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1、 地地 球球 物物 理理 测测 井井第二章第二章 声波测井声波测井心胸有多大，事业就有多大心胸有多大，事业就有多大包容有多少，拥有就有多少包容有多少，拥有就有多少地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井声波测井声波测井是通过研究是通过研究声波声波在井下岩层和介质中的传播特性，从在井下岩层和介质中的传播特性，从而了解岩层的而了解岩层的地质特性地质特性和井的和井的技术状况技术状况的一种测井方法。的一种测井方法。目前主要有以下几种声波测井方法：目前主要有以下几种声波测井方法：声波时差测井声波时差测井（计算地层孔隙度和力学参数）（计算地层孔隙度和力学参数）水泥胶
2、结测井水泥胶结测井CBL（研究固井质量）（研究固井质量）噪声测井噪声测井（研究油井串槽和油气水流动情况）（研究油井串槽和油气水流动情况）超声电视超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝）（观察井壁情况和裂缝）声速类测井声速类测井声幅类测井声幅类测井声波变密度测井声波变密度测井VDL（观察井壁情况和裂缝）（观察井壁情况和裂缝）声波频率特声波频率特性类测井性类测井声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井方位声波成像测井方位声波成像测井偶极横波成像测井偶极横波成像测井井周声波成像测井井周声波成像测井超声波成像测井
3、超声波成像测井声声波波成成像像测测井井地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质是一种机械波，是介质质点是一种机械波，是介质质点振振动动向四周的传播。向四周的传播。目前声波测井使用的频率为目前声波测井使用的频率为20Hz20Hz2MHz2MHz。声声 波波 20HZ 20HZ 频率频率 20KHZ 20KHZ次次声波声波 频率频率 20HZ 20HZ超超声波声波 频率频率 20KHZ20KHZ什么叫声波？什么叫声波？地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质一、岩石的弹性及弹性参数一、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
4、形态的能力。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 1、弹性、弹性2 2、物体的分类、物体的分类弹性体弹性体塑性体塑性体受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的能力。受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的能力。弹性体：弹性体：产生永久形变。产生永久形变。塑性体：塑性体：可变成可变成 在在声声波波测测井井中中，声声源源的的能能量量很很小小，声声波波作作用用在在岩岩石石上上的的时时间间很很短短，因因而而岩岩石石可可以以当当成成弹弹性性体体，在在岩岩石石中中传传播播的声波可以被认为是的声波可以被认为是弹性波弹性波。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质3
5、 3、描述弹性体的参数、描述弹性体的参数（1 1）杨氏模量）杨氏模量E(E(定义为应力与其应变之比定义为应力与其应变之比) )F F作用外力；作用外力；l l、s s分别为弹性体长度、横截面积；分别为弹性体长度、横截面积；E E弹性体的杨氏模量，弹性体的杨氏模量，kg/cmkg/cm2 2或或dyn/cmdyn/cm2 2F/SF/S为作用于单位面积上的力，称为为作用于单位面积上的力，称为应力应力。 为弹性体在力方向上的相对形变，称为为弹性体在力方向上的相对形变，称为应变应变。物理意义：物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度描述弹性体发生形变的难易程度。HookHook定律：定律：地球物理测井
6、地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质（2 2）泊松比）泊松比（定义为（定义为外力作用下，弹性体外力作用下，弹性体的横向应变与纵向应变之比的横向应变与纵向应变之比） = = 弹性体的横向应变弹性体的横向应变/ /纵向应变纵向应变 = =（d/dd/d）/ /（l/ll/l）物理意义：描述弹性体物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。形状改变的物理量。dlF（3 3） 体积弹性模量体积弹性模量 K K （定义为（定义为应力与弹性体的体应变之比应力与弹性体的体应变之比）K = K = 应力应力/ /体应变体应变 = =（F/SF/S）/ /（V/VV/V） （kg/cmkg/cm2
7、 2）体应变也称膨胀率体应变也称膨胀率地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井（4 4）切变模量）切变模量（ ） 切应变：弹性体的形状改变而体积未发生变化。切应变：弹性体的形状改变而体积未发生变化。 ：切变角：切变角 tg tg =l/d =l/d当当 很小时，很小时，tg = l/dFt d dll岩石的声学性质岩石的声学性质切变波的特点切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。：体积不变，边角关系发生变化。 = = 切应力切应力/ /切应变切应变 = =（Ft/sFt/s）/ / = = （Ft/sFt/s）/ /l/dl/d剪切模量剪切模量 是弹性体在剪切力是弹性体在剪切力FtFt作用下
8、，切应力（作用下，切应力（Ft/sFt/s）与剪）与剪切变切变 之比。之比。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质常见岩石的弹性模量参见常见岩石的弹性模量参见P86P86表表6-16-1地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质二、声波在岩石中的传播特性二、声波在岩石中的传播特性1 1、纵波、横波的定义、纵波、横波的定义纵波（压缩波或纵波（压缩波或P P波波）：）：横波（剪切波或横波（剪切波或S S波波）：）：介质质点的振动方向与波的传播发向介质质点的振动方向与波的传播发向一致一致。弹性体的小体。弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。
