正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）
(一)、正交偶极子阵列声波测井（XMAC-II）原理
ECLIPS—5700测井系统中的交互式多极子阵列声波仪（XMAC-II）是将一个单极阵列和一个偶极阵列交叉组合在一起，两个阵列配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。单极阵列包括两个单极声源和8个接收器。声源发射器发射的声波是全方位的，既是柱状对称的，中心频率为8kHz。偶极阵列是由两个交叉摆放（相差900）的偶极声源及8个交叉式偶极接收器组成。接收器间距为0.5英尺。
每个深度点记录12个单极源波形，其中8个为阵列全波波形（TFWV10），4个为记录普通声波时差的全波波形（TNWV10）。每个深度点记录32个偶极源波形，即每个接收器记录XX、XY、YX、YY 4个偶极源波形，X、Y表示不同方位的发射器或接收器的方向，例如XY表示X方向发射器发射，Y方向接收器接收；YY则表示Y方向发射器发射Y方向接收器接收。8个接收器共记录32个偶极源波形（TXXWV10、TXYWV10、TYXWV10、TYYWV10）。
（二）、正交偶极子阵列声波资料的处理
偶极子阵列声波测井资料是用eXpress的W A VE模块处理，主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及其时差计算、岩石物理参数计算、岩石机械特性分析等。
1、地层纵波、横波和斯通利波的提取及慢度分析
采用慢度—时间相关STC（Slowness-Time Coherence）技术从MAC全波列中提取地层的纵波、横波及斯通利波，并计算其慢度。STC采用一种类似地震中使用的相似算法，检测阵列接收器中相关的波至，并估算它们的慢度。
在利用STC技术处理之前要对波形进行滤波，以便消除所有直流偏移和信号频带以外的噪声。另外，为了得到真实的地层横波，在处理中要包括一个计算前的校正步骤，以便校正挠曲波频散引起的偏差。校正量取决于声源的声波响应特征、STC滤波器特征、井眼大小和横波慢度。对硬地层来说这种校正量很小，但对大井眼软地层来说这种校正量可能达到10%。
2、岩石力学参数的计算
根据提取的纵横波时差、常规密度曲线及其它资料计算的孔隙度并利用岩石特性分析模块计算纵横波速度比、泊松比、体积模量、切变模量和杨氏模量等岩石物理参数。
3、岩石机械特性分析
利用上面计算的岩石力学参数、常规分析计算的泥质体积、泥浆性能等参数计算各项应力、破裂压力梯度、闭合压力梯度等参数。
(三)、地层岩石力学参数的基本概念及计算方法
1、泊松比（σ）
又称横向压缩系数，就是横向相对压缩与纵向相对伸长之比。
计算公式:
2
22
25.0DT DTS DT DTS --=σ (6-1) 式中：DTS —横波时差；
DT —纵波时差。
2、杨氏模量（E ）
又称纵向弹性模量，就是张应力与张应变之比，它量度岩石的抗张应力。
计算公式：
222
2243DT
DTS DT DTS DTS DEN E --?= (6-2) 式中：DEN —体积密度。
3、切变模量（μ）
是剪切应力与切变角之比，它量度岩石抗切应力。
计算公式：
2
DTS DEN =μ (6-3) 4、体积弹性模量（k ）和体积压缩系数（CB ）
岩石各个方向都受到力的作用时，应力与体积相对变化之比，它量度岩石的抗压应力。体积压缩系数与体积弹性模量互为倒数关系。
计算公式：
222
2343DT
DTS DT DTS DEN K ?-= (6-4) 5、单轴抗压强度及固有剪切强度
单轴抗压强度表示岩石抵抗外力压性破坏的能力，它的大小与岩石的杨氏模量、泥质含量等参数有关。
固有剪切强度表示岩石抵抗剪切破坏的能力，它的大小与单轴抗压强度及体积压缩系数等参数有关。
6、地层孔隙压力
它是作用在地层孔隙空间里的流体上的压力。地层压力有正常地层压力和异常地层压力之分，异常地层压力又有异常高压和异常低压之别。高于正常地层压力称为异常高压。异常地层压力的形成是多方面的，有快速不平衡欠压实沉积，地质构造运动，孔隙流体膨胀，烃类的裂解等诸多因素。目前多见到的异常高压地层一般都是不平衡欠压实沉积形成的。在地层沉积过程中，由于沉积速度过快，孔隙排水能力下降，随着地层的继续沉积，上覆岩层的重量逐渐增加，孔隙内的流体要支撑部分上覆岩层压力，这样就形成异常高压。
