第二章_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
声波测井原理声波测井是一种利用声波在地层中传播的特性来获取地层信息的技术手段。
声波测井可以提供地层的孔隙度、渗透率、岩性、地层压力等重要参数，对于油气勘探和开发具有重要意义。
声波测井原理是声波在地层中传播的物理过程，下面将对声波测井原理进行详细介绍。
首先，声波测井是利用声波在地层中传播的速度来获取地层信息的。
声波在地层中传播的速度与地层的物性参数有密切的关系，不同类型的地层对声波的传播速度有不同的影响。
通过测量声波在地层中的传播速度，可以推断出地层的孔隙度、渗透率等参数。
其次，声波测井是利用声波在地层中的反射和折射来获取地层信息的。
当声波遇到地层界面时，会发生反射和折射现象，根据反射和折射的规律，可以推断出地层的厚度、岩性等信息。
通过分析反射和折射的特征，可以识别出地层中的油气层、水层等目标层位。
另外，声波测井是利用声波在地层中的衰减来获取地层信息的。
声波在地层中传播时会发生衰减，衰减的程度与地层的渗透率、孔隙度等参数有关。
通过测量声波的衰减情况，可以推断出地层的渗透率、孔隙度等信息。
总的来说，声波测井原理是利用声波在地层中传播的速度、反射和折射、衰减等特性来获取地层信息的。
通过对声波在地层中的传播过程进行分析和解释，可以揭示地层的内部结构、物性参数等重要信息。
声波测井技术在油气勘探和开发中具有重要的应用价值，对于提高勘探开发效率、降低勘探风险具有重要意义。
综上所述，声波测井原理是声波在地层中传播的物理过程，通过对声波在地层中的传播速度、反射和折射、衰减等特性进行分析，可以获取地层的孔隙度、渗透率、岩性、地层压力等重要参数。
声波测井技术是一种重要的地球物理勘探手段，对于油气勘探和开发具有重要意义。
希望本文能够对声波测井原理有所了解，并对相关领域的研究工作有所帮助。
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。
地球物理测井方法 第二章 声波测井
（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
GaoJ-2-1
17
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 转换为电磁能的器件。
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)。
Wavelength
GaoJ-2-1
质点振动
波传播方向
8
介质振动模式与声波类型
垂直传播
SH水平振动
SV水平振动
P垂直振动
SH水平振动
GaoJ-2-1
SV垂直振动
水平传播
P水平振动
9
快慢横波和横波分离
Propagation Direction
R
S
GaoJ-2-1
10
井眼中的声波类型及特点
纵波（P波）：Compressional Wave
本科生课程 《地球物理测井方法》
第 2 章 声波测井
（Acoustic Logging） 前 言 声波测井基础 第1节 声波速度测井 第2节 声波幅度测井
声波测井
➢研究的对象：井孔周围地层或其它介质的声学 性质(速度、幅度(能量)、频率变化等)
➢物理及地质基础：不同介质的弹性力学性质不 同,使其声波传播速度、衰减(幅度)规律不同
A V
岩石体变模量定义：岩石受均匀静压力作用时，所加
静压力的变化∆P与体应变 的比值：
K= -∆P/
体变模量的单位为N/m2。
（5）拉梅系数λ和 （Lame Coefficient）
声波测井原理
井壁地层及套管技术状况评价测井
BoreHole TeleViewer（BHTV） Ultra Sonic Imager（USI）
Cirumferential BoreHole Imager Logging（CBIL）
11/20/2006 Directed by Liu Hongqi Copyright reserved.
第二章
声波测井
测井研究的几个方向：
1. 理论研究：电磁场理论，弹性波动力学，
核物理学，岩石力学等，数学物理方程的 数值解法； 2. 计算机方法：编程开发大型商业化软件， 数值模拟； 3. 仪器的研发； 4. 数据处理解释技术，学习各种软件。
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第二章
声波测井 声波测井的主要内容
测量井眼声速评价岩性和孔隙度
Acoustic log （AC-DT）
Full-wave train log（LSS）
Digital array acoustic log（DAC）
Dipole 、quadruploe & multipole acoustic log
11/20/2006 Directed by Liu Hongqi Copyright reserved.
