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1、2010 年年 12 月月声波测井声波测井（Sonic Logging）一、地层的地球物理特性一、地层的地球物理特性二、阿尔奇公式二、阿尔奇公式 地层因素（地层因素（F） 电阻率增大倍数（电阻率增大倍数（I）7 7个个声学特性声学特性声波在不同介质中传播的声学特性有哪些？声波在不同介质中传播的声学特性有哪些？声波测井可以分为几类？各举一个实例声波测井可以分为几类？各举一个实例什么是声波测井？什么是声波测井？ 通过研究声波在井下岩层和介质中的传播特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。一种测井方法。
2、 声波速度声波速度声波幅度声波幅度声波频率声波频率声速测井（声速测井（AC）声幅测井（声幅测井（CBL）声波频率测井（声波频率测井（NL）声波测井的分类声波测井的分类声波速度测井声波速度测井AC，LSS，DSI测声速测声速，计算地层孔隙，计算地层孔隙度、岩石力学参数、地度、岩石力学参数、地应力和地层压力应力和地层压力声声 幅幅 测井测井CBL，VDL，SBT，CET，PET，BHTV，CBIL，USI测声幅测声幅，研究固井质，研究固井质量量, 观察井壁情况、裂观察井壁情况、裂缝和套损缝和套损噪声测井噪声测井NL测声波频率测声波频率，研究油井，研究油井串槽和井下流体的流动串槽和井下流体的流动情况
3、情况石石油油工工程程测测井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超声波成像测井声声波波成成像像测测井井石石油油工工程程测测井井 声波测井的理论基础声波测井的理论基础1 声速类测井声速类测井2 声幅类测井声幅类测井3主 要 内 容石石油油工工程程测测井井 声波是一种机械波，是介质质点振动声波是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。向四周的传播。1.声波测井的理论基础声波测井的理论基础 机械振动的传播是靠质点与质点间的机械振动的传播是靠质点与质点间的弹性弹性作用进行的。所以声波在介质中的传作用进行的。所以声波在介质中的传播
4、速度和幅度与播速度和幅度与弹性体弹性体的的弹性弹性密切相关。密切相关。什么叫声波？什么叫声波？石石油油工工程程测测井井岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数弹性：弹性：是指物体受有限外力而发生形变后是指物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力恢复原来形态的能力 。 弹性体：弹性体：是指受外力作用发生形变，外力是指受外力作用发生形变，外力取消后，恢复到原来状态的物体取消后，恢复到原来状态的物体 。 塑性体：塑性体：是指当外力取消后不能恢复其原是指当外力取消后不能恢复其原始状态的物体。始状态的物体。 1.声波测井的理论基础声波测井的理论基础绝绝对对的的吗吗？石石油油工工程程测测井井弹性体弹性
5、体可变成可变成塑性体塑性体岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数物体弹性的影响因素：物体弹性的影响因素： 物体本身的特性；物体本身的特性； 对物体施加的外力；对物体施加的外力；超超过过弹弹性性限限度度作作用用时时间间长长 声波测井中，声源能声波测井中，声源能量很量很小小，声波作用在岩石，声波作用在岩石上的时间很上的时间很短短，岩石可以，岩石可以当成当成弹性体弹性体，其弹性可，其弹性可用用弹性参数弹性参数来描述。来描述。弹弹性性参参数数P118石石油油工工程程测测井井一、岩石的一、岩石的静态静态弹性参数弹性参数FFLSd纵向纵向横向横向应力：作用于单位面积上的力应力：作用于单位面积上的力1应变
6、：在力的方向上的相对形变应变：在力的方向上的相对形变2体应变：体应变：3岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数石石油油工工程程测测井井杨氏模量杨氏模量E：4FFLSd纵向纵向横向横向一、岩石的一、岩石的静态静态弹性参数弹性参数岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数物理意义：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：石石油油工工程程测测井井泊松比泊松比 ：5一、岩石的一、岩石的静态静态弹性参数弹性参数岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数（外力作用下，弹性体的横向应（外力作用下，弹性体的横向应变与纵向应变之比）变与纵向应变之比） = =
