声速测井
声测井
第十一章 声测井声测井是以研究井下岩石声学特性为基础的一系列测井方法。
它是利用介质对声波传播速度和声能吸收的差异，借以探测岩石的性质来解决井下地质问题。
声测井的方法主要分为声速测井、声幅测井、声波全波列测井，以及超声成相测井等。
本章将重点介绍声速测井和声幅测井。
第一节 声测井的物理基础声测井的物理基础在于两个方面： 一个是岩石的声学特性, 即声波在岩石中的传播特性; 另一个是声波的产生与接收。
声波是物质的一种运动形式，它是由物质的机械振动而产生的，通过质点间的相互作用将振动由近及远而传播。
人耳听到的声波在0.02～20kHz 之间。
频率大于kHz 的波为超声波。
声测井所用的机械波是声波或超声波, 频率一般为15～30kHz 。
声波在井内岩层中的传播是弹性波在弹性介质中传播的过程， 因此有必要了解岩石的弹性和弹性波在岩石中传播规律。
一、岩石弹性受外力会发生体形变化，外力取消后又能恢复原状的物体叫弹性体；取消外力后不能恢复原状的物体称为塑性体。
一个物体是弹性体还是塑性体，除取决于物体本质外，还与外力的作用大小、时间长短及环境条件等因素有关。
固体物质在受力小、作用时间短的情况下多呈弹性体。
声测井中，由于声波的能量低，作用在岩石上的时间短，因而岩石可视为弹性介质，这样以弹性波在弹性介质中的传播规律来研究声波在岩石中的传播特性。
用相同的力作用于不同的岩石，将会产生不同的体形变化，这是因为它们具有不同的弹性。
通常用下列弹性模量来描述岩石的弹性。
二、岩石的声波速度声波在介质传播过程中，当波的传播方向和质点振动方向一致时叫纵波，其速度以P v 表示。
纵波在传播中， 因介质发生压缩和扩张的体积形变，故又称压缩波。
当波的传播方向与质点的振动方向相互垂直时叫横波，其速度以S v 表示。
横波使介质产生剪切形变， 因而又叫切变波。
通常这两种波可同时存在于固体介质中，但横波不能在液体和气体中传播。
纵波和横波速度还可用弹性模量的基本参数v 和σ表示，即)21)(1()1(σσσρ-+-⨯=Ev P (11-1))1(21σρ+⨯=Ev S (11-2)式中 P v ─纵波在岩石中的传播速度； S v ─横波在岩石中的传播速度； E ─岩石杨氏模量； σ─岩石泊松比； ρ─岩石密度。
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-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。
第2章_声波测井-2.1声波测井基础及声速测井
①同一介质传播特性
声幅特性 石 油 工 程 测 井
声波的能量与其幅度的平方成正比。声幅的 高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介 质要吸收声能，使声幅衰减，其衰减规律为：
J J 0e
2 al
式中 J0—初始声强（单位面积上的声功率）； Ｊ—声波经 l 距离后的声强；
α—介质的吸收系数。
声波测井可以分为几类？各举一个实例
①声速测井（AC）
③声波频率测井（NL）
②声幅测井（CBL）
声波测井的分类
声波速度测井 测声速，计算地层孔隙 度、岩石力学参数、地 应力和地层压力 测声幅，研究固井质 量, 观察井壁情况、裂 缝和套损
AC，LSS，DSI
声 幅 测井 CBL，VDL，SBT， CET，PET，BHTV， CBIL，USI 噪声测井
滑行纵波和横波沿界面滑行 时，将沿临界角方向向介质 1中辐射能量。对于井下岩 层，一般都满足vm （泥浆速 度）＜vp（地层速度）第一 临界条件，因此井中很容易 激发沿井壁滑行的地层纵波。
滑 行 波 R 辐射能
石 油 工 程 测 井
常见介质的纵横波速度及第一第二临界角
介质名称 泥 岩 砂 砂 砂 层（疏松） 岩（疏松） 岩（致密） VP (m/s) 1800 2630 3850 5500 7000 7900 5400 VS (m/s) 950 1518 2300 3200 3700 4400 3100 第一临界角 62º 44´ 37º 28´ 24º 33´ 16º 55´ 13º 13´ 11º 41´ 17º 41´ 第二临界角
