声波测井原理

1、绪绪 论论 声波测井声波测井 声声 波波声波的分类声波的分类 一般按照频率来分，声波可以分为：一般按照频率来分，声波可以分为： 超声波（超声波（ultra-sonic wave）20KHz 声波声波 (sonic wave) 2020KHz 次声波（次声波（infrasonic wave) 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)第二临界角第二临界角: : 2 2* * = arcsin(VP1/VS2) = arcsin(VP

2、1/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212VSVPSinSin4. 4. 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 =(=( 2 2V2-V2- 1 1V1)/(V1)/( 2 2V2+V2+ 1 1V1)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 1 1V1/(V1/( 2 2V2+V2+ 1 1V1)V1)入射角入射角=0=0，T+R=1T+R=15. 5. 波

3、阻抗、声耦合率波阻抗、声耦合率(1)(1)波阻抗波阻抗Z Z Z= Z=波的波的传播速度传播速度介质的密度介质的密度=V=V (2)(2)声耦合声耦合率率 两种两种介质介质的声阻抗之比：的声阻抗之比：Z Z1 1/Z/Z2 2Z1/Z2越大或越小，声耦合越差，越大或越小，声耦合越差，R大，大，T小，小，声波不易从介质声波不易从介质1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，R小，小，T大，声大，声波易从介质波易从介质1到介质到介质2中去。中去。介质( (Z2) )声速( (m/s) )密度( (kg/m3) )波阻抗( (kg/m2S) )反射系数钢 管540

4、0780024.121060.9312砂 岩330026508.7451060.7071石灰岩6500287018.651060.8511白云岩7000287020.091060.8610泥 岩180024504.411060.4923硬 煤370014005.181060.5508水和各种介质界面上的声压反射系数水和各种介质界面上的声压反射系数6. 6. 声速影响因素声速影响因素u 弹性模量；弹性模量；u 密度；密度；u 岩性；岩性；u 孔隙度；孔隙度；u 岩层地质时代；岩层地质时代；u 岩层埋藏深度等。岩层埋藏深度等。7. 不同介质的声波速度不同介质的声波速度介质介质声速声速(m/s)时差

5、时差( s/m)介质介质声速声速(m/s)时差时差( s/m)空气空气3303000渗透性砂岩渗透性砂岩5943168甲烷甲烷4422260致密砂岩致密砂岩5500182石油石油10701320985757致密石灰岩致密石灰岩64007000156143水水15301620655620白云岩白云岩7900125泥岩泥岩18303962548252岩盐岩盐46005200217193泥质砂岩泥质砂岩5638177硬石膏硬石膏61006250164160第第2 2节节 声波速度测井声波速度测井u声波速度测井是测量井下岩石地层的声波传播声波速度测井是测量井下岩石地层的声波传播速度（或时差），以判断井

6、剖面地层的岩性，速度（或时差），以判断井剖面地层的岩性，估算储集层估算储集层孔隙度孔隙度的测井方法。的测井方法。u声波速度测井是声波速度测井是岩性孔隙度测井系列岩性孔隙度测井系列中的主中的主要测井方法之一。要测井方法之一。u声波速度测井所记录的地层声速一般是指地层声波速度测井所记录的地层声速一般是指地层纵波纵波的速度（或时差）。的速度（或时差）。一一 声波在井壁上的折射与滑行波声波在井壁上的折射与滑行波井下声波发射探头发射出的声波，一部分在井壁井下声波发射探头发射出的声波，一部分在井壁（井内泥浆与井壁岩层分界面）上发生（井内泥浆与井壁岩层分界面）上发生反射反射；一；一部分在井壁上发生部分在井壁

7、上发生折射折射，进入井壁地层。由于井，进入井壁地层。由于井壁地层是固相介质，因而，折射进入地层的声波壁地层是固相介质，因而，折射进入地层的声波可能转换成为可能转换成为折射纵波折射纵波和和折射横波折射横波。1 1 折射波与临界角折射波与临界角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时产生滑行纵波时产生滑行纵波折射定律折射定律: :VPVPinin211SS第一临界角第一临界角: : 1 1* *=arcsin(VP1/VP2)=arcsin(VP1/VP2)第二临界角第二临界角: : 2 2* * = arcsin(VP1/

