2008声波测井课-声幅方法
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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。
课件：声波幅度测井
(3)地层波：在地层中传播的波
GaoJ-2-2
(4)泥浆波：沿泥浆传播直接到 达接收探头的波
接收器依次得到：套管波、地层波、水泥环波、泥浆波
3
套管井中的声波模式 套管波
T
钻井液
套水 管泥
环
套管波的幅度主要 地 决定于套管与水泥 层 环胶结的质量。
R
GaoJ-2-2
4
水泥环波
T
水
钻井液
套 管
泥 环
判断岩性：声阻抗大，反射强，否则，反射弱； 确定地层面或裂缝面、划分裂缝带； 确定地层面或裂缝面的产状：倾斜方位和倾角； 检查射孔质量及套管的损坏情况； 检查压裂情况。
GaoJ-2-2
22
CAST
(1990)
CAST-V CAST-F (FASTCAST)
Circumferential Acoustic Scanning Tool
垂直裂缝：铅垂线
裂缝面：明显的暗色
GaoJ-2-2
21
井下声波电视
（BHTV：BoreHole TeleViewer )
（1）20世纪60年代由Mobile公司最早研制，以Amoco公司的仪器为代表； （2）声学探头主频为1MHz； （3）探头每秒绕井轴旋转3周，每旋转一周向井壁发射480~512次声脉冲； （4）测井速度90m/h； （5）井下传送模拟信号，处理后可得到二维黑白图像； （6）主要应用：
GaoJ-2-2
19
8. 主要应用
(1)判断岩性
泥岩：Z小，图像暗 致密岩石：Z大，图像亮
孔隙岩石：介于明暗之间
(2)检查射孔质量
射孔的孔眼呈明显的暗色点，面积为孔眼大小
(3)检查套管破损情况
GaoJ-2-2
(4)泥浆波：沿泥浆传播直接到 达接收探头的波
接收器依次得到：套管波、地层波、水泥环波、泥浆波
3
套管井中的声波模式 套管波
T
钻井液
套水 管泥
环
套管波的幅度主要 地 决定于套管与水泥 层 环胶结的质量。
R
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4
水泥环波
T
水
钻井液
套 管
泥 环
判断岩性：声阻抗大，反射强，否则，反射弱； 确定地层面或裂缝面、划分裂缝带； 确定地层面或裂缝面的产状：倾斜方位和倾角； 检查射孔质量及套管的损坏情况； 检查压裂情况。
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CAST
(1990)
CAST-V CAST-F (FASTCAST)
Circumferential Acoustic Scanning Tool
垂直裂缝：铅垂线
裂缝面：明显的暗色
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井下声波电视
（BHTV：BoreHole TeleViewer )
（1）20世纪60年代由Mobile公司最早研制，以Amoco公司的仪器为代表； （2）声学探头主频为1MHz； （3）探头每秒绕井轴旋转3周，每旋转一周向井壁发射480~512次声脉冲； （4）测井速度90m/h； （5）井下传送模拟信号，处理后可得到二维黑白图像； （6）主要应用：
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8. 主要应用
(1)判断岩性
泥岩：Z小，图像暗 致密岩石：Z大，图像亮
孔隙岩石：介于明暗之间
(2)检查射孔质量
射孔的孔眼呈明显的暗色点，面积为孔眼大小
(3)检查套管破损情况
声波测井声速测井
第二节 声波速度测井
一 单发双收的测量原理 1 声系
T：发射探头－电能转化为声能。 R：接收探头－声能转化为电能；
声波在介质中的传播主要指声速、声幅和频率特性
井筒
TA
源 距
间 距
R2 岩石的声速特性及影响因素
(1)VP、VS与 、 、E间的关系
VP
E(1) (1)(12)
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，或不变。
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。
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。
VS
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
VP、VS不同
