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第二章 声波测井 （sonic logging）,资源与环境学院,程 超,一、地层的地球物理特性,二、阿尔奇公式,地层因素（f）,电阻率增大倍数（i）,7个声学特性,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。,声波测井（sonic logging）,声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井,声波测井发展概况,声波测井资料的主要用途,声波测井方法分类,声波测井（sonic logging）,声波测井的分类及用途,声波速度测井 ac，lss，dsi,测声速，计算地层孔隙度、岩石力学参数、地应力和地层压力,声 幅 测井 cbl，vdl，sbt，cet，pet，bhtv，cbil，usi,测声幅，研究固井质量, 观察井壁情况、裂缝和套损,噪声测井 nl,测声波频率，研究油井串槽和井下流体的流动情况,本章主要内容, 1.声波测井的理论基础 2.声波速度测井 3.声波幅度测井,1.声波测井的理论基础,岩石的弹性 声波在岩石中的传播特性 声波在介质界面上的传播特性,岩石的弹性 声波在岩石中的传播特性 声波在介质界面上的传播特性,声波是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。,机械振动的传播是靠质点与质点间的弹性作用进行的。所以声波在介质中的传播速度和幅度与弹性体的弹性密切相关。,什么叫声波？,一、岩石的弹性及弹性参数,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 。,弹性体：是指受外力作用发生形变，外力取消后，恢复到原来状态的物体 。,塑性体：是指当外力取消后不能恢复其原始状态的物体。,物体弹性的影响因素：,物体本身的特性；,对物体施加的外力；,超 过 弹 性 限 度,作 用 时 间 长,一、岩石的弹性及弹性参数,声波测井中，声源能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，岩石可以当成弹性体，其弹性可用弹性参数来描述。,说 明,弹性参数,杨氏模量e,体积模量k,切变模量g,泊松比,抗压强度c、抗张强度t、抗剪强度等,常见岩石的弹性模量参见p95表2-1,岩石的静态弹性参数,物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。,hook定律：,（外力作用下，弹性体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）,物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。,（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,在剪切力ft的作用下，弹性体将发生切应变，即弹性体的形状改变而体积未发生变化。,切变角 （相对切变） （剪切变）,g,切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。,声波的分类（按照频率和传播方式）,目前声波测井采用的声源频率为20hz2mhz,声波的分类（按照频率和传播方式）,纵波：,横波：,质点振动方向与传播方向一致（压缩波、p波），边角不发生变化。体积模量不等于零的介质都可以传播纵波。,质点振动方向与传播方向垂直（剪切波、s波），边角发生变化，例：切变波。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。,注 意,在井下，纵波和横波都能在地层传播，而泥浆中只能传播纵波。,横波不能在流体（气、液体）中传播，因为它的切变模量=0,纵波可以在气体、液体和固体中传播。,声速特性,声幅特性,频率特性,二、声波在岩石中的传播特性,介质传播纵波和横波的传播速度vp， vs 与介质的弹性参数和密度大小有关，其关系式如下：,声速特性及影响因素,声速特性及影响因素,结论1：由于大多数岩石的泊松比为0.25，所以在岩石中的纵横波速度之比约为1.73，在岩石中纵波的传播速度比横波大。也正因为如此，在普通的声波测井中纵波总是先于横波到达接收探头，成为首波。,同一介质中，纵横波速度比：,声速特性及影响因素,结论2：岩石的声速是随密度的增大而增大,结论3：孔隙度 传播速度,声速特性及影响因素,结论4：对沉积岩来说，声速除与上述基本因素有关外，还与岩性，岩石矿物成分、孔隙结构及地层的埋藏深度，地质时代有关。,厚度、岩性相同，岩层越老，则传播速度越快,埋深增加导致传播速度增加,p96表2-2,常见岩石及某些物质纵波传播速度（或传播时差）,不同岩石、不同性质流体的纵波速度是不同的，因此，通过测量声波在地层中的传播速度，可以研究地层及其孔隙流体的性质。声波的速度特性是声波时差测井等声速类测井方法的基础。,声幅特性,声波的能量与其幅度的平方成正比。声幅的高低反映声能的大小。声波在介质中传播时，介质要吸收声能，使声幅衰减，其衰减规律为：,式中 j0初始声强（单位面积上的声功率）； 声波经 l 距离后的声强； 介质的吸收系数。