7、 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石石油油工工程程测测井井体积模量体积模量K：6一、岩石的一、岩石的静态静态弹性参数弹性参数岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数（定义为应力与弹性体的体应变之比）（定义为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 2）体应变也称膨胀率体应变也称膨胀率石石油油工工程程测测井井切变模量切变模量G7 在剪切力在剪切力Ft
8、的作用下，弹性的作用下，弹性体将发生切应变，即弹性体的形体将发生切应变，即弹性体的形状改变而体积未发生变化。状改变而体积未发生变化。切变角切变角（相对切变）（相对切变）（剪切变）（剪切变）Ftdl一、岩石的一、岩石的静态静态弹性参数弹性参数岩石的弹性及弹性参数岩石的弹性及弹性参数G切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。石石油油工工程程测测井井声波的分类（按照声波的分类（按照频率频率和传播方式）和传播方式） 目前声波测井采用的声源频率目前声波测井采用的声源频率为为20Hz2MHz 声波声波20Hz 频率频率 20kHz次声波次声波频率频率 20Hz超
9、声波超声波频率频率20kHz1.声波测井的理论基础声波测井的理论基础石石油油工工程程测测井井1.声波测井的理论基础声波测井的理论基础声波的分类（按照声波的分类（按照频率频率和传播方式）和传播方式）纵波：纵波：横波：横波：质点振动方向与传播方向一致（压缩波、质点振动方向与传播方向一致（压缩波、P P波），边角不发生变化波），边角不发生变化质点振动方向与传播方向垂直（剪切波、质点振动方向与传播方向垂直（剪切波、S S波），边角发生变化波），边角发生变化地层：可传播纵波和横波地层：可传播纵波和横波流体（气、液体）流体（气、液体） ：只能传播纵波，不：只能传播纵波，不能传播横波。因为它的切变模量能传播
10、横波。因为它的切变模量G=0体积模量体积模量K不等于不等于0的介质都可以传播纵波。的介质都可以传播纵波。切变模量切变模量G不等于不等于0的介质才能传播横波。的介质才能传播横波。石石油油工工程程测测井井声波的传播特性声波的传播特性 声速特性声速特性 声幅特性声幅特性 频率特性频率特性1.声波测井的理论基础声波测井的理论基础石石油油工工程程测测井井 介质传播纵波和横波的传播速度介质传播纵波和横波的传播速度Vp， Vs 与介与介质的质的弹性参数弹性参数和和密度大小密度大小有关，其关系式如下：有关，其关系式如下：同一介质传播特性同一介质传播特性 声速特性及影响因素声速特性及影响因素杨氏模量杨氏模量泊松
11、比泊松比介质的密度介质的密度改错改错P P4040，公式，公式(2-1)(2-1) 石石油油工工程程测测井井结论结论1 1：由于大多数岩石的泊松比为：由于大多数岩石的泊松比为0.250.25，所以，所以在岩石中的纵横波速度之比约为在岩石中的纵横波速度之比约为1.731.73，在岩石在岩石中纵波的传播速度比横波大。中纵波的传播速度比横波大。也正因为如此，也正因为如此，在普通的声波测井中纵波总是先于横波到达接收在普通的声波测井中纵波总是先于横波到达接收探头，成为首波。探头，成为首波。同一介质中，纵横波速度比：同一介质中，纵横波速度比： 声速特性及影响因素声速特性及影响因素同一介质传播特性同一介质传
12、播特性石石油油工工程程测测井井结论结论2 2：岩石的声速是随密度的增大而增大岩石的声速是随密度的增大而增大 声速特性及影响因素声速特性及影响因素同一介质传播特性同一介质传播特性石石油油工工程程测测井井 声速特性及影响因素声速特性及影响因素结论结论3 3：孔隙度孔隙度 传播速度传播速度同一介质传播特性同一介质传播特性石石油油工工程程测测井井结论结论4 4：对沉积岩来说，声速除与上述基本因素：对沉积岩来说，声速除与上述基本因素有关外，还与有关外，还与岩性岩性，岩石矿物成分岩石矿物成分、孔隙结孔隙结构构及及地层的埋藏深度地层的埋藏深度，地质时代地质时代有关。有关。 声速特性及影响因素声速特性及影响因
13、素同一介质传播特性同一介质传播特性 由上表可见，不同岩石、不同性质流体的由上表可见，不同岩石、不同性质流体的由上表可见，不同岩石、不同性质流体的由上表可见，不同岩石、不同性质流体的纵波速度是不同的，因此，通过测量声波在地纵波速度是不同的，因此，通过测量声波在地纵波速度是不同的，因此，通过测量声波在地纵波速度是不同的，因此，通过测量声波在地层中的传播速度，可以研究地层及其孔隙流体层中的传播速度，可以研究地层及其孔隙流体层中的传播速度，可以研究地层及其孔隙流体层中的传播速度，可以研究地层及其孔隙流体的性质。声波的速度特性是声波时差测井等声的性质。声波的速度特性是声波时差测井等声的性质。声波的速度特
