《地球物理测井》ch6.声波测井的物理基础.pdf

地球物理测井地球物理测井 主讲人 刘军锋主讲人 刘军锋 长江大学 地球物理与石油资源学院 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 声波测井 声波测井 Acoustic LogAcoustic Log 声波在不同介质中传声波在不同介质中传 播时 其速度 幅度衰减及频率变化等声学特性是不播时 其速度 幅度衰减及频率变化等声学特性是不 同的 声波测井即是通过研究声波在井下岩层和介质同的 声波测井即是通过研究声波在井下岩层和介质 中的传播特性 进而了解岩层地质特性和井的技术状中的传播特性 进而了解岩层地质特性和井的技术状 况 如固井质量 的一种测井方法 况 如固井质量 的一种测井方法 第6章 声波测井的物理基础 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 超声成像测井仪超声成像测井仪BHTVBHTV 二维图象描绘岩层或套管影像 解释二维图象描绘岩层或套管影像 解释 直观 直观 在裸眼井中 用于观测井壁岩层的裂在裸眼井中 用于观测井壁岩层的裂 缝 判别开口性裂缝或填充性裂纹 缝 判别开口性裂缝或填充性裂纹 在套管井中 应用于套管射孔 套管在套管井中 应用于套管射孔 套管 腐蚀与套管变形的精确测量 腐蚀与套管变形的精确测量 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 声波测井可用于裸眼井和套管井 声波测井可用于裸眼井和套管井 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 发展历程 发展历程 声波测井声波测井4040年代末年代末5050年代出现 先年代出现 先 后出现有 声速测井 声幅测井 井下后出现有 声速测井 声幅测井 井下 电视 长源距声波 变密度测井 井下电视 长源距声波 变密度测井 井下 声波电视声波电视BHTVBHTV 噪声测井 多极子阵列 噪声测井 多极子阵列 声波测井 井周声波成像测声波测井 井周声波成像测CBILCBIL 超声 超声 波井眼成像仪等波井眼成像仪等 特别是特别是声波测井与地震勘探声波测井与地震勘探的观测的观测 资料结合起来 在解决地下地质构造 资料结合起来 在解决地下地质构造 判断岩性 识别压力异常层位 探测和判断岩性 识别压力异常层位 探测和 评价裂缝 判断储集层中流体的性质方评价裂缝 判断储集层中流体的性质方 面 使声波测井成为结合测井和物探的面 使声波测井成为结合测井和物探的 纽带 有着良好的发展前景 纽带 有着良好的发展前景 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 发展历程 发展历程 仪仪 器器 发发 展展 2020世纪世纪3030和和4040年代 为了地震解释的需要最早进行了一些声速测井实验年代 为了地震解释的需要最早进行了一些声速测井实验 19351935年年SchlumbergerSchlumberger兄弟首次进行声波实验 用于辅助解释地震数据 兄弟首次进行声波实验 用于辅助解释地震数据 19541954年 地震仪器服务公司将年 地震仪器服务公司将CVLCVL 连续速度测井 投放市场 开始了商业化 连续速度测井 投放市场 开始了商业化 声波测井服务 我国于声波测井服务 我国于19651965年研制成单发双收测井仪 年研制成单发双收测井仪 单发双收测井仪开始使用后 先后经历了单发双收测井仪开始使用后 先后经历了MagnoliaMagnolia 木兰石油 木兰石油 MobilMobil 美 美 孚 的改进 孚 的改进 19551955年双发双收仪器出现 年双发双收仪器出现 19581958年正式投放市场 年正式投放市场 SCIISCII 2020世纪世纪7070年代末长源距声波全波列测井出现 年代末长源距声波全波列测井出现 2020世纪世纪8080年代中期阵列声波测井出现 年代中期阵列声波测井出现 2020世纪世纪9090年代末偶极子及多极子横波测井出现 以及井下声幅电视出现和井年代末偶极子及多极子横波测井出现 以及井下声幅电视出现和井 周声波成像方法的完善 周声波成像方法的完善 理理 论论 发发 展展 1956年 年 Wyllei时间平均公式提出 时间平均公式提出 1952年年Biot孔隙介质理论提出 孔隙介质理论提出 声波测井 声波测井理论理论70年代末发展起来年代末发展起来 弹性 孔隙介质 层状 横向 同性 弹性 孔隙介质 层状 横向 同性 从几何声学 理论声学 