(3) 孔隙度的影响 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。孔隙度增大， 传播速度就降低。
(4)岩层的地质时代影响
一 折射波与临界角
二 产生滑行波的条件
折射定律:
Sin VP1 Sin1 VP2
VP2 > VP1时,折射角 = 90°时产生滑行纵波
第一临界角:1*=arcsin(VP1/VP2)
同理可得出:当折射产生横波时有
第9讲声波幅度测井
3.声波变密度测井（VDL） VDL声波的幅度特点 自由套管（套管外无水泥）和第一、第二界面 均未胶结，套管波很强，地层波很弱或没有。 第一、第二界面均胶结良好，套管波很弱，地 层波很强。 第一界面胶结好，第二界面胶结不好，大部分 能量在水泥环衰减，套管波和地层波均很弱。 第一界面胶结好：套管波颜色浅（幅度小）。 第二界面胶结好：地层波颜色深（幅度大）。
造成曲线出现低值，出现误判。
2.水泥胶结测井（CBL） 判断水泥胶结实例 水 泥 面 以 上 幅 度 最 大 ， 套管接箍处出现幅度变 小的尖峰。 深 度 由 深 到 浅 ， 曲 线 首次由高幅度向低幅度 变化处为水泥面上返高 度位置。 水 泥 胶 结 良 好 处 ， 曲 线幅度为低值。
第一界面胶结良好；而 第二界面胶结不好； VDL ： 左 端 和 右 端 都 模糊不清。
3.声波变密度测井（VDL） VDL主要用于套管井固井的定性解释。
不同固井情况下的VDL特点 固井情况 套管、水泥环与地层 均胶结良好 第一界面胶结良好， 二界面胶结差 自由套管（未胶结， 套管外无水泥） 波列特征 套管波弱 地层波强 套管波弱 地层波弱 套管波强 地层波弱 VDL 左浅 右深 左浅 右浅 左深 右浅
z1与z2差异越大，声耦合越差，声波透射率低，
反射率高；反射波能量高；
z1与z2差异越小，声耦合好，声波透射率高，
反射率低；透射波能量高； z1与z2相同时，声耦合最好；声波能量全部传 播到另外一种介质。
2.水泥胶结测井（CBL） 固井后套管井孔附近介质分布 钢套管： 厚7.52~11.51mm Vp=5400~5700m/s 厚20~60mm 水泥环： Vp=2740~4880m/s
主要内容
1. 岩石的声波幅度
声波测井
第二章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。
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。
§2-1 岩石的声学特性声波是机械波，是机械振动在媒质中的传播过程，即通过质点间的相互作用将振动由近及远的传递，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声波或超声波。
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。
第八章声幅测井
图 折射声幅测井声系
地层越致密，其密度越大、传播的速度越高，则 地层对声波的吸收系数越小；反之，亦然。
图 声幅测井与声速测井曲线划分裂隙带
根据图中声幅曲线明显的低异常，以及声波时差曲 线突出的高异常并带有周波跳现象来划分裂隙带A、B、 C、D和E。
第二节 反射声幅测井
反射声幅测井的声系 仅由一个声波换能器组 成。 该声系中，换能器 既是声波发生器，又是 声波接收器。换能器当 发射器时，以一定的频 率定时向井壁垂直发射 脉冲声波，声波在井壁 垂直反射回来。
第八章
声幅测井
声幅测井是专门用来测量声波幅度的一类声测井方法 的统称。
折射声幅测井
胶结测井
第一节 折射声幅测井
通常，声幅测井就是折射 声幅测井的简称。采用单发单 收声系。声波从发射器T出发到 被接收器R接收，经历了两次折 射和三个传播的过程。在三个 传播过程中，两个是在泥浆中 传播，一个是在地层中传播。 泥浆是流体，它对声波的吸收 比固体小得多。这样接收器接 收到的滑行波幅度的衰减，主 要决定于地层对声波的吸收。
H arctg s d
图 超声成像图片的应用（据黄作华） a一计算岩层的视倾角与视倾向；b一查明裂隙与溶洞的发育情况
极值联线所指示的方位为视倾向。再利用井斜资料， 即可计算出真倾角与真方位，从而确定出岩层的产状。 2．划分和研究煤层 煤的声阻抗较小，与围岩有显著的差别，在成像 图上表现为一片黑色，界面清楚，故可以直观地定性； 再利用声幅曲线的半幅点来定厚，可以详细研究煤层 的结构，划分0.1m以上的夹层和发现煤层中的包裸 体（结核）。 3.探测岩层的节理、裂隙和破碎带
图 反射声幅测井探管原理图 a-探管； b-波形图； 1-声波换能器； 2-扶正器
地球物理测井.声幅测井
随着套管和水泥环胶结变差，声藕合逐渐