14、性是声波时差测井等声的性质。声波的速度特性是声波时差测井等声速类测井方法的基础。速类测井方法的基础。速类测井方法的基础。速类测井方法的基础。石石油油工工程程测测井井 声幅特性声幅特性 声波的能量与其幅度的平方成正比。声波的能量与其幅度的平方成正比。声波的能量与其幅度的平方成正比。声波的能量与其幅度的平方成正比。声幅的声幅的声幅的声幅的高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介质要吸收声能，使声幅衰减，其衰减规律为：质要吸收声能，使声幅衰减，其衰减规律为：质要吸收声能，使
15、声幅衰减，其衰减规律为：质要吸收声能，使声幅衰减，其衰减规律为：式中式中式中式中 J J0 0初始声强（单位面积上的声功率）；初始声强（单位面积上的声功率）；初始声强（单位面积上的声功率）；初始声强（单位面积上的声功率）； 声波经声波经声波经声波经 l l 距离后的声强；距离后的声强；距离后的声强；距离后的声强； 介质的吸收系数。介质的吸收系数。介质的吸收系数。介质的吸收系数。同一介质传播特性同一介质传播特性 介质的吸收系数介质的吸收系数介质的吸收系数介质的吸收系数随介质的密度和声随介质的密度和声随介质的密度和声随介质的密度和声速减小而增大，随声波频率增高而增大。速减小而增大，随声波频率增高而
16、增大。速减小而增大，随声波频率增高而增大。速减小而增大，随声波频率增高而增大。 岩石的密度越小，对声能吸收越强，单位距岩石的密度越小，对声能吸收越强，单位距岩石的密度越小，对声能吸收越强，单位距岩石的密度越小，对声能吸收越强，单位距离的声幅衰减越大；离的声幅衰减越大；离的声幅衰减越大；离的声幅衰减越大； 声波的幅度特性是井下超声电视、水声波的幅度特性是井下超声电视、水声波的幅度特性是井下超声电视、水声波的幅度特性是井下超声电视、水泥胶结测井等声幅类测井方法的基础。泥胶结测井等声幅类测井方法的基础。泥胶结测井等声幅类测井方法的基础。泥胶结测井等声幅类测井方法的基础。 声波频率越高，声幅衰减也越大
17、。声波频率越高，声幅衰减也越大。声波频率越高，声幅衰减也越大。声波频率越高，声幅衰减也越大。石石油油工工程程测测井井 频率特性频率特性声波的频率特性是噪声测井的基础。声波的频率特性是噪声测井的基础。同一介质传播特性同一介质传播特性石石油油工工程程测测井井声波在介质交界面上的传播规律声波在介质交界面上的传播规律折射与反射折射与反射 声波在不同介质分界面上传播时，将声波在不同介质分界面上传播时，将产生反射和折射。产生反射和折射。 大学物理已经学习了大学物理已经学习了 ，Snell law，看，看书复习，回答以下问题：书复习，回答以下问题：1 1、P P波在两种介质中会产生哪些波？波在两种介质中会产
18、生哪些波？2 2、S S波能在液相和气相中传播吗？波能在液相和气相中传播吗？3 3、产生滑行、产生滑行P P波和滑行波和滑行S S波的条件是什么？波的条件是什么？4 4、什么是第一和第二临界角、什么是第一和第二临界角5 5、反射系数、反射系数C CR是什么，如何计算？是什么，如何计算？6 6、折射系数、折射系数C CT是什么，如何计算？是什么，如何计算？7 7、声阻抗是什么，如何计算？、声阻抗是什么，如何计算？8 8、声耦合率是什么，如何计算？、声耦合率是什么，如何计算？石石油油工工程程测测井井 在上述四种声波中，反射纵波和反射横波没有进入介在上述四种声波中，反射纵波和反射横波没有进入介在上述
19、四种声波中，反射纵波和反射横波没有进入介在上述四种声波中，反射纵波和反射横波没有进入介质质质质内部，因此，这两种波的速度特性与介质内部，因此，这两种波的速度特性与介质内部，因此，这两种波的速度特性与介质内部，因此，这两种波的速度特性与介质无关，但其无关，但其无关，但其无关，但其幅度特性能够反映出介质幅度特性能够反映出介质幅度特性能够反映出介质幅度特性能够反映出介质的表面特性。液相和气相介质中的表面特性。液相和气相介质中的表面特性。液相和气相介质中的表面特性。液相和气相介质中不能传播声波横波，因此测井时，当介质不能传播声波横波，因此测井时，当介质不能传播声波横波，因此测井时，当介质不能传播声波横
20、波，因此测井时，当介质 为井筒内流体，为井筒内流体，为井筒内流体，为井筒内流体，介质介质介质介质为地层时，井眼中传播的声波只有声波纵波。反射纵为地层时，井眼中传播的声波只有声波纵波。反射纵为地层时，井眼中传播的声波只有声波纵波。反射纵为地层时，井眼中传播的声波只有声波纵波。反射纵波的传播特性是各种评价井壁状况、监测套管表面特征的波的传播特性是各种评价井壁状况、监测套管表面特征的波的传播特性是各种评价井壁状况、监测套管表面特征的波的传播特性是各种评价井壁状况、监测套管表面特征的测井方法的基础。测井方法的基础。测井方法的基础。测井方法的基础。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
