声波速度测井
声速测井
声波速度测井应用
1 声波测井曲线的形状与读值
（1）上下围岩岩性相同时，曲线对称于地层中点； （2）岩层界面位于时差曲线半幅点处； （3）当间距小于岩层厚度时，测量时差反映岩层时
差；当间距大于岩层厚度时，测量时差是岩层 和围岩时差的混合值。
泥岩
t
0.3米
0.3米
砂岩
J1 J2
泥岩
平坦值
0.3米
面积平均值
E' C'
变化方向相反，所以，取平均值得到的曲
A'
B'
线恰好补偿掉了井径变化的影响。还可以
T2
补偿仪器在井中倾斜时对时差造成的影响。
同时基本消除深度误差。
双发双收声系结构示意图
3、双发双收声系
（1）可消除井径变化对测量结
果的影响
F1—J1、J2，分别在扩井、未扩
井段 t1 CD DF CE
VP
的滑行波，得到时间差△T1、△T2，地面仪
T1 A
B
器的计算电路对△T1、△T2取平均值，
△T=(△T1+△T2)/2，记录仪记录出平均值对
E
C
应的时差曲线△t=△T/l。由图可以看出，双
R1 F'
O'
D'
发双收声速测井仪的T1发射得到的△T1和
D F
R2
O''
T2发射得到的△T2曲线，在井径变化处的
声波速度测井原理
1、单发单收声系
声波速度测井简称声速测井，测
量地层滑行波的时差△t（地层纵波速
度的倒数，单位是μs/m或μs/ft）。这
种下井仪器包括三个部分：声系、电 子线路和隔声体。声系由一个发射换
声波测井技术及其在井控中的应用
声波测井技术及其在井控中的应用声波测井技术是石油工程领域中一种重要的测量及评估手段，它通过发送和接收声波信号来获取有关地层岩石和井筒情况的信息。
这项技术在油气勘探与开发中发挥着重要的作用，尤其在井控中，声波测井技术的应用更是不可或缺的。
1. 声波测井技术的原理声波测井技术主要基于声波在地层中传播的原理，通过测量声波传播的速度和衰减等参数，可以对地层的性质和井筒的状况进行分析。
声波在地层中的传播速度与地层的密度、弹性模量等物性有关，而声波在井筒内的传播受到井壁的影响，这些信息可以帮助工程师判断地层的含油气性质、井壁稳定状况等，从而进行有效的井控。
2. 声波测井技术在井控中的应用2.1 地层评价通过声波测井技术，可以获取地层的速度、衰减等信息，从而判断地层的岩性、孔隙度与孔隙结构等重要参数。
这些参数对于油气成藏条件的评估以及储层的选择具有重要意义，能够指导油气勘探工程的决策。
2.2 井筒评估声波测井技术可以获取井筒内声波传播速度的信息，从而可以评估井壁的稳定性。
通过对井壁的评价，可以及早发现井壁塌陷、溢流等问题，及时采取措施进行井控，保证井筒的安全。
2.3 水合物识别水合物是海底天然气开发中的重要难题之一。
声波测井技术可以通过对声波信号的分析识别水合物的存在，通过测量声波在水合物中的传播速度和衰减等参数，可以评估水合物的分布范围和储量，为油气开发提供重要的参考依据。
2.4 油气井产能评估通过声波测井技术可以获取油气井孔隙度、渗透率、饱和度等参数，从而对油气井的产能进行评估。
这些信息对井口的调整及后续增产方案的制定具有指导作用，能够优化油田开发计划，提高油气井的产能。
3. 声波测井技术的局限性与发展方向虽然声波测井技术在井控中有着重要的应用，但它也存在一些局限性。
比如，声波测井技术受到岩石孔隙度、孔隙结构和裂缝等地层条件的影响，这些条件会导致数据的不准确性。
此外，测井仪器的精度和分辨率也是影响声波测井技术准确性的重要因素。
声波测井-声速测井
四 波阻抗、声耦合率
(1)波阻抗Z
Z=波的传播速度×介质的密度=V• (2)声耦合率
两种介质的声阻抗之比：Z1/Z2
Z1/Z2越大或越小，声耦合越差，R大，T小， 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，R小，T大，声 波易从介质1到介质2中去。
五 声波时差曲线的应用
1 判断气层、确定油气和气水界面 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条件下能识别气层,其特征:
周波跳跃
高声波时差(大30微秒/米以上)
气 层
2 划分地层 (确定地层的岩性)
由于不同岩性地层具有不同的声波速度，因此可以用 时差划分地层。
致密岩石的时差 < 孔隙性岩石的时差