4 杨氏模量E：
Hook定律：
l F a l S ES
F/S E l / l F
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。
声波测井重要知识点
声波测井重要知识点声波测井是地球物理勘探中常用的一种测井方法，其原理是利用声波在地层中的传播特性来获取有关地层结构和岩石属性的信息。
声波测井包括测量地震波在地层中传播时间和振幅的测井方法，以及通过分析地震反射和折射来确定地层性质的地震测井方法。
本文将介绍声波测井的基本原理以及几个重要的知识点。
声波测井原理：声波在地层传播时会受到地层的吸收、散射和反射等因素的影响，从而传播的速度、振幅和频率会发生变化。
通过测量声波的传播特性，可以获得有关地层的信息。
声波测井的主要知识点如下：1.声速：声速是声波在介质中传播的速度，它受到地层岩石的密度和流体饱和度等因素的影响。
常见的声速测井方法有全波传播时差测井、全波传播振幅测井和多道测井等。
2.声频率：频率是声波的振动次数，它对地层信息的分辨能力有很大影响。
高频率的声波能够提供更高的地层分辨率，但传播距离较短，低频率的声波可以传播更远，但分辨率较低。
合理选择声波的频率可以获得更准确的地层信息。
3.反射：地震波在地层中传播时，会遇到不同介质之间的反射界面，从而产生反射波。
反射波的振幅和到达时间可以提供地层的界面信息，如岩石层位、裂缝、气水界面等。
4.折射：地震波在地层中传播时，会由于介质的变化而发生弯折，这种现象称为折射。
折射波的振幅和到达时间可以提供地层的速度、倾角和入射角等信息。
5.衰减：声波在地层中传播时会由于介质的吸收和散射而衰减。
衰减会导致声波传播距离的减小和振幅的减弱。
对于薄层和含有流体的岩石，衰减影响更为显著。
6.岩石弹性参数：声波测井可以通过测量声波传播速度和密度等参数来确定地层岩石的弹性参数，如岩石的弹性模量、泊松比、剪切模量等。
这些参数对于岩石力学性质和岩性解释非常重要。
7.流体饱和度：声波测井可以通过测量声波速度的变化来估算地层中的流体饱和度。
由于流体的密度和声速与岩石不同，当地层中存在流体时，声速会有明显的变化。
声波测井可以提供丰富的地层信息，对于确定含油气层、划分地层、解释岩性和评价油气储层等都具有重要意义。
第二节：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。
6-声测井-声速测井
§2、声速测井资料的应用 五 声波速度测井
2、识别气层和裂缝（周波跳跃） 、识别气层和裂缝（周波跳跃） 在岩性相同情况下， 在岩性相同情况下，气层的声波时差大于油 水层的声波时差 判断气层： 判断气层： (1) 声波时差增大 (2) 有可能出现周波跳跃现象 (特别疏松孔隙度很大的砂岩气层 特别疏松孔隙度很大的砂岩气层) 特别疏松孔隙度很大的砂岩气层
22
§2 声波速度测井 （周波跳跃） 2、识别气层和裂缝 周波跳跃） 、识别气层和裂缝（
气层的声波时差值明显大于油层
23
§2 声波速度测井 （周波跳跃） 2、识别气层和裂缝 周波跳跃） 、识别气层和裂缝（
门槛检测技术
24
§2 声波速度测井 （周波跳跃） 2、识别气层和裂缝 周波跳跃） 、识别气层和裂缝（
16
§2、影响测量的地质因素 四 声波速度测井
4、岩石孔隙间的储集物 、
φ 和骨架不变，流体 油，气，水 和骨架不变，流体:油
V气小于V油， V油略小于 水 略小于V 小于
％～30％的纯岩， 如：φ 为20％～ ％的纯砂岩，完全含水时的声速 ％～ 仅比完全含油时的声速大7％～ ％ 判断砂岩储层 仅比完全含油时的声速大 ％～15％ ％～ 含油、 含油、含水困难
L
AB BC CD = + + Vf VP Vf
2d L − 2dtgθ = + Vf cos θ VP
C
θ
直达波： 直达波：
R
Vf VP
D
tf
L = V f
2
§2 声波速度测井 滑行波
波
滑行波先于直达波到达接收探头必须满足: 滑行波先于直达波到达接收探头必须满足 tf > tP 即：
