第二章_聲波測井

1、第二章第二章 聲波測井聲波測井 西安科技大學(xué)資源勘查西安科技大學(xué)資源勘查20082008級級 一、聲波測井概念一、聲波測井概念 聲波測井是通過研究聲波測井是通過研究聲波聲波在井下巖層或介質(zhì)在井下巖層或介質(zhì) 中的中的傳播特性傳播特性，從而對巖層的地質(zhì)特性和井的技，從而對巖層的地質(zhì)特性和井的技 術(shù)狀況的一種測井方法。術(shù)狀況的一種測井方法。 引引 言言 二、聲波測井分類二、聲波測井分類 聲波速度測井聲波速度測井 求孔隙度和力學(xué)參數(shù)求孔隙度和力學(xué)參數(shù) 聲波幅度測井聲波幅度測井研究固井質(zhì)量研究固井質(zhì)量 聲波電視測井聲波電視測井觀察井壁情況、裂縫觀察井壁情況、裂縫 噪噪 聲聲 測測 井井了解井下流體的流動

2、了解井下流體的流動 引引 言言 2 2、聲波的分類、聲波的分類 聲聲 波波20Hz20Hz頻率頻率20KHZ20KHZ 次聲波次聲波 頻率頻率 20Hz20Hz 超聲波超聲波頻率頻率 20KHz20KHz 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 一、聲波簡介一、聲波簡介 1 1、聲波定義、聲波定義 聲波是一種機械波，是介質(zhì)質(zhì)點振動向四周的傳播。聲波是一種機械波，是介質(zhì)質(zhì)點振動向四周的傳播。 二、巖石的彈性及彈性參數(shù)二、巖石的彈性及彈性參數(shù) 1.1.彈性的定義彈性的定義 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 彈性彈性是指物體受有限外力而發(fā)生形變后恢復(fù)原來形態(tài)的能力。是指物體受有限外力而

3、發(fā)生形變后恢復(fù)原來形態(tài)的能力。 2.2.物體分類物體分類 彈性體彈性體: :當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消又能恢復(fù)原狀的當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消又能恢復(fù)原狀的 物體，稱為彈性體。物體，稱為彈性體。 塑性體塑性體: :反之，當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消而不能恢反之，當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消而不能恢 復(fù)原狀的物體，稱為塑性體。復(fù)原狀的物體，稱為塑性體。 彈性體彈性體塑性體塑性體 可變成可變成 在聲波測井中，聲源的能量很小，聲波作用在聲波測井中，聲源的能量很小，聲波作用 在巖石上的時間很短，因而巖石可以當(dāng)成在巖石上的時間很短，因而巖石可以當(dāng)成彈性彈性 體體，在巖石中傳播的聲波可

4、以被認為是，在巖石中傳播的聲波可以被認為是彈性波彈性波。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 3.3.描述彈性體的參數(shù)描述彈性體的參數(shù) (1)(1)楊氏模量楊氏模量E E E=E=應(yīng)力應(yīng)力/ /應(yīng)變應(yīng)變 應(yīng)力：應(yīng)力：作用在單位面積上的力，作用在單位面積上的力，F(xiàn) / SF / S。 應(yīng)變：應(yīng)變：彈性體在力方向上的相對形變，彈性體在力方向上的相對形變，L / LL / L。 E E物理意義：物理意義：描述彈性體發(fā)生形變的難易程度。描述彈性體發(fā)生形變的難易程度。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) (2)(2)泊松比泊松比 = =彈性體的的橫向應(yīng)變彈性體的的橫向應(yīng)變/ /縱向應(yīng)變縱

5、向應(yīng)變 = =（d/dd/d）/ /（l/ll/l） 物理意義：描述彈性體形狀改變的物理量。物理意義：描述彈性體形狀改變的物理量。 施加力施加力 -d-d- l l 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) (3)(3)體積彈性模量體積彈性模量K K( (也稱膨脹率也稱膨脹率) ) K=K=應(yīng)力應(yīng)力/ /體應(yīng)變體應(yīng)變=(F/S)/(=(F/S)/(V/V) V/V) （kg/cmkg/cm2 2） (4)(4)切變模量切變模量( ( ) ) 切應(yīng)變：彈性體的形狀改變而體積未發(fā)生變化。切應(yīng)變：彈性體的形狀改變而體積未發(fā)生變化。 切變角，切變角，tgtg = =l/dl/d，當(dāng)當(dāng) 很小時，很小時