5
第二章
参考资料
声波测井
唐晓明 定量测井声学 石油工业出版社 2004
…………
11/20/2006
Directed by Liu Hongqi Copyright reserved.
A A0 sin(t 0 )
11/20/2006 Directed by Liu Hongqi Copyright reserved.
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.
声波测井主讲
声音不能在真空中传播，只能通过具有弹性的介质传播。声波传播的介质可以是各种气体、液 体和固体。
2.声波参数 质点振动的频率 声波传播的速度（由介质的性质决定） 声波的波长
通常我们人的耳朵只能听到频率在20～20000Hz之间的声音，称为可听声; 频率低于20HZ的声音就叫做次声，次声发生时所产生的波动叫次声波; 频率高于2万赫兹的声波叫超声波，声波测井中用的频率一般在2000～20000Hz之间，而超声 成像测井频率在0.5MHz～1.5MHz之间。
处理，转化成图象。
噪声测井
2-3 主要Biblioteka 用二 声波测井1、确定孔隙度—声速测井（时差）
2、识别岩性—时差、幅度衰减
3、识别裂缝（或渗透性）—低频斯通利波、波形、幅 度衰减
4、识别油气—时差、幅度衰减、Vp/Vs
5、评价固井质量—声幅测井（CBL）、声波变密度测 井（VDL）、扇区胶结测井（SBT）等
理 周声波成像方法的完善。
论 ★ 1956年，Wyllei时间平均公式提出； ★ 1952年Biot孔隙介质理论提出；
发 展
★声波测井理论20世纪70年代末发展起来。
★模拟信号—数字—成像，数字化—信息化—成像化—系列化；
特 ★仪器的研制略超过方法理论的完善，即大致在理论方法指导下研制成功仪器，
点 在测井资料前提下使方法完善；
2-2 基本方法
二 声波测井
声波全波列测井（acoustic full waveform logging）
对常规的对滑行 纵波首波的记录（到 达时间及幅度）扩展 到对沿井壁传播的滑 行纵波、滑行横波及 井内流体中的致导波 等整个波列的记录， 包括各种类型波的速 度、幅度及衰减、频 率等极为丰富的与井 壁岩层性质和特征有 关的信息。
2.声波参数 质点振动的频率 声波传播的速度（由介质的性质决定） 声波的波长
通常我们人的耳朵只能听到频率在20～20000Hz之间的声音，称为可听声; 频率低于20HZ的声音就叫做次声，次声发生时所产生的波动叫次声波; 频率高于2万赫兹的声波叫超声波，声波测井中用的频率一般在2000～20000Hz之间，而超声 成像测井频率在0.5MHz～1.5MHz之间。
处理，转化成图象。
噪声测井
2-3 主要Biblioteka 用二 声波测井1、确定孔隙度—声速测井（时差）
2、识别岩性—时差、幅度衰减
3、识别裂缝（或渗透性）—低频斯通利波、波形、幅 度衰减
4、识别油气—时差、幅度衰减、Vp/Vs
5、评价固井质量—声幅测井（CBL）、声波变密度测 井（VDL）、扇区胶结测井（SBT）等
理 周声波成像方法的完善。
论 ★ 1956年，Wyllei时间平均公式提出； ★ 1952年Biot孔隙介质理论提出；
发 展
★声波测井理论20世纪70年代末发展起来。
★模拟信号—数字—成像，数字化—信息化—成像化—系列化；
特 ★仪器的研制略超过方法理论的完善，即大致在理论方法指导下研制成功仪器，
点 在测井资料前提下使方法完善；
2-2 基本方法
二 声波测井
声波全波列测井（acoustic full waveform logging）
对常规的对滑行 纵波首波的记录（到 达时间及幅度）扩展 到对沿井壁传播的滑 行纵波、滑行横波及 井内流体中的致导波 等整个波列的记录， 包括各种类型波的速 度、幅度及衰减、频 率等极为丰富的与井 壁岩层性质和特征有 关的信息。
石油工程测井7.8.9_第2章声波测井-2.1基础-2.2声速-2.3声幅(改)
P2
入射角θ1*——第一临界角
滑行纵波
折射波
石油工程测井—声波测井
sin V p1 sin 2 Vs 2
岩石的声学性质
反射波 S1 P1
折射定律 Vp1＜Vs2 θ2＝90°
入射波P
β2
θ β1
θ1 θ2 S2
2 arcsin
V p1 Vs 2
V1 V2
Ⅰ Ⅱ
P2
θ2
*——第二临界角
石油工程测井—声波测井
气层－厚层
石油工程测井—声波测井
气水同层
石油工程测井—声波测井
气层
石油工程测井—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增加，E增加，
