的信號傳給電纜8，傳給電纜8的信號能被傳輸?shù)降乇黼娮訂卧?0。參考圖12可以看到發(fā)射器12和接收器14的取向。在工具10中配置了第一偶極發(fā)射器41、第二偶極發(fā)射器40以及單極發(fā)射器43。第一和第二偶極發(fā)射器41和40的取向是彼此成直角。接收器陣列14與發(fā)射器12沿軸向分開。第一偶極接收器陣列44和第二偶極接收器陣列45被配置在工具10中，且其取向是彼此成直角。在工具10中還配置了一個單極接收器陣列46。雖然圖中發(fā)射器12顯示在工具10的頂部，而接收器14在工具10的底部，但這不是必須的。該配置可以被逆反過來，并且仍然得到等價的信息。根據(jù)所公開的一類創(chuàng)新實施例，提供一種用于確定關(guān)于地質(zhì)層信息的方法，其包括進行聲學單極速度測量；進行聲學交叉偶極速度測量；并使所述單極和所述交叉偶極速度測量相結(jié)合，以確定井孔周圍的井孔應力場。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種用于確定地質(zhì)層絕對應力大小的方法，其包括進行聲學交叉偶極速度測量；對來自所述交叉偶極速度測量的快剪切波和慢剪切波確定其速度；確定所述快、慢剪切波之間的速度差；以及利用所述速度差確定關(guān)于地質(zhì)層的各向異性信息。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種用于確定地質(zhì)層信息的方法，其包括產(chǎn)生兩個偶極剪切波，所述剪切波的偏振彼此不同；測量交叉偶極速度差；產(chǎn)生一徑向偏振的單極剪切波；確定所述徑向偏振的單極剪切波是否已被分裂成一個快剪切波和一個慢剪切波；如果所述單極剪切波已被分裂，則測量上述快剪切波和上述慢剪切波之間的速度差；以及比較所述速度差與所述交叉偶極速度差，以確定關(guān)于近井孔地質(zhì)層的各向異性信息。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種確定應力-速度耦合系數(shù)的方法，其包括把發(fā)射器變換器和接收器變換器裝在一樣品的相對兩側(cè)，所述發(fā)射器變換器和接收器變換器在z方向上面對，這里z方向是穿過樣品從所述發(fā)射器指向所述接收器；對沿x和y方向偏振的未受應力的剪切波測量其未受應力的剪切波速度，這里所述x和y方向彼此正交且與所述z方向正交；對該樣品施加一應力；對于沿x和y方向偏振的受應力剪切波測量其受應力的剪切波速度；使所述應力的幅度重復地增大到各種值，并在每個值處對于在x和y方向偏振的受應力剪切波，測量其應力剪切波速度；確定在各種應力幅度值的情況下所述受應力剪切波速度平方與所述未受應力剪切波速度平方之差，以建立數(shù)據(jù)點；穿過所述數(shù)據(jù)點擬合一直線；利用所述直線的斜率確定應力-速度耦合系數(shù)。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種通過野外測量標定確定應力-速度耦合系數(shù)的方法，其包括確定x和y方向的應力分量，這里所述x和y方向彼此正交并與穿過井孔的軸線正交；完成交叉偶極測量；確定沿x方向偏振的一個偶極剪切波；確定沿y方向偏振的一個偶極剪切波；確定所述剪切波的速度；以及使所述x和y方向的應力分量與所述剪切波速度彼此相關(guān)，以確定應力-速度耦合系數(shù)。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種確定地質(zhì)層信息的方法，其包括測量在井孔周圍和附近由應力引起的速度差；測量聲偶極以測量從所述井孔向遠處的速度變化；測量井孔壓強；并將所述井孔壓強與所述速度差和所述速度變化二者關(guān)聯(lián)，以確定關(guān)于巖層的信息。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種確定即將到來的巖石破裂的方法，其包括對于一基本上平行于一剪切波偏振方向的應力，確定其應力-速度耦合系數(shù)；對于一基本上與所述剪切波偏振方向正交的應力，確定其應力-速度耦合系數(shù)；確定兩個基本上正交的主應力，它們也基本上與垂直方向正交；將所述應力-速度耦合系數(shù)之差與所述兩個基本上正交的主應力之差相乘，以確定一應力指標；以及利用所述應力指標確定即將到來的巖石破裂。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種確定即將到來的巖石破裂的方法，其包括進行交叉偶極測量；對于其基本上平行于最大應力方向偏振的剪切波確定一快速度；對于其基本上垂直于最小應力方向偏振的剪切波確定一慢速度；利用所述快速度和慢速度計算一平均剪切速度；計算所述快、慢速度之間的相對差；將所述相對差的一半與所述平均剪切速度的平方相乘，以確定一應力指標；以及利用所述應力指標確定即將到來的巖石破裂。