(完整版)第六章声波测井
第6章声波测井
第六章声波测井声波测井是通过测量井壁介质的声学性质来判别地层特性及井眼工程状况的一类测井方法。
主要内容：声速测井（声波时差测井），声幅测井，全波列测井。
主要应用：判断岩性，估算储集层的孔隙度，检查固井质量。
第一节岩石的声学性质声波是物质运动的一种形式，它由物质的机械震动而产生，通过质点间的相互作用将震动由近及远的传递而传播。
对于声波测井来说，井下岩石可以认为是弹性介质，在声震动作用下，产生切变形变和压缩形变，因而，可以传播横波，也可以传播纵波。
一、岩石的弹性弹性体：物体受外力作用发生形变，取消外力能恢复到原来状态的物体，叫弹性体，这种形变叫弹性形变；塑性体：取消外力后不能恢复到原来状态的物体；物体是否为弹性体的决定因素：物体本身的性质、外界条件（压力、温度）、外力的作用方式、作用时间和大小。
对于声波测井来讲，声源发出的声波能量较小，作用在岩石上的时间短，故将岩石看成弹性体，其理论为弹性波在介质中的传播性质。
弹性体的弹性力学性质：扬氏模量E，泊松比σ，体积形变模量K等。
杨式模量(E)--- 弹性体拉长或压缩时应力（F/A）与应变(ΔL/L)之比。
/A）与切应变(Δl/l)切变模量(μ)---弹性体在剪切力作用下,切应力（Ft之比。
泊松比(σ) --- 弹性体在形变时横向形变（相对减缩ΔD/D）和纵向形变（相对伸长ΔL/L）之比。
体积形变弹性模量(K) ---在外力作用下，物质体积相对变化（体积应变）与应力之比。
它的倒数为体积压缩系数。
二、岩石中的声波传播特性声波测井的声波频率：15Khz~30Khz（声波和超声波）。
质点的震动以波动形式在介质内传播，根据质点震动方向与波的传播方向的关系，分为；纵波—质点震动方向与波传播方向一致（压缩波）；横波—质点震动方向与波传播方向相互垂直（剪切波、切变波）；声波在介质中的传播速度主要取决于介质的弹性模量和密度。
在均匀介质中，声波速度与杨氏模量E 、泊松比σ、密度ρ的关系为：)21)(1()1(σσσρ-+-⋅=E v p )1(21σρ+⋅=E v s 三、声波在介质界面上的传播特性1、波的反射和折射波阻抗----定义为介质的声速与密度之乘积。
第6章 声波测井(4课时)
显。
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。
79
17
6.2 岩石的声学特性
三、声波在介质界面上的传播特性
声波通过传播速度不同的两种介质的分界面时，会发生反射和折射，并遵循 光的反射定律和折射定律。
声波在介质分界面上的传播 滑行波、临界角概念 当入射角增大到某一角度时，折射角达到90，则入射角叫临界角。此时，折射波 将在第Ⅱ介质中以V2的速度沿界面传播，这种折射波在声波测井中叫滑行波。
声系
电子线路
隔声体
单发射双接收声系 声系 双发射双接收声系 双发射四接收声系
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6.3 声波速度测井
一、单发射双接收声速测井仪器的测量原理
1、下井仪器组成
提供脉冲电信号，触 发T发射声波，R1、 R2接收声波信号，并 转换成电信号。
T以压电效应的逆 效应产生声振动， 发射声波；R以压
电效应的正效应接
各类声波测井用的机械波介于声波和超声波之间。
对测井时发射的声波而言，井下岩石可认为是弹性介质，在声振动作用下产生 切变弹性形变和压缩弹性形变。岩石既能传播横波又能传播纵波，岩石中横波与 纵波速度和岩石的弹性关系密切。
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6.2 岩石的声学特性
一、岩石的弹性
弹性体概念 塑性体概念
一个物体是弹性体还是塑性体，除与物体本身的性质有关外，还与作用其上的 外力的大小、作用时间的长短以及作用方式等因素有关。一般地说，外力小、作用 时间短，物体表现为弹性体。 声波测井中声源发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也很短，所以对声 波速度测井来讲，岩石可以看作弹性体。因此，可以用弹性波在介质中的传播规律 来研究声波在岩石中的传播特性。