声速测井
在碳酸盐岩剖面，致密石灰岩和白云岩时差最低，如果含泥质，声波的时差稍微有增高，孔隙性和裂缝性石灰岩和白云岩，则声波时差明显增大，裂缝发育会出现周波跳跃，泥岩泥灰岩时差较高。
在膏盐剖面，渗透性砂岩时差最高。泥岩由于普遍含钙、含膏，时差与致密砂岩相近，如含有泥质，时差稍有增大，水石膏的时差很低，盐岩由于扩径严重，声波时差曲线显示周波跳跃现象。总之，声波时差的高低在一定程度上反映岩石的致密程度。特别是它常用来区分渗透性和致密砂岩。
第一，当目的层的上下围岩声波时差一致时，曲线对称于地层中点；
第二，岩层界面位于时差曲线半幅点；
第三，在界面上下一段距离上，测量时差是围岩和目的层时差的加权平均效应，既不能反映目的层时差，也不能反映围岩时差。
第四，当目的层足够厚且大于间距时，测量时差的曲线对应地层中心处一小段的平均读值是目的层时差。
三、声速测井的应用
1. 声速测井曲线
声波测井曲线是指声速测井仪测量到的声波时差值随深度变化的关系曲线，对于比较理想的地层，如厚的泥岩夹有薄层的情况，曲线如图8.3.9所示。
测井仪器一般是由下往上提升的，到两个接收探头都在下部泥岩层段时，测量的时差反映的是泥岩的时差。随着仪器的提升，当上接收探头在砂岩段时(严格地说，当滑行纵波是从砂岩段上折回接收器时），声波时差将随仪器提升而降低，当下接收探头进入砂岩层段时，时差反映的是砂岩的时差值，且不再随仪器提升而变化。当仪器继续提升时，上接收探头进入泥岩层段，测量的时差又将增大，随着仪器的近一步提升，下接收探头也进入泥岩层段，测量时差增大到泥岩时差，不再变化。由此可见，声波曲线有如下特点：
2) 判断气层
天然气的时差随温度t的变化而变化，一般地，天然气的时差随温度的变化式可用以下公式来表示：
测井解释材料基础汇总
声波测井（摘自洪有密主编《测井原理与综合解释》P55）声速测井的应用（摘自洪有密主编《测井原理与综合解释》P55）1、单层声速曲线取值方法声速曲线的深度比例一般是1:200，横向比例一般是每厘米50μm/m，向左增大。
图3-9是声速和感应曲线取值实例。
该图的声速曲线是用单发双收仪器测量的，发射器在上；储集层为砂岩，邻层为泥岩，水平线标出两者的界而；因泥岩井眼扩大，声速曲线在储层顶界面出现时差减小的假异常，而在底界面出现时差增大的假异常。
对储层评价来说，对测井曲线取值就是在储集层界面内读取代表储集层性质的测井读数。
对声速曲线来说，首先要排除井眼扩大引起的假异常，然后再分别情况取值。
(1)储层厚度较大，声速曲线呈平缓起伏变化者，读曲线平均值。
此时曲线起伏范围一般在2～3mm以内，如右图。
(2)如果储层内声速曲线有明显的时差减小的小尖峰，且尖峰位置与微电极等曲线电阻率增大的小尖峰一致，则这些尖峰是致密夹层的显示，其值不代表储层性质，应在扣除这些尖峰以后取曲线段的平均值，如左上图。
(3)如果储层内声速曲线呈台阶变化，则应分段取值，如左中图。
分段的最小厚度应与声速仪器的分层能力一致。
(4)储层厚度较小，声速曲线在储层内没有变化平缓的曲线段，而有明显的拐点，则取拐点的数值，如左中图上层。
如果没有拐点，曲线呈尖峰状，应凭经验判断，认为尖峰极值能代表地层读数，则取尖峰；若认为尖峰位失去代表性，则本层无法读数。
2、确定岩性和孔隙度声速测井是最常用的岩性-孔隙度测井方法之一。
要想用声速测井确定地层的岩性和孔隙度，就必须建立声速测井响应方程。
目前比较流行的声速测井响应方程，有以下三种。
(1)威里平均时间公式国内外实验研究和理论分析都证明纯岩石声波时差与其孔隙度的关系是线性的，图3-10是胜利油田的实例。
这一关系最初是MRJ 威里提出来的，常称为威里平均时间公式。
其形式如下△t=（1-Φ）△t ma+Φ△t f （3-13）式中△t——测量的纯岩石声波时差,μs/m；△t ma——岩石骨架声波时差，μS/m；△t f——岩石孔隙流体的声波时差，μS/m；Φ——纯岩石孔隙度，小数。
声 波 测 井
•
