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1、第六章 声波测井 声波在不同介质中传播时，速度有很大差别，而且声波幅度（能量）的衰减、频率的变化等声学特性也是不同的。声波测井就是利用岩石等介质的这些声学特性来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。 声波测井主要分为两大类：声速测井和声幅测井。声速测井是测量声波在地层中的传播速度的测井方法。声幅测井是研究声波在地层或套管传播过程中幅度的变化的测井方法。 声速测井可以用来确定地层的孔隙度，判断地层岩性，识别储集层的流体性质。 声幅测井可以识别气层，裂缝储集层，评价固井水泥胶结情况。 声波测井与地震勘探资料相结合，在解决地下地质构造、判断岩性、识别压力异常层位、探测和评价裂缝、判断储
2、集层中流体的性质方面得到广泛应用。声波测井成为结合测井和物探的纽带。 第一节 岩石的声学特性一、岩石的弹性及弹性参数岩石杨氏模量E/1011Nm-2泊松比切变模量/1011Nm-2页岩砂岩泥灰岩石灰岩硬石膏玄武岩花岗岩 0.170.45 0.0030.715 0.150.45 0.250.801 0.720.74 1.15 0.30.57 1 0.20.35 0.30.4 0.220.35 0.295 0.23 0.1980.3 0.2310.265 (0.281) 0.1560.237二、声波在沉积岩石中的传播特性 纵横波速度表达式：三、声波在沉积岩石中的传播的影响因素1. 岩性：构成不同岩
3、石的矿物的弹性模量大小不同，岩石的声波速度大小也不相同。介质声速/ms-1时差/ sm -1空气甲烷石油水(普通泥浆)泥岩泥质砂岩渗透性砂岩致密砂岩致密石灰岩白云岩岩盐硬石膏 330 442 10701320 15301620 18303962 5638 5943 5500 64007000 7900 46005200 61006250 3000 2260 985757 655620 548252 177 168 182 156143 125 217193 164160 2. 孔隙度 沉积岩孔隙中通常被石油、气、水等流体介质所充填。这些空隙流体的弹性模量和密度不同于岩石骨架的弹性模量和密度，因
4、此，岩石孔隙和孔隙流体对岩石的声波速度有明显影响。 一般孔隙流体相对于岩石骨架声波速度较低，所以岩性相同，孔隙流体不同的岩石声波速度不同。 岩性和孔隙流体相同，孔隙度越大岩石的声波速度越小。 3. 岩层的地质年代 ：一般深度相同，成份相似的岩石，地质年代越老，声波速度越高。 4. 岩石埋藏的深度：在岩性和地质年代相同的条件下，声波速度随岩层的埋藏深度加深而增加。四、声波在介质界面上的传播特性 当声波由一种介质向另一种波阻抗不同的介质传播时，在两种介质界面上，将发生声波的反射和折射。法线1v12v2入射波反射波折射波法线1v12v2入射波反射波折射波 在2v21v1时，折射角大于入射角，即 。当
5、增大到某一角度i时，折射角达到90。此时折射波在第二种介质中以v2速度沿两种介质的界面传播。这种折射波在声波测井中被称为滑行波。入射角i称为临界角。 第二节 声波速度测井 声波速度测井简称声速测井，测量滑行波通过地层单位长度时所用的时间，即时差，单位是us/m。一、声速测井仪器简介 1.测井仪器的组成部分：声速测井的下井仪器包括三部分。声系（由发射探头和接收探头组成）、电子线路及隔声体，其中声系是主体。 声系由一个发射探头和两个接收探头组成。2. 换能器（发射探头、接收探头） 压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等一类多原子分子晶体）内部有某些微小区域，它们都有一定方向的电极距，这些小区域称为“电畴”。
6、在无外电场作用时， “电畴”在空间分布上是杂乱无章的，整个材料在宏观上呈各向同性。 压电陶瓷发生形变时，“电畴”分布趋向一致会在晶体表面产生电荷，这种现象称为压电效应。 现有声波测井仪器的声波换能器一般是圆管状的压电陶瓷或压电陶瓷片。 发射探头的工作原理是：逆压电效应，即经极化处理的压电陶瓷，沿一定方向对其施加变化电压时，在电场的作用下，将发生变形振动，从而在周围介质中激发声波。 接收探头的工作原理：压电效应，接收探头在发射探头产生的声场中产生振动变形，从而产生电信号。3. 工作频率、隔声体 实际测井中，每隔一定的时间给发射换能器供一次强的脉冲电流，在逆压电效应下发射探头产生振动，目前声速测井
7、所用的振动频率为20KHz。 在井下仪器外壳上刻有很多刻槽，称为隔声体，防止声波经仪器外壳传至接收探头，对测量信号产生干扰。二、井内传播的波1.直达波：所谓流体直达波，即是由声源出发，经过井内泥浆而直接到达接收器的波。这种波也是声源的入射波。2.滑行波：由于泥浆波波速小于地层波速，当泥浆波在井壁以临界角入射时，在井壁上产生滑行波，以地层速度传播。可分为滑行横波和滑行纵波。3.一次和多次反射波：入射波可能会遇到井壁，会产生一次和多次反射，这样产生的波分别称为一次和多次反射波。三、滑行波作为首波到达接收器的条件 在井内传播的有直达波、一次和多次反射波、滑行纵波及滑行横波。在这些波列中，只有滑行波携