降低，进入水泥环的声波能量减小，R接收到的 信号将逐渐变强。
地球物理测井.声幅测井
2. CBL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。
<0.1mm,它使声耦合率变差,使测得的声幅值增加。
地球物理测井.声幅测井
三、套管井的声幅测井（ VDL测井）
1、套管井中波传播的路径
(1) 沿套管 (2)井内泥浆 (3) 通过地层
因为水泥的声速<钢 的声速,不满足产生滑
行波的条件,所以没有 通过水泥环的波。
地球物理测井.声幅测井
三、套管井的声幅测井（ VDL测井）
一界面声耦合率差，套管波强; 二界面胶结差，地层波弱以至于消失。
变密度图上：右边的条纹模糊或消失， 左边的条纹色深，反差大。
层段A的CBL显示低值，同 时VDL图上地层波很强，因 此，A层固井质量好。
而B、C、D层尽管也具 有较低的CBL值和高达0.8的 胶结指数（BI），但VDL指 示地层波微弱且不连续，表 明B—D井段固井质量高的井 段太短。
地球物理测井.声幅测井
（3）检查套管的损伤 完好的套管为白色，孔洞为黑色，断裂为黑色的条带 立 体 图
纵 截 面 图 横 截 面 图 1、弯曲、破裂、 错位
井 径 曲 线
地球物理测井.声幅测井
纵 截 面 图
2 套管弯曲
思考题
1、什么是声幅测井？
2、简述CBL测井的评价水泥胶结的原理 3、说明VDL测井的原理 4、对于不同的界面，VDL图像的特征是什么？ 5、简述BHTV测井原理
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 。
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。
声波测井
3.一次和多次反射波
入射波可能会遇到井壁，会产生一次和多次反射，这样 产生的波分别称为一次和多次反射波。
10:44:48 第六章 声波测井 20
第二节 声波速度测井
T
多 次 反 射 波
直 达 波
反 射 波
滑 行 波
R
第六章 声波测井 21
10:44:48
第二节 声波速度测井
三、滑行波作为首波到达接收器的条件
v1 sin i v2
v2 v1 Lmin 2r v2 v1
为了使各种波能在时域内相互“拉开”尽量减少相互叠加， 一般选择更长的源距。由于声波在传播过程衰减，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，因此 源距选得又不能过长。
10:44:48 第六章 声波测井 25
10:44:48
第六章 声波测井
14
第二节 声波速度测井
10:44:48
第六章 声波测井
15
第二节 声波速度测井
一、声速测井仪器简介
2. 换能器（发射探头、接收探头） 有些多原子分子晶体发生形变时，会在晶体表面产生 电荷，这种现象称为压电效应；反之，在变化电场的作 用下，这些晶体的几何尺寸会发生变化，这种现象称为 逆压电效应。压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等一类多原 子分子晶体）内部有某些微小区域，它们都有一定方向 的电极距，这些小区域称为“电畴”。
E 1 vs 2(1 )
10:44:48
第六章 声波测井
7
第一节 岩石的声学特性
二、声波在沉积岩石中的传播特性
1. 岩性 构成不同岩石的矿物的弹性模量大小不同，岩石的声 波速度大小也不相同。
10:44:48
第六章 声波测井
入射波可能会遇到井壁，会产生一次和多次反射，这样 产生的波分别称为一次和多次反射波。
10:44:48 第六章 声波测井 20
第二节 声波速度测井
T
多 次 反 射 波
直 达 波
反 射 波
滑 行 波
R
第六章 声波测井 21
10:44:48
第二节 声波速度测井
三、滑行波作为首波到达接收器的条件
v1 sin i v2
v2 v1 Lmin 2r v2 v1
为了使各种波能在时域内相互“拉开”尽量减少相互叠加， 一般选择更长的源距。由于声波在传播过程衰减，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，因此 源距选得又不能过长。
10:44:48 第六章 声波测井 25
10:44:48
第六章 声波测井
14
第二节 声波速度测井
10:44:48
第六章 声波测井
15
第二节 声波速度测井
一、声速测井仪器简介
2. 换能器（发射探头、接收探头） 有些多原子分子晶体发生形变时，会在晶体表面产生 电荷，这种现象称为压电效应；反之，在变化电场的作 用下，这些晶体的几何尺寸会发生变化，这种现象称为 逆压电效应。压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等一类多原 子分子晶体）内部有某些微小区域，它们都有一定方向 的电极距，这些小区域称为“电畴”。