单发双收声系的缺陷 如前所述，当两个接收器对应井段的井眼 比较规则时，单发双收声系所记录的时间 差才只与地层速度有关，反之，将随井眼 几何尺寸的变化而变化，在变化层段，时 差曲线出现异常。如左图所示。 在砂泥 岩分界面处，常常发生井径变化，砂岩一 般缩径而泥岩扩径。因此在砂岩层顶部 （井眼扩大段的下界面）出现时差减小的 尖峰，在砂岩底界面（井眼扩大段的上界 面）出现时差增大的尖峰。上图是砂泥岩 剖面井径变化对时差曲线影响的实例。因 此， 在时差曲线上取值时，要参考井径曲 线，以避开井径变化引起的时差曲线的假 异常。
所以∆T的大小反映了地层声速 的高低。声速测井实际上记录的 地层时差（声波在地层中传播 1m所用的时间）。测量时由地 面仪器通过把时间差∆T转变成与 其成比例的电位差的方式来记录 时差∆t。仪器记录点在两个接收 器的中点，下图 井径变化对声波 时差的影响 井仪器在井内自下而 上移动测量，便记录出一条随深 度变化的时差曲线，图给出了时 差曲线实例。声波时差的单位是 μs/m或μs/ft。
声波测井的输出代表厚度为一个间 距的地层的平均速度，即仪器记录点 上下0.25米厚地层的平均速度。分析 测量及记录过程，不难发现，仪器记 录点与声波在两个接收器对应地层中 的实际传播路径的中点不重合，即存 在一定的深度误差，声波在地层中实 际传播路径的中点偏向发射器一方， 二者偏移的距离为： ∆h=a×tanθ 其中：a 为接收器到井壁的距离；θ 为第一临界角。 实际测井中，第 一临界角θ随地层速度的变化而变化， 距离a与井径、仪器倾斜程度有关。 因此，深度偏移是一个随机量，无法 校正。为降低井径变化、仪器记录点 与实际记录点的深度误差对单发双收 声系时差曲线的影响，提出了井眼补 偿声速测井（双发双收声系）
单发射双接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，其传播路径如图所示，即 沿ABCE路径传播到接收换能器 R1，经ABCDF路径传播到接收 换能器R2，到达Rl和R2的时刻 分别为t1和t2，那么到达两个接 收换能器的时间差△T为：
声波速度测井PPT课件
井眼因素
井眼大小与形状
井眼的大小和形状对声波速度测井结果有直接影响。井眼过大会使声波在传播 过程中散射，导致速度降低。此外，井眼的形状也会影响声波的传播路径和速 度。
井眼内流体性质
井眼中的流体，如泥浆、水和油气等，对声波速度也有影响。流体的密度和声 波速度有关，密度越大，声波速度越高。
仪器因素
仪器分辨率
应用领域的拓展
随着技术的不断进步和应用需求的增加，声波速度测井技术的应用领域将进一步拓 展。
除了传统的石油和天然气勘探领域，声波速度测井技术还将应用于环境监测、矿产 资源勘探、地质灾害预警等领域。
随着技术的成熟，声波速度测井技术将逐渐成为地质勘查和工程勘察的重要手段之 一。
行业标准的制定与完善
为了规范声波速度测井技术的使用和 推广，相关行业标准和规范将不断完 善。
声波速度测井数据处理
数据预处理
对采集的原始数据进行滤波、 去噪和校准等处理，以提高数
据质量。
声波速度计算
根据测量得到的传播时间和距 离计算声波速度。
地层岩性识别
根据声波速度与地层岩性的关 系，对地层岩性进行识别和分 类。
结果解释与报告编写
将数据处理结果进行解释，编 写测井报告，为地质勘探和油
气开发提供依据。
复杂地质问题中的重要作用和应用前景。
05
声波速度测井的未来发展
技术创新与改进
声波速度测井技术将不断进行技 术创新和改进，以提高测量精度
和可靠性。
新型声波速度测井仪器将采用更 先进的信号处理技术和算法，以
增强对复杂地层的适应性。
未来声波速度测井技术将更加注 重智能化和自动化，减少人为干
预和操作难度。
子和双极子探头等。
测井原理6-声速测井
P
, sin θ
C
=
V1 AC = VP AB
说明C与B点波阵面相位相同—侧面波，F点发射源 看作点源，向四面入射，以C点固定CB面转一周成 圆锥面。
4）对于井内接收点，滑行波的振幅随距离Z增加是衰 减的。
球面波
直达波
滑行纵波
A0 i(ωt−k r) , k1 = ω /V1 φ= e r A0 i(ωt−k Z ) φ= e , k1 = ω /V1 Z 1 i(ωt−kCZ ) φ = AP 2 e , kC = ω /VP Z ln Z