21、射石石油油工工程程测测井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1入射波入射波P P反射波反射波折射波折射波P12S1V1V2P2S21 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石石油油工工程程测测井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石石油油工工程程测测井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
22、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1 1中辐射能量。对于井下岩中辐射能量。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。石石油油工工程程测测井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泥 岩岩18009506244不产生滑行横波不产生滑行横波砂砂 层（疏松）层（疏松）263015183728不产生滑行横波不
23、产生滑行横波砂砂 岩（疏松）岩（疏松）3850230024334405砂砂 岩（致密）岩（致密）55003200165530石灰岩（骨架）石灰岩（骨架）7000370013132537白云岩（骨架）白云岩（骨架）7900440011412119钢钢 管管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2 2、反射和折射系数（、反射和折射系数（ CR 、 CT ）反射系数反射系数CR ：反射波的能量反射波的能量E ER R与入射波的能量与入射波的能量E EI I之比。之比。折射波的能量折射波的能量E ET T入射波的能量入射波的能量E EI
24、 I之比。之比。折射系数折射系数CT ： 结论结论结论结论1 1：两种介质性质越一致，折射波能量两种介质性质越一致，折射波能量两种介质性质越一致，折射波能量两种介质性质越一致，折射波能量越强，能量易透过；两种介质性质差异越大，越强，能量易透过；两种介质性质差异越大，越强，能量易透过；两种介质性质差异越大，越强，能量易透过；两种介质性质差异越大，反射波能量越强，能量越不能透过。反射波能量越强，能量越不能透过。反射波能量越强，能量越不能透过。反射波能量越强，能量越不能透过。 结论结论结论结论2 2：当声藕合率趋于当声藕合率趋于当声藕合率趋于当声藕合率趋于1 1时，声藕合好，时，声藕合好，时，声藕合
25、好，时，声藕合好，反射系数小（反射能量小），折射系数大反射系数小（反射能量小），折射系数大反射系数小（反射能量小），折射系数大反射系数小（反射能量小），折射系数大（折射能量大）。（折射能量大）。（折射能量大）。（折射能量大）。石石油油工工程程测测井井声波在固液界面形成的两种波声波在固液界面形成的两种波u 斯通利波（斯通利波（Stoneley waves）u 瑞利波瑞利波(Rayleigh waves)石石油油工工程程测测井井u 瑞利波瑞利波(Rayleigh waves)图图图图2 22 2 瑞利波示意图瑞利波示意图瑞利波示意图瑞利波示意图 在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水在弹性介质的
26、自由表面上，可以形成类似于水在弹性介质的自由表面上，可以形成类似于水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，如图波的面波，这种波叫瑞利波，如图波的面波，这种波叫瑞利波，如图波的面波，这种波叫瑞利波，如图2 22 2所示。所示。所示。所示。声波在固液界面形成的两种波声波在固液界面形成的两种波瑞利波具有以下特点：瑞利波具有以下特点：瑞利波具有以下特点：瑞利波具有以下特点： (1)(1)产生在弹性介质的自由表面；产生在弹性介质的自由表面；产生在弹性介质的自由表面；产生在弹性介质的自由表面；(3)(3) 波速约为横波波速的波速约为横波波速的波速约为横波波速的波速约为横波波速的
27、80809090。(2)(2)质点运动轨迹为椭圆，相对于波的传播质点运动轨迹为椭圆，相对于波的传播质点运动轨迹为椭圆，相对于波的传播质点运动轨迹为椭圆，相对于波的传播方向是倒卷；方向是倒卷；方向是倒卷；方向是倒卷； 在声波全波列测井接收器接收到的全波波形图上，在声波全波列测井接收器接收到的全波波形图上，在声波全波列测井接收器接收到的全波波形图上，在声波全波列测井接收器接收到的全波波形图上，瑞利波和横波瑞利波和横波瑞利波和横波瑞利波和横波一般混在一起，不易区分。一般混在一起，不易区分。一般混在一起，不易区分。一般混在一起，不易区分。石石油油工工程程测测井井u 斯通利波（斯通利波（Stoneley
