第二章_声波测井

1、第二章第二章 声波测井声波测井西安科技大学资源勘查西安科技大学资源勘查20082008级级一、声波测井概念一、声波测井概念 声波测井是通过研究声波测井是通过研究声波声波在井下岩层或介质在井下岩层或介质中的中的传播特性传播特性，从而对岩层的地质特性和井的技，从而对岩层的地质特性和井的技术状况的一种测井方法。术状况的一种测井方法。引引 言言二、声波测井分类二、声波测井分类声波速度测井声波速度测井求孔隙度和力学参数求孔隙度和力学参数声波幅度测井声波幅度测井研究固井质量研究固井质量声波电视测井声波电视测井观察井壁情况、裂缝观察井壁情况、裂缝噪噪 声声 测测 井井了解井下流体的流动了解井下流体的流动引引

2、 言言2 2、声波的分类、声波的分类声声 波波20Hz20Hz频率频率20KHZ20KHZ次声波次声波频率频率 20Hz20Hz超声波超声波频率频率 20KHz20KHz第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质一、声波简介一、声波简介1 1、声波定义、声波定义 声波是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。声波是一种机械波，是介质质点振动向四周的传播。二、岩石的弹性及弹性参数二、岩石的弹性及弹性参数1.1.弹性的定义弹性的定义第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质 弹性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。是指物体受有限外力而发生形变后恢复原来形态的能力。2.2.物体分类

3、物体分类 弹性体弹性体: :当物体受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的当物体受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的 物体，称为弹性体。物体，称为弹性体。 塑性体塑性体: :反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消而不能恢反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消而不能恢复原状的物体，称为塑性体。复原状的物体，称为塑性体。弹性体弹性体塑性体塑性体可变成可变成 在声波测井中，声源的能量很小，声波作用在声波测井中，声源的能量很小，声波作用在岩石上的时间很短，因而岩石可以当成在岩石上的时间很短，因而岩石可以当成弹性弹性体体，在岩石中传播的声波可以被认为是，在岩石中传播的声波可以被认为是弹性波弹性波。第

4、一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质3.3.描述弹性体的参数描述弹性体的参数(1)(1)杨氏模量杨氏模量E EE=E=应力应力/ /应变应变应力：应力：作用在单位面积上的力，作用在单位面积上的力，F / SF / S。应变：应变：弹性体在力方向上的相对形变，弹性体在力方向上的相对形变，L / LL / L。E E物理意义：物理意义：描述弹性体发生形变的难易程度。描述弹性体发生形变的难易程度。第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质(2)(2)泊松比泊松比 = =弹性体的的横向应变弹性体的的横向应变/ /纵向应变纵向应变 = =（d/dd/d）/ /（l/ll/l） 物理意义：描述弹性体形

5、状改变的物理量。物理意义：描述弹性体形状改变的物理量。施加力施加力-d-d-l l第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质(3)(3)体积弹性模量体积弹性模量K K( (也称膨胀率也称膨胀率) )K=K=应力应力/ /体应变体应变=(F/S)/(=(F/S)/(V/V) V/V) （kg/cmkg/cm2 2）(4)(4)切变模量切变模量( ( ) ) 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。 切变角，切变角，tgtg = =l/dl/d，当，当 很小时，很小时，tgtg = =l/dl/dFt dl第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质 切变

6、波的特点切变波的特点：体积不变，边角关系发生变化。：体积不变，边角关系发生变化。 = = 切应力切应力/ /切应变切应变 =(Ft/s)/=(Ft/s)/ = ( = (Ft/s)/Ft/s)/l/dl/d第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质三、声波在岩石中的传播特性三、声波在岩石中的传播特性u纵波、横波的定义纵波、横波的定义纵波：纵波：介质质点的振动方向与波的传播发向一致。弹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。性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。横波：横波：介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特

