第三章声波测井分析
声波测井仪器的原理及应用
声波测井仪器的原理及应用单位：胜利测井四分公司姓名：王玉庆日期：2011年7月摘要声波测井是石油勘探中专业性很强的一个领域。
它是一门多学科的应用技术，已经成为油田勘探、储量评估、油气开采等方面不可缺少的工具。
声波速度测井简称声速测井是利用声波在岩石中传播的速度来研究钻井剖面的一类物探方法，其方法是测量滑行波通过地层传播的时差 t（声速的倒数，单位us/ft）。
目前主要用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等方面，是主要测井方法之一。
数字声波测井仪，其中包括66667声波数字化通用短节和6680声波探头2部分。
能完成声波时差测井和水泥胶结测井，能与SL6000型地面系统和进口的5700型地面系统相配接。
正交多极子阵列声波测井(XMACII)将新一代的偶极技术与最新发展的单极技术结合在一起，提供了当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法。
当偶极子声源振动时，使井壁产生扰动，形成轻微的跷曲，在地层中直接激发出横波和纵波，根据正交多极子阵列声波资料得出的纵横、波速度比可识别与含气有关的幅度异常。
关键词：数字化；声波时差；声波变密度；阵列声波；声波全波列；目录第1章前言 (1)第2章岩石的声学特性 (2)第3章数字声波测井原理及应用 (3)3.1 数字声波测井原理 (3)3.2仪器的工作模式 (5)3.3时差计算 (5)3.4 数字声波测井仪器的性能 (6)3.5 SL6680测井仪器的不足 (7)3.6数字声波仪器小结 (7)第4章正交多极子阵列声波测井 (8)4.1 XMACII多极子阵列声波测井原理 (8)4.2 XMACII多极子阵列声波仪器组成 (9)4.3 XMACII多极子阵列声波的使用及注意事项 (10)4.4 应用效果及结论 (14)第5章声波测井流程及注意事项 (15)5.1 声波测井流程 (15)5.2 注意事项 (16)参考文献 (17)第1章前言第1章前言声波测井是近年来发展较快的一种测井方法。
3声波测井
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Ⅰ和Ⅱ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。
图6-2(a)是声波的反射和折射的示意图。
折射定律的数学表达式是 21s i n s i n v v =βα式中α—入射角；β—折射角；V1、v2—分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的声速。
因为V1、v2对一定的介质是个固定值，所以随着入射角α的增大折射角β也增大，如在v2>v1的情况下，则β>α。
当入射角增大到某一角度i 时，折射角达到90°，见图6-2(b)。
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。
入射角i 叫临界角。
2声波速度测井声波速度测井简称声速测井，测量滑行波通过地层传播的时差△t （声速的倒数，单位是μS/m)。
是目前用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等的主要测井方法之一。
它的下井仪器主要由声波脉冲发射器和声波接收器构成的声系以及电子线路组成。
声系主要有三种类型，单发射双接收声系和双发射双接收及双发射四接收声系。
一、单发射双接收声速测井仪的测量原理1．单发射双接收声速测并仪的简单介绍这种下井仪器包括三个部分：声系、电子线路和隔声体，声系由一个发射换能器（发射探头）T 和两个接收换能器（接收探头）R1、R2组成。
如图6-3所示。
电子线路用来提供脉冲电信号，触发发射换能器T 发射声波，接收换能器R1、R2接收声波信号，并转换成电信号。
发射与接收换能器是由具有压电效应物理性质的锆钛酸铅陶瓷晶体制成。
在脉冲电信号的作用下以其压电效应的逆效应产生声振动，发射声波；在声波信号的作用下，R 以其压电效应的正效应接收声波，形成电信号．待放大后经电缆送至地面仪器记录。
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20 kHz 。
声波测井重要知识点
