地球物理测井-声速测井

1、2021/3/2312021/3/232声 波 测 井2021/3/233是通过研究是通过研究在井下岩层和介质中的传播在井下岩层和介质中的传播特性特性,从而了解岩层的从而了解岩层的和井的和井的的一种测井方法。的一种测井方法。目前主要有以下几种声波测井方法目前主要有以下几种声波测井方法:（计算地层孔隙度和力学参数）（计算地层孔隙度和力学参数）（研究固井质量）（研究固井质量）（观察井壁情况和裂缝）（观察井壁情况和裂缝）（观察井壁情况和裂缝）（观察井壁情况和裂缝）2021/3/234方位声波成像测井方位声波成像测井偶极横波成像测井偶极横波成像测井井周声波成像测井井周声波成像测井超声波成像测井超声波成

2、像测井(研究油井串槽和油气水流动情况研究油井串槽和油气水流动情况)2021/3/235是一种是一种, ,是介质质是介质质点振动向四周的传播。点振动向四周的传播。目前声波测井使用的频率目前声波测井使用的频率为为。 20Hz 20Hz 频率频率 20KHz 20KHz 频率频率 20Hz 20KHz 20KHz2021/3/236是指物体受有限外力而发生形变后是指物体受有限外力而发生形变后的能力的能力。受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状受力发生形变，一旦外力取消又能恢复原状的能力。的能力。产生永久形变。产生永久形变。可变成可变成 在声波测井中在声波测井中, ,声源的能量很小声源的能量很小, ,

3、声波作用在岩石上的声波作用在岩石上的时间很短时间很短, ,因而岩石可以当成弹性体，在岩石中传播的声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。波可以被认为是弹性波。2021/3/237 在均匀无限的岩石中在均匀无限的岩石中, ,声波速度主要取决于岩石的声波速度主要取决于岩石的和和。作为弹性介质的岩石。作为弹性介质的岩石, ,其弹性可用几个参数来描述其弹性可用几个参数来描述: :杨氏模量杨氏模量 泊松比泊松比 切变模量切变模量 体积形变弹性模量体积形变弹性模量 体积压缩系数体积压缩系数 拉梅系数拉梅系数2021/3/238ESFSFallllSFE F作用外力作用外力;l、s分

4、别为弹性体长度、横截面积分别为弹性体长度、横截面积; E弹性体的杨氏模量弹性体的杨氏模量,N/m2; F / S为作用于单位面积上的力为作用于单位面积上的力,称为应力。称为应力。l / l为弹性体在力方向上的相对形变为弹性体在力方向上的相对形变,称为应变。称为应变。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。 外力外力F作用在长度为作用在长度为l、横截面积为、横截面积为S的均匀弹性体的两的均匀弹性体的两端端(弹性体被压缩或拉伸弹性体被压缩或拉伸)时时,弹性体的弹性体的长度发生长度发生l的变化的变化,并并且弹性体内部产生且弹性体内部产生。2021/3/239 = 弹性体的横向应变

5、弹性体的横向应变/纵向应变纵向应变 =（d/d）/（l/l）: :描述弹性体描述弹性体dlF 弹性体在外力作用下弹性体在外力作用下,同时同时,。设有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为。设有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为d和和l,在外力在外力作用下，直径和长度的变化分别为作用下，直径和长度的变化分别为d和和l，那么横向相对，那么横向相对减缩减缩d/d和纵向相对伸长和纵向相对伸长l/l之比称之为之比称之为。 2021/3/2310弹性体的形状改变而体积未发生变化。弹性体的形状改变而体积未发生变化。 :切变角切变角 tg =l/l当当 很小时很小时,tg = l/l体积不变体积不变,边角关系发生变化