E 1 vs 2(1 )
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第六章 声波测井
7
第一节 岩石的声学特性
二、声波在沉积岩石中的传播特性
1. 岩性 构成不同岩石的矿物的弹性模量大小不同，岩石的声 波速度大小也不相同。
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第六章 声波测井
2008声波测井课-声幅
18 21 23 26 28 30 32
35
(hour)
20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
35
39 43
39 43
20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
（ a
）波波图（厚养水厚）
图2.4.6
水泥水水水:水水水53.7%、缓凝缓0.5%; 养养养养80养。
第三章 声波幅度测井
本章主要讲解套管井中用于评价固井质量的声幅测 井,可称为固井声(水泥胶结)测井。 可称为固井声幅(水泥胶结)测井。
内容： 内容：
第一节 套管井中波成分 第二节 声波波型与固井质量关系 第三节 固井声幅测井主要方法及其应用 第四节 其它声幅测井方法
第一节 套管井中波成分
井眼直径 套管外径 套管内径d 水泥环厚 套管壁厚b 仪器外径 c 泥浆环厚 源距 L 钢 速度 V2 钢 时差 泥浆速度 泥浆速度V1 泥浆时差 泥浆时差 水泥声速 水泥声速V2 水泥时差 水泥时差 8.5 7 6.4 0.3 英寸 英寸 英寸 英寸
第一节 套管井中波成分 套管波(纵波横波复合波) 1、套管波(纵波横波复合波)
套管波的声强（或幅度） 套管波的声强（或幅度）大小与 水泥胶结好坏有关， 水泥胶结好坏有关，设α12为折射系 为反射系数,入射声强为J 数, β23为反射系数,入射声强为J0, 则反射声强为: 则反射声强为: J=J0α12β23 α21= J0 α212β23 说明反射声强与套管水泥界面反 射系数β 有关.胶结不好β 就大, 射系数β23有关.胶结不好β23就大,声 强幅度增大; 强幅度增大;管外是水泥还是泥浆或 空气,接收套管波相差4~5 4~5倍 空气,接收套管波相差4~5倍。 因此套管波幅度的大小可确定第 一界面水泥胶结质量。 一界面水泥胶结质量。
声幅测井
内容：
第一节 套管井中波成分 第二节 声波波型与固井质量关系 第三节 固井声幅测井主要方法及其应用
第四节 其它声幅测井方法
第一节 套管井中波成分
井眼直径 套管外径 套管内径d 水泥环厚 套管壁厚b 仪器外径 c 泥浆环厚 源距 L 钢速度 V2 钢时差 泥浆速度V1 泥浆时差 水泥声速V2 水泥时差 8.5 7 6.4 0.3 英寸 英寸 英寸 英寸
V1
V2
V3
V4
0.75 英寸 3.63 英寸 1.38 英寸 3,5 英寸 17544 英尺/ 秒 57 微妙/ 英尺 5250 英尺/ 秒 189 微妙/ 英尺 9000~16000 英尺/ 秒 111~63 微妙/ 英尺
L
J0
12
23
a
b
c
砂岩骨架声速 18000 英尺/ 秒 砂岩骨架时差 55.5 微妙/ 英尺
J=J01223 21= J0 21223 说明反射声强与套管水泥界面反 射系数23有关.胶结不好23就大,声 强幅度增大;管外是水泥还是泥浆或 空气,接收套管波相差4~5倍。 L J0
V1 V2 V3 V4
12
23
a
23
b
c
2
因此套管波幅度的大小可确定第 一界面水泥胶结质量。
影响套管波大小除了套管特性、 水泥胶结情况、地层特性外，还与测 量仪器性能有关（例偏心倾斜、声功 率、频率等因素）。考虑到衰减，一 般采用3、5ft短源距，频率20kHz。
第三节 固井声幅测井方法
一 二 三 四
水泥胶结测井(CBL) 声波变密度测井(VDL) 超声脉冲反射法测井(UPS) 分区水泥胶结测井(SBT)
20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
声幅变密度测井原理及解释方法
反映套管和水泥水泥和地层波首波用曲线的高低来确定固井质量??测量时把信号幅度正半周保留负半周测量时把信号幅度正半周保留负半周去掉正半周的信号输入到调辉管将声去掉正半周的信号输入到调辉管将声波幅度的大小转变为光辉度的强弱信号波幅度的大小转变为光辉度的强弱信号为零时用灰色表示正幅度用黑色表示为零时用灰色表示正幅度用黑色表示黑色的深浅表示信号幅度的大小负半周黑色的深浅表示信号幅度的大小负半周用白色表示在照相记录仪上就显示出随用白色表示在照相记录仪上就显示出随深度变化的黑白相间的条带即显示为声深度变化的黑白相间的条带即显示为声波信号的强度波信号的强度时间记录
