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1、地球物理测井 Geophysical Well Logging,声 波 测 井,岩石的声学性质 声波速度 声波幅度测井 声波全波测井,声波测井是通过研究声波在井下岩层和介质中的传播特性，从而了解岩层的地质特性和井的技术状况的一种测井方法。,目前主要有以下几种声波测井方法：,声波时差测井（计算地层孔隙度和力学参数）,水泥胶结测井CBL（研究固井质量）,超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝）,声速类测井,声幅类测井,声波变密度测井VDL（观察井壁情况和裂缝）,方位声波成像测井 偶极横波成像测井 井周声波成像测井 超声波成像测井,声波成像测井,噪声测井(研究油井串槽和油气水流动情况),声波频率特性类
2、测井,声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井。,一、岩石的声学性质,是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。 目前声波测井使用的频率为20Hz2MHz。,声 波,20Hz 频率 20KHz,次声波,频率 20Hz,超声波,频率 20KHz,什么叫声波？,（一）岩石的弹性及弹性参数,是指物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力。,1、弹性,2、物体的分类,弹性体,塑性体,在声波测井中，声源的能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，因而岩石可以当成弹性体，在岩石中传播的声波可以被认为是弹性波。,3、描述弹性体的参数,在均匀无限的岩石中，声波速度主要取决于岩石的弹性和密度。作为弹性介质的
3、岩石，其弹性可用几个参数来描述：,杨氏模量,泊松比,切变模量,体积形变弹性模量,岩石弹性参数,体积压缩系数,拉梅系数,（1）杨氏模量 E,F作用外力； l、s分别为弹性体长度、横截面积； E弹性体的杨氏模量，N/m2；,F / S为作用于单位面积上的力，称为应力。 l / l为弹性体在力方向上的相对形变，称为应变。,物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。,Hook定律：,外力F作用在长度为l、横截面积为S的均匀弹性体的两端(弹性体被压缩或拉伸)时，弹性体的长度发生l的变化，并且弹性体内部产生恢复其原状的弹性力。,（2）泊松比（定义为外力作用下，弹性体的横向应变与纵向应变之比）, = 弹性体的
4、横向应变/纵向应变 =（d/d）/（l/l）,物理意义：描述弹性体形状改变的物理量, 只是表示物体几何形变的系数。,弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向缩小。设有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为d和l，在外力作用下，直径和长度的变化分别为d和l，那么横向相对减缩d/d和纵向相对伸长l/l之比称之为泊松比。,对于一切物质，都介于0到0.5之间。,（3）切变模量（）,切应变：弹性体的形状改变而体积未发生变化。,：切变角,tg =l/l,当很小时，tg = l/l,切应变的特点：体积不变，边角关系发生变化。,矩形六面弹性体，其上表面abfe的面积为A，受到平行于该表面的切力Ft的作用时，在
5、力的方向上相对位移一段距离l，切应力等于Ft/A，切应变为l/l，切应力与切应变之比所定义的弹性模量就是切变模量，用表示:,a,c,g,b,e,f,A,d,常见岩石的弹性参数参见P54表2-1,K = 应力/体应变 =（F/S）/（V/V）,体积应变也称膨胀率。,(4) 体积形变弹性模量,体积形变弹性模量K的定义为：在外力作用下，物体体积相对变化V/V，即应力与体积应变之比，用K表示:,（6）拉梅系数（把岩石的应力和应变联系起来的常数）,体积形变弹性模量的倒数叫体积压缩系数，以表示：,（5）体积压缩系数,二、声波在岩石中的传播特性,1、纵波、横波的定义,纵波（压缩波或P波）：,介质质点的振动方