波动理论 通过数学分析 数值模拟 实验测量 从几何声学 理论声学 波动理论 通过数学分析 数值模拟 实验测量 使声波测井理论得到完善 使声波测井理论得到完善 模拟信号模拟信号 数字数字 成像 数字化成像 数字化 信息化信息化 成像化成像化 系列化 系列化 仪器的研制略超过方法理论的完善 即大致在理论方法指导下研制成功仪器 仪器的研制略超过方法理论的完善 即大致在理论方法指导下研制成功仪器 在测井资料前提下使方法完善 在测井资料前提下使方法完善 特特 点点 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 单发单发双收 单发单收双收 单发单收 时差 声幅 双双发双收发双收 纵波时差 长源距长源距声波全波列测井声波全波列测井 记录波形 想得到横波时差 阵列声波测井阵列声波测井 提高声噪比 硬地层横波和Stoneley波 偶极子偶极子及多极子横波测井及多极子横波测井 软地层横波速度 交叉交叉偶极子声波测井阵列偶极子声波测井阵列 用于研究地层的各向异性 低频低频StoneleyStoneley波测井波测井 与井眼连通裂缝的测量 远探测声波测井远探测声波测井 井眼附近裂缝和构造 高频声波成像测井高频声波成像测井 井周成像 固井质量 裂缝 产状 随钻声波测井 相控阵声波测井 震电测井随钻声波测井 相控阵声波测井 震电测井 发展历程 发展历程 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 研究方向和前沿 研究方向和前沿 研研 究究 方方 向向 声波测井理论声波测井理论2020世纪世纪7070年代末发展起来 年代末发展起来 5252年年BiotBiot孔隙介质理论 孔隙介质理论 1 井中波形理论数值模拟井中波形理论数值模拟 2 声波全波列信息提取及解释评价声波全波列信息提取及解释评价 3 孔隙介质声学及声波测井资料的地质解释研究孔隙介质声学及声波测井资料的地质解释研究 4 声脉冲发射成像测井及水泥胶结测井方法研究声脉冲发射成像测井及水泥胶结测井方法研究 5 偶极子及多极子横波测井研究偶极子及多极子横波测井研究 6 井间声波探测井及振电效应探测技术研究井间声波探测井及振电效应探测技术研究 1 对储层的认识及地层的声学模型对储层的认识及地层的声学模型 2 反演问题多解性反演问题多解性 地质约束 物理约束地质约束 物理约束 3 服务对象扩大 储层服务对象扩大 储层 非储层 非储层 4 联合反演联合反演 地质 地震 其它测井结合 地质 地震 其它测井结合 5 声频谱测井 频率谱 幅度 应力场 声频谱测井 频率谱 幅度 应力场 6 工程物探 生态环境工程物探 生态环境 研研 究究 前前 沿沿 波的正确认识 岩石物理 波动理论 波的正确认识 岩石物理 波动理论 信息提取 数字信信息提取 数字信 号处理 号处理 解释模型 地质 解释模型 地质 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 1 6 1 声波与声场声波与声场 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 6 4 6 4 声波测井换能器声波测井换能器 第6章 声波测井的物理基础 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 1 6 1 声波与声场声波与声场 一一 声波的概念声波的概念 声波是物质的一种运动形式 它由物质的声波是物质的一种运动形式 它由物质的机械振动机械振动产生 产生 通过质点间的相互作用将振动由近及远的传播 而质点与质通过质点间的相互作用将振动由近及远的传播 而质点与质 点有弹性相互联系着 它是一种点有弹性相互联系着 它是一种机械波机械波 与质点的位移 速 与质点的位移 速 度 密度和压强等力学参数有关 故声波在物质中的传播与度 密度和压强等力学参数有关 故声波在物质中的传播与 物质的弹性密切相关 物质的弹性密切相关 二二 声波参数 声波参数 质点振动的频率 质点振动的频率 声波测井使用的为声波测井使用的为2020 2MHz2MHz 声波传播的速度 由介质的性质决定 声波传播的速度 由介质的性质决定 声波的波长声波的波长 可听声可听声 声波测井的目的不同 采用的频率也不同 如 超声成像测井 0 5M 1 5MHz 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 1 6 1 声波与声场声波与声场 三三 声场 声场 存在声波的空间 存在声波的空间 四四 描述声场的物理量 