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。
石油工程测井—声波测井
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。
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。
4、岩层的埋藏深度
埋藏深度和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加
石油工程测井—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。
石油工程测井—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
入射角θ1*——第一临界角
滑行纵波
折射波
石油工程测井—声波测井
sin V p1 sin 2 Vs 2
岩石的声学性质
反射波 S1 P1
折射定律 Vp1＜Vs2 θ2＝90°
入射波P
β2
θ β1
θ1 θ2 S2
2 arcsin
V p1 Vs 2
V1 V2
Ⅰ Ⅱ
P2
θ2
*——第二临界角
石油工程测井—声波测井
气层－厚层
石油工程测井—声波测井
气水同层
石油工程测井—声波测井
气层
石油工程测井—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增加，E增加，
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。
石油工程测井—声波测井
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。
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。
4、岩层的埋藏深度
埋藏深度和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加
石油工程测井—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。
石油工程测井—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。
2声波测井方法与应用
22 p
22
ur 2 r
(2
22 )2 p
2
2
1 r
p r
2 p z 2
2s rz
Trz 2
2
u r 2 z
u z 2 r
2
2
jk
p K1 (
pa)B(k)
(2k
2
（3）积分上下限分析 波数在（-kb，kb）之间 k kb ,
kb sin kb ,
2
入射角在 , 全部 声射线 2 2
第二 章 声波测井-声波传播
第一节 等效弹性地层井中声波传播
二、井中入射波和反射波分析
2．反射波特性
反射波在波数k复平面上，被积函数存在若干极点± kb、 ± ks、 ± kp，由割线积分 得到
第二 章 声波测井-声波传播
第一节 等效弹性地层井中声波传播
一、波动方程及解
2．边界条件
Q Trr2m 1 ur2m b 2
2
b
1
ak
2 s
1 2
2k 2
k
2 s
2 1
K0 ( pa) u p K1( pa)
2k 2s
b r)e j(tkz) dk
r
C
b K1 b I1
(b (b
a)Q a)Q
K0 (ba) I0 (ba)
I0
(b
r)e
j(t kz) dk
1．入射波分布
声波测井
声波在岩石中的传播特性
拉夫波定义
拉夫波是由拉夫从数学上给以证明的，该类型的波被称为拉夫波(LoVe WaVe)。Gwave 一种长周期（40—300秒）的拉夫波。通常只限于海上传播。
斯通利波定义
斯通利波是一种沿井壁传播的声波，当声波脉冲与井壁和井内流体的界面相遇时就 会产生斯通利波。对地层渗透性变化敏感。
瑞利波：波速约为横波的0.8-0.9倍。
斯通利波：低速，速度小于泥浆直达波。
声波在岩石中的传播特性
声幅
地层吸收声波能量而使幅度衰减，与声波频率和地层的密度等因素有关。对同一地层来说，声波频率越高，其能量越 容易被吸收；对于一定频率来说，地层越疏松（密度小、声速低），声波能量被吸收越严重，声波幅度衰减越大。
Ft S
Δl d
Ft △l
d
声波在岩石中的传播特性
纵波（压缩波或P波）定义
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。
声波在岩石中的传播特性
横波（剪切波或S波）定义
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。横波不能在流体中传播，其剪切模量为零。
