声波测井
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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％。
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。
声波测井原理
1. 纵波、横波旳定义
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
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
地球物理测井.声波测井
地球物理测井.声波测井
4.井壁固液界面产生的两种波
瑞利波(Rayleigh waves) 斯通利波（Stoneley waves）
地球物理测井.声波测井 瑞利波(Rayleigh waves)
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，如图2－2所示。
瑞利波示意图
F
S
纵向
横向
d
F
L
地球物理测井.声波测井
5 泊松比σ ：
（外力作用下，弹性体的横向应变
与纵向应变之比）
d
= 弹性体的横向应变/纵向应变 =（△d/d）/（△l/l）
F l
物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。
地球物理测井.声波测井
6 体积模量K：
F/S K V / V
（定义为应力与弹性体的体应变之比）
折射纵波（滑行波）； 折射横波。
地球物理测井.声波测井
声速测井原理
T 产生声波(f = 20kHz) 泥浆(v1) 地层(v2)
v2>v1
在井壁处折射产生滑行波
滑行波到达R ①单发单收声系
完成声波速度测量
地球物理测井.声波测井 ②单发双收声系
T 产生声波(f = 20kHz)
泥浆(v1) 地层(v2)
第二章 声波测井
（Sonic Logging）
资源与环境学院 程 超
一、地层的地球物理特性
7个→声学特性
二、阿尔奇公式
地层因素（F）
电阻率增大倍数（I）
地球物理测井.声波测井
声波测井（Sonic Logging）
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
声波测井-超声波成像测井4
声成像反映井壁宏观形态,探测较大裂缝；电成像反映地 层内部结构，对细小裂缝较灵敏。二者相互弥补，为识别岩性、 分析地层特征、评价储层、判断裂缝充填情况提供了重要手段， 在套管井中用声成像还能检测套管破损、变形情况。
超声波成像测井
声电成像测井资料的地质应用
三、应用
定性识别
●地层特征识别 ●诱导缝的识别 ●天然裂缝的识别 ●孔洞、井眼崩落及
超声波井
二、方法原理
数字声波井周成像测井(CBIL) Circumferential Borehole Imaging Log 以脉冲回波的方式，对整个井壁进行扫描，记录: ●回波幅度图像BHTA ●回波传播时间图像BHTT
采用旋转式超声换能器，发射250-400KHz的 超声波束，该声波波束（直径约0.2英寸）被聚焦后 对井壁进行扫描，并记录回波波形。岩石声阻抗的 变化回引起回波幅度的变化，井壁的变化回引起回 波传播时间的变化。将测量的反射波幅度和传播时 间按井眼内360°方位显示成图象，就可对整个井 壁进行高分辨率成象。由此可看出井下岩性及几何 界面的变化（包括冲洗带、裂缝、孔洞等）。
超声波成像测井
二、方法原理
超声波成像测井通过测量井壁岩石(套管） 对超声波的反射情况（回波的幅度和传播时 间）来获得井壁或套管壁的图像。 其物理基础是：不同声阻抗的物质、表面 的粗糙程度不同，对声波的反射能力不同。
超声波成像测井
二、方法原理
下井仪器结构
超声波成像测井
二、方法原理
脉冲－回波信号
声波的反射
发射频率： 250kHz 扫描速率： 6r/s 采样扫描： 250/r 测量速度： 600m/h 垂直分辨率：0.762cm
超声波成像测井
超声波成像测井的用途： 1.确定产状 2.识别裂缝 3.了解井眼几何形态 4.套管井评价 5.岩心归位、定向
声波测井
R1R2=0.61m
T1R2=2.44m
第一种测量源距，2.66 米。
在目的层，T1发射，R1，R2接收。 然后仪器上移，当T1，T2到达目的 层的同一位置时，T1，T2同时发射， R1接收。 此时的声系相当于源距2.44米的双 发双收声系。
33
R1R2=0.61m
T1R2=2.44m
分别组成两个单发双收声系（T1R1-R2，T2-R1-R2）和两个双发单收 声系(T1-R1-R2， T1-R1-R2)。
T1发出的信号，由于CD增加，R1被触发的 时刻偏晚，结果使Δt1减少； 同理，T2发出的信号，由于E’F’增加，R1被 触发的时间偏晚，使Δt2增加；
19
2.4 周波跳跃
信号衰减，触发波形的相位发 生变化。使测量声波时差不规 则增大或减小。 主要出现在气层或裂缝段。
20
测井实例
周波跳跃
21
2.6 补偿声波测井的分辨率
40
In these case of well logging, the borehole wall, formation bedding, borehole rugosity, and fractures can all represent significant acoustic discontinuities. Therefore, the phenomena of wave refraction, reflection, and conversion lead to the presence of many acoustic waves in the borehole when a sonic log is being run. It is not surprising, in view of these consideration, that many acoustic energy arrivals are seen by the receivers of a sonic logging tool. The more usual energy arrivals are shown in the acoustic waveform displays of Fig.5-1. These waveforms were recorded with an array of eight receivers located 8 to 11-1/2 ft from the transmitter. The various wave packets have been labeled. Although the wave packets are not totally separated in time at this spacing, the distinct changes corresponding to the onset of the formation compressional and shear arrivals and the Stoneley arrival can be observed.