惠更斯原理 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；可认为每个子波源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 声波速度传播的，新的波前就是由这些子波相互叠 加而形成的，这些子波所形成的包络决定了新的波 前。这就是惠更斯原理。根据惠更斯原理，利用已 知的波前可求得后来时刻的波前。
④ 非均匀孔隙地层
用次生孔隙指数来反映地层的裂缝的发育情况：次生 孔隙指数=N-S；原生孔隙<S<总孔隙度；通常情况 下，用S表示原生孔隙度
⑤ 声波地层因素公式
t tma (1 )x
砂岩：X=1.6 灰岩：X=1.76 白云岩：X=2.00
优点:该公式不作压实校正
作业
实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播 速度越快。
(5) 岩层的埋藏深度影响
岩性和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加。
结论：可用传播速度来研究岩层的岩性和孔隙度。
声波测井原理
到由于岩层应力变化而引起声场分布的变化情况， 为地震预报和震情监测提供资料；判断井下出水 或出气的层位以及检查水或气在套管外的串漏情
况。
声波测井主要优点 不受泥浆性质影响； 不受矿化度影响； 不受泥浆侵入影响。
第一节 岩石的声学特征
一、岩石的弹性
二、声波在岩石中的传播特征
基本概念和相关知识
2 岩石的声速特性及影响因素
(1)VP、VS与 、 、E间的关系
E (1 ) V P (1 )(1 2 )
V
S
E 2 (1 )
当=0.25，VP/VS=1.73,
E
VP(S)
(2) 传播速度与岩性的关系
岩性不同 弹性模量不同 VP、VS的影响
不同
中只能传播纵波。
三、声波在介质界面上的传播
2. 波的传播
入射波 入 射 角 反 射 角 反射波
介质1 介质2 折射角 折射波
3. 产生滑行波的条件
S in VP 1 折射定律: S in 1 VP2
VP2 > VP1时,折射角 = 90°
第一临界角:1*=arcsin(VP1/VP2)
性体，在岩石中传播的声波可以被认为是弹 性波。
2.2 描述弹性体的参数
虎克定律：在弹性限度内，弹性体的弹性形变与 外力成正比，即：f＝-E·
由于应力与外力数值相等，方向相反，故上式可
以改写成为：＝E·
(1)杨氏弹性模量 E
E＝应力/应变＝/
应力：作用在单位面积上的力，F / S。
应变：弹性体在力方向上的相对形变，△L / L。
一 声波在井壁上的折射与滑行波
井下声波发射探头发射出的声波，一部分在井壁 （井内泥浆与井壁岩层分界面）上发生反射；一 部分在井壁上发生折射，进入井壁地层。由于井 壁地层是固相介质，因而，折射进入地层的声波 可能转换成为折射纵波和折射横波。
钻井地球物理勘探教案——声波测井
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 〕。
声波测井原理
纵波：介质质点旳振动方向与波旳传播发向一致。弹 性体旳小体积元体积变化，而边角关系不变。
横波：介质质点旳振动方向与波传播方向垂直旳波。 特点：弹性体旳小体积元旳体积不变，而边角 关系发生变化，例如,切变波。
注意：
(1) 横波不能在流体（气、液体）中传播，因为它旳 切变模量=0
2 弹性体旳应力和应变
2.1物体分类
弹性体：当物体受力发生形变，一旦外力取消又能恢 复原状旳物体，称为弹性体。
塑性体：反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消 而不能恢复原状旳物体，称为塑性体。
弹性体
可变成
塑性体
在声波测井中，声源旳能量很小，声波作用 在岩石上旳时间很短，因而岩石能够当成弹 性体，在岩石中传播旳声波能够被以为是弹 性波。
VP (m/s)
VS (m/s)
第一临界角 第二临界角
泥
岩
1800
950
62º44´
不产生滑行横波
砂 层（疏松）
2630
1518
37º28´
不产生滑行横波
砂 岩（疏松）
3850
2300
24º33´
44º05´
砂 岩（致密）
5500
3200
16º55´
30º
石灰岩（骨架）
7000
3700
13º13´
25º37´
绪论
声波测井
声波测井
声波
声波旳分类 一般按照频率来分，声波能够分为：
超声波（ultra-sonic wave）>20Байду номын сангаасHz
声波 (sonic wave)
20~20KHz
