钻井地球物理勘探教案——声波测井
地球物理测#(第二章)声波测井
地球物理测井—声波测井 注意
岩石的声学性质
在井下，纵波和横波都能在地层传播，而
横波不能在流体（气、液体）中传播，因为 泥浆中只能传播纵波。 它的切变模量=0
纵波可以在气体、液体和固体中传播。
地球物理测井—声波测井
2、岩石的声速特性
岩石的声学性质
声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。
纵波速度
岩性不同 VP、VS的影响不同 弹性模量不同 VP、VS 不同
Vp增加
地球物理测井—声波测井
2、孔隙度的影响
声速测井（声时差测井）
流体的弹性模量和密度都不同于岩石骨架，相对讲，即使岩性相 同，其中的流体也不同。
孔隙度
传播速度
3、岩层的地质时代的影响
实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播速度越快。
横波速度
E (1 ) Vp (1 )(1 2 ) E Vs 2 (1 )
σ—泊松比 ρ—介质密度
E—杨氏模量
地球物理测井—声波测井
纵横波比
岩石的声学性质
Vp
2(1 ) Vs (1 2 )
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。一般，岩石 的密度越大，传播速度越快，反之亦然。
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80％～90％。
地球物理测井方法 第二章 声波测井
（5）声衰减系数 (平面波：只有物理衰减）
p p0e l
为声衰减系数，它与介质的声速、密度 及声波的频率有关
GaoJ-2-1
17
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。
压电效应：晶体在外力作用下产生变形时，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)。
Wavelength
GaoJ-2-1
质点振动
波传播方向
8
介质振动模式与声波类型
垂直传播
SH水平振动
SV水平振动
P垂直振动
SH水平振动
GaoJ-2-1
SV垂直振动
水平传播
P水平振动
9
快慢横波和横波分离
Propagation Direction
R
S
GaoJ-2-1
10
井眼中的声波类型及特点
纵波（P波）：Compressional Wave
本科生课程 《地球物理测井方法》
第 2 章 声波测井
（Acoustic Logging） 前 言 声波测井基础 第1节 声波速度测井 第2节 声波幅度测井
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
A V
岩石体变模量定义：岩石受均匀静压力作用时，所加
静压力的变化∆P与体应变 的比值：
K= -∆P/
体变模量的单位为N/m2。
（5）拉梅系数λ和 （Lame Coefficient）
测井教程第6章 声波测井
7.1 岩石的声学特性
2 孔隙度 岩层孔隙中通常被油、气、水等流体介质所充填，流体的传 声速度较造岩矿物小的多，即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。 3．岩层的地质时代 深度相同，成分相似的岩石，当地质时代不同时，声速也 不同。一般地，老地层比新地层具有较高的声速。 4．岩层埋藏的深度 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。这种变化是由于受上覆地层压力增大岩石的杨氏弹性模 量增大的缘故。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。 从上述分析看出，可以根据岩石的声速来研究岩层，确定岩 层的岩性和孔隙度。
7.2
声波速度测井
实际测井时，电子线路每隔一定的时间给发射换能器一 次强的脉冲电流，使换能器晶体受到激发而产生振动，其 振动频率由晶体的体积和形状所决定。 目前，声速测井所用的晶体的固有振动频率为20kHz。 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。
AB BC CD DF t t 2 t1 v v2 v2 v1 1 AB BC CE v v2 v1 1
CD v2 DF CE v v1 1
如果在两个接收器之间的距离l（称之为间距）对着的井径没有 明显变化，且仪器居中时，则可以认为DF≈CE，于是