28、 waves） 斯通利波是由在钻井液中传播的纵斯通利波是由在钻井液中传播的纵斯通利波是由在钻井液中传播的纵斯通利波是由在钻井液中传播的纵波与在井壁地层中传播的横波相干产生波与在井壁地层中传播的横波相干产生波与在井壁地层中传播的横波相干产生波与在井壁地层中传播的横波相干产生的的的的相干波相干波相干波相干波。声波在固液界面形成的两种波声波在固液界面形成的两种波2.2.2.2.对地层渗透性变化敏感对地层渗透性变化敏感对地层渗透性变化敏感对地层渗透性变化敏感斯通利波具有以下特点：斯通利波具有以下特点：斯通利波具有以下特点：斯通利波具有以下特点：1.1.1.1.由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生由井壁
29、地层横波和钻井液中纵波相干产生由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生 在声波测井全波列图上，斯通利波在声波测井全波列图上，斯通利波在声波测井全波列图上，斯通利波在声波测井全波列图上，斯通利波是是是是传播速度最低传播速度最低传播速度最低传播速度最低的声波。的声波。的声波。的声波。3.3.3.3.低速，速度小于在钻井液中传播的泥浆直达波低速，速度小于在钻井液中传播的泥浆直达波低速，速度小于在钻井液中传播的泥浆直达波低速，速度小于在钻井液中传播的泥浆直达波井眼中全波列的达到时间序列，井眼中全波列的达到时间序列，P43图图 2-3 ，记住达到接收器的顺序，记住达到接收
30、器的顺序纵波纵波横波和横波和瑞利波瑞利波泥浆波泥浆波斯通利波斯通利波波波幅幅A A时间时间t t裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图石石油油工工程程测测井井1.费马时间最小原理：费马时间最小原理： 声波在一般介质中传播时，所经过的任声波在一般介质中传播时，所经过的任意两点的传播路径满足所用时间最小的传播意两点的传播路径满足所用时间最小的传播条件。条件。2.惠更斯原理：惠更斯原理： 介质中波所传播到的各点都可以看成新介质中波所传播到的各点都可以看成新的波源，称为子波源；可以认为每个子波源的波源，称为子波源；可以认为每个子波源都可以向各个方向发出微弱的波，称
31、为子波；都可以向各个方向发出微弱的波，称为子波；这种子波是以所在介质的声波速度传播。这种子波是以所在介质的声波速度传播。2. 声波速度声波速度/时差测井时差测井石石油油工工程程测测井井仪器组成：仪器组成：声系，声波（脉冲）发射器和声波接收器声系，声波（脉冲）发射器和声波接收器测量信号：测量信号：滑行波通过地层传播的时差滑行波通过地层传播的时差t 仪器类型：仪器类型：单发双收单发双收、双发双收双发双收、双发四收双发四收时差：时差：声波速度声波速度/时差测井是测量滑行波时差测井是测量滑行波穿越地层单位长度时所用的时间，即时穿越地层单位长度时所用的时间，即时差差t，单位是，单位是us/m或或us/f
32、t。2. 声波速度声波速度/时差测井时差测井井眼补偿声波测井仪井眼补偿声波测井仪长源距声波测井仪长源距声波测井仪AC，acousticDT石石油油工工程程测测井井井下传播的波：井下传播的波： 折射纵波折射纵波（滑行波）（滑行波）； 一次或多次反射纵波；一次或多次反射纵波； 流体直达波（泥浆波）；流体直达波（泥浆波）；2. 声波速度声波速度/时差测井时差测井 折射横波。折射横波。让滑行纵波首先到达接收探头让滑行纵波首先到达接收探头? ? 因反射波、泥浆波因反射波、泥浆波都只在泥浆中传播，都只在泥浆中传播，V地地V泥泥，如果合理，如果合理选择源距可以使纵波选择源距可以使纵波首先到达接收探头而首先到
33、达接收探头而成为首波。成为首波。井筒井筒BCATR1源源距距井壁井壁石石油油工工程程测测井井T 产生声波产生声波(f = 20kHz)泥浆泥浆(v1)地层地层(v2)v2v1在井壁处折射产生滑行波在井壁处折射产生滑行波滑行波到达滑行波到达R完成声波速度测量完成声波速度测量单发单收声系单发单收声系声速测井原理声速测井原理石石油油工工程程测测井井单发双收声系单发双收声系T 产生声波产生声波(f = 20kHz)泥浆泥浆(v1)地层地层(v2)v2v1在井壁处折射产生滑行波在井壁处折射产生滑行波滑行波先后到达到达滑行波先后到达到达R1和和R2完成声波速度测量完成声波速度测量声速测井原理声速测井原理声
34、速测井原理声速测井原理单发双收声系单发双收声系 如果井径规则，如果井径规则，则由则由AB=DF=CE 显然显然CD正好是仪器的间正好是仪器的间距距(常数常数)，时差与声速成，时差与声速成反比。反比。（CD=35ft）石石油油工工程程测测井井仪仪器器时差时差 s/m一条声波时一条声波时差曲线差曲线AC或或DT或或t输出测井曲线输出测井曲线(1) (1) 如果井眼不规则，测量结果误差较大如果井眼不规则，测量结果误差较大;单发双收存在的缺陷单发双收存在的缺陷?(2) (2) 单发双收声系存在深度误差。单发双收声系存在深度误差。思考思考石石油油工工程程测测井井 井径的影响井径的影响 R1（处在（处在C