,介质的吸收系数随介质的密度和声速减小而增大，随声波频率增高而增大。,岩石的密度越小，对声能吸收越强，单位距离的声幅衰减越大；,声波的幅度特性是井下超声电视、水泥胶结测井等声幅类测井方法的基础。,声波频率越高，声幅衰减也越大。,声波的频率特性是噪声测井的基础。,频率特性,声波在不同介质分界面上传播时，将产生反射和折射。,三、声波在介质交界面上的传播特性,1、声波在界面上的反射和折射,折射定律,vp1vp2 190,1*第一临界角,滑行纵波,1、声波在界面上的反射和折射,vp1vs2 290,折射定律,2*第二临界角,滑行横波,在产生滑行纵波和滑行横波以后，其逆过程也成立。,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。,常见介质的纵横波速度及第一第二临界角,2、反射和折射系数（r、t）,反射系数r：,1 、2分别为介质、的密度,v1 、v2分别为介质、的纵波速度,反射波的能量er与入射波的能量ei之比。,折射波的能量et入射波的能量ei之比。,折射系数t：,3.波阻抗、声耦合率,1）波阻抗,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。,各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中传播时能量的藕合状况来研究和评价固井状况的。,4.井壁固液界面产生的两种波,斯通利波（stoneley waves）,瑞利波(rayleigh waves),瑞利波(rayleigh waves),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，如图22所示。,瑞利波示意图,瑞利波具有以下特点：,(1)产生在弹性介质的自由表面；,(3) 波速约为横波波速的8090。,(2)质点运动轨迹为椭圆，相对于波的传播方向是倒卷；,在声波全波列测井接收器接收到的全波波形图上，瑞利波和横波一般混在一起，不易区分。,斯通利波（stoneley waves）,斯通利波是由在钻井液中传播的纵波与在井壁地层中传播的横波相干产生的相干波。,2.对地层渗透性变化敏感,斯通利波具有以下特点：,1.由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生,在声波测井全波列图上，斯通利波是传播速度最低的声波。,3.低速，速度小于在钻井液中传播的泥浆直达波,井眼中达到接收器全波列的达到时间序列:,裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图,2.声波时差测井,1.费马时间最小原理：,2.惠更斯原理：,声波在一般介质中传播时，所经过的任意两点的传播路径满足所用时间最小的传播条件。,介质中波所传播到的各点都可以看成新的波源，称为子波源；可以认为每个子波源都可以向各个方向发出微弱的波，称为子波；这种子波是以所在介质的声波速度传播。,仪器组成：声系，声波（脉冲）发射器和声波接收器 测量信号：滑行波通过地层传播的时差t 仪器类型：单发双收、双发双收、双发四收,时差：声波速度/时差测井是测量滑行波穿越地层单位长度时所用的时间，即时差t，单位是us/m或us/ft。,井眼补偿声波测井仪,长源距声波测井仪,ac，acoustic,dt,仪器类型,一、单发双收的测量原理,r：接收探头 声能转化为电能,t：发射探头 电能转化为声能,井下传播的波：,折射纵波（滑行波）；,一次或多次反射纵波；,流体直达波（泥浆波）；,折射横波。,t 产生声波(f = 20khz),泥浆(v1),地层(v2),v2v1,在井壁处折射产生滑行波,滑行波到达r,完成声波速度测量,单发单收声系,声速测井原理,单发双收声系,t 产生声波(f = 20khz),泥浆(v1),地层(v2),v2v1,在井壁处折射产生滑行波,滑行波先后到达到达r1和r2,完成声波速度测量,t=t2-t1=,如果井径规则，则ab=df=ce，上式为：,显然：cd正好是仪器的间距（常数），时差与声速成反比。,时差的单位：s/m,4、时差的表达式,时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间。,5、输出的测井曲线,输出一条声波时差曲线,时差 s/m,气水同层,气层,三、声波时差曲线的影响因素,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。,1.井径的影响, 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。,r1位于正常或缩小井段，r2位于井径扩大井段，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。,当r1和r2都处于井径扩大或缩小井段时，t1、t2同时增加或下降，时差不变。,2.岩层厚度的影响,（1）厚层（hl间距),曲线的半幅点为层界面,曲线幅度的峰值为时差。,（2）薄层（ hl间距）曲线受围岩的影响大，高速地层的时差增加，用半幅点确定的层界面（视厚度)岩层的真实厚度。,间距,间距,3 、周波跳跃的影响,（1） 产生的原因,由于滑行首波在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。