根据测井资料，采用声波时差等效深度法计算地层压力是用来检测因不平衡欠压实沉积形成地层异常高压的有效方法，该方法适用范围为砂泥岩剖面。
在砂泥岩地层中，随着地层深度的增加，泥岩所受上覆岩层的压力越来越大，由于压实和失水的作用，其孔隙度逐渐减小，声波时差可反映岩石孔隙度的变化。在正常压实情况下，当深度增加时，泥岩的声波逐渐减小，由此可建立泥岩的声波时差随深度变化的规律—
正常压实趋势线。
正常压实趋势线表达式：
DEP=A ·LOG （DT ）+B （6-5）
式中：DEP —地层深度；
A —趋势线斜率；
B —趋势线截距。
趋势线方程确定以后，根据任一点的声波时差值，就可计算该时差的等效深度。
如果某一时期沉积物迅速堆积，且造成了水力的“关闭”，地层水不易排出，孔隙度相对变大，这样，地层就由于欠压实而形成了异常高压。
地层压力计算公式如下：
P p =(D b ·P h +D a ·P oa -D b ·P ob )/D a (6-6)
式中：P p —地层孔隙压力；
D a —当前深度点；
D b —等效深度点；
P oa —当前深度点的上覆压力；
P ob —等效深度点的上覆压力；
P h —正常地层压力。
由于该技术只适用于砂泥岩剖面，并且有较多的限制因素，因此对较复杂的地质剖面还无能为力。
7、岩层上覆压力
岩层上覆压力也称垂向主应力，它是由上覆地层的岩石重量和孔隙空间里的流体（油、气、水）的总重量引起的。当有密度测井资料时，可由密度曲线积分求得：
()?=H
gdz Z DEN p 00 (6-7) 式中：Po —深度为H 处的上覆岩层压力；
g —重力加速度；
DEN(Z)—地层密度，它是深度Z 的函数。
由上面的公式可知，要想求得准确的岩层上覆压力，密度曲线应尽量测至井口。
8、水平地应力
地应力简称地壳内的应力，它是地壳固体介质受重力、各地球构造力和天文动力以及探掘工程附加动力的作用，在介质内部单元引起响应变形的力学参数。
地应力既有大小，又有方向，既有垂向地应力，又有水平地应力。描述水平地应力时用到最大水平地应力、最小水平地应力、水平地应力方向三个地质概念。岩石在垂向应力作用下，由于泊松效应，在水平方向有产生变形的趋势，但由于周围岩石的约束，不易产生横向变形。由于相邻岩石的阻挡作用，就相当于对岩石施加了水平应力。岩石除受垂向应力作用外，还受地层孔隙压力、构造应力作用。地层中若不存在构造应力时为各向同性地层，此时水平地应力相同，当构造应力存在时，水平地应力将变为各向异性。
获取地应力的方法有多种，如声发射凯塞效应法，现场水力压裂试验法，测井资料计算的井眼崩落法等。利用测井资料计算地应力使用成本较低，计算速度快，显示井段长，计算结果较准确，具有其它方法不可比拟的优势。下面简要介绍利用测井资料计算地应力方向及大小的方法。
①地应力大小
当岩石为线性多孔弹性体，远场孔隙压力为恒定值且在埋藏过程中其横向应变为零时，
最小水平主应力可用下式计算：
S2=σ·P0/（1-σ）+[1-σ/（1-σ）]αP P （6-8）
式中：S2—最小水平主应力；
α—有效应力系数。
有效应力系数α根据岩石的体积压缩系数和骨架的体积压缩系数计算，其数值大于0小于1。
由双井径测井曲线可近似计算不平衡构造因子，根据式6-8计算的最小水平主应力及不平衡构造因子计算最大水平主应力。
根据最大水平主应力与最小水平主应力，进而计算地应力差。
②地应力方向
地下不同地质时期形成的各种岩石，都具有一定的强度，因此在地壳应力场的作用下，都可能发生弹性变形或产生弹性势能。某深度的岩石在垂向主应力，最大与最小水平主应力的作用下，一般处于相对平衡状态。当井眼在地层内被钻开后，在井壁岩石上形成应力集中，垂直于井轴的横向截面上处于两个水平应力的压力作用及钻井液的张应力作用。根据力的叠加原理，井壁上的应力状态用下式表示：
Sθ= S1+S2-2（S1-S2）·COS2θ-P m （6-9）
式中：Sθ—井壁岩石的切向应力；
S1—最大水平主应力；
P m—钻井液柱压力；
θ—相对于最大水平主应力方向的逆时针方位角。
由(6-9）式可看出，当θ为0度或180度时，即在最大水平主应力的方向，井壁岩石所受的应力最小，此时切向应力值为：
