声波测井（Sonic Logging）

2010年12月,声波测井（SonicLogging）,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,声波在不同介质中传播的声学特性有哪些？,声波测井可以分为几类？各举一个实例,什么是声波测井？,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。,声波速度,声波幅度,声波频率,声速测井（AC）,声幅测井（CBL）,声波频率测井（NL）,声波测井的分类,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,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,声波成像测井,声波测井的理论基础,1,声速类测井,2,声幅类测井,3,主要内容,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？,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。,岩石的弹性及弹性参数,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,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,一、岩石的静态弹性参数,岩石的弹性及弹性参数,一、岩石的静态弹性参数,岩石的弹性及弹性参数,物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。,Hook定律：,一、岩石的静态弹性参数,岩石的弹性及弹性参数,（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。,一、岩石的静态弹性参数,岩石的弹性及弹性参数,（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）,一、岩石的静态弹性参数,岩石的弹性及弹性参数,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,质点振动方向与传播方向垂直（剪切波、S波），边角发生变化,注意,地层：可传播纵波和横波,流体（气、液体）：只能传播纵波，不能传播横波。因为它的切变模量G=0,体积模量K不等于0的介质都可以传播纵波。,切变模量G不等于0的介质才能传播横波。,声波的传播特性,声速特性,声幅特性,频率特性,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：,同一介质传播特性,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,同一介质传播特性,结论2：岩石的声速是随密度的增大而增大,声速特性及影响因素,同一介质传播特性,声速特性及影响因素,结论3：孔隙度传播速度,同一介质传播特性,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。,声速特性及影响因素,同一介质传播特性,由上表可见，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。,同一介质传播特性,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。,频率特性,声波的频率特性是噪声测井的基础。,同一介质传播特性,声波在介质交界面上的传播规律折射与反射,声波在不同介质分界面上传播时，将产生反射和折射。,大学物理已经学习了，Snelllaw，看书复习，回答以下问题：,1、P波在两种介质中会产生哪些波？,2、S波能在液相和气相中传播吗？,3、产生滑行P波和滑行S波的条件是什么？,4、什么是第一和第二临界角,5、反射系数CR是什么，如何计算？,6、折射系数CT是什么，如何计算？,7、声阻抗是什么，如何计算？,8、声耦合率是什么，如何计算？,在上述四种声波中，反射纵波和反射横波没有进入介质内部，因此，这两种波的速度特性与介质无关，但其幅度特性能够反映出介质的表面特性。液相和气相介质中不能传播声波横波，因此测井时，当介质为井筒内流体，介质为地层时，井眼中传播的声波只有声波纵波。反射纵波的传播特性是各种评价井壁状况、监测套管表面特征的测井方法的基础。,1、声波在界面上的反射和折射,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,入射波P,反射波,折射波,P1,V1,V2,P2,S2,1,折射定律,Vp1Vp2190,1*第一临界角,滑行纵波,岩石的声学性质,Vp1Vs2290,折射定律,2*第二临界角,滑行横波,岩石的声学性质,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（CR、CT）,反射系数CR：,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CT：,结论1：两种介质性质越一致，折射波能量越强，能量易透过；两种介质性质差异越大，反射波能量越强，能量越不能透过。,结论2：当声藕合率趋于1时，声藕合好，反射系数小（反射能量小），折射系数大（折射能量大）。,声波在固液界面形成的两种波,斯通利波（Stoneleywaves）,瑞利波(Rayleighwaves),瑞利波(Rayleighwaves),图22瑞利波示意图,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。,声波在固液界面形成的两种波,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（Stoneleywaves）,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。,声波在固液界面形成的两种波,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,井眼中全波列的达到时间序列，P43图2-3，记住达到接收器的顺序,裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图,1.费马时间最小原理：,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。,2.惠更斯原理：,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,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。,让滑行纵波首先到达接收探头?,因反射波、泥浆波都只在泥浆中传播，V地V泥，如果合理选择源距可以使纵波首先到达接收探头而成为首波。,注意,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,声速测井原理,声速测井原理,单发双收声系,如果井径规则，则由AB=DF=CE,显然CD正好是仪器的间距(常数)，时差与声速成反比。（CD=35ft）,仪器,时差s/m,一条声波时差曲线AC或DT或t,输出测井曲线,(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,井径的影响,R1（处在CAL增加），R2（位于CAL正常）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。,影响声波时差曲线的因素,井径的影响,R2（处在CAL增加），R1（位于CAL正常）井段时，滑行波到达R2的时间增加，而到达R1的时间不变，因此时差增加。,影响声波时差曲线的因素,岩层厚度的影响,影响声波时差曲线的因素,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。,岩层厚度的影响,影响声波时差曲线的因素,薄层（hL间距）曲线受围岩影响大，高速地层的时差增加。,周波跳跃的影响,影响声波时差曲线的因素,产生的原因,如果在滑行首波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。,特点,时差值增加,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,周波跳跃的影响,影响声波时差曲线的因素,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。,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。其声系结构如图2-5所示(P44)。,声速测井原理,双发双收声系,图2-5BHC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:CR2CR2,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。,井眼补偿声速测井BHC,(a)某井段井眼补偿声波测井曲线,例1,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。,例2,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),长源距声波测井仪(LSS),源距为8ft和l0ft，或l0ft和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。,(c)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,根据声波曲线的周波跳跃,岩石体积物理模型,气层声波时差大于油层声波时差,不同岩性具有不同的声波速度P40表21,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,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P40（表2-1），P130,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=156s/m,无水硬石膏tma=164s/m,岩盐tma=220s/m,淡水tmf=620s/m,砂岩:tma=182s/m,白云岩tma=143s/m,盐水tmf=608s/m,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=tfs+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：313.4s/m，电阻率为10.m，tma=182s/m，tf=620s/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S1,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。,偶极子横波成像测井(DipoleShearSonicImager),问题的提出：,速度较低软地层或泥岩层无法测得横波的速度，计算岩层的动态弹性力学参数。由于其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。,偶极子声系的优点（上下两个声源）,实际上是通过对挠曲波的测量来计算地层Vs。,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。,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。,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个发射器和8个阵列接收器之间的不同组合，可以获得5种不同的工作模式。,输出曲线：,Vp，Vs，Vst，PR，AC，Acs等,1)地层纵波速度,2)