6、，tgtg = =l/dl/d Ft d l 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 切變波的特點切變波的特點：體積不變，邊角關(guān)系發(fā)生變化。：體積不變，邊角關(guān)系發(fā)生變化。 = = 切應(yīng)力切應(yīng)力/ /切應(yīng)變切應(yīng)變 =(Ft/s)/=(Ft/s)/ = ( = (Ft/s)/Ft/s)/l/dl/d 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 三、聲波在巖石中的傳播特性三、聲波在巖石中的傳播特性 u縱波、橫波的定義縱波、橫波的定義 縱波：縱波：介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播發(fā)向一致。彈介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波的傳播發(fā)向一致。彈 性體的小體積元體積改變，而邊角關(guān)系不變。性體的小體積元體積改變，而邊角

7、關(guān)系不變。 橫波：橫波：介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波傳播方向垂直的波。介質(zhì)質(zhì)點的振動方向與波傳播方向垂直的波。 特點：彈性體的小體積元的體積不變，而邊角特點：彈性體的小體積元的體積不變，而邊角 關(guān)系發(fā)生變化，例如關(guān)系發(fā)生變化，例如, ,切變波。切變波。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 注意：注意： (1) (1) 橫波不能在流體（氣、液體）中傳播，橫波不能在流體（氣、液體）中傳播，因為它因為它 的切變模量的切變模量=0=0。 (2) (2) 在井下，縱波和橫波都能在地層傳播，而泥漿在井下，縱波和橫波都能在地層傳播，而泥漿 中只能傳播縱波。中只能傳播縱波。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石

8、的聲學(xué)性質(zhì) 四、聲波在介質(zhì)界面上的傳播四、聲波在介質(zhì)界面上的傳播 1.1.波的傳播波的傳播 介質(zhì)介質(zhì)1 1 介質(zhì)介質(zhì)2 2 入射波入射波 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 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 2.2.產(chǎn)生滑行波的條件產(chǎn)生滑行波的條件 VPVP2 2 VP VP1 1時時, ,折射角折射角 = 90= 90 折射定律折射定律: : VP VP in in 2 1 1S S 第一臨界角第一臨界角: : 1 1* *=arcsin(vp1/vp2)=arcsin(vp1/vp2) 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 第二臨界角第

9、二臨界角: : 2 2* * = arcsin(vp1/vs2) = arcsin(vp1/vs2) 同理可得出同理可得出: :當(dāng)折射產(chǎn)生橫波時有當(dāng)折射產(chǎn)生橫波時有 2 1 2VS VP Sin Sin 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 3.3.反射、折射系數(shù)（反射、折射系數(shù)（R R、T T） 反射系數(shù)反射系數(shù)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 =(=( 2 2V2-V2- 1 1V1)/(V1)/( 2 2V2+V2+ 1 1V1)V1) 折射系數(shù)折射系數(shù)T T： T=WT/W=T=WT/W=折射波的能量折射波的能量/ /入

10、射波的能量入射波的能量 =2=2 1 1V1/(V1/( 2 2V2+V2+ 1 1V1)V1) 入射角入射角=0=0，T+R=1T+R=1 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 4.4.波阻抗、聲耦合率波阻抗、聲耦合率 (1)(1)波阻抗波阻抗Z Z Z= Z=波的波的傳播速度傳播速度介質(zhì)的密度介質(zhì)的密度=V=V (2)(2)聲耦合聲耦合率率 兩種兩種介質(zhì)介質(zhì)的聲阻抗之比：的聲阻抗之比：Z Z1 1/Z/Z2 2 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) Z Z1 1/Z/Z2 2越大或越小，聲耦合越差，越大或越小，聲耦合越差，R R大，大，T T 小，聲波不易從介質(zhì)小，聲波不易從介