35、AL增加），增加），R2（位于（位于CAL正常）井正常）井段时，段时，滑行波到达滑行波到达R1的的时间增加，时间增加，而到达而到达R2的的时间不变，因此时差下时间不变，因此时差下降。降。影响声波时差曲线的因素影响声波时差曲线的因素石石油油工工程程测测井井 井径的影响井径的影响 R2（处在（处在CAL增加），增加），R1（位于（位于CAL正常）井正常）井段时，段时，滑行波到达滑行波到达R2的的时间增加，时间增加，而到达而到达R1的的时间不变，因此时差增时间不变，因此时差增加。加。影响声波时差曲线的因素影响声波时差曲线的因素石石油油工工程程测测井井 岩层厚度的影响岩层厚度的影响影响声波时差曲线的因
36、素影响声波时差曲线的因素 厚层（厚层（hL间距），曲线的半幅点间距），曲线的半幅点为层界面为层界面,曲线幅度的峰值为时差。曲线幅度的峰值为时差。间距间距石石油油工工程程测测井井间距间距 岩层厚度的影响岩层厚度的影响影响声波时差曲线的因素影响声波时差曲线的因素 薄层（薄层（hL间距）曲线受围岩影响间距）曲线受围岩影响大，高速地层的时差增加。大，高速地层的时差增加。石石油油工工程程测测井井 周波跳跃的影响周波跳跃的影响影响声波时差曲线的因素影响声波时差曲线的因素产生的原因产生的原因 如果在滑行首波到达接收探头的路径中遇如果在滑行首波到达接收探头的路径中遇到到吸收系数很大吸收系数很大的介质，首波能触
37、发的介质，首波能触发R1但但不能触发不能触发R2，R2被幅度较高的后续波触发，被幅度较高的后续波触发，因此，时差增大。因此，时差增大。特点特点时差值增加时差值增加, ,且呈周期性的跳跃且呈周期性的跳跃石石油油工工程程测测井井 周波跳跃的影响周波跳跃的影响影响声波时差曲线的因素影响声波时差曲线的因素在现场解释中周波跳跃往往可以作在现场解释中周波跳跃往往可以作为气层或裂缝带的特征。为气层或裂缝带的特征。石石油油工工程程测测井井 为了消除深度误差为了消除深度误差及井径不规则所引起的及井径不规则所引起的误差。人们一般利用双误差。人们一般利用双发双收声系。其声系结发双收声系。其声系结构构如图如图2-52
38、-5所示所示(P(P4444) )。 声速测井原理声速测井原理双发双收声系双发双收声系图图图图2-5 BHC2-5 BHC双发双收声系双发双收声系双发双收声系双发双收声系 井眼补偿声速测井井眼补偿声速测井BHC井眼不规则时，有井眼不规则时，有: :T1R1R2T2ABEC井筒井筒井壁井壁从图中所知从图中所知:CR2CR2石石油油工工程程测测井井 平均后的补偿声波时差值基本消除平均后的补偿声波时差值基本消除了井眼等影响、同时消除了深度误差。了井眼等影响、同时消除了深度误差。井眼补偿声速测井井眼补偿声速测井BHC(a) (a) (a) (a) (a) (a) 某井段井眼补偿声波测井曲线某井段井眼补
39、偿声波测井曲线某井段井眼补偿声波测井曲线某井段井眼补偿声波测井曲线某井段井眼补偿声波测井曲线某井段井眼补偿声波测井曲线例例1 左图为井眼补偿声波测井曲左图为井眼补偿声波测井曲左图为井眼补偿声波测井曲左图为井眼补偿声波测井曲线的示例。由图可见，该井段线的示例。由图可见，该井段线的示例。由图可见，该井段线的示例。由图可见，该井段储集层与非储集层的声波时差储集层与非储集层的声波时差储集层与非储集层的声波时差储集层与非储集层的声波时差测井值差别不大；测井值差别不大；测井值差别不大；测井值差别不大； 但参照井径曲线可以发但参照井径曲线可以发但参照井径曲线可以发但参照井径曲线可以发现，在井壁发生垮塌的井现
40、，在井壁发生垮塌的井现，在井壁发生垮塌的井现，在井壁发生垮塌的井段，声波时差急剧增大。段，声波时差急剧增大。段，声波时差急剧增大。段，声波时差急剧增大。因此，声波时差测井受井因此，声波时差测井受井因此，声波时差测井受井因此，声波时差测井受井径变化影响明显。径变化影响明显。径变化影响明显。径变化影响明显。例例2石石油油工工程程测测井井 BHC声系的缺点：声系的缺点：1)1)井径很大；井径很大；2)2)井周围泥岩发生蚀变时，一些非固结井周围泥岩发生蚀变时，一些非固结和永冻地层中径向声速发生变化。和永冻地层中径向声速发生变化。长源距声波测井仪长源距声波测井仪(LSS)石石油油工工程程测测井井长源距声
41、波测井仪长源距声波测井仪(LSS)源源源源距为距为距为距为8ft8ft和和和和l0ftl0ft，或，或，或，或l0ftl0ft和和和和12ft12ft特点：特点：特点：特点：与与与与BHCBHC相比，相比，相比，相比，LSSLSS探测半径大得多探测半径大得多探测半径大得多探测半径大得多，测量的是离开井壁较远的地层的声波传播时测量的是离开井壁较远的地层的声波传播时测量的是离开井壁较远的地层的声波传播时测量的是离开井壁较远的地层的声波传播时间。因此，间。因此，间。因此，间。因此，长源距声波测井仪能够测出不受长源距声波测井仪能够测出不受长源距声波测井仪能够测出不受长源距声波测井仪能够测出不受钻井液泥