描述声场的物理量 声压 声压 声波传播过程中的某一瞬时 由于声波传播在介质中声波传播过程中的某一瞬时 由于声波传播在介质中 造成的压力造成的压力 其实是压强其实是压强 用 用p p表示 单位为微帕 表示 单位为微帕 声功率 声功率 声波在某一单位时间内 沿其传播方向通过波阵面声波在某一单位时间内 沿其传播方向通过波阵面 所传递的能量 用所传递的能量 用W W表示 单位为瓦 表示 单位为瓦 w w 声强 声强 在声波传播的波阵面上 单位面积上声功率的大小 在声波传播的波阵面上 单位面积上声功率的大小 用用J J表示 单位为表示 单位为W mW m2 2 波的特性 波的特性 体波 纵波 横波 界面波 全反射波 伪瑞体波 纵波 横波 界面波 全反射波 伪瑞 利波 斯通利波 利波 斯通利波 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 1 6 1 声波与声场声波与声场 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 6 4 6 4 声波测井换能器声波测井换能器 第6章 声波测井的物理基础 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 弹性 弹性 物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力 物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力 物体分类 物体分类 弹性体 弹性体 受外力作用发生形变 外力取消后 恢复到原受外力作用发生形变 外力取消后 恢复到原 来状态的物体 来状态的物体 塑性体 塑性体 当外力取消后不能恢复其原始状态的物体 当外力取消后不能恢复其原始状态的物体 一个物体是弹性体还是塑性体 不仅和物体本身的性质有关 而且和物一个物体是弹性体还是塑性体 不仅和物体本身的性质有关 而且和物 体所处的环境有关 温度 压力等 及外力的特点 外力作用形式 时间体所处的环境有关 温度 压力等 及外力的特点 外力作用形式 时间 和大小 有关 一般说外力小 作用时间短 物体表现为弹性体 和大小 有关 一般说外力小 作用时间短 物体表现为弹性体 在在声波测井声波测井中 声源的能量很小 声波作用在岩石上的时中 声源的能量很小 声波作用在岩石上的时 间很短 故间很短 故岩石可当成弹性体岩石可当成弹性体 在岩石中传播的声波可认为 在岩石中传播的声波可认为 是弹性波 因此 可以是弹性波 因此 可以用弹性波在介质中的传播规律研究声用弹性波在介质中的传播规律研究声 波的传播特性波的传播特性 一一 弹性体弹性体 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 弹性力学的基本假设 弹性力学的基本假设 1 1 物体是连续的 物体是连续的 即描述物体弹性性质的力学参数及形即描述物体弹性性质的力学参数及形 变状态的物理量是空间的连续函数 变状态的物理量是空间的连续函数 2 2 物体是均匀的 物体是均匀的 即物体由同一类型的均匀材料组成 即物体由同一类型的均匀材料组成 在物体中任迁一个体积元 其物理 化学性质与整个物体的在物体中任迁一个体积元 其物理 化学性质与整个物体的 物理 化学性质相同 物理 化学性质相同 3 3 物体是各向同性的 物体是各向同性的 即物体的性质与方向无关 即物体的性质与方向无关 4 4 物体是完全线弹性的 物体是完全线弹性的 在弹性限度内 物体在外力作 在弹性限度内 物体在外力作 用下发生弹性形变 取消外力后物体恢复到初始状态 应力用下发生弹性形变 取消外力后物体恢复到初始状态 应力 与应变存在线性关系 并服从广义胡克定律 与应变存在线性关系 并服从广义胡克定律 满足以上基本假设条件的物体称为满足以上基本假设条件的物体称为理想的完全线弹性体理想的完全线弹性体 描述介质弹性性质的参数为常数 描述介质弹性性质的参数为常数 二二 岩石的弹性岩石的弹性 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 二二 岩石的弹性岩石的弹性 1 1 应力与 应力与应变应变 应力应力 作用在单位面积上的弹性内力 根据应力方向与作用面法作用在单位面积上的弹性内力 根据应力方向与作用面法 向的关系 应力分为 平行于体积元各面法向方向的应力称为向的关系 应力分为 平行于体积元各面法向方向的应力称为正正 应力应力 垂直于体积元各面法向方向的应用称为 垂直于体积元各面法向方向的应用称为切应力切应力 