第七章 声波测井(Acoustic logging ）
在各种岩性的岩层中，声波的传播速度及其它声 学特性（如幅度的衰减、频率的变化等）是不同的，利 用岩石的这种物理性质研究井剖面的测井方法称声波测 井。
声波测井主讲
2.声波参数 质点振动的频率 声波传播的速度（由介质的性质决定） 声波的波长
通常我们人的耳朵只能听到频率在20～20000Hz之间的声音，称为可听声; 频率低于20HZ的声音就叫做次声，次声发生时所产生的波动叫次声波; 频率高于2万赫兹的声波叫超声波，声波测井中用的频率一般在2000～20000Hz之间，而超声 成像测井频率在0.5MHz～1.5MHz之间。
处理，转化成图象。
噪声测井
2-3 主要Biblioteka 用二 声波测井1、确定孔隙度—声速测井（时差）
2、识别岩性—时差、幅度衰减
3、识别裂缝（或渗透性）—低频斯通利波、波形、幅 度衰减
4、识别油气—时差、幅度衰减、Vp/Vs
5、评价固井质量—声幅测井（CBL）、声波变密度测 井（VDL）、扇区胶结测井（SBT）等
理 周声波成像方法的完善。
论 ★ 1956年，Wyllei时间平均公式提出； ★ 1952年Biot孔隙介质理论提出；
发 展
★声波测井理论20世纪70年代末发展起来。
★模拟信号—数字—成像，数字化—信息化—成像化—系列化；
特 ★仪器的研制略超过方法理论的完善，即大致在理论方法指导下研制成功仪器，
点 在测井资料前提下使方法完善；
2-2 基本方法
二 声波测井
声波全波列测井（acoustic full waveform logging）
对常规的对滑行 纵波首波的记录（到 达时间及幅度）扩展 到对沿井壁传播的滑 行纵波、滑行横波及 井内流体中的致导波 等整个波列的记录， 包括各种类型波的速 度、幅度及衰减、频 率等极为丰富的与井 壁岩层性质和特征有 关的信息。
声波测井
声波测井班级：材料物理09-3组员：龚庆、薛江波、陈纪强、王培、徐文彬、何洋洋声波测井一．概念：测井是石油勘探开发过程中不可缺少的重要环节。
矿场地球物理测井方法，是通过定量测定井下钻穿地层的电、声、光、核、热、力等物理信息，用以判断地层的岩性及流体的性质，确定油、气、水层的位置，定量解释油、气层的厚度，含水饱和度和储层的物性等参数，了解井下状况的一整套技术。
二．发展：石油测井技术是随着钻井采油的发展而发展的。
石油测井技术起源于1921年，巴黎矿业学院第一次进行了人工电场测量。
1927年法国斯伦贝谢公司成功测出了第一条电阻率曲线，真正诞生了在井眼内进行地球物理测井。
1939年12月，我国著名地球物理学家翁文波先生在四川巴县石油沟1号井用1m电位电极系成功测得第一条电阻率曲线。
测井技术的发展历程是以数据采集系统为测井技术更新换代的重要标志。
在测井技术70多年的发展历史中，测井地面采集系统已经经历了4次技术革命，正在兴起的网络测井则是第五代，即：第1代模拟记录测井系统，单任务，单向传递，资料滞后解释。
第2代数字记录测井系统，单任务，单向传递，资料滞后解释。
第3代数字控制测井系统，单任务，双向传递，资料滞后解释。
第4代成像测井系统，多任务，双向传递，资料滞后解释。
第5代网络测井系统，多任务，多向传递，共享并实时解释。
具有当今世界先进水平的斯伦贝谢、阿特拉斯、哈里伯顿三大测井公司的测井技术和测井设备代表着测井技术的发展方向和水平。
测井仪器的发展和各行各业的测试技术一样，随着科学技术的进步从简单到复杂。
随着测井学科的发展，从单一的电测井到包括电、声、核、核磁的各类测井，使下井仪器多样化。
更由于材料工业、电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展，使测井仪器从单一的单参数测量发展到对多参数大量信息进行采集、传输到处理、解释，并经历了从模拟记录、数字记录、数字控制到今天的成像测井系统，实时地自动展现井下地层各种物理参数的二维图像。
地球物理测#(第二章)声波测井
V1 V2 V1
C
R2
t1t2t1V B2C C2R V 1B1R
从图中所知:CR2<BR1,
t1t
T2
t2t1t2E CE1R C2RER1>CR2 V2 V1
t2t
第三十八页，共80页。
声速测井（声时差测井）
井眼补偿声波时差：
t t1 t2 2
消除井径变化产生的影响
说明
井眼补偿声波测井由于源距短，只能在井眼直径较小的井中测得地层的声速，并且 接收器收到的初至波是沿井壁传播的折射波。
超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝）