第一章：声波测井物理基础1、描述声波的基本参数频率f :声音传播过程中，介质震动的频率即介质质点每秒钟振动的次数就是声波的频率周期T ：指介质完成一次振动所需要的时间速度c或v：指声波的传播速度波长λ：声音在介质中传播时，相位相同的两点在空间上的距离称为声波的波长2、声速(时差)的影响因素以及如何影响，流体、压力、岩性、密度等等（一）岩性<最主要的影响因素，灰质含量↑声速↑>（二）孔隙和流体<孔隙性岩层声速<非孔隙性、含气饱和度↑纵波速度↓横波速度↑> （三）压力<压力↑波速↑极大值后基本保持不变，压力对声速影响可达35%+>（四）温度<相对压力而言，影响很小可忽略、温度↑纵波速度稍许↓>（五）岩石生成的地质条件<老地层的声速>新地层、构造顶部的声速>构造翼部>（六）埋藏深度<深度↑声速↑>3、泥浆对超声的衰减因素泥浆对超声波的衰减包括吸收衰减和固相颗粒散射衰减两部分（一）泥浆对超声波的吸收衰减：主要有泥浆的粘滞、热传导以及泥浆的微观过程引起的弛豫效应（二）泥浆固相颗粒对超声波的散射衰减：泥浆中含有的固相颗粒引起的散射衰减、泥浆添加剂引起的散射衰减、声频散4、声阻抗的概念及其对反射波和透射波的影响声阻抗：地震波在介质中传播时，作用于某个面积上的压力与单位时间内垂直通过此面积的指点流量之比，其数值等于介质密度ρ与波速v的乘积，即Z=ρ.v。
影响：声波发生反射和折射的能量分配取决于泥浆和井壁两种介质的声阻抗值大小、入射角和折射角的关系。
当声波垂直井壁入射时，θ1θ2p=0，从右式可以看出，介质1和介质2声阻抗分别为Z1、Z2Β为反射系数α为折射系数，系数越大，越易进行Z1Z2声阻抗差越大，声耦合越差，声能量传递就越差，通过界面传播的折射波能量就小，若两介质声阻抗相近，声耦合率较好，声波都形成折射波通过界面传播到介质2，这时反射波能量就非常小，当Z1<<Z2时，声阻抗差异明显，声耦合差，不利于声音传递。
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
第三章声波测井
骨架及流体 砂岩
灰岩 白云岩 硬石膏 淡水泥浆 盐水泥浆
时差值( μm/s) 182 168 156 143 164 620 608
1 (1 )m' t tma t f
2. 识别气层和裂缝（周波跳跃） 周波跳跃：
R1
地层对声波衰减过大， 使仪器（第二个接收
探头）未能检测到首 R2 波波至，导致声波时
Fractures裂缝
Open Fractures Reflection反射
- Attenuation衰减
permeable formation 渗透层
Stoneley wave
Rx Attenuated衰减
Reflected反射
slowed down &
attenuated 速度变低
衰减
Tx
3声波测井 3.2声速测井及长源距全波列测井
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发 生极化，导致晶体表面出现电荷累积。
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。
测井现用于发射和接收纵波的压电陶瓷制成有 限长的圆管(称为单极子或对称声源)，其原始极 化方向是圆周方向。
3声波测井 （Acoustic log ）
3声波测井 3.1声波测井简介
研究的对象：井孔周围地层或其它介质的声学 性质（速度、能量、频率变化等）
物理基础：不同介质的弹性力学性质不同,使 其声波传播速度、衰减规律不同
地质基础： 岩性、孔隙度不同，声波传播速 度不同；孔隙流体性质不同，能量的衰减不同 裂缝的存在，使能量衰减
5. 1964年，双发双收（井眼补偿）声系，消除 井眼尺寸变化，仪器倾斜和偏心的影响
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与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与介质中有声波传播时的热传导与弛豫现象等，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。
声波测井
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。
杨氏模量(E)--- 弹性体拉长或压缩时应力（F/A）与应变(ΔL/L)之比。
切变模量(μ)---弹性体在剪切力作用下,切应力（F t/A）与切应变(Δl/l)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3章-1 声波测井基础
第1节 声波测井基础
一、声学基础知识 1.弹性介质
对物体施加作用力， 物体的体积和形状会发生变化，当作用力 取消后能恢复原来状态的介质称为弹性介质。