体形变 体形变 在外力作用下 若弹性体内的任意体积元发生体积变化 在外力作用下 若弹性体内的任意体积元发生体积变化 而边角关系不变的形变 体积元的各边边长的变化率称为而边角关系不变的形变 体积元的各边边长的变化率称为线应变线应变 剪切形变 剪切形变 在外力作用下 若仅体积元形状发生变化 而体积不在外力作用下 若仅体积元形状发生变化 而体积不 变 变 角应变 或切应变 角应变 或切应变 体积元的边角关系的变化 体积元的边角关系的变化 对于对于完全线弹性体完全线弹性体 正应力只与线应变有关 切应力只与切应变 正应力只与线应变有关 切应力只与切应变 有关 有关 Y X B A C D C D A B x 1 2 内力 内力 物体在外力作用下发生弹性形变物体在外力作用下发生弹性形变 的同时 在物体内部产生抵抗其形变的力 的同时 在物体内部产生抵抗其形变的力 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 二二 岩石的弹性岩石的弹性 岩石的弹性 岩石的弹性 声波以力的形式作用在岩石上 岩石的体积声波以力的形式作用在岩石上 岩石的体积 和形状会发生变化 当力去掉后岩石恢复原状的特性 描述和形状会发生变化 当力去掉后岩石恢复原状的特性 描述 岩石弹性的有以下几个量 岩石弹性的有以下几个量 2 弹性力学参数 弹性力学参数 杨氏模量 杨氏模量E 纵向伸长系数 应力与其应变之比 纵向伸长系数 应力与其应变之比 定义 弹性体发生单位线应变时 弹性体产生的应力大小 定义 弹性体发生单位线应变时 弹性体产生的应力大小 LFFF S E LSESL L HookHook定律定律 物理意义 物理意义 描描 述弹性体发生形述弹性体发生形 变的难易程度 变的难易程度 22 FLS Ekg cmdyn cm F S L L 作用力 分别为弹性体长度和横截面积 弹性体的杨氏模量 或 作用于单位面积上的力 称为应力 弹性体在力方向上的相对形变 称为应变 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 二二 岩石的弹性岩石的弹性 物理意义 物理意义 描述弹性体形状改变的物理量 描述弹性体形状改变的物理量 2 弹性力学参数 弹性力学参数 泊松比 泊松比 外力作用下 弹性体的横向应变与纵向应变之比 外力作用下 弹性体的横向应变与纵向应变之比 d d L L 弹性体的横向应变 单位 无量纲 纵向应变 体变模量体变模量K 弹性体受均匀静压力时 静压力与体应变之比 弹性体受均匀静压力时 静压力与体应变之比 2 F S Kkg cm V V 应力 单位 体应变 体应变也称膨胀率体应变也称膨胀率 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 二二 岩石的弹性岩石的弹性 2 弹性力学参数 弹性力学参数 切变模量 切变模量 定义 弹性体在发生单位角应变时所需的剪切应力的大小 定义 弹性体在发生单位角应变时所需的剪切应力的大小 切应变 弹性体的形状改变而体积未发生变化 切应变 弹性体的形状改变而体积未发生变化 G 或 l tg d l tg d 切变角 当 很小时 F S 拉梅系数拉梅系数 表征应力应变方向一致和互相垂直的两个系数 表征应力应变方向一致和互相垂直的两个系数 2 3 K 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab E K G 21 1 E GK 3 2 1 2 E G E 23 E GK KG 3 9 2 GK GK 26 23 K 3 2 21 3 E K G 1 2 E G 弹性常数之间的转换关系表弹性常数之间的转换关系表 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 1 6 1 声波与声场声波与声场 6 2 6 2 岩石的声学特性岩石的声学特性 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 6 4 6 4 声波测井换能器声波测井换能器 第6章 声波测井的物理基础 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 一一 声波在岩石中的传播特性 声波在岩石中的传播特性 声波速度 声波速度 声波在介质中的传播是质点振动状态的传播 振声波在介质中的传播是质点振动状态的传播 振 动状态的传播速度 动状态的传播速度 纵波 压缩波或纵波 压缩波或P P波 波 介质质点的振动方向和波的传播介质质点的振动方向和波的传播方向方向 