11、質(zhì)1 1到介質(zhì)到介質(zhì)2 2中去。中去。 Z Z1 1/Z/Z2 2越接近越接近1 1，聲耦合越好，聲耦合越好，R R小，小，T T大，大， 聲波易從介質(zhì)聲波易從介質(zhì)1 1到介質(zhì)到介質(zhì)2 2中去。中去。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的聲學(xué)性質(zhì)巖石的聲學(xué)性質(zhì) 一、單發(fā)雙收的測量原理一、單發(fā)雙收的測量原理 1.1.聲系聲系 R R：接收探頭聲能轉(zhuǎn)化為電能；：接收探頭聲能轉(zhuǎn)化為電能； T T：發(fā)射探頭電能轉(zhuǎn)化為聲能。：發(fā)射探頭電能轉(zhuǎn)化為聲能。 第二節(jié)第二節(jié) 聲波速度測井聲波速度測井 聲波在介質(zhì)中的傳播主要指聲波在介質(zhì)中的傳播主要指聲速聲速、聲幅聲幅和和頻率特性。頻率特性。 井筒井筒 井壁井壁 A A B B C

12、 C D D T T R1R1 R2R2 源源 距距 間間 距距 記錄點記錄點O O O O 聲波測量原理示意圖聲波測量原理示意圖 2.2.巖石的聲速特性及影響因素巖石的聲速特性及影響因素 (1)V(1)VP P、V VS S與與 、 、E E間的關(guān)系間的關(guān)系 )21)(1 ( )1 ( E VP )1 (2 E V S 當(dāng)當(dāng) =0.25=0.25，V VP P/V/VS S=1.73,=1.73, E V E VP(S) P(S) (2)(2)傳播速度與巖性的關(guān)系傳播速度與巖性的關(guān)系 巖性不同巖性不同 彈性模量不同彈性模量不同 VPVP、VSVS的影響不的影響不 同同 VPVP、VSVS不同

13、。不同。 (3)(3)孔隙度的影響孔隙度的影響 流體的彈性模量和密度都不同于巖石骨架，相對講，流體的彈性模量和密度都不同于巖石骨架，相對講， 即使巖性相同，其中的流體也不同?？紫抖仍龃?，傳播即使巖性相同，其中的流體也不同。孔隙度增大，傳播 速度就降低。速度就降低。 2.2.巖石的聲速特性及影響因素巖石的聲速特性及影響因素 (4)(4)巖層的地質(zhì)時代影響巖層的地質(zhì)時代影響 實際資料表明：厚度、巖性相同，巖層越老，則傳播實際資料表明：厚度、巖性相同，巖層越老，則傳播 速度越快。速度越快。 (5)(5)巖層的埋藏深度影響巖層的埋藏深度影響 巖性和地質(zhì)時代相同：埋深增加導(dǎo)致傳播速度增加。巖性和地質(zhì)時代

14、相同：埋深增加導(dǎo)致傳播速度增加。 結(jié)論：結(jié)論：可用傳播速度來研究巖層的巖性和孔隙度。可用傳播速度來研究巖層的巖性和孔隙度。 2.2.巖石的聲速特性及影響因素巖石的聲速特性及影響因素 3.3.巖層的聲幅特性巖層的聲幅特性 平面波的衰減僅由介質(zhì)的吸收引起的，聲波的平面波的衰減僅由介質(zhì)的吸收引起的，聲波的 能量與其幅度的平方成反比，聲幅的大小反映了聲能量與其幅度的平方成反比，聲幅的大小反映了聲 波能量的高低。波能量的高低。 J= J J= J0 0e e-2l -2l J J：聲波經(jīng)過 ：聲波經(jīng)過L L距離后的聲強距離后的聲強 J J0 0：初始聲強 ：初始聲強 ：介質(zhì)的吸收系數(shù)：介質(zhì)的吸收系數(shù) 下