根據(jù)所公開的另一類創(chuàng)新實施例，提供一種確定地質(zhì)層信息的方法，其包括發(fā)射一個徑向偏振的單極剪切波，它沿井孔傳播；進行聲學交叉偶極測量并確定一快偶極剪切波速度和一慢偶極剪切波速度；由所述交叉偶極測量確定所述快、慢偶極剪切波之間的交叉偶極速度差；確定所述快偶極剪切波的偏振方向；確定所述單極剪切波是否已被分裂成快單極剪切波和慢單極剪切波；如果是，則測量所述快、慢單極剪切波之間的單極速度差；將所述單極速度差與所述交叉偶極速度差進行比較；如果所述單極速度差顯著地(substantially)大于所述交叉偶極速度差，則把一地質(zhì)層中應力引起的各向異性大小確定為所述交叉偶極速度差；利用所述快偶極剪切波偏振方向確定所述地質(zhì)層的最大應力取向；把所述快、慢偶極剪切波速度與所述交叉偶極速度差組合，以確定在所述地質(zhì)層中的最大剪切應力大小。結(jié)論本發(fā)明的教導提供了一種簡單但有力的唯象模型理論，它涉及對地層應力場的聲學測量。導出這一理論的關(guān)鍵是利用線性應力-速度關(guān)系和把此應力場分解成方位各向同性和方位各向異性分量。該理論的力量在于它在模擬相當復雜的井孔聲波／地層應力交互作用時的穩(wěn)定性，這為根據(jù)交叉偶極和單極測量確定應力場打下了堅實的基礎。本理論的預測，即在單極和偶極剪切波二者上的剪切波分裂，由野外觀測予以證實。特別是，單極剪切波分裂證明是檢測應力引起的各向異性的有效手段。該理論的簡單性在于這樣的事實，即只需要一個基本的參數(shù)-平行和垂直耦合系數(shù)差，便能確定地層應力差。這一參數(shù)或者可由巖石樣品的實驗室測試測得，也可由現(xiàn)場測量結(jié)果進行標定而測得。這一研究結(jié)果對野外數(shù)據(jù)的應用顯示出該模型理論對于由井孔聲學單極和交叉偶極數(shù)據(jù)估計現(xiàn)場應力所具有的潛力。特別是，該理論利用交叉偶極各向異性測量的結(jié)果，給出一關(guān)于地層剪切應力的指標，它可能是沙巖控制和井孔不穩(wěn)定性研究的有用工具。再有，使用實驗室和野外兩種結(jié)果，這一研究表明在頁巖中應力引起的各向異性通常是不顯著的，這為解釋沙巖／頁巖地層中的交叉偶極各向異性提供了重要信息。改進與變化如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的那樣，本申請中描述的創(chuàng)新概念能在大量應用范圍上加以改進和變化，因此，本申請專利的主題范圍不受所給出的任何特定的舉例說明所限。雖然已經(jīng)利用單軸施加應力描述了在實驗室中確定應力-速度耦合系數(shù)的方法，但同樣的技術(shù)可應用于有雙軸或三軸施加應力的情況，此時對各等式作適當?shù)男薷模@對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯見的。雖然這里的新教導主要是在石油勘探的范圍內(nèi)描述的，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他應用和范圍也是很明顯的。本教導將會有其應用的其他范圍的一個實例是采礦工程。權(quán)利要求1．一種確定關(guān)于地質(zhì)層信息用的方法，包括進行聲學單極速度測量；進行聲學交叉偶極速度測量；以及將所述單極和所述交叉偶極速度測量相結(jié)合以確定井孔周圍的井孔應力場。2．如權(quán)利要求1的方法，其中所述聲學單極是一聲剪切波。3．如權(quán)利要求1的方法，其中所述聲學交叉偶極速度測量是測量在不同方向上偏振的兩個聲偶極剪切波的速度。4．一種確定地質(zhì)層信息用的方法，包括產(chǎn)生兩個偶極剪切波，所述剪切波的偏振彼此不同；測量交叉偶極速度差；產(chǎn)生一個徑向偏振的單極剪切波；確定所述徑向偏振的單極剪切波是否已被分裂成一個快剪切波和一個慢剪切波；如果所述單極剪切波已被分裂，則測量所述快剪切波和所述慢剪切波之間的速度差；以及比較所述速度差與所述交叉偶極速度差，以確定關(guān)于近井孔地質(zhì)層的信息。5．如權(quán)利要求4的方法，其中所述比較步驟確定關(guān)于各向異性原因的信息。6．