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％。
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1.井径的影响
声速测井（声时差测井）
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。 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。
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。 各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中 传播时能量的藕合状况来研究和评价固井状况的。
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4.井壁固液界面产生的两种波
岩石的声学性质
声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井
地球物理测井—声波测井
方位声波成像测井 偶极横波成像测井 井周声波成像测井 超声波成像测井
声 波 成 像 测 井
地球物理测井—声波测井
岩石的声学性质
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。
什么叫声波？
地球物理测井—声波测井
（4）切变模量（）
岩石的声学性质
切应变：弹性体的形状改变而体积未发生变化。 Ft tg =△l/d ：切变角 当很小时，tg
△l
= △l/d
d
切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。 剪切模量—是弹性体在剪切力Ft作用下，切应力（Ft/s）与剪 切变之比。 = 切应力/切应变 =（Ft/s）/ = （Ft/s）/△l/d
一、单发双收的测量原理
R：接收探头 声能转化为电能 T：发射探头 电能转化为声能
间 距
源 距
T
A G E B C D
R1 O
R2
记录点O
F
地球物理测井—声波测井
1、产生滑行波的条件
声速测井（声时差测井）
V地层 > V泥浆
产生滑行波的过程是可逆的
2、到达接收探头的波类
折射纵波 反射波 泥浆波（直达波）
F—作用外力；
l / l —为弹性体在力方向上的相对形变，称为应变。
地球物理测井—声波测井
岩石的声学性质 d l
（2）泊松比σ（定义为外力作用下，弹性体 F 的横向应变与纵向应变之比） = 弹性体的横向应变/纵向应变 =（△d/d）/（△l/l）
物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。
（3） 体积弹性模量 K （定义为应力与弹性体的体应变之比） K = 应力/体应变 =（F/S）/（△V/V） （kg/cm2） 体应变也称膨胀率
（1） 产生的原因
声速测井（声时差测井）
由于滑行首波在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。 （2）周波跳跃的特点
时差值大大增加 且呈周期性的跳跃
地球物理测井—声波测井
（3） 产生周波跳跃的各种情况 裂缝性地层或破碎带 含气的疏松砂岩 泥浆气侵
4、岩层的埋藏深度
岩性和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加
地球物理测井—声波测井
声速测井（声时差测井）
结论：可用传播速度来研究岩层的岩性和孔
隙度。
地球物理测井—声波测井
声速测井（声时差测井）
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。
T = WT/ W =21• V1/ （2•V2+ 1• V1）
1 、2—分别为介质Ⅰ、Ⅱ的密度 V1 、V2—分别为介质Ⅰ、Ⅱ的纵波速度
地球物理测井—声波测井
3.波阻抗、声耦合率
1）波阻抗 2）声耦合率
岩石的声学性质
Z=波的传播速度*介质的密度 =V• 两种介质的声阻抗之比：Z1/Z2
地球物理测井—声波测井
滑行纵波和横波沿界面滑行 时，将沿临界角方向向介质 Ⅰ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。 R T
岩石的声学性质
ⅠⅡ
θ1* 或θ2*
滑 行 波
辐射能
地球物理测井—声波测井 常见介质的纵横波速度及第一第二临界角
在声波测井全波列图上，斯通利波是传播速度最 低的声波。
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波 幅 A
岩石的声学性质
时间t
纵波
横波和 泥浆波 瑞利波
斯通利波
裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图
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声速测井（声时差测井）
声时差测井测量声波通过井下单位厚度岩层的传播时
间，即时差Δt（μs/m），由于时差的倒数就是声速 v（m/s），因此又叫声速测井。
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3、描述弹性体的参数
岩石的声学性质
（1）杨氏模量E(定义为应力与其应变之比)
Hook定律：
l F F a l S ES
F S E l l
物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。
l、s—分别为弹性体长度、横截面积； E—弹性体的杨氏模量，kg/cm2或dyn/cm2 F/S—为作用于单位面积上的力，称为应力。
声 频率〈 20KHZ
频率〈 20HZ 频率 〉20KHZ