42、浆侵入、松弛破坏和井径扩大等影钻井液泥浆侵入、松弛破坏和井径扩大等影钻井液泥浆侵入、松弛破坏和井径扩大等影钻井液泥浆侵入、松弛破坏和井径扩大等影响的结果。响的结果。响的结果。响的结果。(c) LSS(c) LSS(c) LSS和和和和和和BHCBHCBHC声波曲线的比较声波曲线的比较声波曲线的比较声波曲线的比较声波曲线的比较声波曲线的比较石石油油工工程程测测井井声速测井声速测井曲线应用曲线应用u 判断气层、油气界面、气水界面判断气层、油气界面、气水界面 根据声波曲线的周波跳跃根据声波曲线的周波跳跃岩石体积物理模型岩石体积物理模型气层声波时差大于油层声波时差气层声波时差大于油层声波时差不同岩性具
43、有不同的声波速度不同岩性具有不同的声波速度P P4040表表2 21 1u 计算孔隙度计算孔隙度u 判断裂缝发育带判断裂缝发育带u 划分岩性划分岩性u 合成地震记录、计算岩石力学参数合成地震记录、计算岩石力学参数判断气层、油气界面、气水界面判断气层、油气界面、气水界面气层声波时差大于油层声波时差气层声波时差大于油层声波时差A、疏松气层、疏松气层声波周波跳跃声波周波跳跃V水水V油油V气气B、一般气层、一般气层声波时差增大声波时差增大判别岩性判别岩性 由于不同岩性地层具有不同的声速，因此可以用由于不同岩性地层具有不同的声速，因此可以用时差划分地层。参看时差划分地层。参看P P4040（表（表2-1
44、2-1），），P P130130致密岩石的时差致密岩石的时差 孔隙性岩石的时差孔隙性岩石的时差岩层的孔隙增加岩层的孔隙增加声速下降声速下降时差增加时差增加AC值：云岩值：云岩灰岩灰岩砂岩砂岩泥岩泥岩 请看下列几种岩石的声波骨架时差请看下列几种岩石的声波骨架时差灰岩灰岩tma=156 s/m无水硬石膏无水硬石膏 tma=164 s/m 岩盐岩盐 tma=220 s/m淡水淡水 tmf=620 s/m砂岩砂岩:tma=182 s/m白云岩白云岩 tma=143 s/m盐水盐水tmf=608 s/m 石石油油工工程程测测井井计算孔隙度计算孔隙度1) 1) 岩石体积物理模型岩石体积物理模型 根据测井方
45、法的探测特性和岩石根据测井方法的探测特性和岩石的各种物理性质上的差异，的各种物理性质上的差异，把岩石体把岩石体积分成几个部分积分成几个部分，然后研究每一部分然后研究每一部分对岩石宏观物理量的贡献对岩石宏观物理量的贡献, , 并视宏观并视宏观物理量为各部分贡献之和。物理量为各部分贡献之和。测井参数测井参数总体积总体积=测井参数测井参数相应体积相应体积例如例如 b= f + ma （1- ）孔隙孔隙骨架骨架纯岩石纯岩石泥质泥质骨架骨架泥质岩石泥质岩石孔隙孔隙用时差求孔隙度的公式用时差求孔隙度的公式固结压实的纯地层固结压实的纯地层 t= tf s+ tma （1- ）孔隙孔隙骨架骨架纯岩石纯岩石（威
46、利公式） 已知一淡水泥浆井中，某固结压实的砂已知一淡水泥浆井中，某固结压实的砂岩层时差为：岩层时差为：313.4 s/m ，电阻率为，电阻率为10 .m， tma=182 s/m ， tf =620 s/m，并已知，并已知RW= 0.1 .m，a=b=1，m=n=2。例例求该地层的求该地层的、Sw、判别流体性质、判别流体性质?代入各参数：代入各参数： s=30%=0.3代入代入Archie公式，公式，SW=0.333 因为因为SW0.4， SO=1-SW=67.7%，所以该层的流体性质是油，所以该层的流体性质是油气层气层固结压实的泥质地层固结压实的泥质地层根据岩石体积物理模型有根据岩石体积物理
47、模型有: t= tsh*Vsh+ tf* + tma *(1-Vsh- )非均匀孔隙地层非均匀孔隙地层 用次生用次生孔孔隙指数来反映地层的裂缝发育情况。隙指数来反映地层的裂缝发育情况。次生次生孔孔隙指数隙指数= N - S 原生孔隙度原生孔隙度 S 1CP的求法的求法: A)深度法深度法: Cp与深度成反比与深度成反比, 深度越深深度越深,地层地层越压实越压实, 胜利油田的经验公式胜利油田的经验公式: CP=1.68-0.0002*HB)时差对比法时差对比法: Cp= tsh / tshp ， tshp是固结压实纯泥岩的时差。是固结压实纯泥岩的时差。石石油油工工程程测测井井偶极子横波成像测井偶
48、极子横波成像测井(Dipole Shear Sonic Imager)问题的提出：问题的提出： 速度较低软地层或泥岩层无法测得横速度较低软地层或泥岩层无法测得横波的速度，计算岩层的波的速度，计算岩层的动态弹性力学参数动态弹性力学参数。由于其横波速度小于泥浆速度，不能满足由于其横波速度小于泥浆速度，不能满足第二临界角的条件，井壁上无法产生滑行第二临界角的条件，井壁上无法产生滑行横波，此时用长、短源距补偿声波测井不横波，此时用长、短源距补偿声波测井不能测到滑行横波。能测到滑行横波。石石油油工工程程测测井井偶极子声系的优点（上下两个声源）偶极子声系的优点（上下两个声源） 实际上是通过对挠曲波的测量来