因此当井眼规则(CE=DE)时 因此当井眼规则(CE=DE)时，∆t只与地层速度有关， (CE=DE) 只与地层速度有关， 实现了测量地层速度的目的。 实现了测量地层速度的目的。 通常通过仪器刻度，时差单位为: 通常通过仪器刻度，时差单位为: V（m/s） /V（us/m）或用单位us/ft ∆t=1 / V（m/s）=106/V（us/m）或用单位us/ft （1ft=0.3048m)
S
直达波A∝1/Z 滑行横波A ∝1/Z2，不像 纵波滑行横波始终比泥浆直达波衰减快。 4）滑行横波幅度大于纵波幅度 它们的波长之比为：λs/ λp=Vs/Vp•fp/fs=0.578 •20/18 =0.65 因此靠近井壁附近滑行横波幅度较滑 行纵波幅度有更多能量。另外，横波反 射系数远小于纵波反射系数，即有更多 能量进入地层，在相同的情况下有更多 的能量转换为滑行横波。
地 泥 层 岩 （ ） Vp（ m/s） 1800 2630 3850 6500 7000 5400 6200 第一 临界 角 （ 度 ） 62.45 37.28 24.33 14.15 13.12 17.14 14.57 L-2a tgθ c θ 0.6118 0.8467 0.9086 0.9492 0.9531 0.9380 0.9465
地球物理测井-声速测井
②R1位于正常或缩小井段，R2位于井径扩大井段，滑行波 到达R1的时间不变，而到达R2的时间增加，因此时差增加。
③当R1和R2都处于井径扩大或缩小井段时，t1、t2同时增 加或下降，时差不变。
显然，岩层孔隙度和孔隙流体的弹性模量和密度对 岩层的声速有明显的影响。
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、岩石地质时代
深度相同成分相似的岩石，当地质时代不同时，声速也 不同。 老地层比新地层具有更高的声速。
4、岩石埋藏深度 上述分析看出，可根据岩石声速来
折射角等当于 900时*的
入射角
则 滑当 界 的*： 角界v行1=2入面<波vS射上2指i、n时产且: ，生-1入v在的v射12两以波种v以2速介临度质
传播的折射波。
滑行波沿界面滑行时， 将沿临界角方向向介质1中 辐射能量。
对于井下岩层，一般都 满足vm （泥浆速度）＜vp （地层速度）第一临界条件， 因此井中很容易激发沿井壁 滑行的地层纵波。
一、岩石的声学性质
什么叫声波？
是一种机械波，是介质质 点振动向四周的传播。
目前声波测井使用的频率 为20Hz－2MHz。
声波 次声波 超声波
20Hz < 频率 < 20KHz 频率 < 20Hz 频率 > 20KHz
（一）岩石的弹性及弹性参数
1、弹性
是指物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力。
v2
v1
T
时差曲线特点:
1)对着厚地层的中部,声波时差不受围岩的影
地球物理测井声速测井
弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向缩小。设有一圆柱形弹性体的直径和长度
分别为d和l，在 外= 力弹作性用体下的，横直向径应和变长/纵度向的应变变化分别为Δd和Δl，那么横向相对减缩Δd/d和纵向相对 伸长Δl/l之比称之=为（泊△松d/比d）。/（△l/l）
物理意义：描述弹性体形状改变的物理量, 只是表示物体几何形变的系数。
换
换
换
能
能
能
器
器
器
R1 R2
T
R1
R2
放大线路 发射探头 接收探头
声速测井仪示意图
三、声波时差曲线的影响因素
声波时差曲线反映岩层的声速，声速高的时差值低，声速低的时差值高，因此时差值受 地层特性的控制，此外还受到井条件及仪器本身的影响。
影响因素
井径变化的影响
地层厚度的影响
“周波跳跃”现象的影响
1.井径的影响 ① R1处在井径扩大井段，R2位于正常或缩小井段时，滑行波到达R1的时间增加，而到达R2的时间不 变，因此时差下降。
探后头的设的任:路意径仪时传器刻播居,这时中些用,子井时波径最的规短包则. 络就是新的波前.