8、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212VSVPSinSin介质名称介质名称VP (m/s)VP (m/s)VS (m/s)VS (m/s)第一临界角第一临界角第二临界角第二临界角泥 产生滑行横波砂 层（疏松）263015183728不产生滑行横波砂 岩（疏松）3850230024334405砂 岩（致密）55003200165530石灰岩（骨架）7000370013132537白云岩（骨架）7900440011412119钢 管5400310017413104常见介质的纵横波速度及第一第二临界角

9、常见介质的纵横波速度及第一第二临界角二、二、 声波速度测井声波速度测井单发双收的测量原理单发双收的测量原理1 1 声系声系T T：发射探头电能转化为声能。：发射探头电能转化为声能。R R：接收探头声能转化为电能；接收探头声能转化为电能；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 ()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(

10、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的影响的影响不同不同 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。孔隙度讲，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。增大，传播速度就降低。(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

11、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。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，声波的能量与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反比，声幅的大小反映了声波能量的其幅度的平方成反比，声幅的大小反映了声波能量的高低。高低。 J= JJ= 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

12、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2 2 单发双收的测量原理单发双收的测量原理(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) ) 产生滑行波的过产生滑行波的过程是可逆的程是可逆的(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) )(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，如果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，而成可以使纵波首先到达接

13、收探头，而成其为首波。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)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：22vCDvBCBDt 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) )，时差与声速成反，时差与声速成反比。时差的单位：比。时差的单位： s/ms/m。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) )影响时差的因素影响时

14、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，滑行波井段时，滑行波到达到达R1R1的时间增加，而到达的时间增加，而到达R2R2的时间不变，因此时差的时间不变，因此时差下降。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，滑行波位于井径扩大，滑行波到达到达R1R1的时间不变，而到达的时间不变，而到达R2R2的时间增加，因此时差的时间增加，因此时差增加。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同时同时增加或

15、下降，或不变。增加或下降，或不变。2 2 岩层厚度的影响岩层厚度的影响(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差。度的峰值为时差。间距间距(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(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

16、各层间的相互影响，由于各层间的相互影响，曲线呈锯齿壮。曲线呈锯齿壮。 间距间距时差时差3 3 周波跳跃的影响周波跳跃的影响(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收系数到吸收系数很大的介质很大的介质, ,首波能触发首波能触发R1R1但不能触发但不能触发R2R2,R2,R2被幅度较被幅度较高的后续波触发高的后续波触发, ,因此因此, ,时差增大时差增大. .(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

17、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井眼补偿声速测井井眼补偿声速测井(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 t1212212VCRERVECttt 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：在井径扩大的顶界面也如此同理：在井径扩大的顶界面也如此,

18、,对仪器的倾斜也对仪器的倾斜也有补偿作用有补偿作用. .长源距声波测井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。中径向声速发生变化。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对问题，它所测得的速度完全可以与地震记录

19、的速度对比。比。声波时差曲线的应用声波时差曲线的应用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声波时差高声波时差( (大大3030微秒微秒/ /米以上米以上) )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，因此可以用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。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

20、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，SO =1-SSO =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： 疏松砂岩类疏松砂岩类 e e= = s s/c/cp p c cp p: :压实系数，压实系数，固结压实地层固结压实地层cp=1,cp=1,否则否则c cp p11压实系数压实系数c cp p的求法的求法: :A A 深度法：深度法：C Cp p与深度成反比与深度成反比, ,深度越深深度越深,

21、,地层越压实地层越压实, ,某某油田的经验公式油田的经验公式: C: Cp p=1.68-0.0002=1.68-0.0002H HB B 时差对比法：时差对比法：C Cp p= = t tshsh/ / t tshpshp； t tshpshp: :是固结压实泥岩是固结压实泥岩的时差。的时差。 固结压实泥质地层固结压实泥质地层 t=t= t tshshV Vshsh+ + t tf f + + t tmama(1-V(1-Vshsh- - ) ) 非均匀孔隙地层非均匀孔隙地层用次生孔隙指数来反映地层的裂缝的发育情况：次生用次生孔隙指数来反映地层的裂缝的发育情况：次生孔隙指数孔隙指数= = N