一致一致的波 特点 弹性体的小体积元体积改变 而边角关系不的波 特点 弹性体的小体积元体积改变 而边角关系不 变 体变模量不等于变 体变模量不等于0 0的介质均可传播纵波 的介质均可传播纵波 横波 剪切波或横波 剪切波或S S波 波 介质质点的振动方向和波的传播介质质点的振动方向和波的传播方向方向 垂直垂直的波 特点 弹性体的小体积元体积不变 而边角关系发的波 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 切变变量不等于生变化 例 切变波 切变变量不等于0 0的介质才能传播横波 的介质才能传播横波 纵波传播 纵波传播 气体 液体和固体 气体 液体和固体 横波 横波 气 液体中气 液体中不传播不传播 纵波 横波都能在井中地层传播 但泥浆中纵波 横波都能在井中地层传播 但泥浆中 切变模量为切变模量为0 0 只只 能传播纵波能传播纵波 声波在介质中的传播特性 声波在介质中的传播特性 声速 声幅和频率特性 声速 声幅和频率特性 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 纵波纵波 弹性体质点的振动方向与波的传播方向一致 在波动弹性体质点的振动方向与波的传播方向一致 在波动 过程中质点的排列会出现过程中质点的排列会出现稀疏和密集稀疏和密集的现象 的现象 横波横波 弹性体质点的振动方向与波的传播方向垂直 在波动弹性体质点的振动方向与波的传播方向垂直 在波动 过程中质点仍是过程中质点仍是均匀排列均匀排列 仅发生 仅发生横向错动横向错动 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab E 杨氏模量 泊松比 介质密度 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 一一 声波在岩石中的传播特性 声波在岩石中的传播特性 1 1 声速 声速 2 1 1 1 2 1 2 1 P S E V E V 纵波速度纵波速度 横波速度横波速度 纵横波比纵横波比 22 1 1 2 p s V r V 因大多数岩石的泊松比为因大多数岩石的泊松比为0 250 25 故岩石中的纵横波比约为 故岩石中的纵横波比约为 1 731 73 可见 岩石中传播的 可见 岩石中传播的纵波比横波速度快纵波比横波速度快 一般 岩石的 一般 岩石的 密度越大 传播速度越快 反之亦然 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 在声速测井中 纵波是首波 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 一一 声波在岩石中的传播特性 声波在岩石中的传播特性 2 2 影响岩石声速的因素 影响岩石声速的因素 岩性 主要因素 声速与介质密度及弹性的关系 岩性 主要因素 声速与介质密度及弹性的关系 孔隙度 孔隙度 地质年代 相同条件下地质年代 相同条件下 厚度 岩性厚度 岩性 岩层埋藏深度 岩性 地质年代相同 岩层埋藏深度 岩性 地质年代相同 V VV 老新 hV 岩石岩石 103kg m3 E 109N m2 Vp m s 玄武岩玄武岩 2 722 72 68 568 5 0 3060 306 59305930 石灰岩石灰岩 2 702 70 57 957 9 0 3130 313 61306130 石膏石膏 2 232 23 35 335 3 0 3380 338 47904790 石英石英 2 652 65 7575 0 170 17 53705370 页岩页岩 2 252 25 24392439 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 流体介质流体介质 密度密度 103kg m3 声速声速 VP m s 石油石油 0 8 0 89 1070 1320 水水 1 0 1483 甲烷甲烷 0 657 10 3 430 乙烷乙烷 1 9 10 3 248 地质年代地质年代 岩性岩性 声速声速 VP m s 新第三系新第三系 泥岩泥岩 1600 1700 上白垩系上白垩系 泥岩泥岩 1900 2000 下白垩系下白垩系 泥岩泥岩 2000 2400 中下侏罗系中下侏罗系 泥岩泥岩 2500 3000 不同地质年代泥岩地层的声速不同地质年代泥岩地层的声速 不同流体介质声速不同流体介质声速 0 0 10001000 20002000 30003000 40004000 50005000 