图七所示：第一胶结面差，第二胶结面无法评价 。 曲线特征：声幅曲线幅度高，变密度记录的套管波明显， 而不出现地层波。
图八所示：双层套管 曲线特征：声幅曲线的幅度值有所抬高； 变密度记
录的套管波较明显（第一道波往往缺失）后续波较难辩 认。
图九所示：微环胶结 曲线特征：声幅曲线幅度偏高（相当于胶结中等）；变
定量解释
确定水泥返高 “水泥返高”即管外无水泥，确定时应 选在声幅曲线由最高幅度向低幅度变化 的半幅点深度处。
声幅曲线的解释是以其相对幅度的大小 来判断，设自由套管处即套管外无水泥 处声幅值为A，目的层井段声幅值为X。
相对幅度=X/A×100%
相对幅度越大，说明固井质量越差，相对 幅度越小，说明固井质量越好，水泥胶结 分为良好、中等、差三个质量段。
3000两种仪器为主。
声幅-变密度测井由磁定位（CCL）、自 然伽玛仪（GR）和声幅-变密度仪 （CBL-VDL）组成，能够实现一次下井， 测出CCL、GR、CBL-VDL等多条组合 曲线。 声幅-变密度(CBL一VDL)井下仪,采用 单发双收，发射探头发射20KHz的声波 信号，源距为3英尺和 5英尺。3英尺探 头分别接收沿套管滑行波和地层反射波 的全波列。反映套管和水泥，水泥和地 层的胶结情况，3英尺接收器接收的套 管波首波，用曲线的高低来确定固井质 量的好坏。对于5英尺源距的接收器，
图七所示：第一胶结面差，第二胶结面无法评价 。 曲线特征：声幅曲线幅度高，变密度记录的套管波明显， 而不出现地层波。
图八所示：双层套管 曲线特征：声幅曲线的幅度值有所抬高； 变密度记
录的套管波较明显（第一道波往往缺失）后续波较难辩 认。
图九所示：微环胶结 曲线特征：声幅曲线幅度偏高（相当于胶结中等）；变
定量解释
确定水泥返高 “水泥返高”即管外无水泥，确定时应 选在声幅曲线由最高幅度向低幅度变化 的半幅点深度处。
声幅曲线的解释是以其相对幅度的大小 来判断，设自由套管处即套管外无水泥 处声幅值为A，目的层井段声幅值为X。
相对幅度=X/A×100%
相对幅度越大，说明固井质量越差，相对 幅度越小，说明固井质量越好，水泥胶结 分为良好、中等、差三个质量段。
3000两种仪器为主。
声幅-变密度测井由磁定位（CCL）、自 然伽玛仪（GR）和声幅-变密度仪 （CBL-VDL）组成，能够实现一次下井， 测出CCL、GR、CBL-VDL等多条组合 曲线。 声幅-变密度(CBL一VDL)井下仪,采用 单发双收，发射探头发射20KHz的声波 信号，源距为3英尺和 5英尺。3英尺探 头分别接收沿套管滑行波和地层反射波 的全波列。反映套管和水泥，水泥和地 层的胶结情况，3英尺接收器接收的套 管波首波，用曲线的高低来确定固井质 量的好坏。对于5英尺源距的接收器，
第八章声幅测井
图 折射声幅测井声系
.
地层越致密，其密度越大、传播的速度越高，则地 层对声波的吸收系数越小；反之，亦然。
图 声幅测井与声速测井曲线划分裂隙带 .
根据图中声幅曲线明显的低异常，以及声波时差曲线 突出的高异常并带有周波跳现象来划分裂隙带A、B、C、 D和E。
.
第二节 反射声幅测井
反射声幅测井的声系 仅由一个声波换能器组 成。 该声系中，换能器 既是声波发生器，又是 声波接收器。换能器当 发射器时，以一定的频 率定时向井壁垂直发射 脉冲声波，声波在井壁 垂直反射回来。
第八章 声幅测井
声幅测井是专门用来测量声波幅度的一类声测井方法 的统称。
声幅测井
折射声幅测井 反射声幅测井 固井声幅测井或水泥胶结测井
.
第一节 折射声幅测井
通常，声幅测井就是折射 声幅测井的简称。采用单发单 收声系。声波从发射器T出发到 被接收器R接收，经历了两次折 射和三个传播的过程。在三个 传播过程中，两个是在泥浆中 传播，一个是在地层中传播。 泥浆是流体，它对声波的吸收 比固体小得多。这样接收器接 收到的滑行波幅度的衰减，主 要决定于地层对声波的吸收。
.
图 反射声幅测井探管原理图 a-探管； b-波形图；
1-声波换能器； 2-扶正器
1、确定岩层产状 根据一定深度比的超声成像图可以看出，倾斜 岩层的分界面在图上显示出正弦曲线状的黑白痕迹。 量出正弦图形的高度差H（极大值与极小值的间距）， 再从井径曲线上查出该深度处的实测井径值d，即可 由下式得到岩层的视倾角。
s
arctg
H d
图 超声成像图片的应用（据黄作华） a一计算岩层的视倾角与视倾向；b一查明裂隙与溶洞的发育情况
.