一種確定應力-速度耦合系數(shù)用的方法，包括把發(fā)射器變換器和接收器變換器裝在一樣品的相對兩側(cè)，所述發(fā)射器變換器和接收器變換器在z方向上面對，其中z方向是穿過樣品從所述發(fā)射器指向所述接收器；對沿x和y方向偏振的未受應力的剪切波測量其未受應力的剪切波速度，其中所述x和y方向彼此正交且與所述z方向正交；對該樣品施加應力；對沿x和y方向偏振的受應力的剪切波測量其受應力的剪切波速度；將所述應力的幅度重復地增大到各種值，并在每個值處測量對在x和y方向偏振的受應力的剪切波的應力剪切波速度；確定在各種應力值幅度的情況下所述受應力的剪切波速度的平方與所述未受應力的剪切波速度的平方之差，以建立數(shù)據(jù)點；穿過所述數(shù)據(jù)點擬合一直線；利用所述直線的斜率確定應力-速度耦合系數(shù)。7．如權(quán)利要求6的方法，其中所述應力是在x方向施加的單軸應力。8．如權(quán)利要求6的方法，其中所述應力是在x方向和y方向施加的雙軸應力。9．如權(quán)利要求6的方法，其中所述應力是在x方向、y方向和z方向施加的三軸應力。10．一種通過野外測量標定確定應力-速度耦合系數(shù)用的方法，包括確定x和y方向的應力分量，這里所述x和y方向彼此正交并與穿過井孔的軸線正交；進行交叉偶極測量；確定沿x方向偏振的一個偶極剪切波；確定沿v方向偏振的一個偶極剪切波；確定所述剪切波的速度；以及使所述x和y方向的應力分量與所述剪切波速度彼此關(guān)聯(lián)，以確定應力-速度耦合系數(shù)。11．如權(quán)利要求10的方法，其中所述軸線是垂直線。12．如權(quán)利要求10的方法，其中所述軸線不是垂直線。13．一種確定地質(zhì)層信息用的方法，包括測量在井孔周圍和附近由應力引起的速度差；測量聲偶極以測量從所述井孔向遠處的速度變化；測量井孔壓強；并且使所述井孔壓強與所述速度差和所述速度變化二者關(guān)聯(lián)，以確定關(guān)于巖層的信息。14．如權(quán)利要求13的方法，其中所述關(guān)聯(lián)步驟確定關(guān)于該巖層應力引起的各向異性的信息。15．如權(quán)利要求13的方法，其中所述關(guān)聯(lián)步驟確定關(guān)于該巖層固有各向異性的信息。16．一種確定即將到來的巖石破裂用的方法，包括對于基本上平行于剪切波偏振方向的應力，確定其應力-速度耦合系數(shù)；對于基本上與所述剪切波偏振方向正交的應力，確定其應力-速度耦合系數(shù)；確定兩個基本上正交的主應力，它們也基本上與垂直方向正交；將所述應力-速度耦合系數(shù)之差與所述兩個基本上正交的主應力之差相乘，以確定一應力指示；以及利用所述應力指示確定即將到來的巖石破裂。17．一種確定即將到來的巖石破裂用的方法，包括進行交叉偶極測量；對于其基本上平行于最大應力方向偏振的剪切波確定一快速度；對于其基本上垂直于最小應力方向偏振的剪切波確定一慢速度；利用所述快速度和慢速度計算一平均剪切速度；計算所述快、慢速度之間的相對差；將所述相對差的一半與所述平均剪切速度的平方相乘，以確定一應力指標；以及利用所述應力指標確定即將到來的巖石破裂。18．一種確定地質(zhì)層信息用的方法，包括發(fā)射一個徑向偏振的單極剪切波，它沿井孔傳播；進行聲學交叉偶極測量并確定一快偶極剪切波速度和一個慢偶極剪切波速度；由所述交叉偶極測量確定所述快、慢偶極剪切波之間的交叉偶極速度差；確定所述快偶極剪切波的偏振方向；確定所述單極剪切波是否已被分裂成一快單極剪切波和一慢單極剪切波；如果是，則測量所述快、慢單極剪切波之間的單極速度差；將所述單極速度差與所述交叉偶極速度差進行比較；如果所述單極速度差顯著地大于所述交叉偶極速度差，則把這一地質(zhì)層中應力引起的各向異性大小確定為所述交叉偶極速度差；利用所述快偶極剪切波偏振方向確定所述地質(zhì)層的最大應力取向；把所述快、慢偶極剪切波速度與所述交叉偶極速度差組合，以確定在所述地質(zhì)層中的最大剪切應力大小。全文摘要一種基于井孔聲學單極和交叉偶極測量以確定現(xiàn)場應力場的方法和系統(tǒng)(120)。在井孔中產(chǎn)生一個徑向偏振的單極剪切波(130)。然后確定該剪切波是否已分裂成兩個剪切波。在這兩個分裂的剪切波之間的速度之差被用于確定井孔周圍和附近的應力引起的各向異性(110)。測量交叉偶極剪切波的速度差及快剪切波的方向,并將它們用于確定地質(zhì)層中最大剪切應力的大小和最大應力取向。公開了一種由實驗室測量和野外測量標定來確定應力速度耦合系數(shù)的方法?？紤]了井孔壓強對確定應力速度耦合系數(shù)的野外測量標定的影響。還公開了一種方法用于定義與應力引起的(110)巖石形變有關(guān)的一個應力指標。該應力指標可用于確定是否即將發(fā)生巖石破裂,并在沙控制和井孔穩(wěn)定性應用中很有用。文檔編號G01V1/40GK1294686SQ00800166公開日2001年5月9日申請日期2000年1月14日優(yōu)先權(quán)日1999年1月15日發(fā)明者曉明·唐,寧亞·程,阿瑟·C·H·程申請人:貝克休斯公司