C
E
则
R1
D F
R2
T CD l
v2
v2
t 1 T
v2
l
在扩径井段上部,时差增大 T
R1
R2 在扩径井段下部,时差减小
T 井径扩大井段
R1
R2
T t2 t1
BDBCDFCE
v2
v1
时T差曲线特点: 1)对着厚地层的中部,声波时差不受围岩的影响,时差曲线出现平直段,该段时差值为该厚地层的时 差值; 2)在地层界面处,测量受到两种地层的共同影响,所测时差不能反映地层的实际时差; 3)在薄层情况下,测量要受到围岩的影响,其测量结果同样不能反映地层的实际时差值.
声波测井
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。
《地球物理测井》ch7.声速测井
T
c
A
反射波TBR
t1 L / V1
t2 2 a 2
t 2tTA t AC V1 sin C VP
L
L 2
2
V1
B
滑行波TACR
a
L 2a tg C 2a V1 cos C VP
C
R
第7章 声波速度测井 © 2014 Yangtze University Production Logging Lab.
声系的发射探头和接收探头，即换能器，是由压电陶瓷晶 体制成，利用这种晶体具有的压电效应的物理性质，以其反 效应发生声波，以其正效应接收声波。 源距(space):声波发射器中点至声波接收器中点的距离； 间距(span):两个接收器中点的距离。
第7章 声波速度测井
© 2014 Yangtze University Production Logging Lab.
© 2014 Yangtze University Production Logging Lab.
§7.2 时差记录声系
二 单发双收声系
原理:
工作原理：由一个发射探头和两个接收探头组成 （T1.0R10.5R2，T为发射探头，R1和R2分别为近、远接收探 头，源距为L，两个接收探头之间的距离为间距l），发射探 头发射一次信号，两个接收探头分别接受信号，记录两个 接收探头接收时间之差。
§7.2 时差记录声系
二 单发双收声系
曲线定性分析:
de段：当声系自下向上移动测量，直到R2到V2、V1顶界面为止。在测量过 程中，R1与R2之间的介质速度为V2和声波时差为t2， 所以 t=106/V2=t2=144μs/m，R1R2的中点正对d点。
第3章-2 声波速度测井
伪瑞利波：大于第二临界角的入射波形成的全反射波在井 壁与仪器外壳间多次作用的结果。
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斯通利波：是在井内流体中传播的一种诱导波，它是 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，质点运动的轨迹呈椭圆形，长轴在井轴 方向，传播速度低于井内流体纵波速度。它的产生与 井筒有关，又称管波。
t t ma 380 168 32.5% t f t ma 820 168
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24
Gao J & Fu JW
12
《油气地球物理测井工程》
时间平均公式的使用条件是孔隙均匀分布，固结且压实的纯地 层。由该公式求出的声波孔隙度，对于不同的地层情况要分别 处理： 1）对于固结压实的石灰岩及砂岩 （a）粒间孔隙的石灰岩及较致密的砂岩（孔隙度18~25%） 可直接利用平均时间公式计算孔隙度，不必进行任何校正。 （b）孔隙度为25~35%的固结而压实的砂岩 这类砂岩泥浆侵入较浅，冲洗带中不全是泥浆滤液，还有残余 油气，按公式计算的孔隙度偏大，必须乘以流体校正系数。 气层：流体校正系数为0.7
R1 R2
GaoJGaoJ -3-2
3
一、单发双收声速测井仪的测量原理
• 仪器简介：测井声波 f = 20kHz 声—电转换完成
隔声体——在仪器外壳上增加刻槽，防止发射的声波经仪器 外壳最先传至接收器，影响地层信号的正确测 量。 • 测量原理：T 产生声波，向泥浆（V1）和地层(V2)传播 —— 由于V2>V1，声波在井壁处折射产生滑行波 —— 滑行波先后到达R1和R2，完成声波速度测量。
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Gao J & Fu JW