22、 N- - S S；原生孔隙原生孔隙 S S 7575斜交裂缝：与水平线的夹角斜交裂缝：与水平线的夹角3030 7575水平裂缝：与水平方向的夹角水平裂缝：与水平方向的夹角30 疏疏),),由此声波通过由此声波通过较大裂缝较大裂缝, ,其接收到的能量比非裂缝地层低得多。其接收到的能量比非裂缝地层低得多。声波通过裂缝声波通过裂缝, ,能量衰减与裂缝的张开度、发育程度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。增加，测得的声幅低。5 5 溶洞性地层溶洞性地层对于溶洞性地层，波绕溶洞传播：对于溶洞性地

23、层，波绕溶洞传播：(1)(1)增加了波的传播路径；增加了波的传播路径；(2)(2)溶洞引起波的散射，造成声波能量较大幅度的衰溶洞引起波的散射，造成声波能量较大幅度的衰减，所以声波在溶洞性地层传播，地层波幅很小，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。溶洞对波的衰减相当大。6 6 寻找裂缝和溶洞地层的特征寻找裂缝和溶洞地层的特征声幅曲线上，幅度值低；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。在时差曲线上，时差值高，可能出现周波跳跃。二二 套管井的声幅测井套管井的声幅测井1 1 声系：单发单收，源距为声系：单发单收，源距为1 1米米T TR R水水泥

24、泥套套管管泥浆泥浆20%20%40%40%mvmv2 2 接收到的信号：接收到的信号：沿套管传播的滑行纵波沿套管传播的滑行纵波( (套管波套管波) )3 3 管波幅度与管外介质性质的关系和分布有关管波幅度与管外介质性质的关系和分布有关管波幅度受套管和管内介质的影响是一个定值，收到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。的信号幅度就取决与套管外介质的性质和分布。4.4.评价水泥胶结质量评价水泥胶结质量由于套管与水泥接触，且由于套管与水泥接触，且Z Z套管套管与与Z Z水泥水泥很接近，声耦合很接近，声耦合率好，大部分能量都被折射到水泥环中，而少部分能

25、率好，大部分能量都被折射到水泥环中，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。好，则声幅高。5 5 影响水泥胶结测井的因素影响水泥胶结测井的因素(1)(1)测井时间：最好在注水泥后测井时间：最好在注水泥后20-4020-40小时进行测量小时进行测量, ,因为水泥有个凝固过程因为水泥有个凝固过程, ,过早或过晚过早或过晚, ,都会造成错都会造成错误解释；误解释；(2)(2)水泥环的厚度：水泥环的厚度水泥环的厚度：水泥环的厚度2cm2cm时，对套管波时，对套管波的衰减是个定值的衰减是个定值, ,水泥环的厚度水泥环的厚度2cm

26、2cm时时, ,水泥环越水泥环越薄薄, ,对套管波的衰减越小对套管波的衰减越小, ,测得的声幅值高测得的声幅值高. . (3)(3)气侵泥浆：气侵泥浆的吸收系数大气侵泥浆：气侵泥浆的吸收系数大, ,使声波的衰减使声波的衰减很大很大, ,此时测得的声幅低此时测得的声幅低, ,造成误解造成误解. .(4)(4)套管厚度：套管对声波的吸收是固定的套管厚度：套管对声波的吸收是固定的, ,但套管厚但套管厚度越小度越小, ,对声波的衰减越大对声波的衰减越大, ,测得的声幅值低测得的声幅值低. .(5)(5)微环：固井时微环：固井时, ,因热效应和压力的影响因热效应和压力的影响, ,套管膨胀套管膨胀, ,注

27、完水泥后注完水泥后, ,又可能收缩又可能收缩, ,在套管和水泥环间有一在套管和水泥环间有一环形空间环形空间, ,间隙间隙0.1mm,0.1mm,它使声耦合率变差它使声耦合率变差, ,使测得使测得的声幅值增加的声幅值增加. .(6)(6)仪器偏心和窜槽：不同方向到达的管波相位不同仪器偏心和窜槽：不同方向到达的管波相位不同, ,相互抵消相互抵消, ,测得的声幅值低测得的声幅值低. .三三 声波变密度测井声波变密度测井(VDL)(VDL)声幅测井只记录声波波列中声幅测井只记录声波波列中首波的幅度首波的幅度，因而，因而，只能检查第一界面的胶结封固情况，但地层的串只能检查第一界面的胶结封固情况，但地层的