,（2）周波跳跃的特点,时差值大大增加,且呈周期性的跳跃,含气的 疏松砂岩,裂缝性 地层,泥浆气侵,产生周波跳跃 的各种情况,破碎带,在现场解释中周波跳跃往往可以作为气层或裂缝带的特征。,(1) 如果井眼不规则，测量结果误差较大;,单发双收存在的缺陷?,(2) 单发双收声系存在深度误差。,思考,四、井眼补偿声速测井(bhc),为了消除深度误差及井径不规则所引起的误差。人们一般利用双发双收声系。,井眼补偿声速测井bhc,井眼不规则时，有:,从图中所知:cr2br1,井眼补偿声速测井bhc,井眼不规则时，有:,t1,r1,r2,t2,a,b,e,c,从图中所知:er1cr2,平均后的补偿声波时差值基本消除了井眼等影响、同时消除了深度误差。,例,bhc声系的缺点：,1)井径很大；,2)井周围泥岩发生蚀变时，一些非固结和永冻地层中径向声速发生变化。,长源距声波测井仪(lss),某井段井眼补偿声波测井曲线,例,左图为井眼补偿声波测井曲线的示例。由图可见，该井段储集层与非储集层的声波时差测井值差别不大；,但参照井径曲线可以发现，在井壁发生垮塌的井段，声波时差急剧增大。因此，声波时差测井受井径变化影响明显。,五、长源距声波测井(lss),发射器到接收器的距离为8ft、10ft、12ft,特点：与bhc相比，lss探测半径大得多，测量的是离开井壁较远的地层的声波传播时间。因此，长源距声波测井仪能够测出不受钻井液泥浆侵入、松弛破坏和井径扩大等影响的结果。如果不考虑散射问题，它测得的速度完全可以与地震记录的速度对比。,p105 图2-13 lls和bhc的对比曲线,lss和bhc声波曲线的比较,声速测井曲线应用,判断气层、油气界面、气水界面,计算孔隙度,判断裂缝发育带,划分岩性,合成地震记录、计算岩石力学参数,判断气层、油气界面、气水界面,气层声波时差大于油层声波时差,a、疏松气层声波周波跳跃,v水v油v气,气层,（在高孔隙和侵入不深的条件下能识别气层）,b、一般气层声波时差增大,判别岩性,由于不同岩性地层具有不同的声速，因此可以用时差划分地层。参看p229图6-6,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,ac值：云岩灰岩砂岩泥岩 请看下列几种岩石的声波骨架时差,灰岩tma=156 s/m,无水硬石膏 tma=164 s/m,岩盐 tma=220 s/m,淡水 tmf=620 s/m,砂岩:tma=182 s/m,白云岩 tma=143 s/m,盐水tmf=608 s/m,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。 p101图2-8。,计算孔隙度,1) 岩石体积物理模型,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。,测井参数总体积=测井参数相应体积,例如 b= f + ma （1- ）,用时差求孔隙度的公式,固结压实的纯地层,t= tf s+ tma （1- ）,（威利公式）,已知一淡水泥浆井中，某固结压实的砂岩层时差为：313.4 s/m ，电阻率为10.m， tma=182 s/m ， tf =620 s/m，并已知rw= 0.1.m，a=b=1，m=n=2。,例,求该地层的、sw、判别流体性质?,代入各参数： s=30%=0.3,代入archie公式，sw=0.333 因为sw0.4， so=1-sw=67.7%，所以该层的流体性质是油气层,固结压实的泥质地层,根据岩石体积物理模型有: t= tsh*vsh+ tf* + tma *(1-vsh- ),非均匀孔隙地层,用次生孔隙指数来反映地层的裂缝发育情况。次生孔隙指数= n - s 原生孔隙度 s 总孔隙度t 通常情况下:用s表示原生孔隙度,疏松砂岩类,e= s /cp, cp(压实系数)， 固结压实地层cp=1,否则cp1,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是固结压实纯泥岩的时差。,声波地层因素公式,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,1.问题的提出,速度较低的软地层或泥岩层无法测得横波的速度，计算岩层的动态参数。由于软地层的横波速度小于泥浆速度，不能满足第二临界角的条件，井壁上无法产生滑行横波，此时用长短源距补偿声波测井不能测到滑行横波。,六、偶极子横波成像测井 (dipole shear sonic imager) （dsi）,2、偶极子声系的优点（上下两个声源）,偶极子发射器或接收器声系可以不受硬软地层限制测量地层横波速度。偶极子声源在井中激发的声波是沿井眼附近地层传播的一种扰曲波，好象使井眼弯曲传播的波，不论地层的软硬都可以激发，并且偶极接收器能接收到它的信号。,实际上是通过对挠曲波的测量来计算地层vs。,偶极横波成像测井仪器,偶极横波成像测井仪分为发射器、接收器和数据采集三部分。,dsi把单极和（交叉）偶极声波技术结合起来，dsi仪器有8个阵列接收器、一个单极发射器和两个偶极发射器，能精确地进行各种地层（包括慢速地层）的横波测量。,3.偶极子声系,接收：8个彼此相距6in的接收器，测站由互成45的接收器组成阵列接收单元。,根据3个发