15、降下降 V V下降下降 增加增加 頻率增加頻率增加 增加增加 二、單發(fā)雙收的測量原理二、單發(fā)雙收的測量原理 (2) (2) 到達接收探頭的波類到達接收探頭的波類 折射縱波折射縱波 反射波反射波 泥漿波泥漿波( (直達波直達波) ) (1)(1)產(chǎn)生滑行波的條件產(chǎn)生滑行波的條件(V(V地地VV泥漿泥漿) )產(chǎn)生滑行波的過程是可產(chǎn)生滑行波的過程是可 逆的逆的 (3)(3)滑行縱波首先到達接收探頭滑行縱波首先到達接收探頭 因因反射波反射波、泥漿波泥漿波都只在都只在泥漿中泥漿中傳播傳播，V V地 地大于 大于V V泥 泥， ， 如果如果合理選擇源距合理選擇源距可以使縱波首先到達接收探頭，可以使縱波首先

16、到達接收探頭， 而成其為首波。而成其為首波。 (4)(4)時差的表達式時差的表達式 時差：在介質(zhì)中聲波傳播單位距離所用的時間時差：在介質(zhì)中聲波傳播單位距離所用的時間 二、單發(fā)雙收的測量原理二、單發(fā)雙收的測量原理 ) 121 () 121 ( 12 v CE v BC v AB v DF v BD v AB t tt 如果井徑規(guī)則，則如果井徑規(guī)則，則AB=DF=CEAB=DF=CE，上式為：，上式為： 22v CD v BCBD t 顯然，顯然，CDCD正好是儀器的間距正好是儀器的間距( (常數(shù)常數(shù)) )，時差與聲速，時差與聲速 成反比。時差的單位：成反比。時差的單位： s/ms/m。 二、單發(fā)

17、雙收的測量原理二、單發(fā)雙收的測量原理 時差時差 s/ms/m (5)(5)輸出的測井曲線輸出的測井曲線( (一條聲波時差曲線一條聲波時差曲線) ) 二、單發(fā)雙收的測量原理二、單發(fā)雙收的測量原理 三、影響時差的因素三、影響時差的因素 1.1.井徑的影響井徑的影響 R1( R1(處在處在D D增加增加) )，R2(R2(位于正常或縮小位于正?；蚩s小) )井段時，滑行波到達井段時，滑行波到達R1R1 的時間增加，而到達的時間增加，而到達R2R2的時間不變，因此時差下降。的時間不變，因此時差下降。 R1R1位于正常位于正常( (或縮小井段或縮小井段) )，R2R2位于井徑擴大，滑行波到達位于井徑擴大，

18、滑行波到達R1R1 的時間不變，而到達的時間不變，而到達R2R2的時間增加，因此時差增加。的時間增加，因此時差增加。 當(dāng)當(dāng)R1R1和和R2R2都處于井徑擴大或縮小井段時，都處于井徑擴大或縮小井段時，t1t1、t2t2同時增加或同時增加或 下降，或不變。下降，或不變。 2.2.巖層厚度的影響巖層厚度的影響 間距間距 (1) (1)厚層厚層( (hlhl間距間距),),曲線的半幅點為層界面曲線的半幅點為層界面, ,曲線幅曲線幅 度的峰值為時差。度的峰值為時差。 (2) (2)薄層薄層( (h hl l間距間距) )曲線受圍巖的影響大，高速地曲線受圍巖的影響大，高速地 層的時差增加，用半幅點確定的層

19、界面層的時差增加，用半幅點確定的層界面( (視厚度巖視厚度巖 層的真實厚度層的真實厚度) ) 間距間距 2.2.巖層厚度的影響巖層厚度的影響 間距間距 時差時差 2.2.巖層厚度的影響巖層厚度的影響 (3) (3)薄互層薄互層( (交互層中小層的厚度交互層中小層的厚度) )，此時，此時，曲線不能曲線不能 反映地層的真正時差值，反映地層的真正時差值，由于各層間的相互影響，曲線由于各層間的相互影響，曲線 呈鋸齒壯。呈鋸齒壯。 3.3.周波跳躍的影響周波跳躍的影響 (1)(1)產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因 由于在滑行首波到達接收探頭的路徑中遇由于在滑行首波到達接收探頭的路徑中遇到吸到吸 收系數(shù)很大的介質(zhì)收系