井眼补偿声波时差： t t1 t2 2
△t2 △t1
T1 R1 R2 T2
时差曲线应用
判定气层、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情况下，可根据周波跳跃判断气层。 划分地层：不同地层具有不同的声波速度，所以根据声波时ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ曲线可
以划分不同岩性的地层。
地球物理测#(第二章)声波测井
V1 V2 V1
C
R2
t1t2t1V B2C C2R V 1B1R
从图中所知:CR2<BR1,
t1t
T2
t2t1t2E CE1R C2RER1>CR2 V2 V1
t2t
第三十八页，共80页。
声速测井（声时差测井）
井眼补偿声波时差：
t t1 t2 2
消除井径变化产生的影响
说明
井眼补偿声波测井由于源距短，只能在井眼直径较小的井中测得地层的声速，并且 接收器收到的初至波是沿井壁传播的折射波。
超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝）
噪声测井（研究油井串槽和油气水流动情况）
声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井
第一页，共80页。
方位声波成像测井
声
波 成
偶极横波成像测井
像
测
井周声波成像测井
井
超声波成像测井
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什么叫声波？
岩石的声学性质
是一种机械波，是介质质点振动向四周
在声波测井中，可声变源的成能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，
因而岩石弹可性以体当成弹性体，在岩石塑中性传播体的声波可以被认为是弹性波。
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岩石的声学性质
3、描述弹性体的参数
（1）杨氏模量E(定义为应力与其应变之比)
Hook定律： l aF F l S ES
EF S l l
F—作用外力；
5400
3100
17º41´
第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
44º05´ 30º
25º37´ 21º19´ 31º04´
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岩石的声学性质
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：
声波测井的原理和应用
声波测井的原理和应用1. 声波测井的原理声波测井是一种测量地下岩石物性参数的方法，通过向地下发送声波信号并接收返回的信号来推断地下岩石的特征。
声波测井的原理基于声波在不同岩石介质中传播速度的差异，利用声波的反射、透射和散射等现象来获取地层的信息。
1.1 声波的传播特性声波在岩石中传播的速度取决于岩石的密度、弹性模量和泊松比等物性参数。
不同类型的岩石具有不同的声波传播速度，因此声波测井可以通过测量声波传播速度来推断地层的岩石类型和物性参数。
1.2 声波的反射与透射当声波遇到介质边界时，会发生反射和透射现象。
反射是指声波从介质边界上反射回来，而透射是指声波穿过介质边界继续传播。
通过分析反射和透射信号的特性，可以确定地下岩石的界面位置和性质，从而推断地层的地质结构和岩性。
2. 声波测井的应用声波测井在石油勘探和生产中具有广泛的应用，下面列举了几个常见的应用场景。
2.1 岩性识别和地层划分通过测量声波传播速度和反射信号特性，可以对地下岩石的岩性进行识别和划分。
不同类型的岩石具有不同的声波传播速度和反射特征，利用声波测井可以确定地层的岩性变化和岩石界面位置，为地层解释和油气储层评价提供重要依据。
2.2 孔隙度和渗透率评价声波测井可以通过测量声波传播速度和衰减特性来间接评价地下岩石的孔隙度和渗透率。
孔隙度是岩石中的空隙比例，渗透率是岩石中流体流动的能力。
声波测井利用声波在孔隙和岩石中的传播差异，可以对孔隙度和渗透率进行定量解释，为油气储层评价和开发方案的确定提供参考。
2.3 地震勘探辅助声波测井是地震勘探的重要辅助手段。
地震勘探通过地表或井口发送地震波来获取地下的岩石结构和性质，而声波测井则可以提供与地震数据对应的地下岩石参数。
两者相互补充，可以提高对地下岩石的解释和预测能力，为油气勘探和生产决策提供更可靠的依据。