60006000 70007000 80008000 0 05 5101015152020252530303535404045455050 P MPa P MPa VP m s VP m s No 1037 25C No 1037 25C No 1037 120C No 1037 120C No 1081 25C No 1081 25C No 1081 120C No 1081 120C 不同压力 温度下岩石速度变化不同压力 温度下岩石速度变化 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 一一 声波在岩石中的传播特性 声波在岩石中的传播特性 2 2 影响岩石声速的因素 影响岩石声速的因素 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 岩心速度与含气饱和度的关系岩心速度与含气饱和度的关系 纵波纵波 纵波纵波 横横波波 横波横波 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 一一 声波在岩石中的传播特性 声波在岩石中的传播特性 3 3 岩石的声波幅度 岩石的声波幅度 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 因内摩擦等原因 造成声波能量大小 声波在介质中传播时 因内摩擦等原因 造成声波能量 的衰减 声幅降低 对于平面波 其的衰减 声幅降低 对于平面波 其声波的幅度随传播距离呈声波的幅度随传播距离呈 指数规律衰减指数规律衰减 0 0 0 KY AA e AY AY K 离开振源距离为 时的声波幅度 时的声波幅度 介质的吸收系数 与介质的性质和声波的频率有关 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 1 1 声波在井壁上的反射与折射 声波在井壁上的反射与折射 声波测井中 一般在作定性分析时 大多声波测井中 一般在作定性分析时 大多采用射线声学理论或几何采用射线声学理论或几何 声学理论声学理论 射线声学对于了解声波在井内传播的路径和走时是非常有用 射线声学对于了解声波在井内传播的路径和走时是非常有用 的 但是 射线声学理论是波动理论的一种近似 声波波长与模型的几的 但是 射线声学理论是波动理论的一种近似 声波波长与模型的几 何尺寸相比非常小时才适用 在实际声波测井中 当声源的发射主频为何尺寸相比非常小时才适用 在实际声波测井中 当声源的发射主频为 20kHz20kHz或更低时 若井内流体波速为或更低时 若井内流体波速为1500m s 1500m s 则声波的最小波长为则声波的最小波长为0 075m 0 075m 而井半径一般为而井半径一般为0 1m0 1m 由此可见 由此可见 射线理论并不能完全适用于声波测井射线理论并不能完全适用于声波测井 因而也不能完全解释井内所传播的所有波型 因而也不能完全解释井内所传播的所有波型 费马原理 费马原理 声波或光波沿着费时最短的最小路径传播 声波或光波沿着费时最短的最小路径传播 惠更斯原理 惠更斯原理 介质中波所传播到的各点都可以看成新的子波源 子波是介质中波所传播到的各点都可以看成新的子波源 子波是 以所在介质的声波速度传播的 新的波前就是由这些子波相互叠加而形成以所在介质的声波速度传播的 新的波前就是由这些子波相互叠加而形成 的 这些子波所形成的包络决定了新的波前 用途 已知波前求后来时刻的 这些子波所形成的包络决定了新的波前 用途 已知波前求后来时刻 的波前 的波前 斯奈尔定律 斯奈尔定律 入射波 反射波和透射波沿分界面视速度相等 入射波 反射波和透射波沿分界面视速度相等 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 1 1 声波在井壁上的反射与折射 声波在井壁上的反射与折射 11 11 11 1111 22 22 sin sin sinsin sinsin PPSS PSPS V V VV VV VV 反射 折射 由则 在两种介质界面上 声波传播符合在两种介质界面上 声波传播符合 斯奈尔定律斯奈尔定律 沿界面视速度相等沿界面视速度相等 速度大速度大 角度大角度大 V V1 1 V V1 1 V Vs s V Vp p 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 不考虑声波传播过程的各种衰减时 声波发生反射和折射能量的分配取决 于泥浆和井壁两种介质的声阻抗值大 小及入射角和折射角的关系 当不考 虑折射横波时 