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。
4、声波测井
A’ T2
B’
优点：1）消除了井眼不规则 的影响。
双发双收声系（井眼补偿声系）
声波测井 声速测井曲线形态及影响因素 曲线形态： （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）在界面上下0.25米不反映岩层的时差（l=0.5米）。
泥岩 砂岩
J1
t
0.3米
182 168 156 143 143 143 164 171 220 620 608 750~985 442
5 5 ..5 5 1 .2 4 7 .5 4 3 .5 4 3 .5 4 3 .5 5 0 .0 5 2 .0 6 7 .0 1 8 9 .0 1 8 5 .0 238 1 3 4 .7
2 .6 5 2 .6 5 2 .7 1 2 .8 7 2 .8 7 2 .8 7 2 .9 8 2 .3 5 2 .0 3 1 .0 0 1 .1 0
~
5MHz
声波测井 岩石声波速度
VP VS
2
E
E
(1 ) (1 )( 1 2 )
1 2 (1 ) V P 1 . 732 V S
0 . 25 ,
在均匀各向同性介质中,纵波、横波速度与密度、弹性系数有 关，对于岩层速度是：1）与岩性有关；2）与岩层的孔隙度、流 体特性及饱和度情况有关；3）与埋藏深度、地质年代、地质构 造等有关。
声波测井
§4.2 声速测井 声速测井—测量声速（时差）—识别岩性/流体性质，计 算孔隙度 时差：速度的导数。物理意义：声波传播单位距离所需的 时间，μs/m或μs/ft，也称慢度。 声系：若干个声探头采用不同的源距和间距组合而成的井 下声波测量系统。 源距与间距：发射探头（T）到接收探头（R）的距离为源 距（L），接收探头（R）到接收探头（R）的距离为间距（l） 。
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
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：
第04章声波
声幅测井通过测量声波幅度的衰减变化来认识地层性质和水 泥胶结情况（目前主要用来评价水泥固井质量）。
全波列测井记录接收的全波列各成分的速度和幅度研究地层 性质，可提供更多信息。
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
3
第四章 声波测井
4.1 声波测井基础 4.2 声波速度测井 4.3 声波幅度测井 4.4 长源距声波全波列测井 4.5 声波测井新方法简介
3. 声波变密度测井VDL
记录全波列，主要 通过测量套管波幅 度反映第一界面， 测量地层波反映第 二界面；
“周波跳跃”现象的影响 疏松砂岩气层或裂缝发育地层，声衰减严重，声波时差增大，曲 线上显示忽大忽小幅度急剧变化的现象。常用于判断裂缝发育地 层和寻找气层。
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
16
测量“盲区”
双发双收声系记录的是两个时 差的平均值。在低速地层，上 发射时声波实际传播距离与下 发射时声波实际传播距离可能 完全不重合。此时，在仪器记 录点附近一定厚度的地层对测 量结果没有任何贡献，称为 “盲区”。此时所测时差与记 录点所在深度处地层速度无关。
中国石油大学（华东）张福明
13
其他补偿测量方式
双发四收
2019/9/19
双发双收＋深度偏移（地面延迟）
中国石油大学（华东）张福明
14
实际井眼中的井径变化示意图
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
15
4. 声速测井影响因素及资料应用
（1）影响因素
地层厚度的影响 厚度大于间距的地层称为厚层，小于间距的称为薄层。由于声速 测井的输出（时差）代表R1R2间地层的平均时差，因此它们的 声速测井时差曲线存在一定差异。
全波列测井记录接收的全波列各成分的速度和幅度研究地层 性质，可提供更多信息。
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
3
第四章 声波测井
4.1 声波测井基础 4.2 声波速度测井 4.3 声波幅度测井 4.4 长源距声波全波列测井 4.5 声波测井新方法简介
3. 声波变密度测井VDL
记录全波列，主要 通过测量套管波幅 度反映第一界面， 测量地层波反映第 二界面；
“周波跳跃”现象的影响 疏松砂岩气层或裂缝发育地层，声衰减严重，声波时差增大，曲 线上显示忽大忽小幅度急剧变化的现象。常用于判断裂缝发育地 层和寻找气层。
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
16
测量“盲区”
双发双收声系记录的是两个时 差的平均值。在低速地层，上 发射时声波实际传播距离与下 发射时声波实际传播距离可能 完全不重合。此时，在仪器记 录点附近一定厚度的地层对测 量结果没有任何贡献，称为 “盲区”。此时所测时差与记 录点所在深度处地层速度无关。
中国石油大学（华东）张福明
13
其他补偿测量方式