2.4 井间连通性评价声波测井可以用于评价油田中不同井之间的连通性。
通过测量声波在井中的传播时间和信号强度的变化，可以推断不同井之间的流体交流情况。
声波测井仪器的原理及应用
第三章 数字声波测井原理及应用
3.5 数字声波仪器小结
1、SL6680针对井下岩性复杂和作业现场环境恶劣等情况,采用阵 列接收探头、高速数字化采集和传输方式的新一代数字声波测井仪器。 采用阵列信号处理技术来校正由于各种原因造成的测量误差,极大地提 高了测井数据的有效性与准确性;直接在井下仪器中对采集到的声波信 号进行数字化,将数字声波信号通过数字遥传系统传送到地面设备,提高 了仪器的可靠性和抗干扰能力。
声波测井仪器的原理及应用
胜利测井四分公司
王玉庆
目录 第一章 前言 第二章 岩石的声学特性 第三章 数字声波测井原理及应用 第四章 正交多极子阵列声波测井
第五章 声波测井流程及注意事项
第一章 前言
声波测井是近年来发展较快的一种测井方法。由最早的声速测 井、声幅测井发展到后来的声波全波列测井、偶极子和多极子测井、 声波成像测井、井间声波测井及随钻声波测井等 常用的声波测井，如声波测井和声幅测井，是记录滑行纵波首 波的传播时间和第一个波得波幅。 正交多极子阵列声波测井是当今测量地层纵波、横波和斯通利 波的最好方法之一，无论在大井眼井段还是非常慢速的地层中都能 得到较好的测量结果 目前测井四分公司以Eclips5700和SL6000为主要地面系统，常用 到声波测井仪器主要以数字声波和正交多极子阵列声波为主。
4.1 XMACII多极子阵列声波测井原理
单极子声源
单极子声源相当于一个点声源在裸眼井中可激发纵波、横波、伪瑞利
波和斯通利波等波形，通过波形处理技术即可提取接收波形中的纵波、横波 和斯通利波的波速。
缺点：
1、工作频率(15～25 kHz) 太高，声波穿透地层的深度较小、信号的 传播距离较小。
2、在软地层(横波波速比井内流体波速小的地层 ) 不能激发横波，因
声波测井.
（2）
其中： 为声波振动的角频率， 为声压幅度， 为介质中的声速 （不同于质点的振动速度 ）， 表示在距声源 处，振 动过程要比声源滞后 。
上式的物理意义是：在理想介质中（声波在其中传播不 损失能量），在时刻 ，距离声源 处的某点的声压，是重复 声源处 时刻的声压值。
对（2）式求导得：
将上式代入（1）式中可得： 或者 上式的物理意义可以作电学类比， 相当于“电压”，质点振 动速度 相当于“电流强度”， 相当于“电阻抗”，因此 称之为波阻抗或声阻抗。 得到介质质点振动速度表达式后，考虑作用 在薄 层移动距离 时所做的功 ，单位时间内所做的功即为声功 率，而单位面积上的声功率即为声强。所以：
分别为流体介质的粘滞性系数、密度及声速， 声波的角频率，对于声波测井常用的声信号，
为
。
从上式可以看出，吸收系数与介质的密度成反比，与介质 中声波传播速度的三次方成反比，即在低速介质中声波的吸收 比在高速介质中的吸收要显著。介质对声波的吸收和声波的频 率（或角频率）的平方成正比，即高频声波信号在介质中传播 时衰减得更快。吸收系数与介质的粘滞性系数成正比，但只有 当声波的频率不很高时， 才可以作为常数处理，在声波信号的 频率极高时， 将随频率的增加而发生改变。 以上关于流体介质对声波的吸收的讨论，只考虑到介质对 声波的吸收是由于内摩擦或介质的粘滞性所引起的，介质对声 波的吸收还与介质的导热性有关。由于热传导，在介质中由于 声波传播造成的压缩部分和稀薄部分之间产生热交换，也会引 起声波能量减小，但此吸收是很小的，以致在考虑流体对声波 能量的吸收时，可以将其忽略不计。
为了说明声压和声强的数学关系，先讨论由于声压引起 的介质质点振动速度。设在和声波传播方向r 垂直的方向上 有一密度为 的介质薄层，其厚度为 ，面积为 ，如P268图 8-1所示。 在薄层左侧面上，存在作用力 ；在其右侧面上， 由于声波在介质中传播了 以后，声压变化为 （ 为 负值），因而对此体积元右侧面的作用力为：
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③非均匀孔隙地层
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。
用次生孔隙指数来反映地层的裂缝的发育情况：
4.实例分析 ④声波地层因素公式
t ma t x (1 )
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
第二节 声波速度测井
一、单发双收的测量原理
1.声系
R：接收探头－声能转化为电能； T：发射探头－电能转化为声能。
声波在介质中的传播主要指声速、声幅和频率特性。
声波测量原理示意图