极值联线所指示的方位为视倾向。再利用井斜资料， 即可计算出真倾角与真方位，从而确定出岩层的产状。
声波变密度测井
甚至是通过地层传播的声波信号,将这些波接收记录下来,
经过数据处理后,就得到了声波变密度曲线(VDL),它能反 映出第二界面的胶结情况,以及与地层性质有关的资料。
三
五英 英尺 尺
发射探头
变密度仪器采用
一个发射晶体和两
接收探头 个不同源距的接收
晶体来组成声系。
油层
接收探头
相距三英尺的晶体 用来接收第一界面
油层
油层 的 界 面 是 20HZ
第 一 界 面 测井时,声源发出的声
脉冲在井内各个方向传
水泥与地 播,当声波传播到两种
油层
层的界面 第二界面
介质的交界面时,会发 生声波的反射和折射，
首波
当水泥与套管的胶结良 好时，界面上的声波损 失较小，若界面胶结不 好时，界面声阻抗变大, 反射的声波幅度较大。 声幅测井就是根据这个 原理,测量沿套管传播 (称之为滑行波)的首波 幅度大小,来判断套管 与水泥环的胶结状况, 测得的曲线叫CBL曲线, 也叫水泥胶结比。
我们对滨南采油厂各区块的 声波传播规律了解的不多，因此 在选井时，希望能选一些水泥返 高不在井口的井进行测量，以获 取各区块的刻度标准。
⑴、冲砂至人工井底，清水洗井、保证井内无死油。
⑵ 、用Ф116—Ф118mm通井规通至人工井底。
⑶ 、起出通井管柱，井筒无严重变形及错断。
⑷、井内灌满清水，(保证管柱起出后水泥返高以上是清 水,漏失严重的井在地面需有充足的水源) 盖好井口，防止 落物。
低异常。
实际测井曲线
胶结不好 胶结好
滨南有些井的水泥返高在井口，没有自由套 管段，无法进行刻度，我们就 在整个测量井段中 寻找反射最强的井段，作为100％来进行刻度，油 水井经过长时间的生产，绝大部分井都有一些胶 结不好的井段，利用这些资料进行刻度也能说明 问题，这样做虽有一定的误差，但从实际的解释 结果来看，与测井公司的解释是一致的，而且所 测资料的指标也是相同的。
经过数据处理后,就得到了声波变密度曲线(VDL),它能反 映出第二界面的胶结情况,以及与地层性质有关的资料。
三
五英 英尺 尺
发射探头
变密度仪器采用
一个发射晶体和两
接收探头 个不同源距的接收
晶体来组成声系。
油层
接收探头
相距三英尺的晶体 用来接收第一界面
油层
油层 的 界 面 是 20HZ
第 一 界 面 测井时,声源发出的声
脉冲在井内各个方向传
水泥与地 播,当声波传播到两种
油层
层的界面 第二界面
介质的交界面时,会发 生声波的反射和折射，
首波
当水泥与套管的胶结良 好时，界面上的声波损 失较小，若界面胶结不 好时，界面声阻抗变大, 反射的声波幅度较大。 声幅测井就是根据这个 原理,测量沿套管传播 (称之为滑行波)的首波 幅度大小,来判断套管 与水泥环的胶结状况, 测得的曲线叫CBL曲线, 也叫水泥胶结比。
我们对滨南采油厂各区块的 声波传播规律了解的不多，因此 在选井时，希望能选一些水泥返 高不在井口的井进行测量，以获 取各区块的刻度标准。
⑴、冲砂至人工井底，清水洗井、保证井内无死油。
⑵ 、用Ф116—Ф118mm通井规通至人工井底。
⑶ 、起出通井管柱，井筒无严重变形及错断。
⑷、井内灌满清水，(保证管柱起出后水泥返高以上是清 水,漏失严重的井在地面需有充足的水源) 盖好井口，防止 落物。
低异常。
实际测井曲线
胶结不好 胶结好
滨南有些井的水泥返高在井口，没有自由套 管段，无法进行刻度，我们就 在整个测量井段中 寻找反射最强的井段，作为100％来进行刻度，油 水井经过长时间的生产，绝大部分井都有一些胶 结不好的井段，利用这些资料进行刻度也能说明 问题，这样做虽有一定的误差，但从实际的解释 结果来看，与测井公司的解释是一致的，而且所 测资料的指标也是相同的。
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似认为，发射换能器发出声波，其中以临界角入射的声波，在泥浆
与套管的界面上折射，产生沿这个界面在套管中传播的滑行波（即
套管波），套管波又以临界角折射进入井内泥浆到达接收换能器被
接收。
仪器测量记录套管波的第一峰的幅度值（以mV为单位），即水
泥胶结测井曲线。这个幅度值的大小除了决定于套管与水泥胶结程
度外，还受套管尺寸、水泥环强度和厚度以及仪器居中情况的影响。
声波测井方法和应用
长江大学 地球物理与资源学院
第三章 声波幅度测井
