声波测井原理

入射角=0°，T+R=1
5. 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
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。
K=应力/体应变=(F/S)/(△V/V) (N/m2或kg/cm2) 体积弹性模量的倒数叫体积压缩系数，用表示， 即：=1/K
(4)剪切模量 (也称切变模量) （kg/cm2） 如右下图所示的矩形六面弹性体，其上表面 的面积为 A ，受到平行于该表面的剪切力 Ft 的作用时，在力的方向上相对位移一段距离 L，剪切应力等于Ft/A，剪切应变等于L/L， 则切应力与切应变之比就叫剪切模量或切变 模量，用表示。
律）的一种测井方法。
声波测井主要内容 声波速度测井 声波幅度测井 声波全波列测井
声波井下电视测井
噪声测井
1 声波速度测井
声波速度测井，又叫声波时差测井，它是测量井 剖面声波纵波速度 Cp的倒数，即声波纵波在 1 米地 层中传播所需的时间，在测井中叫做时差，记作 t， t＝1/Cp，单位：微秒/米或微秒/英尺。 声波速度测井是声波测井中应用最广泛的声波测 井方法，主要利用声波速度测井资料来研究井剖 面的岩性，估算储集层孔隙度等。
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
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。
2 声波幅度测井
声波幅度测井 ( 声幅测井 ) 主要用于检查固井质量。 水泥胶结良好时，声波幅度较小；水泥胶结不好 时，声波幅度较大。
3 声波全波列测井
声波全波列测井记录滑行纵波、滑行横波等一系
列波列的速度、幅度、衰减、频率等与岩层性质
和特征有关的信息。
数字记录 模拟记录
用途:判断岩性－估算孔隙度－估算弹性力学参数
②物体是均匀的； ③物体是各向同性的； ④物体受力后的变形和位移是微小的； ⑤物体是完全弹性的。
弹性力学所研究的是理想弹性体，而石油的储集
体－地下岩石并非理想的弹性体。
非均质性：孔隙、裂缝，骨架与胶结物性质各不相同 各向异性：节理、层理等
但是，由于任何物体在外力很小时，因外力而发生形 变都很小的情况下，均可把其当作弹性体进行处理，
水和各种介质界面上的声压反射系数
介质(Z2) 钢 管 声速(m/s) 5400 密度(kg/m3) 7800 波阻抗(kg/m2S) 24.12×106 反射系数 0.9312
砂 岩
石灰岩 白云岩 泥 岩 硬 煤
3300
6500 7000 1800 3700
2650
2870 2870 2450 1400
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)
1.15 0.3～0.57
0.295
0.23 0.198～0.30
0.281
0.156～0.237
二、声波在岩石中的传播特性
1. 纵波、横波的定义 2. 波的传播特征 3. 产生滑行波的条件 4. 反射、折射系数（R、T） 5. 波阻抗、声耦合率 6. 声速影响因素 7. 不同介质的声波速度
二、声波在岩石中的传播特性
绪 论 声 波 测 井
声波测井
声 波
声波的分类 一般按照频率来分，声波可以分为：
超声波（ultra-sonic wave）>20KHz
声波 (sonic wave)
20~20KHz
次声波（infrasonic wave) <20Hz
声波测井
声波测井是测量和记录井剖面上岩层的声学
性质（岩石的声速、声波在岩石中的衰减规
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。
1 折射波与临界角
2 产生滑行波的条件
折射定律:
1 弹性的定义
弹性：是指物体在外力作用下将发生变形，即物
体受力的效果不是产生宏观运动，而是物体内部
各体积元或各部分之间相对位置的变化，在外力
不超过一定限度情况下，取消外力则物体将恢复
原状，物体的这种性质称为弹性，即物体受有限
外力作用而发生形变后恢复原来形态的能力。
弹性力学对被研究物体的假定：
①物体是连续的
44º 05´ 30º 25º 37´
白云岩（骨架）
钢 管
7900
5400
4400
3100
11º 41´
17º 41´
21º 19´
31º 04´
二、 声波速度测井
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
时差
空气
甲烷
渗透性砂岩
致密砂岩
石油
水 泥岩
致密石灰岩
白云岩 岩盐
泥质砂岩
5638
177
硬石膏
6100～6250
164～160
第2节 声波速度测井
声波速度测井是测量井下岩石地层的声波传播
速度（或时差），以判断井剖面地层的岩性， 估算储集层孔隙度的测井方法。 声波速度测井是岩性－孔隙度测井系列中的主 要测井方法之一。 声波速度测井所记录的地层声速一般是指地层 纵波的速度（或时差）。