双发四收
2019/9/19
双发双收＋深度偏移（地面延迟）
中国石油大学（华东）张福明
14
实际井眼中的井径变化示意图
2019/9/19
中国石油大学（华东）张福明
15
4. 声速测井影响因素及资料应用
（1）影响因素
地层厚度的影响 厚度大于间距的地层称为厚层，小于间距的称为薄层。由于声速 测井的输出（时差）代表R1R2间地层的平均时差，因此它们的 声速测井时差曲线存在一定差异。
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。
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及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及介质中有声波传播时的热传导及弛豫现象等，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。
第6章声波测井
三、声波全波测井
1．定义：声波全波测井是以记录整个声波列显示， 来研究水泥胶结质量的方法，它常与记录首波幅度 的固井声幅测井配合，用来检查声幅测井，估计水 泥胶结质量可靠性和解决一些特殊的水泥胶结问题。
2．仪器：声波全波测井井下仪器也是由一个发射器 和一个接收器构成。为了记录整个声波波列在套管 中传播时衰减情况，目前采用了三种记录方式：全 波调辉变密度测量、全波调宽变密度测量和全波扫 描照像测量。通常将前两种记录方式的全波测井又 叫声波变密度测井。声波全波测井还配有地面测量 面板、示波器和摄相仪。
1．测井仪的简单结构
由具有一定形状，有压电效应的锆钛酸铅陶瓷晶体制成，供脉冲电流，使 晶体受到激发以产生振动，其振动频率由晶体的体积和形状所决定
2．时差概念与地层速度的关系
两个接收器先后产生的电信号第一波峰之间时间差称为声波时差。 两接收器之间井径没有明显变化仪器居中时 时差单位 微秒/米
l为两个接收器之间距离，称为间距，若l=1，则 Δt=l/v2
声波全波(长源距声波仪)信息采集和处理
声波全波是指发射探头同一次发射后，引起井壁的滑行波和沿井壁--钻井 液界面传播的界面波的全体。这些波依据到达接收探头的先后分别为：
滑行纵波(P波)
伪瑞利波
斯通莱波
滑行横波(S波)
伪瑞利波
纵波
横波
斯通莱波(ST)
3．声波变密度测井也是一种测量套管外水泥胶结情 况、检查固井质量的一种声测井方法。该方法不仅 能反映套管与水泥环之间胶结情况还能反映出水泥 环与地层之间胶结情况。
一、固井声波幅度测井：
固井声幅测井一般采用源距为1米的单发单接收测量装置。以发射探头发 出的声波，最先到达接收器的是沿套管传播的滑行波所产生的折射波， 这种在套管中传播的波叫套管波。套管波的强弱（即幅度的大小）与 套管及其周围介质之间的声耦合情况有密切关系。
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
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 )
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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。
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
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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。
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第六章 声波测井
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第二节 声波速度测井
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第六章 声波测井
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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
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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
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纵波时差 (微秒/英尺)
924 690 285-231 199-188 167-77 54 51 55 48 40 50-49 66-59
岩石的弹性力学参数
1. 杨氏模量E 2. 切变模量 3. 泊松比 4. 体变模量 5. 密度
二、声波测井技术的发展
声波测井的发展历史
时间（年）
推出新仪器
测井目的
声波测井
中海油服油田技术事业部 2003.1.20.