井筒 T 源 距
井壁 B C
记录点O
A
间 距
R1 O R2
D
2.岩石的声速特性及影响因素
(1)VP、VS与 、 、E间的关系
西安科技大学资源勘查2008级
第二章 声波测井
引
一、声波测井概念
言
声波测井是通过研究声波在井下岩层或介质 中的传播特性，从而对岩层的地质特性和井的技
术状况的一种测井方法。
引
二、声波测井分类
声波速度测井 声波幅度测井 声波电视测井 噪 声 测 井
言
求孔隙度和力学参数 研究固井质量 观察井壁情况、裂缝 了解井下流体的流动
代入各参数：s=30%=0.3
4.实例分析
(2) 根据阿尔奇公式有： R0
RW Rt R0 1 0.3 2 1 2 SW
代入参数求出 SW=33.3% (3) 因为SW>0.3,所以该层的流体性质是油气水同层， SO=1-SW=67.7%
4.实例分析 ①疏松砂岩类
e= s/cp cp:压实系数，固结压实地层cp=1,否则cp>1
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。
3.计算孔隙度
(1)体积物理模型 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
流体的弹性模量和密度都不同于岩石骨架，相对讲，
速度就降低。
2.岩石的声速特性及影响因素
(4)岩层的地质时代影响
实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播 速度越快。
(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。
3.岩层的声幅特性
平面波的衰减仅由介质的吸收引起的，声波的
能量与其幅度的平方成反比，声幅的大小反映了声
波能量的高低。 J= J0e-2l J：声波经过L距离后的声强 J0：初始声强
：介质的吸收系数
下降 V下降 增加 频率增加 增加
二、单发双收的测量原理
(1)产生滑行波的条件(V地>V泥浆)产生滑行波的过程是可
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)
灰
岩: △tma=156s/m
白云岩: △tma=143 s/m 无水硬石膏: △tma=164 s/m 岩盐时差: △tma=220 s/m 淡水: △tmf=620 s/m
盐水: △tmf=608 s/m
第一节 岩石的声学性质
切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。
= 切应力/切应变 =(Ft/s)/
= (Ft/s)/△l/d
第一节 岩石的声学性质
三、声波在岩石中的传播特性
纵波、横波的定义
纵波：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。
横波：介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。
E (1 ) V P (1 )(1 2 )
E 2 (1 )
V
S
当=0.25，VP/VS=1.73,
E
VP(S)
2.岩石的声速特性及影响因素
(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
即使岩性相同，其中的流体也不同。孔隙度增大，传播
二、单发双收的测量原理
(5)输出的测井曲线(一条声波时差曲线)
时差 s/m
三、影响时差的因素
1.井径的影响
① R1(处在D增加)，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。 ② R1位于正常(或缩小井段)，R2位于井径扩大，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。
六、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 高时差>30微秒/米 气 层
六、时差曲线的应用 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 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
EC ER1 CR 2 t 2 t1 t 2 V2 V1
R2
T2
从图中所知:CR2>BR1,t1<t，ER1>CR2，t2>t。
四、井眼补偿声速测井(BHC)
( t 1 t 2 ) t 2
平均后的补偿声速时差值不变。 同理:在井径扩大的顶界面也如此,对仪器的倾斜也 有补偿作用.