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声波测井原理
授 课 内 容
声波测井的应用
教 学 重 点
双发双收声系
确定岩层孔隙度
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 能器T和一个接收换能器R组成，其 中，发射器和接收器之间的距离称为 源距，声波测井声系的最小源距为1 米。电子线路提供脉冲电信号，触发 发射器T发射声波，接收器R接收声 波信号，并转换为电信号。
井径扩大对时差曲线的影响实例声波速度测井原理3、双发双收声系
该仪器的井下声系包括两个 发射器和两个接收器。它们的排 列方式如图所示。其中，两个接 收器之间的距离（间距）为0.5 米，T1、R1和R2、T2之间的距 离为1米。
T1 A B
E R1 F'
C O'
D'
F R2 E' C' D O''
A' T2
T1 A B E C R1 O' F'
D'
D
F
R2
O''
E'
C'
A'
B'
T2
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 CD DF CE
t1 VP V1
F1 A B
J1
E F’ F
F2—J2、J1，分别在扩井、未扩 井段
t 2 C ' D' D' F 'C ' E ' VP V1
B'
双发双收声系结构示意图
声波速度测井原理
3、双发双收声系
测井时，上、下发射器交替发射声脉 冲，两个接收器接收T1、T2交替发射产生 的滑行波，得到时间差△T1、△T2，地面 仪器的计算电路对△T1、△T2取平均值， △T=(△T1+△T2)/2，记录仪记录出平均值 对应的时差曲线△t=△T/l。由图可以看出， 双发双收声速测井仪的T1发射得到的△T1 和T2发射得到的△T2曲线，在井径变化处 的变化方向相反，所以，取平均值得到的 曲线恰好补偿掉了井径变化的影响。还可 以补偿仪器在井中倾斜时对时差造成的影 双发双收声系结构示意图 响。同时基本消除深度误差。
2 划分地层 (确定地层的岩性)
砂岩的理论骨架时差:△tma=182s/m (硅质胶结)55.5 灰 岩: △tma=156s/m 47.5 白云岩: △tma=143 s/m 43.5 无水硬石膏: △tma=164 s/m 50 岩盐时差: △tma=220 s/m 67 淡水: △tmf=620 s/m 189
后研究每一部分对岩石宏观物理量的贡献,并视
宏观物理量为各部分贡献之和。即： 测井参数×总体积=∑测井参数×相应体积
3、求取孔隙度
3.2、泥质砂岩
由于泥质声波时差较大，按公式计算的泥质砂 岩的孔隙度偏大，必须进行泥质校正。由下式计算 地层孔隙度。
t (1 vsh ) t ma vsh t sh t f
J2
E’
C O’ D’ D O’’ C’ B’
在扩井井段CE=D’F’，在未扩段 C’E’=DF，则 t t1 t 2 CD
2 VP
A’ F2
3、双发双收声系 （2）可消除深度误差 F1—J1、J2，实际深度点O’ h=-a tgc，实际深度H- a tgc F2—J2、J1，实际深度点O’’ h=a tgc，实际深度H+a tgc 实际O’O’’的中点就是仪器记录 点O，两者一致。即时差平均 值的中点（岩层CC’的中点） （注意：对于薄互层，速度变 化大，可能有误差）
4、异常地层压力预测
沉积岩层的正常地层流体压 力等于其静水压力，并对应 一个正常压力梯度。在一些 地区遇到了地层压力高于或 低于正常压力梯度计算的数 值，即地层压力出现异常。 我们把地层压力高于正常值 的地层称为异常高压地层；
地层压力低于正常值的地层 称为异常低压地层。在钻井
程序设计中，预先知道地层 压力是非常重要的。
V Vf Vma
Vma
t t f （ 1 ）t ma
t t ma t f t ma
φ
3、求取孔隙度
3.1、Wyllie时间平均公式及体积模型
1 1 V Vf Vma t t ma t f t ma
φ Vma
t t f （ 1 ）t ma
AB CE DF
R2—R1：
t t 2 t1
因此当井眼规则时，t只与地 层速度有关，实现了测量地层速度 的目的。 时差单位为 t=1 / V（m/s）=106/V（us/m） 或用单位us/ft（1ft=0.3048m)