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第06章 声波测井
如图，在井中居中放置一单发单 收（发射探头T，接收探头R）声波 测量装置，井眼的半径为a。假定T 发射的是平面波，要想在井壁上产生 滑行纵波，则必须使得入射波的入射 角为第一临界角，并且要想在井轴上 接收到滑行纵波，接收点到发射点的 最小距离为：Lmin = 2atgθ c 其中 为第一临界角。
R
2S
= 90
o
θ1 ≥ θ
S
= arcsin
V1 VS
3流体直达波
所谓流体直达波，即是由声源出发，经过井内流体而直接到达接 收器的波。它不受周围不连续区域的影响。事实上，某一点的声 场是由直达波场（或入射波场）与反射波场叠加而成的，这种波 显然符合费马原理。
4 一次和多次反射波
入射波可能会遇到井壁或界面，并 会与之产生一次和多次作用，产生 一次和多次反射波。
但是，在实际测井中，由于声波在传播过程中存在着各种 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，甚至记录不到信号，因此在一定的发射声功率的条 件下，源距选得又不能过长。 在实际声波测井中，由于井下声波测井仪器是用钢质外壳 做成的，为了接收来自岩层的滑行纵波，消除井内沿仪器外壳 传播的直达波，一般在仪器外壳上沿着井轴方向刻有小槽，这 样直达波在遇到这种刻槽时会产生多次反射，从而使直达波的 能量急剧衰减到很低。
杨氏模量E
E即为纵向伸长系数。由胡克定律：相对伸长与单位面积 上的作用力成正比：
F 1 F L =α = L S E S
泊松比σ
弹性物体在外力作用下，产生的纵向伸长同时有横向压缩，其 比例系数为泊松比。
d σ= d
L L
由于大多数岩石的泊松比为0.25。。
二、岩石的声波速度
传播方向和质点振动方向相互一致的声波为纵波，而传播 方向与质点振动方向相互垂直的为横波。纵波和横波的传播速 度vp、vs与弹性参数有如下关系：
第六章声波测井
源距
间距(span)
l 0.5m
R2
R1，R2的中点，为深度记录点（规定的）
5.单发双收声速测井的原理 滑行纵波到达R1、R2的时间差：
A B
t ' t2 t1
T
L 1m
E
DF CD BC AB ( ? ) v1 v2 v2 v1
CE BC AB ( ) v1 v2 v1
滑行波先到达——首波
从时间上将滑行波与直达波和反射波区分开
3.使滑行波成为首波的条件 (1)滑行波所经历的时间最短的路径 费尔玛时间最小原理： 声波以临界角 * 入射到两种介质的分 界面上后，沿边界以地层速度滑行，以 临界角方向折回泥浆到达接收探头的路径 所用时间最短。
证明(自学）
B
A
T
T t AB t BC tCD
t AB AB l v1 v1 cos *
*
L
C
χ
D
t BC
R
BC L ltg * ltgx v2 v2
v2 v1
tCD
CD l v1 v1 cos x
l L ltg * ltgx l T * v1 cos v2 v1 cos x
T可以看成是 x 的函数，要使T(x)最小， 需满足T’(x)=0
量相对误差增大。
我国常规:
l = 0.5 m ;高分辨率: l =0.15m
声波时差： 声波传播单位距离(1m或1ft) 所用的时间，记为 t，单位 s/m或s/ft 曲线： 仪器匀速移动，记录声波时差随井 深变化曲线。
三.井眼补偿声速测井 1.井眼扩大对单发双收 声系时差的影响
声波测井
声波在岩石中的传播特性
拉夫波定义
拉夫波是由拉夫从数学上给以证明的，该类型的波被称为拉夫波(LoVe WaVe)。Gwave 一种长周期（40—300秒）的拉夫波。通常只限于海上传播。
斯通利波定义