9、积元体积改变，而边角关系不变。体积模量不等于零的介体积模量不等于零的介质都可以传播纵波。质都可以传播纵波。介质质点的振动方向与波传播方向介质质点的振动方向与波传播方向垂直垂直的波。特点：弹性的波。特点：弹性体的小体积元体积不变，而边角关系发生变化，例：切变体的小体积元体积不变，而边角关系发生变化，例：切变波。波。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质在井下，纵波和横波都能在地层传播，而在井下，纵波和横波都能在地层传播，而泥浆中只能传播纵波。泥浆中只能传播纵波。注意注意横波不能在流体（气、液体）
10、中传播，横波不能在流体（气、液体）中传播，因为因为它的切变模量它的切变模量=0=0纵波可以在气体、液体和固体中传播。纵波可以在气体、液体和固体中传播。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质2 2、岩石的声速特性、岩石的声速特性声波在介质中的传播特性主要指声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅声速、声幅和和频率频率特性。特性。纵波速度纵波速度横波速度横波速度E E杨氏模量杨氏模量泊松比泊松比介质密度介质密度地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质常见岩石及某些物质纵波传播速常见岩石及某些物质纵波传播速度（或传播时差）见度（或传播时差）见P
11、87P87表表6-26-2纵横波比纵横波比由于大多数岩石的泊松比等于，所以岩石的纵横波速度比为。由于大多数岩石的泊松比等于，所以岩石的纵横波速度比为。可见，岩石中传播的可见，岩石中传播的纵波比横波速度快纵波比横波速度快。一般，岩石的密度越。一般，岩石的密度越大，传播速度越快，反之亦然。大，传播速度越快，反之亦然。在声速测井中，纵波是首波。在声速测井中，纵波是首波。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质三、声波在介质界面上的传播特性三、声波在介质界面上的传播特性1 1、声波在界面上的反射和折射、声波在界面上的反射和折射12入射波入射波P P反射波反射波折射波折射波P
12、1S1V1V2P2S21 1折射定律折射定律Vp1Vp21901 1* *第一临界角第一临界角滑行纵波滑行纵波地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质Vp1Vs2290折射定律折射定律2 2* *第二临界角第二临界角滑行横波滑行横波在产生滑行纵波和滑行横波以后，其逆过程也成立。在产生滑行纵波和滑行横波以后，其逆过程也成立。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质T滑滑行行波波R辐射能辐射能1 1* * 或或2 2* *滑行纵波和横波沿界面滑行滑行纵波和横波沿界面滑行时，将沿临界角方向向介质时，将沿临界角方向向介质中辐射能量。对于井下岩中辐
13、射能量。对于井下岩层，一般都满足层，一般都满足v vm m （泥浆速（泥浆速度）度）v vp p（地层速度）（地层速度）第一第一临界条件，因此井中很容易临界条件，因此井中很容易激发沿井壁滑行的地层纵波。激发沿井壁滑行的地层纵波。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井介质名称介质名称VP (m/s)VP (m/s)VS (m/s)VS (m/s)第一临界角第一临界角第二临界角第二临界角泥 岩18009506244不产生滑行横波砂 层（疏松）263015183728不产生滑行横波砂 岩（疏松）3850230024334405砂 岩（致密）55003200165530石灰岩（骨架）70003700
14、13132537白云岩（骨架）7900440011412119钢 管5400310017413104常见介质的纵横波速度及第一第二临界角常见介质的纵横波速度及第一第二临界角地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井2 2、反射和折射系数（、反射和折射系数（R R、T T）反射系数反射系数R R： 1 1 、 2 2分别为介质分别为介质、的密度的密度V V1 1 、V V2 2分别为介质分别为介质、的纵波速度的纵波速度R R= W= WR R/W= /W= （ 2 2V V2 2- - 1 1 V V1 1）/ / （ 2 2V V2 2+ + 1 1 V V1 1）反射波的能量反射波的能量W W
15、R R与入射波的能量与入射波的能量W W之比。之比。折射波的能量折射波的能量WTWT入射波的能量入射波的能量W W之比。之比。T = WT = WT T/ W/ W =2=2 1 1 V V1 1/ / （ 2 2V V2 2+ + 1 1 V V1 1）折射系数折射系数T T：岩石的声学性质岩石的声学性质地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质3.3.波阻抗、声耦合率波阻抗、声耦合率1 1）波阻抗）波阻抗 Z=Z=波的传播速度波的传播速度* *介质的密度介质的密度 =V=V 2 2）声耦合率）声耦合率两种介质的声阻抗之比：两种介质的声阻抗之比：Z Z1 1/Z/Z
16、2 2Z Z1 1/Z/Z2 2越大或越小，声耦合越差，越大或越小，声耦合越差，R R大，大，T T小，声波不易从介质小，声波不易从介质1 1到介质到介质2 2中去。中去。Z Z1 1/Z/Z2 2越接近越接近1 1，声耦合越好，声耦合越好，R R小，小，T T大，声波易从介质大，声波易从介质1 1到介质到介质2 2中去中去。各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中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。传播时能量的藕合状况来研究和评价固井状况的。地球物理测井地球物理测井声波测井声波测井岩石的声学性质岩石的声学性质4.4.井壁固液界面产生的两种波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，瑞利波（井壁泥浆的交界面上产生的波，与横波混在一起不与横波混在一起不易区分易区分。）。） 在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水波的面波，这种在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水波的面波，这种在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水波的面波，这种在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水波的面波，这种波叫瑞利波波叫瑞利波波叫