声波速度测井原理
2、单发双收声系 优点: 1) 井眼规则时能直接测 量岩层的声波速度或时差;在 固定l间距上仅与岩层速度有 关传播时间,在整个井眼剖面 上得到的岩层速度指在l间距 内平均值。 2) 现用间距为0.5米,使 声波测井曲线能划分厚度0.5 米以上岩层。
声波速度测井原理
2、单发双收声系
单发双收主要缺点： 井眼不规则时如井径变化（扩 大）界面处，声波时差出现“假异 常”，同时也有深度误差；记录的 时差不仅与地层速度有关，还与泥 浆速度、井径大小有关。此误差无 法校正。为降低井径变化、仪器记 录点与实际记录点的深度误差对单 发双收声系时差曲线的影响，提出 了井眼补偿声速测井（双发双收声 系）。
3、求取孔隙度
s
c
t f t ma
t t ma
1
c
s
p
c
p
3.2、固结而压实不够的砂岩
对于此类地层，要引入压实校正。地质年代较新 的疏松砂岩，其埋藏深度一般较浅，砂岩是否压实， 可根据邻近的泥岩声波时差△tsh的大小来辨别，若邻 近泥岩的声波时差大于328μs/m，则认为砂岩未压实 ，且△tsh越大，表明压实程度越差。压实校正的大小 用压实校正系数Cp表示，Cp与地层埋藏深度、年代 及地区有关（1.2～1.4）。压实校正后的孔隙度为：
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
平坦值
0.3米
面积平均值
(2) 周波跳跃的特点
时差值大大增加 且呈周期性的跳跃
声波速度测井应用
2 判断气层、确定油气和气水界面
(3) 产生周波跳跃的各种情况
含气的疏松砂岩 裂缝性地层或破碎带 泥浆气侵
3 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 岩层的孔隙增加－声速下降－时差增加 砂岩的时差 < 泥岩的时差
0.3米
泥岩
声波速度测井应用
2 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
声波速度测井应用
2 判断气层、确定油气和气水界面
(1) 周波跳跃产生的原因
由于在滑行首波到达接收探头的路径中遇到吸收系 数很大的介质 ,首波能触发R1但不能触发R2,R2被幅度较 高的后续波触发,因此,时差增大.
公式适用于：固结压实纯地层,粒间孔隙的石灰 岩及较致密的砂岩（孔隙度为18～25％）可直接利用 平均时间公式计算孔隙度，不必进行校正。对于不同 的地层情况要分别处理。
3、求取孔隙度
3.1、Wyllie时间平均公式及体积模型
根据测井方法的探测特性和岩石的各种物 理性质上的差异 , 把岩石体积分成几个部分 , 然
盐水: △tmf=608 s/m
185
对膏岩剖面有很强的分辩力,由于岩盐和无水石膏在时 差曲线上区别很大,很容易识别.
2 划分地层 (确定地层的岩性)
煤：＞90us/ft
砂岩：55.5us/ft
硬石膏：50us/ft
灰岩：47.5us/ft
白云岩：43.5us/ft
3、求取孔隙度
3.1、Wyllie时间平均公式及体积模型 1956年Wyllie在实验基础上，提出时间平均公 式，认为声波在单位体积岩石内传播所用的时间等 于岩石骨架部分（1-）所经过时间与孔隙部分 所经过时间的总和。即 1 1
声波速度测井原理
1、单发单收声系
测井时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井内泥浆直达波；④井内 一次及多次反射波。通过合理的 仪器设计，在所有地层中，确保 首波就是地层纵波。使声波接收 器记录首波到达时间。根据首波 到达时间，确定首波的传播速度。
声波速度测井原理
1、单发单收声系
AC B t vm v1
由于井径的变化和井剖面岩 性的变化，使得A、B、C都不 是常量，而是随着井径和岩性的 变化而变化，所以单发单收声系 没有实用价值。
A
B
C
声波速度测井原理
2、单发双收声系
T—R1： T—R2：
t1 t2
AB BC CE V1 VP V1 AB BD DF V1 VP V1 CD l 0.5m VP VP VP
作
业
某油田的一口淡水泥浆井中，某一固结压实纯砂岩地 层的声波时差 t 为 291.5s/m ，电阻率 Rt 为 68· m ，假定 tma=182s/m， tf=620s/m，RW=0.08· m。