6、。边角关系发生变化。 矩形六面弹性体矩形六面弹性体,其上表面其上表面abfe的面积为的面积为A,受到平行于受到平行于该表面的切力该表面的切力Ft的作用时的作用时,在力的方向上相对位移一段距离在力的方向上相对位移一段距离l，切应力等于，切应力等于Ft/A，切应变为，切应变为l/l，切应力与切应变之比，切应力与切应变之比所定义的弹性模量就是所定义的弹性模量就是，用，用 表示表示:AFtllAFtltFabfacgbefAeld常见岩石的弹性参数参见常见岩石的弹性参数参见P54P54表表2-12-12021/3/2311= = 应力应力/ /体应变体应变 = =（F/SF/S）/ /（V/VV/V）

7、体积应变也称膨胀率。体积应变也称膨胀率。 体积形变弹性模量体积形变弹性模量 的定义为的定义为: :在外力作用下在外力作用下, ,物体物体体积相对变化体积相对变化V/VV/V, ,即应力与体积应变之比即应力与体积应变之比, ,用用 表示表示: :2021/3/2312K1 KE32)21)(1 (2021/3/2313 介质质点的振动方向与波的传播发向介质质点的振动方向与波的传播发向。弹性。弹性体的小体积元体积改变体的小体积元体积改变,而边角关系不变。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。体积模量不等于零的介质都可以传播纵波。2021/3/2314 介质质点的振动方向与波传播方

8、向垂直的波。介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特点特点:弹性体的小体积元体积不变弹性体的小体积元体积不变,而边角关系发而边角关系发生变化生变化,例例:切变波。切变波。 2021/3/2315 横波不能在流体（气、液体）中传横波不能在流体（气、液体）中传播播, ,纵波可以在气体、液体和固体中传播。纵波可以在气体、液体和固体中传播。2021/3/2316 声波在介质中的传播特性主要指声波在介质中的传播特性主要指、和和特性。声波在弹性介质中的传播速度主要特性。声波在弹性介质中的传播速度主要取决于介质的取决于介质的和和。E杨氏模量杨氏模量泊松比泊松比介质密度介质密度)1 (2)21)(1 ()1

9、 (EVEVsp2021/3/2317)21 ()1 (2spVV 由于大多数岩石的泊松比等于由于大多数岩石的泊松比等于0.25,所以岩石的所以岩石的纵横波速度比为纵横波速度比为1.73。 可见可见,岩石中传播的岩石中传播的纵波比横波速度快纵波比横波速度快,所以在岩所以在岩石中传播，纵波总是早于横波被接收到石中传播，纵波总是早于横波被接收到。 一般，岩石的密度越大，传播速度越快，反之一般，岩石的密度越大，传播速度越快，反之亦然。亦然。2021/3/23182021/3/23192021/3/2320岩层孔隙中通常被岩层孔隙中通常被等流体介质所充填等流体介质所充填,这些这些孔隙流体的孔隙流体的和

10、和不同于岩石骨架的弹性模量和密不同于岩石骨架的弹性模量和密度。度。 显然显然,岩层岩层和和的弹性模量和密度对岩层的的弹性模量和密度对岩层的声速有明显的影响。声速有明显的影响。 孔隙流体相对岩石骨架是孔隙流体相对岩石骨架是低速介质低速介质,所以所以2021/3/2321 深度相同成分相似的岩石深度相同成分相似的岩石, ,当地质时代不同时当地质时代不同时, ,声速也不声速也不同。同。 在岩性和地质时代相同的条件下在岩性和地质时代相同的条件下, ,。这种变化是受上覆地层。这种变化是受上覆地层增大使岩石的增大使岩石的增大。增大。 岩层岩层埋藏较浅埋藏较浅的地层的地层, ,埋藏深度增加时埋藏深度增加时,

11、 ,其声速变化剧烈其声速变化剧烈; ;深部深部地层，埋藏深度增加时，其声速变化不明显。地层，埋藏深度增加时，其声速变化不明显。 2021/3/2322 在平面波的情况下在平面波的情况下, ,介质密度和介质中声波传播速度的乘介质密度和介质中声波传播速度的乘积叫做积叫做VZ 两种介质的两种介质的,声波能量就声波能量就从介质从介质中中到介质到介质中去。中去。 各种固井质量评价测井正是利用声波在不同介质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中传播时能量的来研究和评价固井状况的。来研究和评价固井状况的。Z1/Z2越大或越小越大或越小,声耦合越差声耦合越差,声波不易从介质声波不易从介质1