49、计实际上是通过对挠曲波的测量来计算地层算地层Vs。 偶极子发射器或接收器声系偶极子发射器或接收器声系可以不受硬软地可以不受硬软地层限制测量地层横波速度层限制测量地层横波速度。偶极子声源在井中激偶极子声源在井中激发的声波是沿井眼附近地层传播的一种扰曲波，发的声波是沿井眼附近地层传播的一种扰曲波，好象使井眼弯曲传播的波，好象使井眼弯曲传播的波，不论地层的软硬都可不论地层的软硬都可以激发以激发，并且偶极接收器能接收到它的信号。，并且偶极接收器能接收到它的信号。偶极横波成像测井仪器偶极横波成像测井仪器 偶极横波成像测井仪偶极横波成像测井仪分为分为发射器发射器、接收器接收器和数和数据采集据采集三部分。三
50、部分。 DSI把单极和（交叉）把单极和（交叉）偶极声波技术结合起来，偶极声波技术结合起来，DSI仪器有仪器有8个阵列接收器个阵列接收器、一个单极发射器和两个偶一个单极发射器和两个偶极发射器极发射器，能精确地进行，能精确地进行各种地层（包括慢速地层）各种地层（包括慢速地层）的横波测量。的横波测量。接收器接收器接收器接收器发射器发射器发射器发射器数据采集数据采集数据采集数据采集偶极子声系偶极子声系发射发射单极发射单极发射交叉偶极发射交叉偶极发射 XMAC接收：接收：8个彼此相距个彼此相距6in的接收器，测站由互的接收器，测站由互成成45的接收器组成的接收器组成阵列接收单元阵列接收单元。 根据根据3
51、个发射器和个发射器和8个阵列接收器之间的个阵列接收器之间的不同组合，可以获得不同组合，可以获得5种种不同的工作模式。不同的工作模式。石石油油工工程程测测井井输出曲线：输出曲线：Vp，Vs，Vst，PR，AC，Acs等等1)1)地层纵波速度地层纵波速度2)2)地层横波速度地层横波速度3)3)斯通利波速度斯通利波速度5)5)全波列记录全波列记录4)4)泊松比曲线泊松比曲线(a) (a) 偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图P4849 图图2-8(b) (b) 偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图偶极横波成像测井曲线图
52、 P4849 图图2-8岩岩岩岩石石石石力力力力学学学学参参参参数数数数处处处处理理理理成成成成果果果果图图图图 地层泊松比地层泊松比CO为地层抗压强度；为地层抗压强度；T为地层抗拉强度为地层抗拉强度E为地层的动态杨氏模量；为地层的动态杨氏模量；G为地层动态剪切模量；为地层动态剪切模量；Kb为地层动态体积模量；为地层动态体积模量；PF为地层破裂压力；为地层破裂压力；PC为地层坍塌压力。为地层坍塌压力。SHM为水平最大主应力；为水平最大主应力；SHN为水平最小主应力；为水平最小主应力；SV为垂向应力；为垂向应力；地层内地层内聚强度聚强度声波时差图声波时差图声波能量图声波能量图斯通利波裂缝分析图斯
53、通利波裂缝分析图 DSIDSI声波处理成果声波处理成果(4137.6-4190.7(4137.6-4190.7米米) )斯斯通通利利裂裂缝缝分分析析显显示示裂裂缝缝特特征征纵纵横横波波能能量量衰衰减减明明显显 斯斯通通利利波波衰衰减减无无衰衰减减PSST纵纵横横波波斯斯通通利利波波明明显显增增大大zxc声波时差图声波时差图声波能量图声波能量图斯通利波裂缝斯通利波裂缝 分析图分析图 DSIDSI声波处理成果（声波处理成果（4036.4-4089.74036.4-4089.7米米) )斯斯通通利利波波裂裂缝缝分分析析显显示示裂裂缝缝特特征征纵横波能量衰减.斯通利波能量无衰减PSST纵纵横横波波.斯
54、斯通通利利波波时时差差明明显显增增大大STSP岩岩岩岩石石石石动动动动态态态态弹弹弹弹性性性性参参参参数数数数的的的的测测测测井井井井计计计计算算算算公公公公式式式式( ( ( (模模模模型型型型) ) ) ) 应用：应用：具有具有普通声波时差普通声波时差测井仪的功能测井仪的功能纵波与横波资料相结合纵波与横波资料相结合鉴别岩性鉴别岩性纵波与横波资料相结合纵波与横波资料相结合判断流体性质判断流体性质纵波与横波资料相结合纵波与横波资料相结合计算地层泊松比计算地层泊松比利用斯通利波利用斯通利波识别裂缝识别裂缝和和估计地层渗透率估计地层渗透率纵波、横波资料与纵波、横波资料与密度测井密度测井资料结合起资料结合起来计算沿井深变化的来计算沿井深变化的岩石机械强度剖面岩石机械强度剖面2 2、产生滑行纵波的滑行横波的条件是什么，、产生滑行纵波的滑行横波的条件是什么，用数学表达式说明。用数学表达式说明。3 3、简述补偿声波测井仪的结构及其测量原理、简述补偿声波测井仪的结构及其测量原理4、如何利用、如何利用AC测井计算地层孔隙度？测井计算地层孔隙度？思考题思考题1 1、岩石的声学特性有哪些？、岩石的声学特性有哪些？5、AC测井有哪些应用测井有哪些应用6、DSI测井可以得到哪些曲线，有什么应用？测井可以得到哪些曲线，有什么应用？