次声波（infrasonic wave) <20Hz
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）
声波测井
第二节声波测井1.普通声波测井声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率变化等声学特性是不同的。
声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础而提出的一种研究钻井地质剖面、评价固井质量等问题的测井方法。
声波测井分为声速测井和声幅测井。
声速测井（也称声波时差测井）测量地层声波速度。
地层声波速度与地层的岩性、孔隙度及孔隙流体性质等因素有关。
因此，根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性及孔隙流体性质。
1.1岩石的声学特性声波是一种机械波，它是由物质的机械振动而产生的，通过介质质点间的相互作用将振动由近及远的传递而传播的，所以，声波不能在真空中传播。
根据声波的频率（声波在介质中传播时，介质质点每秒振动的次数）可将声波分为：次声波（频率低于20Hz）；可闻声波（20Hz至20kHz）；超声波（频率大于20kHz）。
各类声波测井用的机械波是可闻声波或超声波。
1.1.1岩石的弹性1.1.1.1弹性力学的基本假设：1）物体是连续的，即描述物体弹性性质的力学参数及形变状态的物理量是空间的连续函数；2）物体是均匀，即物体由同一类型的均匀材料组成，在物体中任选一个体积元，其物理、化学性质与整个物体的物理、化学性质相同；3）物体是各向同性的，即物体的性质与方向无关；4）物体是完全线弹性的，在弹性限度内，物体在外力作用下发生弹性形变，取消外力后物体恢复到初始状态。
应力与应变存在线性关系，并服从广义的胡克定律。
满足以上基本假设条件的物体称为理想的完全线弹性体，描述介质弹性性质的参数为常数。
当外力取消后不能恢复到其原来状态的物体称为塑性体。
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，一般情况下，外力小且作用时间短，物体表现为弹性体。
声波测井中声源发射的声波能量较小，作用在地层上的时间也很短，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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(Snell)反射及折射定律，入射波、反射波、折射波在同一平面内沿不同方向传播
入射纵波
vs2
对于折射纵波 sin vp1 sin1 vp2
第一临界角：1*
arcsin vp1 vp2
1*
产生滑行纵波条件：v p1 v p2
声波在界面上的反射和传播 首波示意图
对于折射横波 sin sin 2
v p1
（2）深度记录点：两个接收探头的中点。 （3）单发双收声系的优点
①、能够直接测量岩层的声波速度或时差。在l固定的情况下，在整个井眼剖 面上得到的岩层速度是指在l间距内的平均值。
②、为了提高对薄层的分辨率，可减小间距，最小间距为l=0.1524m
③、选择间距需要考虑的因素有
●纵向分辨率：为有效划分薄层，间距选择要小
段的上及下界面分别出现时差增大和减小的尖峰。
源
的大小就反映地层声速的高低。距
所以声波速度测井就是测量声 波在两个接收探头之间的时间 间
R1
t1
差，它等于间距所对应的地层 距
中传播速度的倒数
R2
t2
v2
声速测井原理动画
单发射双接收声系原理图
9
（1） 仪器工作原理
发射声脉冲后立刻记录滑行纵波先后到达两个探测器的时间t1和t2，再按上式 记录△t，由地面仪器将两个接收先后产生的电信号的时间差△t转换成与其 成比例的电位差进行记录，仪器在井中移动，就得到一条随深度变化的反映 地层声波传播速度的声波时差曲线。
石油地球物理测井原理
主讲：杨 斌
成都理工大学能源学院
2013年10月
1
第3章 声波测井
➢ 声波测井的物理基础
➢ 声波速度测井
➢ 长源距声波测井
➢ 阵列声波测井
➢ 全波列声波测井应用
声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特 性也不相同。声波测井就是利用岩石的这些声学性质来研究钻 井的地质剖面、识别油气层和裂缝层段、判断固井质量的一种 测井方法。
井内声波传播示意图
初至波
续至波
