声波测井原理-all

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) 20Hz一一 测井的概念测井的概念测井测井Well Logging是矿场地球物理测井的简称，是矿场地球物理测井的简称，它是利用各种专门的它是利用各种专门的测井测井仪器放入井内，沿井仪器放入井内，沿井身测量井剖面上岩层的各种物理参数随深度的变化身测量井剖面上岩层的各种物理参数随深度的变化曲线，并根据测量结果进

2、行综合解释曲线，并根据测量结果进行综合解释人工和数字人工和数字处理处理来判断岩性，确定油气层及其它矿藏的一门来判断岩性，确定油气层及其它矿藏的一门技术。技术。1927年年9月月5日，日，Schlumberger兄弟及兄弟及Doll在法国的在法国的皮切尔布郎测得第一条电阻率曲线，开创了测井技皮切尔布郎测得第一条电阻率曲线，开创了测井技术。术。测井仪器：进行测井所用的专门设备，即测井仪器：进行测井所用的专门设备，即用以测量地下岩层地球物理参数的仪器。用以测量地下岩层地球物理参数的仪器。测井曲线：测井作业所得到的反映地下岩测井曲线：测井作业所得到的反映地下岩层某种物理量随深度变化的曲线。层某种物理量

3、随深度变化的曲线。世界三大测井公司简介：世界三大测井公司简介：中文名称中文名称英文名称英文名称仪器仪器软件系统软件系统斯仑贝谢斯仑贝谢SchlumbergerMAXIS500GeoFrame阿特拉斯阿特拉斯( (贝克休斯贝克休斯) )Atlas5700ECLIPS哈里伯顿哈里伯顿HalliburtonExcell-2000DDP导电性；导电性；电化学特性；电化学特性；介电特性；介电特性；声学特性；声学特性；核特性；核特性；热特性等。热特性等。岩层地球物理特性：岩层地球物理特性：二二 测井工艺测井工艺测井仪器：测井仪器：井下仪器和地面仪器井下仪器和地面仪器资料处理：硬件资料处理：硬件计算机和外围

4、设备计算机和外围设备；软件；软件操作系统和应用软件操作系统和应用软件工艺流程：工艺流程：资料获取资料解释资料获取资料解释地下岩层地下岩层下井仪器地面仪器测井曲线解释中心下井仪器地面仪器测井曲线解释中心解释结果解释结果 电法测井方法电法测井方法声波测井方法声波测井方法放射性测井方法放射性测井方法核测井核测井其它常规测井方法其它常规测井方法三三 常规测井方法常规测井方法生产测井开发测井气测井地层倾角测井其它测井放射性测井声波测井非电法测井电法测井勘探测井测井四四 测井的发展测井的发展 仪器：半自动全自动数字化仪器：半自动全自动数字化解释：人工解释计算机数字化处理解释：人工解释计算机数字化处理五五

5、测井油气田应用测井油气田应用 1.1.油气层评价油气层评价2.2.油气藏描述油气藏描述3.3.油气田开发监测油气田开发监测4.4.油气井工程问题油气井工程问题六六 声波测井声波测井声波测井是测量和记录井剖面上岩层的声学声波测井是测量和记录井剖面上岩层的声学性质（岩石的声速、声波在岩石中的衰减规性质（岩石的声速、声波在岩石中的衰减规律）的一种测井方法。律）的一种测井方法。 声波测井主要内容声波测井主要内容声波速度测井声波速度测井声波幅度测井声波幅度测井声波全波列测井声波全波列测井声波井下电视测井声波井下电视测井噪声测井噪声测井1 1 声波速度测井声波速度测井声波速度测井，又叫声波时差测井，它是测

6、量井声波速度测井，又叫声波时差测井，它是测量井剖面声波纵波速度剖面声波纵波速度C Cp p的倒数，即声波纵波在的倒数，即声波纵波在1 1米地米地层中传播所需的时间，在测井中叫做时差，记作层中传播所需的时间，在测井中叫做时差，记作 t t， t t1/C1/Cp p，单位：微秒，单位：微秒/ /米或微秒米或微秒/ /英尺。英尺。声波速度测井是声波测井中应用最广泛的声波测声波速度测井是声波测井中应用最广泛的声波测井方法，主要利用声波速度测井资料来研究井剖井方法，主要利用声波速度测井资料来研究井剖面的岩性，估算储集层孔隙度等。面的岩性，估算储集层孔隙度等。2 2 声波幅度测井声波幅度测井声波幅度测井

7、声波幅度测井( (声幅测井声幅测井) )主要用于检查固井质量。主要用于检查固井质量。水泥胶结良好时，声波幅度较小；水泥胶结不好水泥胶结良好时，声波幅度较小；水泥胶结不好时，声波幅度较大。时，声波幅度较大。3 3 声波全波列测井声波全波列测井声波全波列测井记录滑行纵波、滑行横波等一系声波全波列测井记录滑行纵波、滑行横波等一系列波列的速度、幅度、衰减、频率等与岩层性质列波列的速度、幅度、衰减、频率等与岩层性质和特征有关的信息。和特征有关的信息。 数字记录数字记录 模拟记录模拟记录用途用途: :判断岩性估算孔隙度估算弹性力学参数判断岩性估算孔隙度估算弹性力学参数4 4 声波井下电视和体积扫描测井声波