噪声测井（研究油井串槽和油气水流动情况）
声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井
第一页，共80页。
方位声波成像测井
声
波 成
偶极横波成像测井
像
测
井周声波成像测井
井
超声波成像测井
第二页，共80页。
什么叫声波？
岩石的声学性质
是一种机械波，是介质质点振动向四周
在声波测井中，可声变源的成能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，
因而岩石弹可性以体当成弹性体，在岩石塑中性传播体的声波可以被认为是弹性波。
第四页，共80页。
岩石的声学性质
3、描述弹性体的参数
（1）杨氏模量E(定义为应力与其应变之比)
Hook定律： l aF F l S ES
EF S l l
F—作用外力；
5400
3100
17º41´
第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
44º05´ 30º
25º37´ 21º19´ 31º04´
第十六页，共80页。
岩石的声学性质
【中国石油大学-地球物理测井-课件】第04章 声波
2021/7/18
3
第四章 声波测井
4.1 声波测井基础 4.2 声波速度测井 4.3 声波幅度测井 4.4 长源距声波全波列测井 4.5 声波测井新方法简介
2021/7/18
4
4.1 声波测井基础
1. 岩石的弹性与纵、横波速度：
2021/7/18
2
本章主要介绍常规的声波速度测井、声波幅度测井、声 波全波列测井等，其它新方法将在最后一节中做简单介绍。
➢ 声速测井（也称声波时差测井）通过测量声波在地层中的传 播速度，确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质。声速测井 是三种主要的岩性-孔隙度测井方法之一。
➢ 声幅测井通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层性质和水 泥胶结情况（目前主要用来评价水泥固井质量）。
声波是近些年来发展较快的一种测井方法。由最早的声速测井、声 幅测井发展到后来的长源距声波测井、变密度测井、井下声波电视 (BHTV)、噪声测井到现在的多极子阵列声波测井、井周声波成像测井 （CBIL）、超声波井眼成像仪等。特别是声波测井与地震勘探的观测资 料结合起来，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，使声波测井成为结合测 井和物探的纽带，有着良好的发展前景。
第四章 声波测井
声波测井是以岩石等介质的声学特性为基础而提出的一 类研究钻井地质剖面、评价固井质量等问题的测井方法。主要 包括声波速度测井、声波幅度测井、声波全波列测井等。
➢ 声速测井（也称声波时差测井）通过测量声波在地层中的传 播速度，确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质。声速测井 是三种主要的岩性-孔隙度测井方法之一。
地球物理测井9声波测井演示课件
cos cos
）2Байду номын сангаас
A 入射波的强度
A1 反射波的强度
A2 折射波的强度
15
9.1 岩石的声学特性
ρ1V1与ρ2V2的差别越大 ，反 射系数越大，折射系数越小。
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9.1 岩石的声学特性
• 波的干涉： 当相同频率的几个波到达同一点时 发生波的干涉，即振动加强（相位 相同）或减弱（相位相反）。
E
Vs 2(1)
7
9.1 岩石的声学特性
③面波：
在厚度约等于波长的层内沿介质的表面传 播的波。包括：
瑞利波：其速度约等于0.9Vs～Vs
拉夫波：其速度约等于0.9Vs～Vs
偶 波：它是最快的面波：速度=0.9Vs～Vs 斯通利波：是在液—固体界面上由液体中
的纵波和固体中的横波干涉所产生的。其
速度小于固体中的Vs和液体中的Vp。
3
9.1 岩石的声学特性
在介质中的速度：
Vp
E(1) (1)(12)
Vp—介质中纵波的速度（ ft / s ）（m/s） ρ—介质的体积密度（g/cm3）
4
9.1 岩石的声学特性
在介质中的速度：
Vp
E(1) (1)(12)
E—介质的杨氏模量（纵向伸长系数）：
E F / A ——单位截面上受的力与单位
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9.1 岩石的声学特性