12、到介质到介质2中去。中去。Z1/Z2越接近越接近1,声耦合越好声耦合越好,声波易从介质声波易从介质1到介质到介质2中去。中去。2021/3/2323A. （井壁泥浆的交界面上产生的波（井壁泥浆的交界面上产生的波,与横波混与横波混在一起不易区分在一起不易区分。）。）瑞利波示意图瑞利波示意图2021/3/2324B. 斯通利波（斯通利波（Stoneley waves） 由在泥浆中传播的纵波与在井壁中传播的横波相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。干产生的相干波。速度很低且可用于计算地层渗透率。2021/3/2325纵波纵波横波和横波和瑞利波瑞利

13、波泥浆波泥浆波斯通利波斯通利波波波幅幅A A时间时间t t2021/3/2326三、声波在介质界面上的传播特性三、声波在介质界面上的传播特性21vvSinSin法线法线入射线入射线反射线反射线折射线折射线1v12v22021/3/2327临界角及滑行波临界角及滑行波12vv 设设： 则则：时时当当 * 当当2此时的入射角被称为此时的入射角被称为临界角临界角, ,即即: :折射角等于折射角等于90900 0时的时的入射角入射角滑行波指滑行波指:当当v1 V泥浆泥浆折射纵波折射纵波泥浆波（直达波）泥浆波（直达波）反射波反射波 因因、都只在都只在传播传播, , ,如如果果可以使滑行纵波首先到达接收探

14、头可以使滑行纵波首先到达接收探头, ,而成而成其为首波。其为首波。2021/3/2340t=t2-t1=如果井径规则如果井径规则, ,则则AB=DF=CE,AB=DF=CE,上式为上式为: : 显然显然:CD:CD正好是仪器的间距正好是仪器的间距, ,时差与声速成反比。时差与声速成反比。时差的单位时差的单位: : s/ms/m)()(121121vCEvBCvABvDFvBDvAB22vCDvBCBDtABCDTR1R2源源距距间间距距记录点记录点O OOFEG2021/3/2341时差时差 s/m2021/3/23422021/3/23432021/3/2344记录仪放大线路发射探头接收探头

15、T1R2R声速测井仪示意图声速测井仪示意图在下井仪器的外壳上有很多刻槽在下井仪器的外壳上有很多刻槽, ,称之称之为为, ,用以用以发射换能器发射的声波发射换能器发射的声波经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量的干扰。的干扰。2021/3/2345 声波时差曲线反映岩层的声速声波时差曲线反映岩层的声速,声速高的声速高的时差值低时差值低,声速低的时差值高声速低的时差值高,因此时差值受因此时差值受的控制，此外还受到的控制，此外还受到及及的影响。的影响。2021/3/23462021/3/2347 R R1 1处在井径处在井径,R,R2 2位于正常或缩小井段时位于

16、正常或缩小井段时, ,滑行滑行波波, ,而而，因此，因此。R R1 1位于正常或缩小井段位于正常或缩小井段,R,R2 2位于井径位于井径, ,滑行波到滑行波到达达, ,而到达而到达，因此，因此。当当R R1 1和和R R2 2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, , ,。2021/3/2348ttt视真tt增大减小井径扩大井段2021/3/2349 在一些砂泥岩的分界面处在一些砂泥岩的分界面处, ,常常发生井径变化常常发生井径变化, ,。 因此因此, ,在砂岩层的在砂岩层的( (相当相当于井眼扩大井段的下界面于井眼扩大井段的下界面) )出现出现时差曲线时差曲线的尖锋，砂岩层的

17、的尖锋，砂岩层的处处( (相当于井眼扩大井段相当于井眼扩大井段的上界面的上界面) )出现时差曲线出现时差曲线的的尖锋。尖锋。2021/3/2350（1）（) 曲线的曲线的为层界为层界面面,曲线幅度的曲线幅度的。（2）（） 曲线受围岩的影响大曲线受围岩的影响大,高速地层的高速地层的,用用确定的层界面（视厚度确定的层界面（视厚度)。间距间距间距间距2021/3/2351（1 1）产生的原因）产生的原因通常通常, ,声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的。触发的。 但是但是, ,在在情况下情况下, ,，这时常常是声波信号只能触发路径较，这时常常是声