能流 功率 反射系 数和折射系数表示为 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 1 1 声波在井壁上的反射与折射 声波在井壁上的反射与折射 2 2112 2112 2112 2 2112 coscos coscos 4coscos coscos P P P P ZZ ZZ Z Z ZZ 反射系数 折射或透射系数 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 1 1 声波在井壁上的反射与折射 声波在井壁上的反射与折射 各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中传播各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质中传播 时能量的耦合状况来研究和评价固井状况的 时能量的耦合状况来研究和评价固井状况的 波阻抗 波阻抗 波的传播速度波的传播速度 介质的密度介质的密度 ZV 声耦合率 声耦合率 两种介质的声阻抗之比 两种介质的声阻抗之比 Z Z1 1 Z Z2 2 12 12 1 2 1 12 ZZ ZZ 越大或越小 声耦合越差 大 小 声波不易从介质1传到介质2中 越接近 声耦合越好 小 大 声波易从介质 传到介质 中 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 2 2 井内传播的波 井内传播的波 直达波和反射波 滑行波 全反射波 直达波和反射波 滑行波 全反射波 滑行纵波 滑行纵波 折射纵波沿井壁岩层传播折射纵波沿井壁岩层传播 111 12 2 sin arcsin 90 sin P PPP VV VV 当 滑行横波 滑行横波 折射横波沿井壁岩层传播折射横波沿井壁岩层传播 此时入射角为此时入射角为第二临界角第二临界角 在产生滑行纵波和滑行横波后 其逆过程也成立 在产生滑行纵波和滑行横波后 其逆过程也成立 此时入射角为此时入射角为第一临界角第一临界角 1 1 arcsin P P V V 111 22 2 sin arcsin 90 sin s ssS VV VV 当 2 arcsin 1 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 某些地层纵 横波速度和临界角某些地层纵 横波速度和临界角 V Vf f 1600m s 1600m s 1 2g cm 1 2g cm3 3 地地 层层 Vp m s Vs m s 第一第一临界临界角角 度度 第第二二临界临界角角 度度 泥泥 岩岩 1800 950 62 44 砂砂岩岩 1 2630 1518 37 28 砂岩砂岩 2 3850 2300 24 33 44 05 砂岩砂岩 3 5500 3200 16 55 30 石灰石灰岩岩 7000 3700 13 13 25 37 白云岩白云岩 7900 4400 11 41 21 19 钢钢 管管 5400 3100 17 14 31 04 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 第第6 6章章 声波测井的物理基础声波测井的物理基础 2014 Yangtze University Production Logging Lab 6 3 6 3 声波的传播特性声波的传播特性 二二 声波在介质界面上的传播特性声波在介质界面上的传播特性 2 2 井内传播的波 井内传播的波 井壁固液界面井壁固液界面 瑞利波 瑞利波 井壁泥浆的交界面上产生的类似于水波的面波 与横井壁泥浆的交界面上产生的类似于水波的面波 与横 波混在一起不易区分 波混在一起不易区分 特点 特点 1 1 产生在弹性介质的自由表面产生在弹性介质的自由表面 2 2 质点运动轨迹为椭圆质点运动轨迹为椭圆 3 3 质点运动方向相对于波的传播方向是倒卷的 波速约为横波质点运动方向相对于波的传播方向是倒卷的 波速约为横波 的的8080 90 90 斯通利波 斯通利波 由在泥浆中传播的纵波与在井壁中传播的横波相干由在泥浆中传播的纵波与在井壁中传播的横波相干 产生的相干波 速度很低且可用于计算地层渗透率 产生的相干波 速度很低且可用于计算地层渗透率 特点 特点 1 1 由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生 由井壁地层横波和钻井液中纵波相干产生 2 2 对地对地 层渗透性变化敏感层渗透性变化敏感 3 3 低速 速度小于在钻井液中传播的直达