压实系数cp的求法:
A 深度法：Cp与深度成反比,深度越深,地层越压实, 胜利油田的经验公式: Cp=1.68-0.0002×H B 时差对比法：Cp=tsh/tshp；tshp:是固结压实泥 岩的时差。
4.实例分析 ②固结压实泥质地层
t=tshVsh+tf+tma(1-Vsh-)
第二临界角:2* = arcsin(vp1/vs2)
第一节 岩石的声学性质
3.反射、折射系数（R、T）
反射系数R：
R=WR/W=反射波的能量/入射波的能量
=(2•V2-1•V1)/(2•V2+1•V1)
折射系数T： T=WT/W=折射波的能量/入射波的能量 =21•V1/(2•V2+1•V1) 入射角=0°，T+R=1
3.周波跳跃的影响
(2) 周波跳跃的特点
时差值大大增加 且呈周期性的跳跃
(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
四、井眼补偿声速测井(BHC)
井眼不规则时，有：
T 1 A AB BR1 t1 V1 V2 V1
T1
A
B R1 E C
T 1 A AC CR 2 t2 V1 V2 V1 BC CR 2 BR1 t 1 t 2 t 1 V1 V2
第一节 岩石的声学性质
4.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
第一节 岩石的声学性质
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。
第一节 岩石的声学性质
3.描述弹性体的参数
(1)杨氏模量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。 E物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。
第一节 岩石的声学性质
(2)泊松比 =弹性体的的横向应变/纵向应变 =（△d/d）/（△l/l）
小
结
掌握影响波传播的速度因素、在介质界面上
的传播、产生滑行波的条件、声速测井的原理
和应用，了解其它的测井原理。
间距
2.岩层厚度的影响
(3)薄互层(交互层中小层的厚度)，此时，曲线不能 反映地层的真正时差值，由于各层间的相互影响，曲线 呈锯齿壮。
时差
间距
三、影响时差的因素 3.周波跳跃的影响 (1)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。
3.计算孔隙度
孔隙(流体)
纯岩石
骨架
b=f×+ma(1-) t=tf×+tma(1-) N=Nf×+Nma(1-)
3.计算孔隙度
(2)用时差求孔隙度的公式
①固结压实的纯地层 t=tf×+tma(1-)
t t ma s t f t ma
第一节 岩石的声学性质
一、声波简介
1、声波定义
声波是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。
2、声波的分类
声 波 20Hz〈频率〈20KHZ
次声波
频率〈 20Hz 频率 〉20KHz
超声波
第一节 岩石的声学性质
二、岩石的弹性及弹性参数 1.弹性的定义
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。
五、长源距声波测井
发射器到接收器的距离为8ft、10ft、12ft
1.解决的问题
井径很大 井周围泥岩发生蚀变时，一些非固种情况是BHC无法解决的。
2.优点
时差不受泥浆侵蚀或大井眼的影响，如果不考虑散射问题，它 所测得的速度完全可以与地震记录的速度对比。
2.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的 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 复原状的物体，称为塑性体。 可变成 弹性体 塑性体