地球物理测＃（第二章）声波测井

1、地 球 物 理 测 井,第二章 声波测井,心胸有多大，事业就有多大 包容有多少，拥有就有多少,地球物理测井声波测井,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。,目前主要有以下几种声波测井方法：,声波时差测井（计算地层孔隙度和力学参数）,水泥胶结测井CBL（研究固井质量）,噪声测井（研究油井串槽和油气水流动情况）,超声电视BHTV（观察井壁情况和裂缝）,声速类测井,声幅类测井,声波变密度测井VDL（观察井壁情况和裂缝）,声波频率特性类测井,声波测井既可应用于裸眼井，也可应用于套管井测井,方位声波成像测井 偶极横波成像测井 井周声波成像

2、测井 超声波成像测井,声波成像测井,岩石的声学性质,是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。 目前声波测井使用的频率为20Hz2MHz。,声 波,20HZ 频率 20KHZ,次声波,频率 20HZ,超声波,频率 20KHZ,什么叫声波？,岩石的声学性质,一、岩石的弹性及弹性参数,是指物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力。,1、弹性,2、物体的分类,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性体，在岩石中传播的声波可以被认为是弹性波。,岩石的声学性质,3、描述弹性体的参数,（1）杨氏模量E(定义为应力与其应变之比),F作用外力； l、s

3、分别为弹性体长度、横截面积； E弹性体的杨氏模量，kg/cm2或dyn/cm2,F/S为作用于单位面积上的力，称为应力。 为弹性体在力方向上的相对形变，称为应变。,物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。,Hook定律：,岩石的声学性质,（2）泊松比（定义为外力作用下，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。,（3） 体积弹性模量 K （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,（4）切变模量（）,切应变：弹性体的形状改变而体积

4、未发生变化。,：切变角,tg =l/d,当很小时，tg = l/d,岩石的声学性质,切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。,= 切应力/切应变 =（Ft/s）/ = （Ft/s）/l/d,剪切模量是弹性体在剪切力Ft作用下，切应力（Ft/s）与剪切变之比。,岩石的声学性质,常见岩石的弹性模量参见P86表6-1,岩石的声学性质,二、声波在岩石中的传播特性,1、纵波、横波的定义,纵波（压缩波或P波）：,横波（剪切波或S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。体积模量不等于零的介质都可以传播纵波。,介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特点：弹性

5、体的小体积元体积不变，而边角关系发生变化，例：切变波。剪切模量不等于零的介质才能传播横波。,岩石的声学性质,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。,注意,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。,岩石的声学性质,2、岩石的声速特性,声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。,纵波速度,横波速度,E杨氏模量,泊松比,介质密度,岩石的声学性质,常见岩石及某些物质纵波传播速度（或传播时差）见P87表6-2,纵横波比,由于大多数岩石的泊松比等于0.25，所以岩石的纵横波速度比为1.73。可见，岩石中传播的纵波比横波速度快。一般

6、，岩石的密度越大，传播速度越快，反之亦然。,在声速测井中，纵波是首波。,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,1,2,入射波P,反射波,折射波,P1,S1,V1,V2,P2,S2,1,折射定律,Vp1Vp2 190,1*第一临界角,滑行纵波,岩石的声学性质,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。,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

7、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,R= WR/W= （2V2- 1 V1）/ （2V2+ 1 V1）,反射波的能量WR与入射波的能量W之比。,折射波的能量WT入射波的能量W之比。,T = WT/ W =21 V1/ （2V2+ 1 V1）,折射系数T：,岩石的声学性质,岩石的声学性质,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

8、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。,岩石的声学性质,4.井壁固液界面产生的两种波,A. 瑞利波（井壁泥浆的交界面上产生的波，与横波混在一起不易区分。）,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(Rayleigh waves)如图所示，瑞利波具有以下特点： (1)产生在弹性介质的自由表面。 (2)质点运动轨迹为椭圆。 (3)质点运动方向相对于波的传播方向是倒卷的，波速约为横波波速的8090。,瑞利波示意图,B. 斯通利波（Stoneley waves）由在泥