到达接收换能器的波形图
7
井下声波传播的最 短路径
直达波的处理
声波测井仪器声系 部分的外形
为了消除经仪器外完直接传来的直达波，可在发射器与接收器之间加入隔声体或 者在仪器外壳上刻槽，使声波沿着曲折的路径传播而拉长其传播距离
多次反射波的处理
为了消除经泥浆传来的直达波以及反射波的干扰，则需适当增长发射器至第一接 收器的距离(称为源距)使直达波与滑行波所通过的路径大体相等，便可首先接收 到滑行波。根据一般的低速度岩石计算，采用1米的源距，可以实现这一要求。
井下仪器的偏心
会使测量的时差增大，使用扶正器使井下仪器居中
8
2、单发双收声速测井仪的测量原理
如果发射器在某一时刻t0发射声波，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到 接收器
t CD l 0.5m v2 v2 v2
v1 v2
t就是声波时差
单位：s / m或s / ft
t0
其中，l是两个接收器之间的距 离，称为“间距”。这样时差
s in P
ห้องสมุดไป่ตู้
v1 vP
，第一临界角
源 距
s in S
v1 vS
，第二临界角
声波换能器都是由压电晶体制成 （反效应发生声波，正效应接收 声 波 ） ， 其 固 有 振 荡 频 率 为 20 千 周/秒，激发频率常采用20次/秒。 声波测井声系的最小源距为1米， 间距为0.5米。
单发双收声速 测井仪示意图
刻槽隔声体
间 距
6
1、井内声场分析
发射器在井内产生声波，声波接收器记录首波（首先到达接收器的声波）到达时 间。根据首波到达时间，确定首波的传播速度。测井时，要确保首波是地层纵波 测井时间。井内存在以下几种波：(1)、反映地层滑行纵波的泥浆折射波；（2）、 反映地层滑行横波的泥浆折射波；（3）、井内泥浆直达波；（4）、井内一次及 多次发射波；（5）、井内流体制导波（管波或斯通利波）
2）、孔隙度 ●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）、岩层的地质年代：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下，声速随埋藏深度加深而增大4
3.1.2 声波在介质界面上的传播特性
声波通过波阻抗不同的两种介质的分界面，会发生反射和折射，并遵循斯奈尔
声波测井包括：普通声波测井、全波列声波测井、声波变密度
测井、阵列声波、超声电视测井及声波成像、噪声声波技术等。
它们都是以研究岩石介质的声学性质为基础来识别岩层。
2
3.1 声波测井的物理基础
3.1.1 声波在岩石中的传播特性
1、纵波和横波
声波在弹性介质中的传播速度定义为单位时间内声波传播的距离，与介质的弹性 和密度有关。在均匀各向同性介质中，纵波速度、横波速度的表达式为：
1）、岩性 不同矿物的弹性模量不同，由不同矿物组成的岩石的弹性系数和密度不同，声 速大小也不同，决定这一传播速度的主要因素是岩石的密度，而沉积岩岩石的 密度主要取决于岩性、岩石的结构(胶结状况和孔隙发育程度)，以及岩石的地 质时代和埋藏深度等。 ●密度较小的粘土、泥岩和疏松砂岩，声波的传播速度较慢，越致密或密度越 大的岩石，声波传播速度越快。 一些常见介质和沉积岩的纵波传播速度
vs2
第二临界角：2*
arcsin vp1 vs 2
产生滑行纵波，条件：vp1 vs2 5
3.2 声波速度测井
声速测井：是测量井下岩层的首波（初至波）速度，进而 判别井外岩层的岩性、估计储集层孔隙度的一种测井方法。 通过测量从发射探头经地层传播到接收探头的时间差。
3.2.1 单发双收声速测井仪的测井原理
E 1
VP
(1 )(1 2 )
VS
E 1
2(1 )
VP 2(1 ) VS (1 2 )
若 0.25
VP 3 VS
纵波和横波同时在岩石中传播时，纵波的传播速度大于横波。由于研究最先到
达接收器的声波比较方便，声波速度测井主要是研究纵波在岩石中的传播速度。
纵波和横波传播动画
3
2、声速的地质影响因素
●相对误差：当仪器测量系统误差（精度）一定时，间距减小会使相对 误差增大；
●声功率：在声功率一定时，间距过小时，会使接收探头之间的相互干
扰增大；间距过大时，第2个接收探头的信号衰减过大导致周波跳跃
10
微电极
声波时差
声速测井曲线实例
11
CD DF CE
3、单发双收声系存在的问题
t v2
v1
1）、在井眼几何尺寸变化的井眼不规则层段，时差曲线出现异常。在井眼扩大