测井方法原理-声波测井(测井解释培训教材-COSL).
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声波测井讲座 主讲人：刘建新
中海油田服务股份有限公司 油田技术事业部资料解释中心
WWW.COSL.COM.CN
2010年9月
1
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）
声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井
声 波 成 像 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
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？
声 波
次声波 超声波
20HZ〈 频率〈 20KHZ
频率〈 20HZ 频率 〉20KHZ
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。
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 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。
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。
岩石的声学性质
（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）
d 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
岩石的声学性质
（4）切变模量（） 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
岩石的声学性质
常见岩石的弹性模量参见P95表2-1
岩石的声学性质
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）：
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。
岩石的声学性质
注意 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。
岩石的声学性质
2、岩石的声速特性
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
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
岩石的声学性质 纵横波比
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。
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P96表2-2
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°
arcsin
1
V p1 Vp2
Ⅰ Ⅱ
P2
θ1*——第一临界角
滑行纵波
S2 折射波
岩石的声学性质
Vp1＜Vs2
sin V p1 折射定律 sin 2 Vs 2
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。
岩石的声学性质 T
θ1* 或θ2*
ⅠⅡ
滑行纵波和横波沿界面滑行 时，将沿临界角方向向介质 1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。
滑 行 波 R 辐射能
常见介质的纵横波速度及第一第二临界角
介质名称 泥 岩 砂 砂 砂 层（疏松 ） 岩（疏松 ） 岩（致密 ） VP (m/s) 1800 2630 3850 VS (m/s) 950 1518 2300 第一临界角 62º 44´ 37º 28´ 24º 33´ 第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
44º 05´
5500
7000
3200
3700
16º 55´
13º 13´
30º
25º 37´
石灰岩（骨架）
白云岩（骨架）
7900
4400
11º 41´
21º 19´
岩石的声学性质
2、反射和折射系数（R、T）
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。
T = WT/ W =21• V1/ （2•V2+ 1• V1）
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2010年9月
1
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）
声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井
声 波 成 像 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
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？
声 波
次声波 超声波
20HZ〈 频率〈 20KHZ
频率〈 20HZ 频率 〉20KHZ
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。
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 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。
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。
岩石的声学性质
（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）
d 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
岩石的声学性质
（4）切变模量（） 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
岩石的声学性质
常见岩石的弹性模量参见P95表2-1
岩石的声学性质
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）：
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。
岩石的声学性质
注意 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。
岩石的声学性质
2、岩石的声速特性
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
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
岩石的声学性质 纵横波比
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。
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P96表2-2
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°
arcsin
1
V p1 Vp2
Ⅰ Ⅱ
P2
θ1*——第一临界角
滑行纵波
S2 折射波
岩石的声学性质
Vp1＜Vs2
sin V p1 折射定律 sin 2 Vs 2
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。
岩石的声学性质 T
θ1* 或θ2*
ⅠⅡ
滑行纵波和横波沿界面滑行 时，将沿临界角方向向介质 1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。
滑 行 波 R 辐射能
常见介质的纵横波速度及第一第二临界角
介质名称 泥 岩 砂 砂 砂 层（疏松 ） 岩（疏松 ） 岩（致密 ） VP (m/s) 1800 2630 3850 VS (m/s) 950 1518 2300 第一临界角 62º 44´ 37º 28´ 24º 33´ 第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
44º 05´
5500
7000
3200
3700
16º 55´
13º 13´
30º
25º 37´
石灰岩（骨架）
白云岩（骨架）
7900
4400
11º 41´
21º 19´
岩石的声学性质
2、反射和折射系数（R、T）
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。
T = WT/ W =21• V1/ （2•V2+ 1• V1）