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岩石的声学性质
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。
2、物体的分类
弹性体： 受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的能力。 塑性体： 产生永久形变。 可变成 在声波测井中，声源的能量很小，声波作用在岩石上 塑性体 弹性体 的时间很短，因而岩石可以当成弹性体，在岩石中传播 的声波可以被认为是弹性波。
地球物理测井—声波测井
2.岩层厚度的影响
（1）厚层（h>l间距),曲 线的半幅点为层界面,曲 线幅度的峰值为时差。
声速测井（声时差测井）
间距
（2）薄层（ h＜l间距） 曲线受围岩的影响大，高 速地层的时差增加，用半 幅点确定的层界面（视厚 度)＞岩层的真实厚度。
间距
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3 、周波跳跃的影响
44º 05´ 30º 25º 37´ 21º 19´ 31º 04´
石灰岩（骨架） 白云岩（骨架） 钢 管
地球物理测井—声波测井
2、反射和折射系数（R、T）
岩石的声学性质
反射系数R： 反射波的能量WR与入射波的能量W之比。 R= WR/W= （2•V2- 1• V1）/ （2•V2+ 1• V1） 折射系数T： 折射波的能量WT入射波的能量W之比。
arcsin
1
V p1 Vp2
Ⅰ Ⅱ
P2
θ1*——第一临界角
滑行纵波
S2 折射波
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sin V p1 折射定律 sin 2 Vs 2
岩石的声学性质
Vp1＜Vs2
θ2＝90°
2 arcsin

V p1 Vs 2
滑行横波
θ2*——第二临界角
在产生滑行纵波和滑行横波以后，其逆过程也成立。
如果井径规则，则AB=DF=CE，上式为：
BD BC CD t v2 v2
显然： CD 正好是仪器的间距（常 数），时差与声速成反比。
T
A G E B C D
源 距
R1 间 距
O
R2 记录点O
F
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5、输出的测井曲线 输出一条声波时差曲线
声速测井（声时差测井）
时差
s/m
3、让滑行纵波首先到达接收探头
因反射波、泥浆波都只在泥浆中传播，V地大于V泥，如果合理 选择源距可以使滑行纵波首先到达接收探头，而成其为首波。
地球物理测井—声波测井
声速测井（声时差测井）
4、时差的表达式 时差的单位：s/m
时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间。
AB BD DF AB BC CE )( ) △t=t2-t1= ( v1 v 2 v1 v1 v 2 v1
地 球 物 理 测 井
第二章 声波测井
心胸有多大，事业就有多大
包容有多少，拥有就有多少
地球物理测井—声波测井
声波测井—是通过研究声波在井下岩层和介质中的传播特性，从
而了解岩层的地质特性和井的技术状况的一种测井方法。 目前主要有以下几种声波测井方法： 声速类测井 声幅类测井 声波时差测井（计算地层孔隙度和力学参数） 水泥胶结测井CBL（研究固井质量） 声波变密度测井VDL（观察井壁情况和裂缝） 超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝） 声波频率特 性类测井 噪声测井（研究油井串槽和油气水流动情况）
地球物理测井—声波测井
气层－厚层
地球物理测井—声波测井
气水同层
地球物理测井—声波测井
气层
地球物理测井—声波测井
声速测井（声时差测井）
二、岩石的声速特性及影响因素
1、VP、VS与 、 、E间的关系
纵波速度 V p
E (1 ) (1 )(1 2 )
Ρ
，E增加，
E 横波速度 V s 2 (1 )
地球物理测井—声波测井
岩石的声学性质
常见岩石的弹性模量参见P86表6-1
地球物理测井—声波测井 二、声波在岩石中的传播特性
1、纵波、横波的定义
纵波（压缩波或P波）：
岩石的声学性质
介质质点的振动方向与波的传播发向一致。弹性体的小体 积元体积改变，而边角关系不变。体积模量不等于零的介 质都可以传播纵波。 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，例：切变 波。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。
瑞利波示意图
地球物理测井—声波测井
B. 斯通利波（Stoneley waves）—由在泥浆中传播的纵波与在 井壁中传播的横波相干产生的相干波。速度很低且可用于计算地 层渗透率。
斯通利波具有以下特点： （1）由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生。 （2）对地层渗透性变化敏感。 （3）低速，速度小于在钻井液中传播的直达波。
在声速测井中，纵波是首波。
常见岩石及某些物质纵波传播速 度（或传播时差）见P87表6-2
地球物理测井—声波测井
岩石的声学性质
三、声波在介质界面上的传播特性
1、声波在界面上的反射和折射
折射定律 反射波
sin V p1 sin 1 V p 2
S1 P1
入射波P V1 V2
β2
θ β1
θ1
Vp1＜Vp2 θ1＝90°
介质名称 VP (m/s) VS (m/s) 第一临界角 第二临界角
不产生滑行横波
不产生滑行横波
泥 岩
砂 砂 砂 层（疏松） 岩（疏松） 岩（致密）
1800
2630 3850 5500 7000 7900 5400
950
1518 2300 3200 3700 4400 3100
62º 44´
37º 28´ 24º 33´ 16º 55´ 13º 13´ 11º 41´ 17º 41´