斯通利波是一种沿井壁传播的声波，当声波脉冲与井壁和井内流体的界面相遇时就 会产生斯通利波。对地层渗透性变化敏感。
瑞利波：波速约为横波的0.8-0.9倍。
斯通利波：低速，速度小于泥浆直达波。
声波在岩石中的传播特性
声幅
地层吸收声波能量而使幅度衰减，与声波频率和地层的密度等因素有关。对同一地层来说，声波频率越高，其能量越 容易被吸收；对于一定频率来说，地层越疏松（密度小、声速低），声波能量被吸收越严重，声波幅度衰减越大。
Ft S
Δl d
Ft △l
d
声波在岩石中的传播特性
纵波（压缩波或P波）定义
介质质点的振动方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。
声波在岩石中的传播特性
横波（剪切波或S波）定义
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。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。横波不能在流体中传播，其剪切模量为零。
井眼补偿声波时差： t t1 t2 2
△t2 △t1
T1 R1 R2 T2
时差曲线应用
判定气层、油气和气水界面 据流体密度和声速有：V水 > V油 > V气
在高孔隙和侵入不深的情况下，可根据周波跳跃判断气层。 划分地层：不同地层具有不同的声波速度，所以根据声波时ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ曲线可
以划分不同岩性的地层。
矿场地球物理课件第六章声波测井
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。
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。
在ρ2v 2>ρ1v 1时，折射角大于入射角，即β>α 。
当α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v 2速度沿两种介质的界面传播。
中国石油大学(华东)声波测井
声波测井声波测井是通过测量井壁声学性质来判断地层的地质特性及井眼状况的一类测井方法，包括声速测井、声幅测井、声波全波列测井等多种测井方法。
第一节井内声波的发射、传播和接收声波是机械波，是机械振动在媒介中的传播过程。
声波测井首先要在井内建立一个人工声场，这就需要一个声波发射器T，它向井内发射有一定声功率、有一定方向和频率特性的声脉冲。
其次，声波在井内的传播与井内流体和井壁附近地层的性质有关。
最后，在离声波发射器足够远的地方放置声波接收器R。
井内泥浆是一种液体，由于它只能发生体积形变，不能发生剪切形变，所以它只能传播纵波，不能传播横波。
则置于井内泥浆中的声波测井换能器发射的或接收的都是纵波。
当岩石受到声源激发时，它不但能发生体积形变，而且能发生剪切形变，故可同时产生纵波和横波。
1、声时差：声波在介质中传播单位距离所用的时间。
2、声速：声波在介质中单位时间传播的距离。
3、声压：声波在介质中传播过程的某一瞬间，声波在介质中产生的瞬时压强。
4、声强：在声波传播的波阵面上，单位面积上的声功率大小。
5、声衰减：声波在传播过程中为克服介质质点之间的摩擦或粘滞作用以及介质中有声波传播时的热传导及弛豫现象等，使在介质中传播的声波发生能量或幅度衰减，声能转化成热能的不可逆过程。
6、声阻抗：介质密度与声速的乘积。
7、水泥胶结测井：通过测量套管波第一正峰幅度来检查固井质量的一种测井方法。
8、什么是斯通利波？有什么特点？答：斯通利波是在井内流体中传播的一种诱导波，是沿井轴方向传播的流体纵波与井壁地层滑行横波相互作用产生的，相当于几何声学的泥浆直达波。
特点是：有轻微频散，无截止频率：相速度略低于群速度；能量集中在低频段，在井轴方向无衰减，井壁向地层按指数减小；井径变小，幅度增加。