9、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。,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。 （2）对地层渗透性变化敏感。 （3）低速，速度小于在钻井液中传播的直达波。 在声波测井全波列图上，斯通利波是传播速度最低的声波。,岩石的声学性质,裸眼井声波测井接收器收到的全波列示意图,声速测井（声时差测井）,声时差测井测量声波通过井下单位厚度岩层的传播时间，即时差t（s/m），由于时差的倒数就是声速v（m/s），因此又叫声速测井。,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,声速测井（声时差测井）,

10、1、产生滑行波的条件 V地层 V泥浆 产生滑行波的过程是可逆的,2、到达接收探头的波类,折射纵波,泥浆波（直达波）,反射波,3、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地大于V泥，如果合理选择源距可以使滑行纵波首先到达接收探头，而成其为首波。,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,声速测井（声时差测井）,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,声速测井（声时差测井）,时差 s/m,气层厚层,气水同层,气层,纵

11、波速度,横波速度, ，E增加， Vp增加,岩性不同 弹性模量不同 VP、VS的影响不同 VP、VS 不同,二、岩石的声速特性及影响因素,1、VP、VS与 、 、E间的关系,声速测井（声时差测井）,2、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 传播速度,3、岩层的地质时代的影响,实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播速度越快。,声速测井（声时差测井）,4、岩层的埋藏深度,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。,声速测井（声时差测井）,三、声波时差曲线的影响因素,声波时差曲线反映

12、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。,声速测井（声时差测井）,声速测井（声时差测井）,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

13、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,声速测井（声时差测井）,声速测井（声时差测井）,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,声速测井（声时差测井）,（3） 产生周波跳跃的各种情况,含气的疏松砂岩,泥浆气侵,裂缝性地层或破碎带,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。,地球物理测井声波测井,声速测井（声时差测井）,四、井眼补偿声速测井(BH

14、C),井眼不规则时,有:,T1,R1,R2,T2,A,B,E,C,从图中所知:CR2BR1,ER1CR2,声速测井（声时差测井）,声速测井（声时差测井）,井眼补偿声波时差：,消除井径变化产生的影响,井眼补偿声波测井由于源距短，只能在井眼直径较小的井中测得地层的声速，并且接收器收到的初至波是沿井壁传播的折射波。,说明,五、长源距声波测井(LSS),声速测井（声时差测井）,发射器到接收器的距离为8ft、10ft、12ft,（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。,以上两种情况是BHC无法解决的。,1、解决的问题,声速测井（声时差测井）,2、优点,时差不受

15、泥浆侵蚀或大井眼影响，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。,七、时差曲线的应用,1.判断气层、确定油气和气水界面,据流体密度和声速有：V水 V油 V气,在高孔隙和侵入不深的条件下能识别气层,其特征:,周波跳跃,高时差 30微秒/米,气层,声速测井（声时差测井）,2、划分地层 （确定地层的岩性）,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P95图6-18,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,砂岩的时差 泥岩的时差,声速测井（声时差测井）,白云岩: tma=143 s/m （43.5 s/ft）,无水硬石膏: tma=1

16、64 s/m （50 s/ft）,岩盐时差: tma=220 s/m,淡水: tmf=620 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。,砂岩的理论骨架时差:tma=182 s/m (硅质胶结),灰岩: tma=156 s/m （47.5 s/ft）,声速测井（声时差测井）,1m=3.28ft,声速测井（声时差测井）,3、计算孔隙度,（1） 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=

17、测井参数*相应体积,b= f*+ ma（1- ）,流体,骨架,纯岩石,声速测井（声时差测井）,（2）用时差求孔隙度的公式,t= tf *+ tma（1- ）,固结压实的纯地层,声速测井（声时差测井）,1）该层的孔隙度,2）该层的含水饱和度,3）确定该层的流体性质,代入各参数： s=30%=0.3,解： 1)根据已知条件可得：,例题：已知：一淡水泥浆井中，某固结压实的砂岩层的时差为：313.4 s/m ，电阻率为10m， tma=182 s/m ， tf =620 s/m，并已知RW= 0.1m，求：,代入参数求出： SW=33.3%,3)因为SW0.3,所以该层的流体性质是油气水同层, SO=