6、向与波的传播发向一致。弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。 体积模量不等于零的介质都可以传播纵波。,纵波,横波（剪切波或S波）：,介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特点：弹性体的小体积元体积不变，而边角关系发生变化，例：切变波。 切变模量不等于零的介质才能传播横波。,SH波,SV波,在井下，纵波和横波都能在地层传播，而泥浆中只能传播纵波。,注意,横波不能在流体（气、液体）中传播，因为它的切变模量=0,纵波可以在气体、液体和固体中传播。,2、岩石的声速特性,声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。声波在弹性介质中的传播速度主要取决于介质的弹性模量和密度。,纵波速度,横波速度
7、,E杨氏模量,泊松比,介质密度,纵横波比,由于大多数岩石的泊松比等于0.25，所以岩石的纵横波速度比为1.73。 可见，岩石中传播的纵波比横波速度快，所以在岩石中传播，纵波总是早于横波被接收到。 一般，岩石的密度越大，传播速度越快，反之亦然。,在声速测井中，纵波是首波。,对于沉积岩来讲，声波速度除了与上述基本因素有关外，还和下列地质因素有关:,地质因素,岩性,孔隙度,岩石地质时代,岩石埋藏深度,声波速度的影响因素,由于不同矿物的弹性模量大小不同，介质弹性模量的大小又是影响介质声速的主要因素，所以由不同矿物构成的岩石，其声速大小也不同。常见的介质和岩石的纵波速度如下：,1、岩性,岩层孔隙中通常被
8、油、气、水等流体介质所充填，这些孔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。 显然，岩层孔隙度和孔隙流体的弹性模量和密度对岩层的声速有明显的影响。 孔隙流体相对岩石骨架是低速介质，所以岩性相同孔隙流体不变的岩石，孔隙度越大，岩石的声速越小。,2、孔隙度,深度相同成分相似的岩石，当地质时代不同时，声速也不同。 老地层比新地层具有更高的声速。,3、岩石地质时代,4、岩石埋藏深度,在岩性和地质时代相同的条件下，声速随岩层埋藏深度加深而增大。这种变化是受上覆地层压力增大使岩石的杨氏弹性模量增大。 岩层埋藏较浅的地层，埋藏深度增加时，其声速变化剧烈；深部地层，埋藏深度增加时，其声速变化不明显
9、。,上述分析看出，可根据岩石声速来研究岩层，确定岩层的岩性和孔隙度。,在平面波的情况下，介质密度和介质中声波传播速度的乘积叫做波阻抗。,其它概念：,两种介质的声阻抗相差越大，声波能量就越难从介质中透射到介质中去。,各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中传播时能量的藕合状况来研究和评价固井状况的。,Z1/Z2越大或越小，声耦合越差，声波不易从介质1到介质2中去。,Z1/Z2越接近1，声耦合越好，声波易从介质1到介质2中去。,Z1/Z2也称声耦合率。,井壁固液界面产生的两种波,A. 瑞利波（井壁泥浆的交界面上产生的波，与横波混在一起不易区分。）,在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水波的面
10、波，这种波叫瑞利波(Rayleigh waves)如图所示，瑞利波具有以下特点： (1)产生在弹性介质的自由表面。 (2)质点运动轨迹为椭圆。 (3)质点运动方向相对于波的传播方向是倒卷的，波速约为横波波速的8090。,瑞利波示意图,B. 斯通利波（Stoneley waves） 由在泥浆中传播的纵波与在井壁中传播的横波相干产生的相干波。速度很低且可用于计算地层渗透率。,斯通利波具有以下特点： （1）由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生。 （2）对地层渗透性变化敏感。 （3）低速，速度小于在钻井液中传播的直达波。 在声波测井全波列图上，斯通利波是传播速度最低的声波。,裸眼井声波测井接收器收到的
