聲波測井儀在勘察中的運用

Word版本，下載可自由編輯聲波測井儀在勘察中的運用通常的聲波測井如聲速測井和聲幅測井，只記錄縱波頭波的傳揚時光和第一個波的波幅，而且只是通過了井孔中十分少的波列。實際上，換能器在井孔中激活出的波列攜帶著無數(shù)的地層信息。聲波全波列測井采納數(shù)字記錄方式記錄了井孔中的所有波列，通過數(shù)字信號處理的辦法從全波列中提取所感愛好的信息，用于聲波測井資料的地質解釋。

1井孔中的聲波及其波型成分

在鉆孔中，由點聲源激活的全波列是由多種波列成分組成的，主要包括縱波、橫波、偽瑞雷波和斯通利波等(見圖1)。(1)縱波縱波(又稱滑行縱波)是由聲源發(fā)出的以第一臨界角入射到井壁后，在井外地層并逼近井壁且以圖1全波列波形圖地層中的縱波速度沿井壁滑行的波。這種波在沿井壁傳揚的同時，又會以第一臨界角為折射角折回井中，被接收器接收到。(2)橫波橫波又稱為滑行橫波，它類似于縱波，從射線聲學的角度來看，橫波頭波是由聲源發(fā)出且以其次臨界角入射到井壁后在井外地層并逼近井壁以地層中的橫波速度傳揚的波，這種波在沿井壁傳揚時又會以其次臨界角為折射角折回井中，被接收器接收到。(3)偽瑞雷波以相速度介于井內流體中的縱波速度和地層中的橫波速度傳揚的無幾何衰減的高頻散波。(4)斯通利波以大于且近似等于井內流體中的縱波速度傳揚的無幾何衰減的微頻散波。

2聲波全波列測井儀系統(tǒng)組成及工作原理

2.1系統(tǒng)組成目前在國內工程勘察行業(yè)，適用的聲波全波列測井儀器主要為北京大地華龍公司生產的XG-Ⅱ長源距全波列測井儀，該儀器是一套雙通道高辨別率、數(shù)字化的測井儀，具有分時采樣、迭加、濾波、信號增加、抑制噪聲以及現(xiàn)場實時計算、實時顯示實測波形和測試結果等功能。測井儀系統(tǒng)由主機、井中全波列聲系、銜接電纜、平面換能器(用于巖芯的波速測試)和數(shù)據(jù)處理軟件組成。主要技術指標見表1。井中全波列聲系由一個放射探頭和兩個接收探頭組成(見圖2)，放射探頭距接收探頭1的距離為1.05m，距接收探頭2的距離為1.25m，兩接收探頭間距為0.20m。

2.2工作原理應用射線聲學理論分析，當放射聲源(放射換能器)的幾何尺寸小于聲波的波長時，放射聲波的指向性較差，在井孔中激活的聲波則以不同的角度輻射到井壁上，并在井液與井壁的界面上發(fā)生反射及折射，而折射使部分聲波能量進入巖體。折射定理:由式(1)可知:當θ的值為arcsin(ν1/ν2)時，則折射角θ2為90°，亦即折射波將沿井壁傳揚(滑行波)，見圖3。同理，滑行波在傳揚過程中亦以90°入射角，不斷折射回井液，并被接收換能器拾取。因為普通巖石的波速遠高于水的波速，滑行波將先于利用井液的直達波到達。此時，遠近不同的兩個接收換能器所拾取的滑行折射波，其到時差異、幅頻差異，便容含了兩換能器間井壁巖體所反映的地球物理信息;按照其接收到的各種波的初至時光差可計算出兩道間地層的波速值。