18、1-SW=66.7%,声速测井（声时差测井）,2)根据阿尔奇公式有：,疏松砂岩类,e= s /cp cp:压实校正系数,（固结压实地层cp=1,否则cp1）,cp的求法:,A:深度法,B:时差对比法,Cp= tsh / tshp tshp是固结压实泥岩的时差 tsh目的层附近的泥岩时差,声速测井（声时差测井）,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,固结压实泥质地层,根据体积物理模型有:,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

19、,原生孔隙 S 总孔隙度,通常情况下:用S表示原生孔隙度（声波测井反映原生孔隙度）,声速测井（声时差测井）,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,声速测井（声时差测井）,声速测井（声时差测井）,本节重点：,1、了解声波时差测井的基本原理 2、熟悉常见岩石骨架声波时差值及大小关系 3、掌握声波时差曲线的应用（识别气层、计算地层孔隙度等）,声幅测井,裸眼井的声幅测井,套管井的声幅测井,变密度测井,本节主要介绍：,声幅测井,一、裸眼井的声幅测井,1、目的：划分硬地层的裂缝带,2、声系及测量,（1）单发单收：测量地层滑行纵波的首波幅度。,（

20、2）双发双收声系：测量两接收探头的滑行纵波的幅度差。,3、声波能量变化的两种方式,（1）地层吸收声波能量而使幅度衰减,（2）存在声阻抗不同的两种介质界面上，折射、反射使声波的能量发生变化。,两种变化同时存在，以哪种情况为主，视具体情况而论,声幅测井,在裂缝发育及疏松岩石的井段，声幅的衰减主要是地层的吸收声波能量所致。,套管井中波幅的变化主要和套管与地层介质之间的界面引起的声波能量分布有关。由此，在裸眼井中用声幅测井可划分裂缝带和疏松岩石的地层，套管井中的声幅测井主要用来评价固井质量。,声幅测井,4、滑行波幅度衰减和地层情况间的关系,1）不同角度的裂缝对波的衰减不同,与水平线的夹角50- 80,

21、垂直裂缝,与水平方向的夹角 30,水平裂缝,垂直裂缝主要衰减纵波,水平裂缝主要衰减横波,从实验得出:,声幅测井,2)裂缝内的物质对声波能量的影响,声波通过裂缝时(两种界面),只有部分能量透过,裂缝内的物质对声波起衰减作用(岩 疏),由此声波通过较大裂缝,其接收到的能量比非裂缝地层低得多。,声波通过裂缝,能量衰减与裂缝的张开度、发育程度有关，对于纵波，张开度大和裂缝发育，则声幅衰减增加，测得的声幅低。,第一声学界面：套管与水泥环的交界面 第二声学界面：水泥环与井壁地层的交界面,声幅测井,3）溶洞性地层,对于溶洞性地层，波绕溶洞传播：,（1）增加了波的传播路径,（2）溶洞引起波的散射，造成声波能量

22、较大幅度的衰减，所以声波在溶洞性地层传播，地层波幅很小，溶洞对波的衰减相当大。,寻找裂缝和溶洞地层的特征：,声幅曲线上，幅度值低。,在时差曲线上，时差值高，可能出现周波跳跃。,二、套管井的声幅测井（水泥胶结测井CBL）,1、声系：单发单收，源距为1米,T,R,水泥,套管,泥浆,20%,40%,mv,声幅测井,声幅测井,2、接收到的信号,沿套管传播的滑行纵波（套管波）,3、管波幅度与管外介质性质的关系和分布有关,套管波幅度受套管和管内介质的影响是一个定值，收到的信号幅度就取决与套管外介质的性质和分布。,4、评价水泥胶结质量,由于套管与水泥接触，且Z套与Z水泥很接近，声耦合好，大部分能量都被折射到

