第六章声波测井
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。
(完整版)第六章声波测井
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
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
79 20
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。
79 6
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。
79
《声波测井》PPT课件
1.76
易吸收，穿透能力小
γ：光子 ，不带电，
质量小，穿透能力强。
放射性测井
3. 射线与物质的相互作用 能在衰变时发射光子的元素称为伽马辐射体。
地层中能发射伽马光子的核素主要是U、Th及其衰变 产物和钾的放射性同位素K-40。伽马光子与物质发
生相互作用的过程中，能量逐渐降低。如果射线的能 量<30Mev, 伽马光子与接触物质间将可能逐级产生
lectron effect occurs, which is first explicitl y explained by Albert Einstein
eγ
放射性测井
3.3 光电效应 : photoelectric effect if energy of γ ray less than 0.51Mev,photoe
Mev
e+
放射性测井
3.1 Electron Pair Effect
e-
Eγ≥1.022Mev
e+
放射性测井
3.2 康普顿效应:Compton effect
With the attenuation of γ energy, the impac tion capability of γ is decayed, when its energy is between 0.51Mev to 1.022Mev, the Computon effec t occurs.
1. 波的传播
入射波
声波测井新技术
入
反
射
射
角
角
反射波
折射角
介质1
介质2 折射波
声波测井新技术
2. 产生滑行波的条件
折射定律: Sin VP1 Sin1 VP2
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：
声波测井的基本原理
声波测井的基本原理引言：声波测井是一种常用的地球物理测井技术，通过发送声波信号并接收其反射信号来获取地下岩石的物理特性信息。
本文将介绍声波测井的基本原理，并探讨其在油气勘探和地质研究中的应用。
一、声波传播原理声波是一种机械波，是由分子间的振动传递能量而产生的。
在地下岩石中，声波通过分子间的碰撞和相互作用传播。
声波传播的速度取决于岩石的密度和弹性模量。
岩石越密度大、弹性模量高，声波传播速度越快。
二、声波测井仪器声波测井通常使用声波测井仪器进行，它包括发射器和接收器两部分。
发射器会向井孔中发射声波信号，而接收器则接收并记录反射回来的声波信号。
三、测井参数解释声波测井中常用的参数有声波传播速度（Vp）、剪切波传播速度（Vs）和声波衰减系数（Attenuation）。
声波传播速度是指声波在岩石中传播的速度，剪切波传播速度是指岩石中剪切波的传播速度，而声波衰减系数则表示声波在岩石中传播时的衰减程度。
四、应用领域1. 油气勘探：声波测井可以提供地下岩石的物理特性信息，如孔隙度、饱和度、岩石密度等，这些信息对于油气勘探具有重要意义。
通过测量声波传播速度和剪切波传播速度，可以帮助确定油气储层的性质和分布。
2. 地质研究：声波测井可以提供岩石的弹性参数，如岩石的压缩模量和剪切模量。
这些参数对于研究地下构造和岩石力学性质具有重要意义。
通过测量声波传播速度和剪切波传播速度的变化，可以揭示地下构造的变化和岩石的变形状态。
3. 水文地质研究：声波测井可以帮助确定地下水的分布和流动状况。
通过测量声波传播速度和声波衰减系数的变化，可以推断地下水的饱和度和渗透能力等参数，从而为水文地质研究提供重要参考。
五、声波测井的优势声波测井具有以下几个优势：1. 非侵入性：声波测井是一种非侵入性的测井技术，不需要取样，不会对地下环境产生破坏。
2. 高分辨率：声波测井可以提供高分辨率的地下岩石信息，可以检测到细小的地质构造和岩石特征。
3. 广泛适用：声波测井适用于各种类型的地质环境，包括陆地和海洋等。
第6章_声波测井
•
还可以利用水泥胶结指数（BI）曲线来指示水泥固 井质量，定义：
α1 目的井段声幅衰减率(dB / ft ) BI（胶结指数） = = 完全胶结井段声幅衰减率(dB / ft ) α 2
• 不足之处：只能判断套管和水泥（第一界面）的胶结 情况，由于没有测量从地层来的信号，所以难于判断 水泥和地层的胶结情况。
3、检查补给水泥效果 4、判断气层 高压气层气侵入井内时，气层部位为气体充填 。可能完全没有水泥或很少，水泥胶结测井幅度 很高，接近自由套管或超过自由套管的声幅。 5、判断套管断裂位置 在无水泥井段，套管断裂显示与套管接箍显示 相同，断裂处有负尖峰。
四、影响水泥胶结测井曲线的因素 1、测井时间 最好在注水泥后20--40小时进行测量,因为水泥 有个凝固过程，过早或过晚,都会造成错误解释。 2、水泥环的厚度 水泥环的厚度>2cm ，对套管波的衰减是个定值 ,水泥环的厚度<2cm,水泥环越薄,对套管波的衰减 越小,测得的声幅值高。 3、仪器偏心和窜槽 不同方向到达的管波相位不同,相互抵消,测得 的声幅值低。
3、过程：
发射换能器 声波
临界角
记录 幅度值
界面(泥浆和套管)
接收Байду номын сангаас能器 套管
临界角
滑行波 井内泥浆
折射
（1）声系：单发单收，源距为1米。 （2）接收到的信号：沿套管传播的滑行纵波（套管 波） （3）管波幅度与管外介质性质的关系和分布有关。 套管波幅度受套管和管内介质的影响是一个定值 ，收到的信号幅度就取决与套管外介质的性质和 分布。 （4）评价水泥胶结质量：由于套管与水泥接触，且 Z套与Z水泥很接近，声耦合好，大部分能量都被 折射到水泥环中，而少部分能量折回到井中被记 录，声幅值低。反之，水泥胶结不好，则声幅高 。
