第三章声波测井分析

课时教学实施方案
教案
第三章声波测井
声波测井是通过测量井壁介质的声学性质来判断井壁地层的地质特性及井眼工程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。

声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。

第一节井内声波的发射、传播和接收
一、井内声波的发射和接收
声波是机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。

人耳能听到的声波频率20Hz－20KHz，频率〈20HZ为次声波，频率〉20KHZ 为超声波，声波测井使用的频率为15-30KHz，所以又称为超声波测井。

声波测井首先要在井内产生人工声场，所以需要声波发射器，要接收声波就需要声波接收器，接收器接收到得为声波的波形。

二、滑行纵波和滑行横波
1.基本概念和性质
纵波（压缩波或P波）：介质质点的振动方向与波的传播方向一致。

弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。

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。

由于泥浆只能发生体积形变，不能发生剪切形变，它只能传播纵波不能传播横波，所以置于井内泥浆中的声波测井换能器发射或接收的声波都是纵波。

井眼穿过的各种岩石，虽然大多数有一定孔隙，孔隙内有流体，但其主体是互相紧密相连的固体颗粒，整体为固体介质。

它们不但能发生体积形变还能发生剪切形变，所以既能传播纵波又能传播横波。

介质的波阻抗是声速与密度的乘积，泥浆与地层岩石的波阻抗相差较大，形成明显分界面，声波在井壁上要发生反射和折射。

因为泥浆不能传播横波，所以井内没有反射横波
2.声波的反射和折射定理
2
2
1
1
sin
sin
sin
v
v
v
θ
θ
θ
=
=
当v1，v2一定时，↑
↑→
2
θ
θ，如果v2>v1，当θ2=90o，此时折射波以v2速度沿界面传播，称为滑行波。

滑行波：声波测井将在井壁地层内沿井壁滑行的折射波称为滑行波。

临界角：产生滑行波的入射角称为临界角。

产生滑行纵波的入射角称为第一临界角ip，产生滑行横波的入射角称为第二临界角is。

只有岩层纵波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行纵波；只有岩层横波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行横波。

滑行波
3．漏泄模式波
地震上认为是透过很薄的折射层的首波(P 波)，测井上研究很少。

目前认为它是大于第一临界角的入射波产生的全反射P 波与井壁地层相互作用产生的沿井壁在地层中传播的诱导波。

其质点运动的轨迹也是椭圆形，长轴在传播方向上，可看成是纵波与横波合成和以纵波为主要成分的波。

漏泄模式波的幅度对岩石泊松比有一定依赖性，随泊松比增加而增加
第二节 声波速度(纵波)测井
声波速度测井是测量滑行纵波在井壁地层中传播速度的测井方法，简称声速测井。

滑行波的产生：Vp>Vm ；发射探头有方向特性,保证各种地层都有以临界角入射的波。

一、滑行纵波为首波的条件
接收探头能接收到的波（传播路径见右图）： （1）直达波 （2）反射波
（3）折射波（滑行纵波） 直达波TR ：1/1V L t =
反射波TBR: 12
2222V L a t ⎪
⎭
⎫
⎝⎛+=
滑行波TACR:
P
C P
C C AC TA V V V a L V a t t t 11sin tan 2cos 22=
⋅-+
=+=θθθ
费尔玛时间最小原理：
声波以临界角入射到两种介质的分界面上后，沿边界以地层速度滑行，以临界角方向折回泥浆到达接受器的路径所用时间最短。

声速测井是接收地层纵波—滑行纵波，来反映地层的特性。

就要把滑行波与直达波、反射波区分开来。

根据费尔玛最小原理，滑行波最先到达R 处所满足的条件：
1t t <，即1
1tan 2cos 2V L V a L V a
t P C C <⋅-+=
θθ
所以，C P V a V V L θcos 21111
>⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-，11
2sin 1cos 2V V V V a a L P P C C -+=->θθ
1
1
2V V V V a
P P -+称为声波测井的临界源距。

根据以上条件，可以得到使滑行波先于直达波到达接收器的方法： （1）加大源距
取泥岩(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1 L#=0.825m 取白云岩(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1 L#=0.25m (2)在仪器外壳上刻槽
使沿外壳传播的波多次反射，能量衰减；延长传播路径和时间；使不同相
位的波相互叠加。

(3)全波列测井
因为地层横波速度小于纵波，要使管波出现在横波之后，则应进一步加大源距。

且可以使纵横波到达时间有明显差别，记录较完整波形，即声波全波列。

长源距声波测井源距：2.438 m ～ 3.65 m 二、 单发双收声速测井 1.声系
滑行波作为首波的优点:
1) 方便容易记录(通过门槛拾取）； 2)受地层干扰少。

单发单收声系的缺点：
（1）只能测量声波在泥浆和地层中总的传播时间，不能单独确定地层速度； （2）影响因素太多，泥浆性质、井眼大小等都影响总的传播时间； （3）当源距为一米时，滑行纵波在地层中的传播距离为0.6118-0.9531米，分辨率太低，使每次测量的地层不只包含有效储集层
总之，单发单收声系不能满足声速测井的要求，所以要利用单发双收声系，如图：
2.单发双收声速测井的原理
滑行波到达R1、R2的时间差：
12't t t -=∆)(
f p p f v AB v BC v CD v DF +++=)(f
p f v AB
v BC v CE ++- 当井眼规则时：DF=CE
p
p v l
v CD t =
=
∆' 声波时差：声波传播单位距离(1m)所用的时间，记为 ∆t ，单位 μs/m 。

当间距为l ，滑行纵波在地层内传播1米用的时间（声波时差）为△t ，它与声波到达两个接收器的时间之差的关系：
l t l t t t //)('12∆=-=∆
l 大小决定了纵向分辨率，减小l 可以提高分辨率,但声波经过l 岩层所需时间变短，测量相对误差增大
探测深度：一个波长(0.2-0.3m)
记录点：地层CD 段中点，与接收器中点的位置稍有差别
曲线：仪器匀速移动，记录声波时差随井深变化曲线。

纵向分辨率：测量的是l 范围内的地层速度的平均值(0.5m)
三、井眼补偿声速测井
1.单发双收声速测井存在的问题
（1）井眼扩大时：扩径井段上界面△t 增大；扩径井段下界面△t 减小 （2）仪器不居中时：CE ≠DF ，声波传播的距离不等于CD ，无法计算真实的声波时差仪器有扶正器使仪器居中所以，仪器偏心的影响不大 2. 双发双收井眼补偿声速测井
T1和T2交替发射声脉冲，分别测量时差△t1 和△t2，最终记录其声波时差为：
2
2
1t t t ∆+∆=
∆ 探测特性:
优点
消除了扩径的影响
可消除深度误差
缺点
分辨率降低
对低速地层会出现“盲区”
仪器太长，声系复杂
3. 单发双收井眼补偿声速测井。