2.3巖石中聲波的傳揚特征新奇完整的巖石波速高、波幅大、頻率高，巖石風化后波速、波幅和頻率均會降低。這是因為風化作用使巖石中的結構面增強，且原有些礦物分解成次生的親水礦物，礦物或巖屑顆粒之間的連結狀態(tài)也由本來的結晶連結或膠結連結轉化為水膠連結，較為松散，從而使聲波傳揚時光增長，波速降低，而汲取衰減增大，波幅大大縮小，頻率變低，波在風化巖石中的穿透能力也大為削弱。同理，在巖體破裂及節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，當聲波在巖體中傳揚時，因為這種不延續(xù)界面中往往富含有液體使其波阻抗降低，且在這種界面上傳揚的聲波會發(fā)生不同程度的反射、繞射，致使聲波的能量大大衰減，導致波速降低，波幅變小，頻率變低，反映在全波列波形上會浮現(xiàn)圖4所示的聲波異樣區(qū)(見圖4中淺灰色區(qū)塊)［2］。用軟件回放出來，然后通過人工辦法觀看兩道波形中橫波的波至點，并將它們對應的波至讀出，進而通過兩通道波形的波至來計算橫波時差，這種辦法比較棘手，處理速度慢，而且精度不高。

2.4全波列測井中縱橫波的提取在測井時，用門檻鑒別的辦法即可檢測縱波的波至，并計算縱波時差。目前大部分的波速測試儀器均可利用軟件自動判讀并計算縱波速度。對一般波速測試儀來說，因為縱波后續(xù)波的干擾，普通很難通過類似的辦法來獲得地層的橫波速度。而聲波全波列測井儀采納了較長的源距，記錄了囫圇波列，即在某個測量點上記錄了遠近兩道完整的全波列波形。在全波列波形中，縱波信號到達一段時光后橫波才干到達，此時縱波信號已有所衰減，而橫波信號因為頻率低振幅大，與前邊的縱波有著顯然差異，可較簡單將二者區(qū)別開來。由此可見，通過全波列信息利用一系列信號處理分析，從全波列資料中提取縱波、橫波和斯通利波等，不僅可以得到各種波的波速，而且在一定條件下可以得到某一種波群幅度和頻率譜等，從而可以充分通過這些測井信息討論地層的特性。下面介紹橫波提取的辦法。

2.4.1人工波形識別法這種辦法是首先將聲波測井記錄道的全波列利3全波列測井在工程勘察中的應用在工程勘察中，聲波全波列測井主要用于解決以下地質問題:(1)巖體的波速測試及力學參數(shù)計算;(2)劃分基巖地層與巖性;(3)圈定構造、巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶及懦弱層，輔以確定含水層位置;(4)對風化殼及巖體完整程度做出定量評價。

2.4.2相關對照法相關對照法是通過兩道全波列信號求某一段波列的相互關函數(shù)，進而求得該波群的速度(群速度)的一種辦法(見圖5)。應用該辦法對采集的信號舉行相互關分析，可以精確?????地識別S波的到時，大大提升了波速分析的效率和精度。

3.1測試辦法技術因為當前聲波測試主要應用在巖體的波速測試及計算力學參數(shù)方面，因此本文以該方面的工作為例來介紹聲波測試的辦法技術。該辦法分為孔內巖體波速測試和巖石(巖芯)波速測試兩步。(1)孔內巖體波速測試:采納一發(fā)雙收聲系，以水為耦合介質測定巖體的縱波速度νpm和橫波速度νsm。(2)巖石波速測試:普通測試巖芯的波速。測試辦法采納透射法，即在巖芯的兩端放置縱波放射換能器及接收換能器，測定巖芯的縱波速度νpr。(3)按照巖石的密度、巖芯的波速及巖體的縱橫波速度，計算巖體的動彈性模量、動剪切模量、