23、水泥环中，而少部分能量折回到井中被记录，声幅值低。反之，水泥胶结不好，则声幅高。,声幅测井,对固井质量的判断应用相对幅度的概念：,相对幅度 = 目的层段曲线幅度/自由套管曲线幅度*100%,相对幅度 20% 水泥胶结良好,20% 相对幅度 40% 水泥胶结一般,相对幅度 40% 水泥胶结差,自由套管管外为泥浆的井段,声幅测井,5、影响水泥胶结测井的因素,1)测井时间,最好在注水泥后20-40小时进行测量,因为水泥有个凝固过程，过早或过晚,都会造成错误解释。,2)水泥环的厚度,水泥环的厚度2cm ，对套管波的衰减是个定值,水泥环的厚度2cm,水泥环越薄,对套管波的衰减越小,测得的声幅值高。,3)

24、仪器偏心和窜槽,不同方向到达的管波相位不同,相互抵消,测得的声幅值低。,声幅测井,4)气侵泥浆,气侵泥浆的吸收系数大,使声波的衰减很大,此时测得的声幅低，造成误解。,5) 套管厚度,套管对声波的吸收是固定的,但套管厚度越小,对声波的衰减越大,测得的声幅值低。,6) 微环,固井时,因热效应和压力的影响,套管膨胀,注完水泥后,又可能收缩,在套管和水泥环间有一环形空间,间隙0.1mm,它使声耦合率变差,使测得的声幅值增加。,声幅测井,三、声波变密度测井(VDL),1、套管井中波传播的路径,(1) 沿套管,(2)井内泥浆,(3) 通过地层,因为水泥的声速钢的声速,不满足产生滑行波的条件,所以没有通过水

25、泥环的波。,2、接收波的先后顺序:,声幅测井,3、声波变密度测井,1)声系,2)目的,全面评价水泥胶结质量,了解套管与水泥环、水泥环与地层的胶结情况。,3）记录波的定义及顺序, 套管波,声波信号是在套管内传播的纵波，速度快，最先到达。,是在地层内传播的纵波、横波、视瑞利波的组合，幅度值高。, 地层波,单发单收 源距为1.5m,泥浆波,通过泥浆直接到达接收探头的波，它到达最晚、幅度稳定且幅度变化不大、频率低。,声幅测井,4）变密度记录方式,调辉记录,调宽记录,A、调辉记录,负半周的信号放大,宽度一致的矩形波，幅度与原信号幅度成正比,示波管，矩形波幅度作为灰度控制信号,荧光屏上出现亮暗相间的扫描线

26、，亮度与矩形波的幅度成正比.,对一波列信号，扫描线在同一水平线上被摄相仪感光在相纸上，仪器提升，相纸走动，就连续地把不同深度的扫描线拍摄成了变密度测井图,声幅测井,套管波,地层波,泥浆波,声幅测井,B、调宽记录,调宽记录与调辉记录的区别：,矩形波的幅度相同，而宽度不同,变密度图的条带颜色深浅一致，只是条带的宽度不同而已，而调辉记录正好相反。,目前以调辉记录较为常见,声幅测井,5）变密度图的解释,A、自由套管,管外无水泥、形成套管-泥浆界面，Z套/Z泥大，耦合率差，R大T小，管波强、地层波弱或全消失，在变密度图上出现平直的条纹，越靠近左边，越明显，在套管接头的地方有人字纹。,套管接头的人字纹,自由套管的 变密度图,声幅测井,B、第一、二交界面胶结好,声耦合率好：套管波弱、地层波很强（很大部分能量透射到地层中去了）,变密度图：左边条纹模糊或消失，右边的条纹色深，反差大。,见书：P102图6-28,C、第一界面交界面差，第二界面胶结好,一界面的声耦合率差，管波强，二界面声耦合率好地层波中等。,变密度图：左边条纹明显，右边也有显示,声幅测井,D、第一界面胶结好、第二界面胶结差,