28、串槽有可能是由于槽有可能是由于第二界面第二界面胶结封固不好引起的。胶结封固不好引起的。因而发展了变密度因而发展了变密度( (变厚度变厚度) )测井，对井下接收到测井，对井下接收到的声波波列的前的声波波列的前1214个波的幅度与到达时间进个波的幅度与到达时间进行记录。声系与常规声幅测井相同，源距行记录。声系与常规声幅测井相同，源距1m或或1.5m。1 1 套管井中波传播的路径套管井中波传播的路径(1)(1)沿套管沿套管(2)(2)井内泥浆井内泥浆(3)(3)通过地层通过地层因为水泥的声速因为水泥的声速 Cstp p及及Cp/Cs1.75时，储集层为裂缝时，储集层为裂缝孔隙；孔隙；当当 s p及及

29、Cp/Cs1.75时，储集层为粒间时，储集层为粒间孔隙；孔隙；2） Pickett提出利用横波时差估算孔隙度提出利用横波时差估算孔隙度：Cmas岩石骨架的横波速度；岩石骨架的横波速度；M经验系数，当经验系数，当37%时，时，m=2。CCtttfmasmpss )1 (/在根据在根据ts计算孔隙度的计算孔隙度的图版中：图版中：白云岩：白云岩：ts/tp1.8；石灰岩：石灰岩：ts/tp1.9；砂砂 岩岩：ts/tp1.581.78；含气砂岩含气砂岩：ts/tp1.6；该方法的优点在于考虑了岩性对孔隙度的影响。该方法的优点在于考虑了岩性对孔隙度的影响。2 2 判断孔隙形状及储集层孔隙类型判断孔隙形

30、状及储集层孔隙类型国内外研究表明：孔隙形状及大小是影响弹国内外研究表明：孔隙形状及大小是影响弹性波的因素之一。性波的因素之一。将孔隙形状看成长轴及短轴不同的椭球体，将孔隙形状看成长轴及短轴不同的椭球体，纵剖面上的短轴长度纵剖面上的短轴长度a与长轴长度与长轴长度b的比值，的比值，即即 a/b作为孔隙形状的特征值，作为孔隙形状的特征值， 定义为定义为“纵横比纵横比”。球形孔隙，。球形孔隙， =1， 数值越小，数值越小，则孔隙越接近于裂缝。因此，则孔隙越接近于裂缝。因此， 与与 对弹性波对弹性波都有影响。都有影响。根据纵横波的幅度信息判断储集层的孔隙类根据纵横波的幅度信息判断储集层的孔隙类型。统计资

31、料表明，在裂缝性储集层中纵波型。统计资料表明，在裂缝性储集层中纵波和横波的幅度都有减小，而横波幅度的减小和横波的幅度都有减小，而横波幅度的减小尤其显著。尤其显著。声波的衰减是由于溶洞或孔洞对声波的散射声波的衰减是由于溶洞或孔洞对声波的散射所引起的，岩石对声波散射衰减的大小与声所引起的，岩石对声波散射衰减的大小与声波信号频率的三次方成正比。波信号频率的三次方成正比。 P与与 S分别为分别为纵横波的衰减系数。纵横波的衰减系数。3 3 判断岩性判断岩性对不同岩性的地层，其泊松比对不同岩性的地层，其泊松比 具有不同数具有不同数值，而值，而 可由岩石的纵波与横波速度可由岩石的纵波与横波速度Cp和和Cs计

32、算得出。计算得出。112122CCCCspsp岩石或矿物岩石或矿物C Cp p/C/Cs s岩石或矿物岩石或矿物C Cp p/C/Cs s石石 英英1.487泥灰岩泥灰岩1.87-2.45方解石方解石1.931石石 膏膏2.49白云石白云石1.800硬石膏硬石膏1.85粘粘 土土1.936花岗岩花岗岩1.63-1.87石英岩石英岩1.67-1.78玄武岩玄武岩1.69砂砂 岩岩1.58-2.05辉长岩辉长岩1.51-1.67石灰岩石灰岩1.67-2.08辉绿岩辉绿岩1.75-1.82白云岩白云岩1.77-2.15常见岩石及矿物的常见岩石及矿物的Cp/Cs值值曲线符号为曲线符号为Cp/Cs的数值的数值4 4 判断岩石孔隙中流体的性质判断岩石孔隙中流体的性质地层中的流体性质不同，则纵波与横波速度地层中的流体性质不同，则纵波与横波速度比比Cp/Cs是不相同的，例如，含水砂岩的是不相同的，例如，含水砂岩的Cp/Cs大于含气砂岩的大于含