7、点：弹性体的小体积元的体积不变，而边角特点：弹性体的小体积元的体积不变，而边角关系发生变化，例如关系发生变化，例如, ,切变波。切变波。第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质注意：注意：(1) (1) 横波不能在流体（气、液体）中传播，横波不能在流体（气、液体）中传播，因为它因为它的切变模量的切变模量=0=0。(2) (2) 在井下，纵波和横波都能在地层传播，而泥浆在井下，纵波和横波都能在地层传播，而泥浆中只能传播纵波。中只能传播纵波。第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质四、声波在介质界面上的传播四、声波在介质界面上的传播1.1.波的传播波的传播介质介质1 1介质介质2 2入射波入射

8、波入射角入射角反反射射角角折射角折射角反射波反射波折射波折射波第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质2.2.产生滑行波的条件产生滑行波的条件VPVP2 2 VP VP1 1时时, ,折射角折射角 = 90= 90折射定律折射定律: :VPVPinin211SS第一临界角第一临界角: : 1 1* *=arcsin(vp1/vp2)=arcsin(vp1/vp2)第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质第二临界角第二临界角: : 2 2* * = arcsin(vp1/vs2) = arcsin(vp1/vs2)同理可得出同理可得出: :当折射产生横波时有当折射产生横波时有212VSVPS

9、inSin第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质3.3.反射、折射系数（反射、折射系数（R R、T T）反射系数反射系数R R： R=WR/W=R=WR/W=反射波的能量反射波的能量/ /入射波的能量入射波的能量 =(=( 22V2-V2- 11V1)/(V1)/( 22V2+V2+ 11V1)V1)折射系数折射系数T T： T=WT/W=T=WT/W=折射波的能量折射波的能量/ /入射波的能量入射波的能量 =2=2 11V1/(V1/( 22V2+V2+ 11V1)V1)入射角入射角=0=0，T+R=1T+R=1第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质4.4.波阻抗、声耦合率波阻抗、声

10、耦合率(1)(1)波阻抗波阻抗Z Z Z= Z=波的传播速度波的传播速度介质的密度介质的密度=V=V (2)(2)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第一节第一节 岩石的声学性质岩石的声学性质 Z Z1 1/Z/Z2 2越大或越小，声耦合越差，越大或越小，声耦合越差，R R大，大，T T小，声波不易从介质小，声波不易从介质1 1到介质到介质2 2中去。中去。 Z Z1 1/Z/Z2 2越接近越接近1 1，声耦合越好，声耦合越好，R R小，小，T T大，大，声波易从介质声波易从介质1 1到介质到介质2 2中去。中去。第一节第一节 岩石的声学性质

11、岩石的声学性质一、单发双收的测量原理一、单发双收的测量原理1.1.声系声系R R：接收探头声能转化为电能；：接收探头声能转化为电能；T T：发射探头电能转化为声能。：发射探头电能转化为声能。第二节第二节 声波速度测井声波速度测井声波在介质中的传播主要指声波在介质中的传播主要指声速声速、声幅声幅和和频率特性。频率特性。井筒井筒井壁井壁A AB BC CD DT TR1R1R2R2源源距距间间距距记录点记录点O OO O声波测量原理示意图声波测量原理示意图2.2.岩石的声速特性及影响因素岩石的声速特性及影响因素(1)V(1)VP P、V VS S与与 、 、E E间的关系间的关系)21)(1 ()

12、1 (EVP)1 (2EVS当当 =0.25=0.25，V VP P/V/VS S=1.73,=1.73, E V E VP(S)P(S)(2)(2)传播速度与岩性的关系传播速度与岩性的关系 岩性不同岩性不同 弹性模量不同弹性模量不同 VPVP、VSVS的影响不的影响不同同 VPVP、VSVS不同。不同。 (3)(3)孔隙度的影响孔隙度的影响 流体的弹性模量和密度都不同于岩石骨架，相对讲，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。孔隙度增大，传播即使岩性相同，其中的流体也不同。孔隙度增大，传播速度就降低。速度就降低。2.2.岩石的声速特性及影响因素岩石的声速