20、數(shù)很大的介質(zhì), ,首波能觸發(fā)首波能觸發(fā)R1R1但不能觸發(fā)但不能觸發(fā)R2R2,R2,R2 被幅度較高的后續(xù)波觸發(fā)被幅度較高的后續(xù)波觸發(fā), ,因此因此, ,時差增大時差增大。 三、影響時差的因素三、影響時差的因素 (2) (2) 周波跳躍的特點周波跳躍的特點 時差值大大增加時差值大大增加 且呈周期性的跳躍且呈周期性的跳躍 (3) (3) 產(chǎn)生周波跳躍的各種情況產(chǎn)生周波跳躍的各種情況 含氣的疏松砂巖含氣的疏松砂巖 裂縫性地層或破碎帶裂縫性地層或破碎帶 泥漿氣侵泥漿氣侵 3.3.周波跳躍的影響周波跳躍的影響 四、井眼補償聲速測井四、井眼補償聲速測井(BHC)(BHC) 井眼不規(guī)則時，有：井眼不規(guī)則時，

21、有： T1T1 R1R1 R2R2 T2T2 A A B B E E C C 1 1 21 1 1 V BR V AB V AT t 1 2 21 1 2 V CR V AC V AT t 1 12 2 121 V BRCR V BC ttt 從圖中所知從圖中所知:CR2BR1,:CR2BR1, t1t1CR2ER1CR2， t2t2 t t。 1 21 2 212 V CRER V EC ttt 2 21)tt( t 平均后的補償聲速時差值不變。平均后的補償聲速時差值不變。 同理同理: :在井徑擴大的頂界面也如此在井徑擴大的頂界面也如此, ,對儀器的傾斜也對儀器的傾斜也 有補償作用有補償作用

22、. . 四、井眼補償聲速測井四、井眼補償聲速測井(BHC)(BHC) 五、長源距聲波測井五、長源距聲波測井 發(fā)射器到接收器的距離為發(fā)射器到接收器的距離為8ft8ft、10ft10ft、12ft12ft 1.1.解決的問題解決的問題 井徑很大井徑很大 井周圍泥巖發(fā)生蝕變時，一些非固結(jié)和永凍地層中徑向聲速井周圍泥巖發(fā)生蝕變時，一些非固結(jié)和永凍地層中徑向聲速 發(fā)生變化。發(fā)生變化。 以上兩種情況是以上兩種情況是BHCBHC無法解決的。無法解決的。 2.2.優(yōu)點優(yōu)點 時差不受泥漿侵蝕或大井眼的影響，如果不考慮散射問題，它時差不受泥漿侵蝕或大井眼的影響，如果不考慮散射問題，它 所測得的速度完全可以與地震記

23、錄的速度對比。所測得的速度完全可以與地震記錄的速度對比。 六、時差曲線的應(yīng)用六、時差曲線的應(yīng)用 1.1.判斷氣層、確定油氣和氣水界面判斷氣層、確定油氣和氣水界面 據(jù)流體密度和聲速有：據(jù)流體密度和聲速有：V V水水VV油油VV氣氣 在高孔隙和侵入不深的條件下能識別氣層在高孔隙和侵入不深的條件下能識別氣層, ,其特征其特征: : 氣氣 層層 周波跳躍周波跳躍 高時差高時差3030微秒微秒/ /米米 2.2.劃分地層劃分地層( (確定地層的巖性確定地層的巖性) ) 由于不同巖性地層具有不同的聲波速度，因此由于不同巖性地層具有不同的聲波速度，因此 可以用時差劃分地層?？梢杂脮r差劃分地層。 致密巖石的時差致密巖石的時差 孔隙性巖石的時差孔隙性巖石的時差 巖層的孔隙增加聲速下降時差增加巖層的孔隙增加聲速下降時差增加 砂巖的時差砂巖的時差 0.3,0.3,所以該層的流體性質(zhì)是油氣水同層，所以該層的流體性質(zhì)是油氣水同層， S SO O=1-S=1-SW W=67.7%=67.7% (2) (2) 根據(jù)阿爾奇公式有：根據(jù)阿爾奇公式有： 4.4.實例分析實例分析 疏松砂巖類疏松砂巖類 e e=