8、带井外地层的速度信息。因此，要想测量到地层的纵波或横波速度，应该记录到滑行波。 由于在测井中选择的频率不是很高，因此井内的波列在传播过程中形成干涉、叠加，是综合效应产生的波列。从这一波列中难以区分滑行波、直达波和一次及多次反射波，因此根据滑行波传播速度快的特点，可以选择适当的接收点和接收间距，使滑行波能够尽量提早到达接收器，以便有利于波形提取和识别。在井中居中放置一单发单收声波测量装置，井眼的半径为r。要想在井壁上产生滑行纵波， T则必须以临界角i入射，要想在井轴上接收到滑行纵波，接收点到发射点的最小距离为： 要使滑行纵波成为首波，必须选择适当的源距， 设选择的源距为L 。 直达波到达接收器所
9、需时间为：滑行纵波到达接收器所需要的时间为： v1为井中流体的声波速度；v2为井外地层的纵波速度。 如果要使滑行纵波最先到达，则要求TdTc，即 为了使各种波能在时域内相互“拉开”尽量减少相互叠加，一般选择更长的源距。由于声波在传播过程衰减，增大源距，声波衰减严重，从而造成记录的声信号的信噪比降低，因此源距选得又不能过长。四、单发单收声系及单发双收声系1.单发单收声系 假设井内流体中纵波速度为v1，井外地层的纵波速度为v2，则第一临界角的正弦为v1 /v2，滑行波到达接收探头所用时间为： 若要求得v2，必须已知临界角、 v1和井径。但实际测井中，这些参数是未知的或比较难确定的。 2.单发双收声
10、系 声系由发射探头T和 R1、R2两个接收探头组成，R1、R2间的距离为Ld间距)。滑行波由T到R1、R2的传播时间分别为：地层中纵波的时差为： 如果间距Ld过大，则所求得的纵波时差是长度为一个间距厚度地层的平均声速，因此不利于薄层分析；而且间距过大，第二个接收探头由于地层的衰减而记录的滑行纵波幅度很小，不易辨认，易产生记录误差； 间距选择过小，被测量的声波时差的绝对值变小，则相对误差增大。从提高测量精度的角度来看，间距选择大一些为好。如果地层的纵波速度比较低时，可以选择较小的间距，这样可以提高薄层的分层能力。五、影响声波时差曲线的主要因素1.井眼和井径的变化影响 井眼不规则，测量结果会受井内
11、泥浆声速的影响，且误差较大。 单发双收声系时差曲线在扩径井段的上、下界面处发生变化，出现假异常。在上界面增大的尖峰，在下界面减小。 在缩径井段（砂岩层）的顶部出现出现声波时差减小的尖峰，在底界面出现增大的尖峰。所以在声波时差读值时，应参考井径测井曲线，避免假异常。2. 深度误差 单发双收声系的记录点为两接收探头的中点。 记录的声波时差是在该记录点附近厚度为L的岩层的平均声波时差。 但声波在两个接收探头之间传播的距离和它们所对应的地层不完全重合。 这一深度误差在地层速度较高，井径较小时并不大，可忽略。3. 地层厚度的影响 声速测井仪对小于间距的薄地层分辨能力较差。 减小间距可以提高对于薄层的分辨
12、能力，但是记录精度就受影响了。 地层厚度小于间距的薄互层，声波时差曲线不能反映地层的真正声波时差，甚至还可能出现相反的现象。4. “周波跳跃” 含气的疏松砂岩、裂缝发育的地层以及泥浆气侵的井段，因产生多次反射或声波能量衰减而使能量明显衰减，滑行纵波的幅度急剧衰减，造成同首波只能触发第一接收器，第二接收器接收的波列的首波是后续波。这在声速时差曲线上表现为时差急剧增大，出现忽大忽小的现象这种现象称为“周波跳跃”。 周波跳跃是疏松砂岩气层和裂缝发育地层的一个特征，可被利用来寻找气层或裂缝带。5、仪器倾斜的影响使声波时差值增大。六、井眼补偿测井 它由两个发射探头T1、T2和两个接收探头R1、R2组成。
13、记录点位于R1、R2中点 T1和T2交替发射声波脉冲，由R1、R2各记录一次。 将两次记录的时差求平均值，作为当前R1、R2对应的地层的声波时差。 双发双收声系可以减小或消除深度误差和井眼不规则的影响的。 当T1工作时，反映的是B1C1段（中点为O1）地层的时差平均值。 当T2工作时，反映的是B2C2段（中点为O2） 地层的时差平均值。 取两次测量结果的平均值反映的是O1和O2中点O处的时差平均值。 此时实际记录点和仪器记录点重合，不再发生深度误差。 可近似认为R1B1=R1C2，R2B2=R2C1。克服掉了井径不规则引起的影响。 双发双收声系还可克服仪器倾斜的影响。 由于B2R2=C1R2、B1R1=C2R1井眼补偿测井的缺点是薄层分辨能力差。 由于滑行纵波必须是入射波在传播过程中以一定的倾斜角入射到井壁上时才能产生，而双发双收声系采取上下两端发射，使得两次时差记录的井段不能完全重合。 特别是低速地层和大井径的井眼，这一问题更为明显，而且有时会出现“盲区”现象七、声波速度测井资料的应用