声波在介质中传播，其幅度会逐渐衰减，声波幅度 的衰减在声波频率一定的情况下，是和介质的密度、 弹性等因素有关的。声波幅度测井就是通过测量声波 幅度的衰减变化来认识地层特点以及水泥胶结情况的 一种测井方法。
第三章 声波幅度测井
本章主要讲解套管井中用于评价固井质量的声幅测 井,可称为固井声幅(水泥胶结)测井。
套管直径的影响
1、自由套管
1—套管外为水 2—套管外为固结水泥 以d=14cm测得的声幅为100%
套管厚度的影响
1、自由套管
3000
套管外有水泥
1、自由套管
由于泥浆、仪器测量条件影响，套管波不规则， 要求记录本井自由套管幅度，用于刻度。
2、仅套管与水泥胶结（仅一界面胶结好）
V1V2 V3 V1 V4
13ft=4米 10ft=3米
4 声幅测井存在问题
1)、仪器偏心影响： (1)套管波幅度减小;(2)到 达时间提前;(3)后续波失真;在井剖面上套管波到 达时间不是固定的.采用扶正器来实现。 2)、记录套管波的局限(头半周): 仅评价一界面, 不能评价二界面情况,窜槽有可能水泥—地层胶结 不好引起的。利用地层波来解决。 3)、水泥环间隙影响：间隙一般0.1mm,不足以引 起流体窜流,但对声耦合有影响,造成套管波幅度 与部分胶结相同。解决办法： (1)加压再测量依 次(可能造成压裂套管、水泥环),(2)采用反射脉 冲反射法测井。
利用水泥胶结测井曲线值可以判断固井质量。
2、CBL测井曲线
右图给出了水泥胶结测井曲线，从图中可以见到： （1）在水泥面返离位置以上曲线幅度最大，在套管接箍处出现幅度变小的尖 峰，这是因为声波在套管接箍处能量损耗增大的缘故。
2 声幅测井应用
1、确定水泥面 2、检查固井质量（一 界面胶结情况） 3、检查套管接箍，间 隙对能量衰减大，负 峰60~70% 4、测定套管断裂位置 （在无水泥胶结地方， 裂缝处套管波衰减大， 出现负尖峰） 5、判别管外气层 6、检查补挤水泥效果
80.00
（ a ）波形图（厚度方向）
100.00
43
图2.4.6 水泥浆配方:水灰比53.7%、缓凝剂0.5%; 养护温度80度。
20.00
40.00
波列持续时间(us)
60.00
80.00
100.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
（a）波形图（宽度方向）
(4)水泥凝固时间对套管波的影响
计算抗压强度值与出厂值比较(标定值),两者相等为胶结好,小于出厂值 可能为套管与水泥胶结不好有裂隙或窜槽、水泥不纯、水泥凝固时间不 够（一般48小时）。 （2）水泥环密度或声速影响：波阻抗Z大，进入水泥环的能量多，套管
波幅度就低，衰减大； (3)水泥环厚度影响：厚度小(<1.905cm)套管波幅度变化明显,
L
J0 12 23
a bc
2
23
Z3 Z3
Z2 Z2
第一节 套管井中波成分
2、水泥环波:在第一界面上不会出现滑行波，只有一次或 多次反射波（sin2/sin3=V2/V3,V2>V3),
由于水泥环中存在微裂隙水泥胶结不致密,一般水泥 环的能量很弱,常被其它波列所掩盖,忽略不计.
3、地层波：水泥—地层(第二界面)胶结好时（V4>V3), 一般出现地层波(滑行纵横波),地层波到达时间约在 T=Lt(裸眼井地层时差)左右,在砂岩中(V4<V2)在套管波 后到达;碳酸盐岩(V4>V2)在套管波前到达,所以对套管波 和地层的识别存在困难。
水泥凝固时间长,水泥强度大,套管波愈能透射到水泥 环向地层传播使套管波幅度下降,衰减系数增大.水泥 凝固时间受速凝剂、水灰比、水泥中杂质等影响，实 验考察30~48小时进行声幅测井比较合适。
3、部分胶胶结
3、部分胶结（窜槽）
(1)套管波幅度介于自由套管和仅一界面胶结好的情形， (2)后续波有地层波,幅度不大(3600部分传播),到达时间与地层 速度有关. 问题1:泥饼影响:泥饼存在往往使水泥—地层胶结不好（固结水 泥吸收泥饼水分，泥饼收缩） 问题2：窜槽影响：固井要求套管与地层间环行空间(3600)，全 部被水泥占有，如一部分没有水泥或水泥没有胶结,给油水运动 形成通道,造成窜槽(油层射孔出水). 是不是发生窜槽要看油水层是否被封隔开,发生窜槽就要进行补 挤水泥(成本很高). 问题3:微环影响:由于注水泥加压,套管膨胀,撤去压力套管收缩, 造成水泥与套管间形成微裂隙或水泥与地层间(往往在碳酸盐岩 中)产生微裂隙,微裂隙不为造成窜槽,但影响声耦合,测得的波形 类似部分胶结.区分微裂隙还是窜槽,要加压测量与未加压测量比 较.若幅度变小为微裂隙,无变化为窜槽.