18、波信号只能触发路径较短的第一接收器的线路。而当首波到达第二接收器时，由于短的第一接收器的线路。而当首波到达第二接收器时，由于经过更长的路径的衰减不能使接收器线路触发，第二接收器经过更长的路径的衰减不能使接收器线路触发，第二接收器的线路只能被续至波所触发。因而，的线路只能被续至波所触发。因而，这种现象就叫，这种现象就叫。2021/3/2352 第二接收器的线路只第二接收器的线路只能被续至波所触发能被续至波所触发, ,在声在声波时差曲线上出组波时差曲线上出组“忽大忽大忽小忽小”的幅度急剧变化的的幅度急剧变化的现象现象, ,即即。2021/3/2353（2 2）周波跳跃的特点）周波跳跃的特点（3 3

19、） 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泥浆气侵泥浆气侵裂缝性地层或破碎带裂缝性地层或破碎带2021/3/2354 周波跳跃现象的存在周波跳跃现象的存在, ,使得我们无法由时差曲使得我们无法由时差曲线正确读出地层的时差值。但是线正确读出地层的时差值。但是, ,周波跳跃这个特周波跳跃这个特征征, ,却可以作为却可以作为和和的主的主要依据。要依据。 2021/3/2355 (1)能直接测量岩层的能直接测量岩层的,在在固定固定l上上,传播时间仅与岩层速度有关（传播时间仅与岩层速度有关（声波测井的输出声波测井的输出代表厚度为一个间距的地层代表厚度为一个间距的地层）。

20、 (2)。现实中可使间距为。现实中可使间距为0.5米米,则声波测井曲线能划分厚度则声波测井曲线能划分厚度0.5米以上岩层。米以上岩层。 2021/3/2356 在井眼几何尺寸变化的层段在井眼几何尺寸变化的层段,时差曲线出现异时差曲线出现异常。在井眼扩大段的上、下界面分别出现时差增常。在井眼扩大段的上、下界面分别出现时差增大和减小的尖峰。大和减小的尖峰。2021/3/2357 1、正常、正常2、DFCE正异常正异常1VCEDFVCDtP2021/3/2358 单发双收声波测井仪单发双收声波测井仪定义为到达两个接定义为到达两个接收器的折射波的收器的折射波的。 分析测量及记录过程中发现分析测量及记录

21、过程中发现,仪器记录点与声波在两仪器记录点与声波在两个接收器对应地层中的实际传播路径的中点个接收器对应地层中的实际传播路径的中点,地层地层中实际传播路径的中点中实际传播路径的中点。2021/3/2359四、井眼补偿声速测井四、井眼补偿声速测井(BHC)(BHC) 单发射双接收声速测井受单发射双接收声速测井受井径变化的影响井径变化的影响, ,声波时差曲声波时差曲线出现线出现。 为了克服这种影响为了克服这种影响, ,发展发展了了声速测井仪。声速测井仪。2021/3/2360测井时上下发射测井时上下发射器器, ,两两个接收器接收个接收器接收T T1 1、T T2 2交交替发射产生的滑行波替发射产生的滑行波, ,得到时差得到时差tt1 1和和tt2 2, ,地面仪器的计算电路地面仪器的计算电路对对tt1 1和和tt2 2取平均值，取平均值，记录仪记录出平均值记录仪记录出平均值tt时差曲线。时差曲线。 两个接收器之间的距离（两个接收器之间的距离（）为）为0.5米米,T1、R1和和R2、T2之间的距离为之间的距离为1米。米。2021/3/2361声系结构声系结构: :双发双收双发双收AT1R1R2EBCDFT2tt上上tt下下+2=tt补偿原理补偿原理 井眼补偿声波测井由于源井眼补偿声波测井由于源距短距短,只能在井眼只能在井眼