9、什么是声速测井的周波跳跃？它可能造成多大的时间测量误差？答：声速测井仪正常记录时，两个接收探头被同一首波触发，但在含气疏松地层或钻井液混有气体时，声波能量严重衰减，首波只能触发第一个接收探头而没有能力触发第二个接收探头，第二个接收探头只能被后续波触发，t 曲线显示为不稳定的特别大的时差。
第6章声波测井
三、声波全波测井
1．定义：声波全波测井是以记录整个声波列显示， 来研究水泥胶结质量的方法，它常与记录首波幅度 的固井声幅测井配合，用来检查声幅测井，估计水 泥胶结质量可靠性和解决一些特殊的水泥胶结问题。
2．仪器：声波全波测井井下仪器也是由一个发射器 和一个接收器构成。为了记录整个声波波列在套管 中传播时衰减情况，目前采用了三种记录方式：全 波调辉变密度测量、全波调宽变密度测量和全波扫 描照像测量。通常将前两种记录方式的全波测井又 叫声波变密度测井。声波全波测井还配有地面测量 面板、示波器和摄相仪。
1．测井仪的简单结构
由具有一定形状，有压电效应的锆钛酸铅陶瓷晶体制成，供脉冲电流，使 晶体受到激发以产生振动，其振动频率由晶体的体积和形状所决定
2．时差概念与地层速度的关系
两个接收器先后产生的电信号第一波峰之间时间差称为声波时差。 两接收器之间井径没有明显变化仪器居中时 时差单位 微秒/米
l为两个接收器之间距离，称为间距，若l=1，则 Δt=l/v2
声波全波(长源距声波仪)信息采集和处理
声波全波是指发射探头同一次发射后，引起井壁的滑行波和沿井壁--钻井 液界面传播的界面波的全体。这些波依据到达接收探头的先后分别为：
滑行纵波(P波)
伪瑞利波
斯通莱波
滑行横波(S波)
伪瑞利波
纵波
横波
斯通莱波(ST)
3．声波变密度测井也是一种测量套管外水泥胶结情 况、检查固井质量的一种声测井方法。该方法不仅 能反映套管与水泥环之间胶结情况还能反映出水泥 环与地层之间胶结情况。
一、固井声波幅度测井：
固井声幅测井一般采用源距为1米的单发单接收测量装置。以发射探头发 出的声波，最先到达接收器的是沿套管传播的滑行波所产生的折射波， 这种在套管中传播的波叫套管波。套管波的强弱（即幅度的大小）与 套管及其周围介质之间的声耦合情况有密切关系。
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第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
44°05′ 30°
25°37′ 21°19′ 31°04′
软地层:地层横波速度小于泥浆纵波速度 软地层不能产生滑行横波
(3)滑行纵波、滑行横波的特点 T与R间距离
➢波长（λ)：声波传播过程中，相位相同的 两点间的距离 λ= v/f (v-传播速度）
二.声波测井将岩石近似为弹性介质
理想的弹性介质：固相、连续、均匀、各向 同性和完全弹性
三.岩石的弹性力学参数
F L
（1）杨氏模量E：
E / i
AL
i
物理意义：弹性体发生单位线应变时弹性体产 生的应力大小，说明弹性体在外力作用下发生 变形的难易程度
ip
arcsin
v1 vp
is
arcsin
v1 vs
（1） 产生条件:
V2>V1
以临界角
*
arcsin
V 1
1
V
2
（2）滑行波能量分布
入射
非均匀波，63%能量集中在1个波长内，在3个 波长内能量占98%, 决定了声速测井的探测深 度(1-3个波长)，一个波长0.2~0.3m左右，相 当于储层的冲洗带
2 2 3
(1 cv
1) cp
消除频率影响的衰减系数:
As
f2
2 2 3
[
4 3
(
1 cv
1) cp
水的As=25×10-15,空气的As=2.0×10-11
气体比液体的声衰减系数大3个数量级
五.井内声波的发射和接收 换能器(探头)： 压电陶瓷晶体
可以将电磁能转换为声能，又可以将声能 转换为电磁能的器件。 压电陶瓷晶体(锆钛酸铅)特性:
（2）泊松比 ：
2
3
1
1
是表示物体发生几何形变的系数
所有介质泊松比的值都在0-0.5之间
常见岩石的平均值约为0.25
（3）切变模量
：
j j
切应力与切应变的比值,表示剪切变形的难易程度
流体=0，横波速度为零