3、部分胶结（窜槽）
胶结程度=窜槽部分衰减系数/完全胶结衰减系数
4、完全胶结（砂岩）
由于套管、水泥、地层之间声耦合好，进入套管的大部分能量 透射到地层，地层波幅度大，套管波幅度很小（与水泥抗压强 度有关）， 泥浆波叠加在地层波末端
地层纵波
4、完全胶结（碳酸岩）
地层纵波 地层横波
第二节 声波波型与固井质量的关系
影响套管波大小除了套管特性、 水泥胶结情况、地层特性外，还与测 量仪器性能有关（例偏心倾斜、声功 率、频率等因素）。考虑到衰减，一 般采用3、5ft短源距，频率20kHz。
第三节 固井声幅测井方法
一 水泥胶结测井(CBL) 二 声波变密度测井(VDL) 三 超声脉冲反射法测井(UPS) 四 分区水泥胶结测井(SBT)
3 声幅测井定量解释
2)、胶结指数法
胶结指数=目的层衰减系数/ 完全胶结段衰减系数
一般大于80%，可认为胶结好。 问题：用相对幅度消除仪器的影响，用 胶结指数可消除井中环境参数及井下条 件引起的误差。 3、最小封隔长度法 固井胶结的水泥要有足够的强度才能有 效封隔地层，水泥胶结强度与封隔长度 有关。最小封隔长度与套管尺寸有关， 实验与实际观察表明：在胶结指数为 0.8时,可根据套管直径确定最小封隔长 度。
一 水泥胶结测井(CBL)
(声幅测井)
在下套管的井中注水泥后，套管与井壁 之间的环形空间内应充满注入的水泥。如果 固井质量不好，套管与井壁之间的环形空间 会残留泥浆。为了检查水泥与套管是否胶结 良好，因此提出了水泥胶结测井。
一 水泥胶结测井(CBL)
1、基本原理
(声幅测井)
CBL下井仪器采用单发单收声系，源距为3ft(0.91m)。可以近
若套管与水泥胶结良好，这时套管与水泥环的声阻抗差较小，
声耦合较好，套管波的能量容易通过水泥环向外传播。因此，套管
波能量有较大的衰减，测量记录到的水泥胶结测井值就很小；若套
管与水泥胶结不好，套管外有泥浆存在，套管与管外泥浆的声阻抗
差很大，声耦合较差，套管波的能量不容易通过套管外泥浆传播到
地层中去。因此套管波能量衰减较小，水泥胶结测井值很大，从而
V2
, sin C
V1 V2
T 2 2a 1 2b 1 , sin 1 V1 c os1 V1 c os 2 V2 sin 2 V2
2atg1 2btg 2 L
对于套管波到达接收器时间在全井段是不变的，只与源距、 套管、仪器尺寸有关
sin C
V1 V2
0.2999, cosC
0.9542
L 3 ft,T1 57 3 15(6.4 3.63) 212 .55s
T1 L V2
2a V1
c os C
57L 15(d c)
L 5 ft,T1 57 5 15(6.4 3.63) 326 .55s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第一节 套管井中波成分
1、套管波(纵波横波复合波)
V1 V2 V3 V4
4、泥浆波列：接收器接收到的泥浆波时间不变， T=189*5=945us，（变密度、全波列）
第二节 声波波型与固井质量的关系
从全波列上来分析，为声幅测井、变密度测 井提供方法原理。分几种水泥胶结类型来讨论。 1. 管外无水泥胶结，为自由套管 2. 仅套管与水泥胶结，水泥与地层无胶结 3. 套管与水泥、水泥与地层部分胶结 4. 套管与水泥、水泥与地层胶结良好(低速地层)
8.5 英寸 7 英寸 6.4 英寸 0.75 英寸 0.3 英寸 3.63 英寸 1.38 英寸 3,5 英寸 17544 英尺/秒 57 微妙/英尺 5250 英尺/秒 189 微妙/英尺 9000~16000 英尺/秒 111~63 微妙/英尺 18000 英尺/秒 55.5 微妙/英尺
V1 V2 V3 V4
半幅点
相对幅度
2 声幅测井应用
水层 泥岩层
油层
第二次固井 质量好，封 堵上部水层， 产油
第一次固井质 量不好，出水
3 声幅测井定量解释
1)、水泥抗压强度法 考虑到套管尺寸、厚 度、源距影响，采用 抗压强度来衡量固井
mv
质量，计算值与出厂 值相等，胶结良好。
20 lg A0 (分贝/ 英尺）
LA
L
J0 12 23
a bc
接收器依次得到波有：套管波、地层波 水泥环波、泥浆波
第一节 套管井中波成分
1、套管波(纵波横波复合波):滑行波、一次反射波 及多次反射波（能量很弱），滑行波与一次反射波 到达接收器时间只差0.2us，可看作同时到达。