3声波测井

三、声波在介质界面上的传播特性

声波通过传播速度不同的两种介质Ⅰ和Ⅱ的分界面时，会发生反射和折射，并遵循光的反射定律和折射定律。图6-2(a)是声波的反射和折射的示意图。折射定律的数学表达式是 21

s i n s i n v v =βα

式中α—入射角；

β—折射角；

V1、v2—分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的声速。

因为V1、v2对一定的介质是个固定值，所以随着入射角α的增大折射角β也增大，如在v2>v1的情况下，则β>α。当入射角增大到某一角度i 时，折射角达到90°，见图6-2(b)。此时，折射波将在第Ⅱ介质中以v2的速度沿界面传播，这种折射波在声波测井中叫滑行波。入射角i 叫临界角。

2声波速度测井

声波速度测井简称声速测井，测量滑行波通过地层传播的时差△t （声速的倒数，单位是μS/m)。是目前用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等的主要测井方法之一。它的下井仪器主要由声波脉冲发射器和声波接收器构成的声系以及电子线路组成。声系主要有三种类型，单发射双接收声系和双发射双接收及双发射四接收声系。

一、单发射双接收声速测井仪的测量原理

1．单发射双接收声速测并仪的简单介绍

这种下井仪器包括三个部分：声系、电子线路和隔声体，声系由一个发射换能器（发射探头）T 和两个接收换能器（接收探头）R1、R2组成。如图6-3所示。

电子线路用来提供脉冲电信号，触发发射换能器T 发射声波，接收换能器R1、R2接收声波信号，并转换成电信号。发射与接收换能器是由具有压电效应物理性质的锆钛酸铅陶瓷晶体制成。在脉冲电信号的作用下以其压电效应的逆效应产生声振动，发射声波；在声波信号的作用下，R 以其压电效应的正效应接收声波，形成电信号．待放大后经电缆送至地面仪器记录。

实际测井时，电子线路每隔一定的时间给发射换能器一次强的脉冲电流，使换能器晶体受到激发而产生振动，其振动频率由晶体的体积和形状所决定。目前，声速测井所用的晶体的固有振动频率为20 kHz 。

在下井仪器的外壳上有很多刻槽，称之为隔声体，用以防止发射换能器发射的声波经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量的干扰。

2．单发射双接收声速测井仪的测且原理

井下仪器的发射换能器晶体振动，引起周围介质的质点发生振动，产生向井内泥浆及岩层中传播的声波，由于泥浆的声速v1与地层的声速v2不同，v2＞v1，所以在泥浆和地层的界面（井壁）上将发生声波的反射和折射，由于发射换能器可在较大的角度范围内向外发射声波。因此，必有以临界角i方向入射到界面上的声波折射产生沿井壁在地层中传播的滑行波。由于泥浆与地层接触良好，滑行波传播使井壁地层质点振动（视为滑行波到达该点时的新振源），这必然引起泥浆质点的振动，在泥浆中传播，因此，在井中就可以用接收换能器R1、R2先后接收到滑行波，进而测量地层的声波速度。

此外，还有经过仪器外壳和泥浆传播到接收器的直达波和反射波，只要在仪器外壳上刻槽和适当选择较大的源距（发射换能器与接收换能器间的距离），就可以使滑行波首先到达接收换能器，声速测井仪就可以只接收记录与地层性质有关的滑行坡。图6-4给出的就是上述的井内声波传播的示意图。

发射换能器发射的声波以泥浆的纵波形式传到地层，地层受到应力的作用不仅会产生压缩形变，也会产生切变形变，因此地层中既有滑行纵波产生又有滑行横波产生。不论滑行纵波或滑行横波，在传播时都会引起泥浆质点的振动，以泥浆纵波、横波的形式分别为接收换能器所接收，只不过，地层滑行纵波最先到达接收器，较后到达的是地层滑行横波并迭加在滑行纵波的尾部上。图6-5给出了接收换能器接收到的波形图。声速测井测量的是滑行纵波。

如果发射换能器在某一时刻t。发射声波，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收换能

器，其传播路径如图6-6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R1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

(6-3)

如果在两个接收换能器之间的距离L(称之为间距）对着的井段井径没有明显变化且仪器居中，则可认为CE=DF，所以△T=CD/v2（=1/v2）。仪器的间距L是固定的（我国采用的间距等于0.5m），时间差△T的大小只随地层声速变化，所以△T的大小反映了地层声速的高低。声速测井实际上测量记录的是时差△t（声波传播lm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。记录点在两个接收换能器的中点，下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声速测井的时差曲线，图6-7给出了声速测井的时差曲线实例。声波时差的单位是μS/m，(1μS= 10-6S)。

二、影响时差曲线的主要因素

声波时差曲线主要反映地层的岩性、孔隙度和孔隙流体性质，但也受到其他一些因素的影响。

1．井径变化的影响

当井眼扩大时，在井眼扩大井段的上下界面处，时差曲线就会出现假的异常，如图6-8所示。这是由于当接收换能器R1进入井眼扩大部分而接收换能器R2仍在井眼扩大的下界面之下时，CE>DF，由式（6-3)可以知道时间差△T减小，所以在井眼扩大井段的下界面处

会出现声波测井时差曲线减小的假异常；在R1、R2均进入井眼扩大井段时，CE=DF，不会有异常出现；而当R1、R2跨井眼扩大的上界面时，DF>CE，由式（6-3)可知△T增大，所以在井眼扩大的井段的上界面处，将出现声速测井时差曲线增大的假异常。

在一些砂泥岩的分界面处，常常发生井径变化，砂岩一般缩径而泥岩扩径，因此在砂岩层的顶部（相当于井眼扩大井段的下界面）出现时差曲线减小的尖锋，砂岩层的底界面处〔相当于井眼扩大井段的上界面）出现时差曲线增大的尖锋。图6-9就是砂泥岩剖面井径变化对时差曲线影响的实例。显然，在时差曲线上取值时，要参考井径曲线，避开井径变化引起的时差曲线的假异常，以便正确取值。

2．地层厚度的影响

地层厚度的大小是相对声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层；小于间距的称为薄层。它们在声速测井时差曲线上的显示是有差别的。

(1)厚层图6-10(b)所示的地层，中间为速度较高的厚层石灰岩，上、下都是速度较低的页岩。声速测井测量的时差是R1、R2之间所对的地层的平均声波时差。当R1、R2都在石灰岩下界面之下时，测得的是页岩的声波时差。如果仪器由下部页岩向上测量，当R1刚好达到石灰岩下界面时，测得的时差仍是页岩的声波时差，相当于曲线的A点。当R2进入石灰岩R2仍在石灰岩下界面之下时，随着仪器上提R1和R2之间的石灰岩所占的比例逐渐增大而页岩逐渐减小，所以测得的声波时差逐渐减小，曲线由A点向B点变化。当R1和R2的中点正好到达石灰岩下界面时，R1、R2之间石灰岩和页岩所占的比例相等，测得的声波时差为页岩与石灰岩声波时差的平均值，这相当于曲线的I点。当R2正好到达石灰岩下界面时，相当于曲线的B点，此后，R1、R2均在石灰岩中，测得的数值为石灰岩的声波时差，即曲线的BC段，当R1进入上部页岩后，R1、R2中点正好处在灰岩的上界面时，测得的数值为页岩与石灰岩声波时差的平均值，相当于曲线上的I点。最后，R1和R2都在上部页岩中时，测得的均为页岩的声波时差，曲线为一直线。

综上所述厚层理论曲线特点如下：