13、特性及影响因素(4)(4)岩层的地质时代影响岩层的地质时代影响 实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播实际资料表明：厚度、岩性相同，岩层越老，则传播速度越快。速度越快。(5)(5)岩层的埋藏深度影响岩层的埋藏深度影响 岩性和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加。岩性和地质时代相同：埋深增加导致传播速度增加。结论：结论：可用传播速度来研究岩层的岩性和孔隙度。可用传播速度来研究岩层的岩性和孔隙度。2.2.岩石的声速特性及影响因素岩石的声速特性及影响因素3.3.岩层的声幅特性岩层的声幅特性 平面波的衰减仅由介质的吸收引起的，声波的平面波的衰减仅由介质的吸收引起的，声波的能量与其幅度的平方成

14、反比，声幅的大小反映了声能量与其幅度的平方成反比，声幅的大小反映了声波能量的高低。波能量的高低。 J= J J= J0 0e e-2l-2l J J：声波经过：声波经过L L距离后的声强距离后的声强 J J0 0：初始声强：初始声强 ：介质的吸收系数：介质的吸收系数 下降下降 V V下降下降 增加增加 频率增加频率增加 增加增加二、单发双收的测量原理二、单发双收的测量原理(2) (2) 到达接收探头的波类到达接收探头的波类折射纵波折射纵波反射波反射波泥浆波泥浆波( (直达波直达波) )(1)(1)产生滑行波的条件产生滑行波的条件(V(V地地VV泥浆泥浆) )产生滑行波的过程是可产生滑行波的过程

15、是可逆的逆的(3)(3)滑行纵波首先到达接收探头滑行纵波首先到达接收探头 因因反射波反射波、泥浆波泥浆波都只在都只在泥浆中泥浆中传播传播，V V地地大于大于V V泥泥，如果如果合理选择源距合理选择源距可以使纵波首先到达接收探头，可以使纵波首先到达接收探头，而成其为首波。而成其为首波。(4)(4)时差的表达式时差的表达式 时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间时差：在介质中声波传播单位距离所用的时间二、单发双收的测量原理二、单发双收的测量原理)121()121(12vCEvBCvABvDFvBDvABttt 如果井径规则，则如果井径规则，则AB=DF=CEAB=DF=CE，上式为：，上式为：2

16、2vCDvBCBDt 显然，显然，CDCD正好是仪器的间距正好是仪器的间距( (常数常数) )，时差与声速，时差与声速成反比。时差的单位：成反比。时差的单位： s/ms/m。二、单发双收的测量原理二、单发双收的测量原理时差时差 s/ms/m(5)(5)输出的测井曲线输出的测井曲线( (一条声波时差曲线一条声波时差曲线) )二、单发双收的测量原理二、单发双收的测量原理三、影响时差的因素三、影响时差的因素1.1.井径的影响井径的影响 R1( R1(处在处在D D增加增加) )，R2(R2(位于正常或缩小位于正常或缩小) )井段时，滑行波到达井段时，滑行波到达R1R1的时间增加，而到达的时间增加，而

17、到达R2R2的时间不变，因此时差下降。的时间不变，因此时差下降。 R1R1位于正常位于正常( (或缩小井段或缩小井段) )，R2R2位于井径扩大，滑行波到达位于井径扩大，滑行波到达R1R1的时间不变，而到达的时间不变，而到达R2R2的时间增加，因此时差增加。的时间增加，因此时差增加。 当当R1R1和和R2R2都处于井径扩大或缩小井段时，都处于井径扩大或缩小井段时，t1t1、t2t2同时增加或同时增加或下降，或不变。下降，或不变。2.2.岩层厚度的影响岩层厚度的影响间距间距 (1) (1)厚层厚层( (hlhl间距间距),),曲线的半幅点为层界面曲线的半幅点为层界面, ,曲线幅曲线幅度的峰值为时