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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
扩径井段上界面
2 1
3
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 j （3）切变模量 ： 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
形
四. 声波时差曲线的应用 1.确定孔隙度
威利公式(Willie equation)
t t f tma (1 )
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 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）
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 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
气体和液体对声波的粘滞和热传导衰减系数:
2 2 3 3
（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
Vt V f [1 ( f b )(V f VS )] Vt V f [1 2(1 )( K E )]
1 2
1 2
斯通利波特点： (1)S波之后 (2)幅度最大 (3)频散很轻微(群速度近似等于相速度) (4)无截止频率，能量主要集中在低频段 应用前景：
D 3dB
x
声压最大值方向
声源指向角特性花瓣图
偶极子 (dipole) 声源 （弯曲波、偶极子波）
井 壁
T
S 波
S 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)
T
tA tB tC tD
计算补偿声波时差
R1 R2
B A
C
t B t A t D tC t 2l
发射脉冲
T
R1 R2 R3 R4
图 1.2.2 DDL-V 阵列声波测井声系结构及记录的四道全波列波
作业题:上图声系如何得到补偿时差,可以得到 几个分辨率的时差
转换为电磁能的器件。
压电陶瓷晶体(锆钛酸铅)特性: 1.机械:弹性体 2.电学:电介质(有极分子)
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)。 逆压电效应：将晶体臵于外电场中，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)。
2 1 1 ( ) 3 2 cv c p
消除频率影响的衰减系数:
As
f
2
4 1 1 [ ( ) 3 3 cv c p
2
2
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
t 增加 d 增加
t 增大
扩径井段下界面 T R1 R2
t 减小
2.双发双收井眼补偿声速测井
t 增大
T1
扩 径 井 段
T1和T2交替发射声脉冲，
分别测量时差 t1 和t 2。
最终记录的声波时差为：
R1
t1 t 2
R2
T2
未 扩 径 井 段
t1 t2 t 2
优点
T1
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
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 (2)幅度大 (3)有频散，相速度 > 群速度
l l 1 T ' ( x) (tgx)' ( )' v2 v1 cos x l l 1 2 sec x ( 2 )( sin x) v2 v1 cos x
l l sin x 2 v2 cos x v1 cos 2 x
l l sin x 令T ' ( x) 0 则 2 v2 cos x v1 cos 2 x
滑行波先于直达波到达接收探头必须满足:
t2 t1
临 界 源 化简： L 2l v1 v2 2l v1 v2 距 2 2 v v 2 1 v2 v1 * L 最低速泥岩V2=1800m/s，泥浆V1=1600m/s 标准井径=0.25m,探头直径=0.05m
L 2l L 2ltg * 即： * v1 v1 cos v2
1.滑行纵波和滑行横波(几何声学解释) 反射定理： 1 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
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 柱 状p
v1 is arcsin vs
（1） 产生条件:
V2>V1
以临界角
V arcsin V
* 1 1
入射
2
（2）滑行波能量分布 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
L 0.85m
*
声速测井 L=1m
(3)在仪器外壳上刻槽(第二条件)
使沿外壳传播的波多次反射， 能量衰减 作用： 延长传播路径和时间 使不同相位的波相互叠加 (4)全波列测井源距为： 2.438 m ～ 3.65 m
4.单发双收声系
测量滑行纵波到达R1R2的时间差
发射探头
T
L 1m
接收探头
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 / A L
i
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
（2）泊松比 ：
（基本）消除了扩径的影响 可消除（减小）深度误差 实际传播路径中点：
o o o 2
R1 R2
o 盲 o 区 o
缺点
T2
分辨率降低 对低速地层会出现“盲区”
3.单发双收实现井眼补偿的方法（时间延迟）