11、全波列示意图,三、声波在介质界面上的传播特性,1、声波在界面上的反射和折射,法线,入射线,反射线,折射线,1v1,2v2,临界角及滑行波,此时的入射角被称为临界角,即: 折射角等于900时的入射角,滑行波指: 当v1 v2、且入射波以临 界角入射时，在两种介质 的界面上产生的以v2速度 传播的折射波。,滑行波沿界面滑行时，将沿临界角方向向介质1中辐射能量。 对于井下岩层，一般都满足vm （泥浆速度）vp（地层速度）第一临界条件，因此井中很容易激发沿井壁滑行的地层纵波。,声速测井（声时差测井）,声时差测井测量声波通过井下单位厚度岩层的传播时间，即时差t（s/m），由于时差的倒数就是声速v（m/s
12、），因此又叫声速测井。,时差亦称慢度其单位是:微秒/米或微秒/英尺.,时差曲线的常用表示符号: AC DT BHC,一、单发双收的测量原理,R：接收探头 声能转化为电能,T：发射探头 电能转化为声能,T,R1,R2,A,E,B,C,D,F,声波沿路径ABCE传播所需时间为t1,则声波到达两个接收探头的 时间差:T=t2-t1,声波沿路径ABDF传播所需时间为t2,V1,V2,泥浆声速,地层声速,设: 仪器居中,井径规则,则,惠更斯原理:介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波的波源,而在其后的任意时刻,这些子波的包络就是新的波前.,费尔马时间最小原理:在所有经两种 介质界面上滑行并到达接收探
13、头的 路径中,声波沿以临界角返回至接收 探头的路径传播时用时最短.,在扩径井段上部,时差增大,井径扩大井段,在扩径井段下部,时差减小,时差曲线特点: 1)对着厚地层的中部,声波时差不受围岩的影响,时差曲线出现平直段,该段时差值为该厚地层的时差值; 2)在地层界面处,测量受到两种地层的共同影响,所测时差不能反映地层的实际时差; 3)在薄层情况下,测量要受到围岩的影响,其测量结果同样不能反映地层的实际时差值.,t0,R1,R2,t,1、产生滑行波的条件 V地层 V泥浆,2、到达接收探头的波类,折射纵波,泥浆波（直达波）,反射波,3、让滑行纵波首先到达接收探头,因反射波、泥浆波都只在泥浆中传播，V地
14、大于V泥，如果合理选择源距可以使滑行纵波首先到达接收探头，而成其为首波。,t=t2-t1=,如果井径规则，则AB=DF=CE，上式为：,显然：CD正好是仪器的间距，时差与声速成反比。,时差的单位：s/m,4、时差的表达式,时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间。,5、输出的测井曲线,输出一条声波时差曲线,时差 s/m,气层厚层,气水同层,二、单发双收声系井下仪器组成,下井仪器,声系,电子线路,隔声体,接收换能器R2,接收换能器R1,发射换能器T,隔声体,在下井仪器的外壳上有很多刻槽，称之为隔声体，用以防止发射换能器发射的声波经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量的干扰。,三、声波时差曲线的影
15、响因素,声波时差曲线反映岩层的声速，声速高的时差值低，声速低的时差值高，因此时差值受地层特性的控制，此外还受到井条件及仪器本身的影响。,影响因素,井径变化的影响,地层厚度的影响,“周波跳跃”现象的影响,1.井径的影响, R1处在井径扩大井段，R2位于正常或缩小井段时，滑行波到达R1的时间增加，而到达R2的时间不变，因此时差下降。,R1位于正常或缩小井段，R2位于井径扩大井段，滑行波到达R1的时间不变，而到达R2的时间增加，因此时差增加。,当R1和R2都处于井径扩大或缩小井段时，t1、t2同时增加或下降，时差不变。,当井眼扩大时，在井眼扩大井段的上下界面处，时差曲线就会出现假的异常： 上界面处时
16、差增大 下界面处时差减小,在一些砂泥岩的分界面处，常常发生井径变化，砂岩一般缩径而泥岩扩径。 因此，在砂岩层的顶部(相当于井眼扩大井段的下界面)出现时差曲线减小的尖锋，砂岩层的底界面处(相当于井眼扩大井段的上界面)出现时差曲线增大的尖锋。,2.岩层厚度的影响,（1）厚层（hl间距) 曲线的半幅点为层界面,曲线幅度的峰值为时差。,（2）薄层（hl间距） 曲线受围岩的影响大，高速地层的时差增加，用半幅点确定的层界面（视厚度)岩层的真实厚度。,间距,间距,3 、周波跳跃的影响,（1）产生的原因,通常，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的。 但是，在含气疏松地层情况下，地层大量吸收声波能量，声波发生较大的衰减，这时常常是