• 引起声波幅度衰减的其他原因： 地层吸收能量而使幅度衰减（即质点的振动
要克服相互间的摩擦力）。不同的介质对波幅的 衰减程度不同，它主要取决于： （1）波的频率（波长）及波的类型（纵波、横 波等） （2）地层的密度(一般密度越小，声幅的衰减 越严重) （3）岩石的结构（颗粒大小、接触情况等） （4）介质中的声波速度 。
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第七章声波测井
岩石中声速的差异与岩石致密程度，构造和孔隙充填物等有关。
声波测井是运用声波在岩层中的各种传播规律在钻孔中争论岩层特点的一类方法。
声波测井分类：声波速度、声波幅度、声波全波、声波成像等。
第一节声波测井的物理根底
一、声波物理性质简述
对于声波测井来说，声源能量很小，岩石可看作是弹性体，因此可利用弹性波在介质中传播的规律来争论声波在岩石中的传播过程。
1〕描述固体弹性的几个参数
①杨氏模量 E 〔纵向伸长系数〕；
②体积弹性模量 K ；
③切变模量μ；
④泊松比σ。
2〕声波在岩石中的传播特性
①纵波与横波〔压缩波与剪切波〕
②波的能量与振幅的平方或正比
③声波幅度随传播距离按指数规律衰减
④波在两种不同介质分界面处的转换—反射与折射，遵循斯耐尔定律。
首波—滑行波在第一种介质中造成的波称为首波，习惯上称为折射波。
二、钻孔内的声波
其次节声波速度测井
一、单放射双接收声波速度测井原理
测量沿井壁传播的滑行波的速度。
二、井眼补偿式声波速度测井原理
目的在于抑制井径变化或仪器在井中倾斜时所造成的声速误差。
三、长源距声波测井
目的在于更好地区分纵、横波和低速波，增加探测深度，抑制井壁四周低速带的影响。
源距加大到 2.5m 左右可满足上述要求。
全波测井源距较长，以提高各种波的区分力量。
四、阵列声波测井及分波速度提取
五、偶极横波测井
1．单极源及偶极源。
2．挠曲涉及其与横波的关系。
软地层中，单极源不能产生横波，偶极源的波列中，在纵波之后亦无横波，但有明显的挠曲波，在低频时，挠曲波的速度与横波速度相近，高频时则低于横波的速度，可依据挠曲波的速度来求取横波速度。
第三节声波速度测井的解释与应用
一、影响声波速度测井曲线外形的因素
1 〕周期跳动
引起声皮跳动的岩性因素：
①裂缝层，裂开带；
②含气水胶结纯砂岩；
③高速层〔波阻抗大，能量不易传递〕；
④井径扩大或泥浆中溶有气体。
2 〕源距与间距的影响
源距—要保证抑制盲区的影响，使折射波首先到达接收器〔1m 即可，长源距可达 2.5m 〕。
间距—影响分层力量。
3〕探测深度
约为三倍波长，即 25 ～ 115cm 左右。
二、声波速度测井在储层争论中的应用
1 〕确定岩层孔隙度
利用体积模型，得出：
固结不良地层需对Φ值进展压实校正。
含分散泥质需利用自然电位求出的校正系数进展校正。
2 〕划分岩性和地层比照
声波测井曲线不受井眼大小和泥浆矿化度的影响。
3 〕推断气层
三、确定地层弹性参数
利用一组弹性模量来确定地层的机械强度。
弹性模量可表示出弹性体在失去弹性或裂开之前所能承受的应用的大小。
作这种计算时，需用到横波速度。
四、声波速度测井在地震勘探中的应用
地震勘探课程中，对这局部内容已有表达，此处不再提高。
第四节固井声波幅度测井
承受单发单收型仪器、测量初至波第一个波峰的振幅，据此推断套管一水泥环之间胶结好坏。
1 ．全波记录方式
1〕调解变密度记录
2〕调宽变密度记录
3〕全波扫描照像记录
2 ．声波全波测井的应用
1 〕检查水泥胶结质量
可推断第一界面和其次界面的胶结状况
第五节声波井壁成像测井
利用声波来扫描井壁，在泥浆中，观测井壁，形成井壁的声波图像。
用途：
1 ．确定井壁裂缝位置及方法。
横切井眼的裂缝，在记录上呈正弦曲线外形。
2 ．鉴别岩性及产状。
3 ．套管技术状况检查。
内容重点：
1．单发双收声波速度测井原理
2．井眼外偿声波测井，长源距声波测井各自的特点是什么？
3．利用声波速度测井求取地层孔隙度中的原理是什么？
4．利用声幅测井检查固井质量的原理。
5．声波电视测井原理及推断层面产状的方法。
根本概念：
纵波横波斯通利波挠曲波周期跳动固井第一界面固井其次界面思
考问题：
1．各种声波速度测井方法的原理，以及进展这些方法的目的都是什么？
2．测量地层中横波速度的重要性是什么？比较现有的几种确定横波速度的优缺点是什么？最正确的方法是哪一种？
3．什么是周期跳动？怎样对待周期跳动？
4．试用体积模型说明利用声速测井确定孔隙度的原理？
5．声波电视测井观看到的井壁图像能够反映什么问题？。