3.2影響聲波測井的因素［1］(1)周波跳動的影響正常狀況下，測井儀的兩個接收探頭是被同一脈沖首波觸發(fā)的，但在孔隙較多的疏松地層和裂隙發(fā)育區(qū)(或破裂帶)中，因為能量的嚴峻衰減，致使首波削弱到只能觸發(fā)第一接收探頭，而其次道首波前沿不能觸發(fā)，而是觸發(fā)記錄首波后沿，其相位將顯然地滯后，造成記錄的時差比巖層的實際時差大。更嚴峻的是，其次道首波被其次周或推延多周后的幅度峰所觸發(fā)，每差一個峰值，時差就增大一個周期，表現(xiàn)在波列圖上，則會浮現(xiàn)測井曲線的急劇偏轉或相鄰波速的較大差異，這種現(xiàn)象稱為周波跳動。(2)層厚的影響。全波列測井儀源距較長，對小于兩接收道間距的薄地層辨別能力較差。減小間距可以提升對于薄層的辨別能力，但是記錄精度將受影響，且探測深度也隨之變淺。(3)噪聲干擾在碳酸鹽巖地層中，因為與井液聲阻抗相差很大，聲波在孔內的反射較強，經多次反射形成混響聲場(噪聲)，因為其不易彌散，甚至會疊加在其次次放射后接收到的首波上，使得首波辨認困難，特殊是首波幅度小的層段，如裂隙發(fā)育區(qū)、破裂帶等，對該區(qū)段聲波曲線的判讀有較大影響。

4工程實例

陜西省某鐵路隧道的選址區(qū)位于秦嶺山脈中，山勢陡峻，該區(qū)地層為砂巖，區(qū)內斷裂破裂帶及節(jié)理發(fā)育，所以查明該區(qū)域地層的巖石風化、破裂狀況對于隧道勘察設計十分重要。圖6為該工程LZK5勘察孔的波速測試成績。由圖可見，該鉆孔縱波速度普通大于4000m/s，橫波速度普通大于1600m/s。在25～28m、43～46m、62～65m、80～85m位置及100～125m之間，有多處縱、橫波速度顯然降低，反映該區(qū)域有破裂帶存在或節(jié)理裂隙發(fā)育。對應上述低速區(qū)的位置，巖石的動彈性模量和動剪切模量亦隨波速降低，變化幅度顯然;部分區(qū)域巖石的泊松比表現(xiàn)為數(shù)值增大，部分區(qū)域無顯然變化，反映了不同深度、不同性質的破裂帶或節(jié)理發(fā)育區(qū)之間力學性質的差異。圖7為江西省某核電工程選址勘察中波速測試得到的“地質—νp柱狀圖”，該區(qū)地層為玄武巖，全區(qū)巖石風化劇烈，裂隙發(fā)育。從圖中可以看出，對應不同性質的地層，波速變化較大，反映巖石的風化程度、破裂程度變化較大，21.6m以上波速在2000～2756m/s之間，為強風化、破裂的玄武巖地層;21.6～23.6m層速度為3397m/s，為中風化玄武巖地層;23.6～35.8m層速度普通大于4000m/s，為完整的玄武巖地層，其間偶夾有裂隙;35.8～37m為一顯然的裂隙發(fā)育區(qū)。由上述可見，波速測試結果反映了巖體內部波速場的分布狀況，利用波速—深度曲線還可概括、直觀地反映巖體的完整性。

5結語

(1)用超聲波探測技術舉行巖體的縱波、橫波速度的測定，能夠評價所測巖體的風化程度和巖體完整性指數(shù)，其成績較為牢靠。(2)由測試結果生成的深度—波速曲線圖可直觀反映該區(qū)域地層的風化程度及巖體破裂狀況，可以為設計提供較為牢靠的物性參數(shù)，是一種值得推廣的測試辦法。(3)按照波速測試結果計算的巖石力學參數(shù)可為工程的勘察設計提供更為詳盡的基礎地質資料。因為以往的聲波全波列測井儀器僅用于石油勘探中深部(上千米)鉆孔的測試，而該類儀器價格昂貴，且設備較重、源距較長(最長可達十幾米)，在工程勘察領域不適用，因此