18、差。度的峰值为时差。 (2) (2)薄层薄层( (h hl l间距间距) )曲线受围岩的影响大，高速地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层的时差增加，用半幅点确定的层界面( (视厚度岩视厚度岩层的真实厚度层的真实厚度) )间距间距2.2.岩层厚度的影响岩层厚度的影响间距间距时差时差2.2.岩层厚度的影响岩层厚度的影响 (3) (3)薄互层薄互层( (交互层中小层的厚度交互层中小层的厚度) )，此时，此时，曲线不能曲线不能反映地层的真正时差值，反映地层的真正时差值，由于各层间的相互影响，曲线由于各层间的相互影响，曲线呈锯齿壮。呈锯齿壮。3.3.周波跳跃的影响周波跳跃的影

19、响(1)(1)产生的原因产生的原因 由于在滑行首波到达接收探头的路径中遇由于在滑行首波到达接收探头的路径中遇到吸到吸收系数很大的介质收系数很大的介质, ,首波能触发首波能触发R1R1但不能触发但不能触发R2R2,R2,R2被幅度较高的后续波触发被幅度较高的后续波触发, ,因此因此, ,时差增大时差增大。三、影响时差的因素三、影响时差的因素(2) (2) 周波跳跃的特点周波跳跃的特点时差值大大增加时差值大大增加且呈周期性的跳跃且呈周期性的跳跃(3) (3) 产生周波跳跃的各种情况产生周波跳跃的各种情况含气的疏松砂岩含气的疏松砂岩裂缝性地层或破碎带裂缝性地层或破碎带泥浆气侵泥浆气侵3.3.周波跳跃

20、的影响周波跳跃的影响四、井眼补偿声速测井四、井眼补偿声速测井(BHC)(BHC)井眼不规则时，有：井眼不规则时，有：T1T1R1R1R2R2T2T2A AB BE EC C112111VBRVABVATt 122112VCRVACVATt 1122121VBRCRVBCttt 从图中所知从图中所知:CR2BR1,:CR2BR1, t1t1CR2ER1CR2， t2t2 t t。1212212VCRERVECttt 221)tt(t 平均后的补偿声速时差值不变。平均后的补偿声速时差值不变。同理同理: :在井径扩大的顶界面也如此在井径扩大的顶界面也如此, ,对仪器的倾斜也对仪器的倾斜也有补偿作用有

21、补偿作用. .四、井眼补偿声速测井四、井眼补偿声速测井(BHC)(BHC)五、长源距声波测井五、长源距声波测井发射器到接收器的距离为发射器到接收器的距离为8ft8ft、10ft10ft、12ft12ft1.1.解决的问题解决的问题 井径很大井径很大 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。发生变化。以上两种情况是以上两种情况是BHCBHC无法解决的。无法解决的。2.2.优点优点 时差不受泥浆侵蚀或大井眼的影响，如果不考虑散射问题，它时差不受泥浆侵蚀或大井眼的影响，如果不考虑散射问题，它所测得的速度完全可以与地震记录的速度

22、对比。所测得的速度完全可以与地震记录的速度对比。六、时差曲线的应用六、时差曲线的应用1.1.判断气层、确定油气和气水界面判断气层、确定油气和气水界面 据流体密度和声速有：据流体密度和声速有：V V水水VV油油VV气气 在高孔隙和侵入不深的条件下能识别气层在高孔隙和侵入不深的条件下能识别气层, ,其特征其特征: :气气层层周波跳跃周波跳跃高时差高时差3030微秒微秒/ /米米2.2.划分地层划分地层( (确定地层的岩性确定地层的岩性) ) 由于不同岩性地层具有不同的声波速度，因此由于不同岩性地层具有不同的声波速度，因此可以用时差划分地层。可以用时差划分地层。致密岩石的时差致密岩石的时差 孔隙性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岩层的孔隙增加声速下降时差增加砂岩的时差砂岩的时差 0.3,0.3,所以该层的流体性质是油气水同层，所以该层的流体性质是油气水同层，S SO O=1-S=1-SW W=67.7%=67.7%(2) (2) 根据阿尔奇公式有：根据阿尔奇公式有：4.4.实例分析实例分析疏松砂岩类疏松砂岩类 e e= = s