弹性介质:空气、水(流体)、固体
声波测井将岩石近似为弹性介质。
声波(弹性波、机械波)：机械振动在弹性介质中的传播。真空中没有声波。
GaoJ-3-1 10
mode that travels along the borehole wall
The borehole flexes in the horizontal plane and is known as
the flexural mode
At low frequencies (< 2 kHz) it travels at formation Vs This flexural mode produces an asymmetric compressional
GaoJ-3-1 28
P
Gao J & Fu JW
GaoJ-3-1 5
声波测井发展简史（续）
5) 20世纪 60年代末研制出了偶极子源，能直接激发横波信号，可以解决软地层中横 波勘探的问题， 70年代初提出了可能的横波速度测井仪， 80年代初研制出电磁驱 动的偶极子横波测井仪，并发展到现在的偶极子及多极子横波成像测井仪； 6) 20世纪 70年代末，出现长源距声波测井仪器，突破了以往声波测井方法只记录滑 行纵波的局限性，可以记录到除滑行纵波以外的滑行横波、伪瑞利波和斯通利波； 7) 20世纪 80年代早期，出现商用的阵列声波测井仪器，将常规井眼补偿声系与长源 距声系以及井径等测量综合，实现了对声波全波列的数字记录，并对斯通利波的记 录予以重视，横波和斯通利波的探测得到了显著改进； 8) 20世纪 90年代末偶极子及多极子横波测井出现；井下声幅电视出现及井周声波成 像方法的完善。
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第三章声波测井
声波测井是通过测量井壁介质的声学性质来判断井壁地层的地质特性及井眼工程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。
声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。
第一节井内声波的发射、传播和接收
一、井内声波的发射和接收
声波是机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。
人耳能听到的声波频率20Hz－20KHz，频率〈20HZ为次声波，频率〉20KHZ 为超声波，声波测井使用的频率为15-30KHz，所以又称为超声波测井。
声波测井首先要在井内产生人工声场，所以需要声波发射器，要接收声波就需要声波接收器，接收器接收到得为声波的波形。
二、滑行纵波和滑行横波
1.基本概念和性质
纵波（压缩波或P波）：介质质点的振动方向与波的传播方向一致。
弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。
横波（剪切波或S波）：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。
由于泥浆只能发生体积形变，不能发生剪切形变，它只能传播纵波不能传播横波，所以置于井内泥浆中的声波测井换能器发射或接收的声波都是纵波。
井眼穿过的各种岩石，虽然大多数有一定孔隙，孔隙内有流体，但其主体是互相紧密相连的固体颗粒，整体为固体介质。
它们不但能发生体积形变还能发生剪切形变，所以既能传播纵波又能传播横波。
介质的波阻抗是声速与密度的乘积，泥浆与地层岩石的波阻抗相差较大，形成明显分界面，声波在井壁上要发生反射和折射。
因为泥浆不能传播横波，所以井内没有反射横波
2.声波的反射和折射定理
2
2
1
1
sin
sin
sin
v
v
v
θ
θ
θ
=
=
当v1，v2一定时，↑
↑→
2
θ
θ，如果v2>v1，当θ2=90o，此时折射波以v2速度沿界面传播，称为滑行波。
滑行波：声波测井将在井壁地层内沿井壁滑行的折射波称为滑行波。
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。
只有岩层纵波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行纵波；只有岩层横波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行横波。
滑行波
3．漏泄模式波
地震上认为是透过很薄的折射层的首波(P 波)，测井上研究很少。
目前认为它是大于第一临界角的入射波产生的全反射P 波与井壁地层相互作用产生的沿井壁在地层中传播的诱导波。