E 物理意义： 弹性体发生单位线应变时弹性体产生的 应力大小；数值大小表示弹性体或弹性材料在外力作 用下发生形变的难易程度，其量纲与应力相同。
(2)泊松比
弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时， 横向缩小。假设：有一圆柱形弹性体的直径和长
度分别为 D和 L，在外力作用下，直径和长度的变
化分别为 D和 L，则横向相对缩减 D/D和纵向 相对伸长 L/L之比称为泊松比，用表示。
故可把地下岩石近似看作弹性体。
2 弹性体的应力和应变
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
在声波测井中，声源的能量很小，声波作用
在岩石上的时间很短，因而岩石可以当成弹
介质名称 泥 岩 VP (m/s) 1800 2630 3850 5500 7000 VS (m/s) 950 1518 2300 3200 3700 第一临界角 62º 44´ 37º 28´ 24º 33´ 16º 55´ 13º 13´ 第二临界角
不产生滑行横波 不产生滑行横波
砂 层（疏松） 砂 岩（疏松） 砂 岩（致密） 石灰岩（骨架）
1. 弹性力学 2. 弹性的定义 3. 弹性体和塑性体 4. 描述弹性体的参数： 杨氏弹性模量 E 泊松比 体积弹性模量 K 剪切模量 4. 部分岩石的弹性模量
• • • •
弹性力学是力学的一个分支学科，它研究弹
性体由于受外力作用 ( 或温度变化 ) 等原因而
发生的应力、形变得出:当折射产生横波时有
Sin VP1 Sin 2 VS 2
第二临界角:2* = arcsin(VP1/VS2)
4. 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)
330 442 1070～1320 1530～1620 1830～3962
(s/m)
3000 2260 985～757 655～620 548～252
时差
介质
声速
(m/s)
5943 5500 6400～7000 7900 4600～5200
(s/m)
168 182 156～143 125 217～193
S in VP1 S in 1 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
Sin VP1 Sin 2 VS 2
第二临界角:2* = arcsin(VP1/VS2)
常见介质的纵横波速度及第一第二临界角
= 弹性体的横向应变 / 纵向应变
=（△D/D）/（△L/L）
任何材料， =0～0.5。
物理意义：描述弹性体形状改变的物理量，无量纲；
-D施加力
L
(3)体积弹性模量 K (也称膨胀率)
体积弹性模量：在外力作用下，物体体积发生相 对变化 V/V ，即，体积应变，则，体积弹性模量
为应力与体应变之比。
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。
部分岩石的弹性模量 岩石名称 页 岩 砂 岩 泥灰岩 石灰岩 硬石膏 玄武岩 花岗岩 E
(×1011N/m2)

0.2～0.35 0.3～0.4 0.22～0.35

(×1011N/m2)
0.17～0.45 0.003～0.715 0.15～0.45 0.25～0.801
0.231～0.265
0.72～0.74
8.745×106
18.65×106 20.09×106 4.41×106 5.18×106
0.7071
0.8511 0.8610 0.4923 0.5508
6. 声速影响因素
弹性模量； 密度； 岩性；
孔隙度；
岩层地质时代；
岩层埋藏深度等。
7.
介质
不同介质的声波速度
声速
(m/s)
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
1. 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。 特点：弹性体的小体积元的体积不变，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，因为它的
切变模量=0 (2) 在井下，纵波和横波都能在地层中传播，而泥浆
4 声波井下电视和体积扫描测井
利用声波反射原理来得到井壁直观图象的测井方
法。井内流体 ( 泥浆 ) 对可见光是不透明，因此，
在井下不采用通常的光学电视系统，而是采用声
波探测成像技术。 还可以探测井壁以外一定径向深度范围内的介质
分布情况。
体积扫描测井不仅可以得到井壁表面的直观图象，
5 噪声测井
噪声测井记录井下自然声场 ( 噪声 ) 分布情况，得
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
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
2 单发双收的测量原理