Sθ=3S2-S1-P m（6-10）
当θ为90度或180度时，即在最小水平主应力的方向上，井壁岩石所受的切向应力最大，此时切向应力值为：
Sθ=3S1-S2-P m（6-11）
根据脆性材料破裂理论，当作用力达到或超过材料的破坏强度时，就会发生破裂现象。井眼周围的岩石在最大水平主应力方向，受到较弱的压应力，此时的岩石不易受地应力破坏，井眼尺寸应接近钻头直径。如果泥页岩与钻井液作用，发生水化膨胀，进而出现井壁破坏的情况，要与地应力的作用区别开来。井眼在最小水平主应力方向受到较强的压应力，当这个压应力超过岩石的抗剪强度时，井壁岩石就会发生剪切破坏，出现井壁崩落，形成椭园井眼。显然，椭园井眼的短轴方向即为最大水平主应力方向。
井眼崩落椭园的测量是由四臂或六臂地层倾角测井仪直接测量的。测井是在电缆提升过程中进行的，当电缆以一定速度提升时，测井仪器也以一定速率旋转，当某对极板进入椭园井眼的长轴位置时，测井仪不再旋转，而是按一定的方向上升，这样就可测出或计算出椭园井眼的长轴及短轴。再结合一号极板测量的方位，就可判断出最大水平主应力方向。
9、地层破裂压力
井内一定深度的地层，承受井眼液柱压力的能力是有限的，当压力达到某一定值时，就会使地层破裂，这时的压力值就称这个地层的破裂压力。地层破裂往往是由于井内钻井液密度过大，使井壁岩石所受的切向应力超过岩石的拉伸强度而造成的。
由（6-10）式可知，在最大水平主应力方向受到较小的切向应力。进而可知当液柱压力Pm增大时，在这个方向上将受到较大的拉伸力。式6-10所示为总切向应力，设有效切向应力为Sθe，则：
Sθe=3S2-S1-αP p-P m（6-12）
设岩石的抗拉强度为St,并且与切向应力方向相反。当Pm增大，且有效切向应力值等于或超过岩石的抗拉强度时，地层则破裂，即：
-S t=3S2-S1-αP p-P m(6－13)
因为这时的破裂压力值就是液柱压力值Pm，设破裂压力为P f则由上式得：
P f=3S2-S1-αP p+S t（6-14）
在砂泥岩地层中，上式中的抗拉强度St数值较小，一般它是抗剪强度的十分之一至五分之一，因此它由抗剪强度近拟计算。
10、出砂指数
油气生产时，岩石若发生了剪切破坏，就会出砂，它反映了岩石的强度和稳定性。设出砂指数为B，则：
B=K+（4/3）μ（6-15）一般情况下出砂指数高不易出砂，出砂指数低则易出砂。
(四)、岩石力学参数的工程应用
1、确定合理的钻井液密度
地层压力梯度为近平衡压力钻井、负压钻井提供可靠的钻井液配制依据。对于近平衡压力钻井，在钻进油气层时以钻井液相对密度高于地层压力系数5～10%左右的原则设计钻井液密度。根据地层压力检测资料，既可实现近平衡钻井，提高钻井速度，降低钻井成本，又可减少或防止泥浆对油气层的污染，避免解释中漏掉油气层，同时还可防止井喷、井涌等工程事故。对于负压钻井，在钻进油气层时钻井液相对密度应低于地层压力系数，这就需要较准确预测产层的地层压力系数以便选用适当的钻井液相对密度。
2、确定井身设计中是否需下技术套管
根据地层破裂压力梯度和孔隙压力梯度，可确定井身设计中是否需要下技术套管及技术套管的下深。从防喷防漏的角度考虑，当地层孔隙压力梯度小于地层破裂压力梯度时选用适当的泥浆密度钻井过程中不用下技术套管。当高压地层的孔隙压力梯度接近或大于上部地层某深度的破裂压力梯度时，在该深度之上必须下技术套管。不然较大密度的钻井液会将上部非高压层压坏，钻井中发生井漏或储层被压死情况。
3、分析裂缝形态
根据地层破裂压力梯度及上覆压力梯度，可分析井下压裂后的裂缝形态。若地层破裂压力梯度小于上覆压力梯度，地层压裂后形成垂直裂缝：若地层破裂压力梯度大于上覆压力梯度，地层压裂时形成水平裂缝。
4、井下压裂施工参数的确定
当地层压裂后形成垂直裂缝时，裂缝的长度和高度是杨氏模量、切变模量、泊松比、压裂液排量、粘度等的函数。根据压裂目的及已知的岩石力学参数、井下压裂工程可确定压裂液和支撑剂的类型，用量、泵入速度等，就可准确地控制压裂缝的长度、高度、形状等。
5、出砂预测
根据出砂指数，可预测产层在产液过程中是否出砂、以便及时采取防砂措施。经验表明，出砂指数小于1.4×104Mpa时地层在产液过程中会出砂，当出砂指数大于2.0×104Mpa 时，地层不会出砂，当出砂指数介于二者之间时，地层出少量砂。
6、油气运移规律研究