其质点运动的轨迹也是椭圆形，长轴在传播方向上，可看成是纵波与横波合成和以纵波为主要成分的波。
漏泄模式波的幅度对岩石泊松比有一定依赖性，随泊松比增加而增加
第二节 声波速度(纵波)测井
声波速度测井是测量滑行纵波在井壁地层中传播速度的测井方法，简称声速测井。
滑行波的产生：Vp>Vm ；发射探头有方向特性,保证各种地层都有以临界角入射的波。
一、滑行纵波为首波的条件
接收探头能接收到的波（传播路径见右图）： （1）直达波 （2）反射波
（3）折射波（滑行纵波） 直达波TR ：1/1V L t =
反射波TBR: 12
2222V L a t ⎪
⎭
⎫
⎝⎛+=
滑行波TACR:
P
C P
C C AC TA V V V a L V a t t t 11sin tan 2cos 22=
⋅-+
=+=θθθ
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受器的路径所用时间最短。
声速测井是接收地层纵波—滑行纵波，来反映地层的特性。
就要把滑行波与直达波、反射波区分开来。
根据费尔玛最小原理，滑行波最先到达R 处所满足的条件：
1t t <，即1
1tan 2cos 2V L V a L V a
t P C C <⋅-+=
θθ
所以，C P V a V V L θcos 21111
>⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-，11
2sin 1cos 2V V V V a a L P P C C -+=->θθ
1
1
2V V V V a
P P -+称为声波测井的临界源距。
根据以上条件，可以得到使滑行波先于直达波到达接收器的方法： （1）加大源距
取泥岩(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1 L#=0.825m 取白云岩(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1 L#=0.25m (2)在仪器外壳上刻槽
使沿外壳传播的波多次反射，能量衰减；延长传播路径和时间；使不同相
位的波相互叠加。
(3)全波列测井
因为地层横波速度小于纵波，要使管波出现在横波之后，则应进一步加大源距。
且可以使纵横波到达时间有明显差别，记录较完整波形，即声波全波列。
长源距声波测井源距：2.438 m ～ 3.65 m 二、 单发双收声速测井 1.声系
滑行波作为首波的优点:
1) 方便容易记录(通过门槛拾取）； 2)受地层干扰少。
单发单收声系的缺点：
（1）只能测量声波在泥浆和地层中总的传播时间，不能单独确定地层速度； （2）影响因素太多，泥浆性质、井眼大小等都影响总的传播时间； （3）当源距为一米时，滑行纵波在地层中的传播距离为0.6118-0.9531米，分辨率太低，使每次测量的地层不只包含有效储集层
总之，单发单收声系不能满足声速测井的要求，所以要利用单发双收声系，如图：
2.单发双收声速测井的原理
滑行波到达R1、R2的时间差：
12't t t -=∆)(
f p p f v AB v BC v CD v DF +++=)(f
p f v AB
v BC v CE ++- 当井眼规则时：DF=CE
p
p v l
v CD t =
=
∆' 声波时差：声波传播单位距离(1m)所用的时间，记为 ∆t ，单位 μs/m 。
当间距为l ，滑行纵波在地层内传播1米用的时间（声波时差）为△t ，它与声波到达两个接收器的时间之差的关系：
l t l t t t //)('12∆=-=∆
l 大小决定了纵向分辨率，减小l 可以提高分辨率,但声波经过l 岩层所需时间变短，测量相对误差增大
探测深度：一个波长(0.2-0.3m)
记录点：地层CD 段中点，与接收器中点的位置稍有差别
曲线：仪器匀速移动，记录声波时差随井深变化曲线。
纵向分辨率：测量的是l 范围内的地层速度的平均值(0.5m)
三、井眼补偿声速测井
1.单发双收声速测井存在的问题
（1）井眼扩大时：扩径井段上界面△t 增大；扩径井段下界面△t 减小 （2）仪器不居中时：CE ≠DF ，声波传播的距离不等于CD ，无法计算真实的声波时差仪器有扶正器使仪器居中所以，仪器偏心的影响不大 2. 双发双收井眼补偿声速测井
T1和T2交替发射声脉冲，分别测量时差△t1 和△t2，最终记录其声波时差为：
2
2
1t t t ∆+∆=
∆ 探测特性:
优点
消除了扩径的影响
可消除深度误差
缺点
分辨率降低
对低速地层会出现“盲区”
仪器太长，声系复杂
3. 单发双收井眼补偿声速测井。