（4）体积密度：单位体积岩石的质量，g/cm3
四、岩石的声学参数 （1）纵波速度Vp与横波速度Vs
➢应用：确定岩性，计算孔隙度，判断气层，
检查固井质量,确定地层弹性参数等
§1 基础知识 一.声波的周期、频率、波长 ➢周期（T)：声波波动一次所用的时间，它相当 于同一方向两个相邻波峰或谷之间的测量时间。
➢频率（f)：单位时间（每秒）声波波动的次 数，是周期的倒数
1Hz=1周/秒 声波测井使用的波频率:几百Hz—几百KHz
滑行纵波： 1.首波(测井用源距的情况下) 2.幅度小 3.基本无频散(速度与频率有关）
滑行横波： 1.次首波 2.幅度比纵波大 3.基本无频散
2. 视瑞利波(测井目前没有利用) ➢面波，井壁地层与井内液体界面上 ➢在地层中沿井壁表面传播 ➢质点运动轨迹是椭圆，短轴在井轴方向 视瑞利波特点：
(1)紧跟在横波后，无明显的波至点，很难 提取，对横波而言是噪声
第六章 声波测井 （Acoustic log）
声波测井 ➢研究的对象：井孔周围地层或其它介质的 声学性质(速度、幅度(能量）、频率变化等)
➢物理及地质基础：不同介质的弹性力学性质 不同,使其声波传播速度、衰减(幅度)规律不同
➢研究方法：井内发射声波，使声波在井周围
的地层或其它介质中传播，井内测量声波在传 播时的速度或幅度变化
1产生变形时， 会引起晶体内部正、负电荷中心发生位移而 极化，导致晶体表面出现电荷累积(声-电)。
逆压电效应：将晶体置于外电场中，电场的作 用使晶体内部正、负电荷中心 发生位移，从而 导致晶体表面产生变形(电-声)。
发射探头T:将电能转换为声能,逆压电效应 声系
接收探头R:将声能转换为电能,压电效应
单极子或对称声源(用于发射和接收纵波) :
➢有限长的圆管,其原始极化方向是圆周方向
➢发射的波周向对称, 没有周向分辨能力
－＋
－
＋－ ＋
＋－ ＋
－ －＋
有限长圆管状换能器发射的声波有一定方向性
圆
波束角
柱
(70%)
状
D 3dB
x
声
声压最大值方向
源
声源指向角特性花瓣图
泥浆 Vp=1600m/s
岩层
泥岩 砂层(疏松) 砂岩(疏松) 砂岩(致密) 石灰岩(骨架) 白云岩(骨架)
钢管
纵波速VP (m/s)
1800 2630 3850 5500 7000 7900 5400
横波速度VS (m/s)
950 1518 2300 3200 3700 4400 3100
第一临界角
(2)幅度大
(3)有频散，相速度 > 群速度
（4）有截止频率
3、斯通利波(管波)
➢面波，井内液体与井壁地层界面上 ➢在井内沿井壁表面传播 ➢质点运动轨迹是椭圆，长轴在井轴方向
E(1 )
V
P (1 )(1 2 )
Vs
E
2 (1 )
2(1 )
V /Vs
P
1 2
（2）声波时差 （慢度slowness）
纵波时差
：t P
1
VP
横波时差
：
t S
1
VS
单位：μs/m 或 μs/ft
（3）声阻抗Z（声速与密度的乘积） Z=
（4）声压P:声波传播而产生的压强 单位： ( pound per square inch) psi=1lb/in2
（5）声衰减系数 (平面波：只有物理衰减）
p p0el
为声衰减系数，它与介质的声速、密度及 声波的频率有关
气体和液体对声波的粘滞和热传导衰减系数:
2 2
3
3
折射定理：
sin v1 sin 2 v2
当v1,v2一定时，
2
如果v2>v1,当2=900时,折射波以v2速度沿界面 传播，称为滑行波(界面转换波).
滑行波
临界角：产生滑行波的入射角称为临界角。 产生滑行纵波的入射角称为第一临界角ip 产生滑行横波的入射角称为第二临界角is
偶极子 (dipole) 声源 （弯曲波、偶极子波）
井壁 T
S
S
波
波
R
六.单极子声源在充液裸眼井中的声波全波列 视瑞利波
斯通利波
滑行纵波 滑行横波
硬地层全波列(声波测井用频率15-30kHz)
软地层全波列(声波测井用频率15-30kHz)
1.滑行纵波和滑行横波(几何声学解释)
反射定理： 1