主要内容
一、物体的声学性质 二、声波测井技术的发展 三、阵列声波测井仪器简介 四、阵列声波测井资料质量控制 五、阵列声波信息提取 六、声波测井资料的应用
一、物体的声利波
时间
纵波：体波，传播速度最快，频率最高； 横波：体波，传播速度和频率介于纵波和斯通利波之间； 斯通利波：面波，传播速度最慢，频率最低。
长源距声波测 井仪
2( 单极) 20
16 2( 单极)
2. 0 7. 0
9
2
4. 5-21 3. 88 400 20000 418. 5 25. 33
数字阵列声波测井仪 DAC
2( 单极) 9
1-15
2 12( 单极)
1-20 0. 5 6. 0
13. 5
3. 5 ( Sembl ance 处理) 0. 5 ( 首至检测)
1991
超声成像（USI）
（Schlumberger）扫描井壁图象和检查固井质量
T
地震测井仪器
R
单
发 单
T
收
声
波
仪
R
器
单
发 双
T
收
声 波
R2
仪
R1
器
双
发
双
T1
收
短
源
距
R2
声
波
R1
仪
T2
器
双
发
双
T1
收
长
R2
源
距
R1
声
波
仪
器
T2
阿特拉斯测井公司的 长源距补偿声波测井仪主要技术规范
仪器长度 直径 最小井径 垂向分辨率 最大压力 测量速度 近源距 远源距 间距 主频
仪器技术性能指标
性能指标
数量
中心频率
发
( kHz)
射 器
带宽( kHz)
间距( f t )
接
数量
收 带宽( kHz)
器 间距( f t )
最小源距( f t )
最大源距( f t )
垂向分辨率 (ft)
适用井径范围 ( i n)
仪器外径( i n) 最大承温 ( ° F)
最大承压( psi ) 仪器重量( l b) 仪器长度( f t )
19 英尺 6 英寸 3.375 英寸 4.5 英寸 2 英尺 20000psi
60 英尺/分钟 4 英尺 6 英尺 2 英尺
20000 赫兹
阵
列
T
声
波
测
井 仪 器
R1 R2 R3 R4 R5
R6
R7
R8
ATLAS声波测井仪的发展
• 1603短源距双发双收测井 • 1604长源距双发双收测井 • 1670数字阵列声波测井（DAC） • 1668多极阵列声波测井（MAC） • 1678正交多极阵列声波测井 (XMAC)
岩石的声学参数
1. 纵波速度vP 2. 横波速度vs 3. 纵波时差tp 4. 横波时差ts 5. 声阻抗Z= vP* 6. 声衰减系数
常见介质及岩石的纵波速度和时差
介 质 空气 甲烷 石油 水 泥岩 泥质砂岩 渗透性砂岩 致密砂岩 致密石灰岩 致密白云岩 硬石膏 盐岩
纵波速度 (米/秒)
330 442 1070-1320 1530-1620 1830-3960 5640 5940 5500 6400 7700 6100-6250 4600-5200
4. 5-21
3. 75
400
20000 612
40. 38
多极阵列声波测井仪 MAC
2( 单极) , 2( 偶极)
8 ( 单极) , 1-3 ( 偶极)
2-15( 单极) 1-3( 偶极) 2. 5( 单极) , 1. 0( 偶极) 8( 单极) , 8( 偶极) 1-20( 单极) 0. 5-5( 偶极) 0. 5( 单极) , 0. 5( 偶极) 8. 0( 单极) , 8. 5( 偶极) 14. 0( 单极) 13. 0( 偶极) 3. 5 ( Sembl ance 处理) 0. 5 ( 首至检测)
MAC仪器的主要优势
MAC仪器偶极发射器的中心频率很低， 为1－3KHZ，挠曲波以地层横波速度传播， 可通过测量挠曲波的速度来测量地层的横 波速度,因此,可测量横波速度很慢的地层。
MAC仪器将一个单极阵列和一个偶极阵 列组合在一起，可在一次测井在所有地层 (包括DAC无法测到横波的慢速地层)井段 采集到全套的纵波和横波数据。
1985
单极阵列声波
探测纵波、横波和斯通利波时差
1995
多极阵列声波
探测纵波、横波和斯通利波时差
1998
正交多极阵列声波
探测地层时差和各项异性
1989
井周成像（CBIL）和 SBT （Atlas）扫描井壁图象和检查固井质量
1990
环形声波扫描成像（CAST） （Halliburton）扫描井壁图象和检查固井质量
三、阵列声波测井 仪器简介
数字阵列声波测井(DAC)技术特性
DAC仪器的优点
• 有12个接收器, 记录数据量是双发双收声波测井 的3倍
• 12位模数转换器使动态范围增加了15倍, 可以分 辨纵波而不会使斯通利波饱和
• DAC发射器的中心工作频率为9KHZ,比传统的 声波仪器的中心工作频率(20KHZ)低,较低的频率 增强了激发斯通利波的能力
斯通利波又称管 波，它是在井内流 体与井壁地层之间 传播的一种流体导 波，在全波列中具 有频率低、幅度大 等特点，其速度比 纵波和横波低，且 略低于井内流体声 波速度，其衰减不 仅与地层的固有衰 减有关，还与井壁 地层的渗透性有密 切关系。
文昌9－1－2井单极波形图
多极阵列声波测井仪(MAC)的技术特性
• 现场工程师可选择12个接收器的任何组合，用 户可选每个波列的采样数和采样率。
数字阵列声波（DAC） 在慢速地层中记录的典型波形
Stoneley Wave (Monopole Tool)
P
P
Source
Stoneley Wave
Receiver
单极子声源在井眼中激发声场， 产生沿井壁传播的斯通利波
1952
声幅测井
检查固井质量
1952－1955 单发单收声速测井
井剖面的连续声速测量
1958
单发双收声速测井
井剖面的连续声速测量
1962
补偿式声速测井
井剖面的连续声速测量
1962－1965 井下声波电视
（Mobil）扫描井壁图象
1973－1975 噪声测井
检查管外流体窜漏
1978
长源距声波全波列
探测纵波、横波和斯通利波时差