8、井下电视和体积扫描测井利用声波反射原理来得到井壁直观图象的测井方利用声波反射原理来得到井壁直观图象的测井方法。井内流体法。井内流体( (泥浆泥浆) )对可见光是不透明，因此，对可见光是不透明，因此，在井下不采用通常的光学电视系统，而是采用声在井下不采用通常的光学电视系统，而是采用声波探测成像技术。波探测成像技术。体积扫描测井不仅可以得到井壁表面的直观图象，体积扫描测井不仅可以得到井壁表面的直观图象，还可以探测井壁以外一定径向深度范围内的介质还可以探测井壁以外一定径向深度范围内的介质分布情况。分布情况。5 5 噪声测井噪声测井噪声测井记录井下自然声场噪声测井记录井下自然声场( (噪声噪声) )分

9、布情况，得分布情况，得到由于岩层应力变化而引起声场分布的变化情况，到由于岩层应力变化而引起声场分布的变化情况，为地震预报和震情监测提供资料；判断井下出水为地震预报和震情监测提供资料；判断井下出水或出气的层位以及检查水或气在套管外的串漏情或出气的层位以及检查水或气在套管外的串漏情况。况。十十 声波测井主要优点声波测井主要优点不受泥浆性质影响；不受泥浆性质影响；不受矿化度影响；不受矿化度影响；不受泥浆侵入影响。不受泥浆侵入影响。参考文献参考文献 矿场地球物理矿场地球物理 丁次乾丁次乾 石油大学出版社石油大学出版社 1992年年 油气田测井原理与解释油气田测井原理与解释 陈福煊陈福煊 石油工石油工业

10、出版社业出版社 1996年年 测井学测井学 石油工业出版社石油工业出版社 1998年年第一章第一章 岩石弹性力学基础岩石弹性力学基础 基本概念和相关知识基本概念和相关知识 岩石的变形与应力岩石的变形与应力 声波在岩石中的传播特性声波在岩石中的传播特性基本概念和相关知识基本概念和相关知识 弹性力学弹性力学 弹性的定义弹性的定义 弹性体和塑性体弹性体和塑性体 描述弹性体的参数：描述弹性体的参数： 杨氏弹性模量杨氏弹性模量 E E 泊松比泊松比 体积弹性模量体积弹性模量 K K 剪切模量剪切模量 部分岩石的弹性模量部分岩石的弹性模量弹性力学弹性力学是力学的一个分支学科，它研究是力学的一个分支学科，它

11、研究弹弹性体性体由于受外力作用由于受外力作用(或温度变化或温度变化)等原因而等原因而发生的发生的应力、形变和位移，以及形变和位移应力、形变和位移，以及形变和位移的传播。的传播。1 1 弹性的定义弹性的定义弹性：弹性：是指物体在外力作用下将发生变形，即物是指物体在外力作用下将发生变形，即物体受力的效果体受力的效果不是产生宏观运动不是产生宏观运动，而是物体内部，而是物体内部各体积元或各部分之间各体积元或各部分之间相对位置的变化相对位置的变化，在外力，在外力不超过一定限度情况下，取消外力则物体将恢复不超过一定限度情况下，取消外力则物体将恢复原状，物体的这种性质称为原状，物体的这种性质称为弹性弹性，即

12、物体受有限，即物体受有限外力作用而发生形变后恢复原来形态的能力。外力作用而发生形变后恢复原来形态的能力。弹性力学对被研究物体的假定：弹性力学对被研究物体的假定： 物体是连续的物体是连续的 物体是均匀的；物体是均匀的； 物体是各向同性的；物体是各向同性的； 物体受力后的变形和位移是微小的；物体受力后的变形和位移是微小的； 物体是完全弹性的。物体是完全弹性的。弹性力学所研究的是理想弹性体，而石油的储集弹性力学所研究的是理想弹性体，而石油的储集体地下岩石并非理想的弹性体。体地下岩石并非理想的弹性体。非均质性：非均质性：孔隙、裂缝，骨架与胶结物性质各不相同孔隙、裂缝，骨架与胶结物性质各不相同各向异性：

13、各向异性：节理、层理等节理、层理等但是，由于任何物体在外力很小时，因外力而发生形但是，由于任何物体在外力很小时，因外力而发生形变都很小的情况下，均可把其当作弹性体进行处理，变都很小的情况下，均可把其当作弹性体进行处理，故可把地下岩石近似看作弹性体。故可把地下岩石近似看作弹性体。第一节第一节 弹性体的应力和应变弹性体的应力和应变一一 物体分类物体分类弹性体：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。复原状的物体，称为弹性体。塑性体：塑性体：反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消反之，当物体受力发生形变，一旦外力取消而不能恢复原状

14、的物体，称为塑性体。而不能恢复原状的物体，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弹性体性体，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弹性波性波。二二 描述弹性体的参数描述弹性体的参数虎克定律：在弹性限度内，弹性体的弹性形变与虎克定律：在弹性限度内，弹性体的弹性形变与外力成正比，即：外力成正比，即：f-E 由于应力与外力数值相等，方向相反，故上式可由于应力与外力数值相等，方向相反，故上式可以改写成为：以改写成为： E

15、 (1)(1)杨氏弹性模量杨氏弹性模量 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 / 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 / L。E E物理意义：物理意义：弹性体发生单位线应变时弹性体产生的弹性体发生单位线应变时弹性体产生的应力大小；数值大小表示弹性体或弹性材料在外力作应力大小；数值大小表示弹性体或弹性材料在外力作用下发生形变的难易程度，其量纲与应力相同。用下发生形变的难易程度，其量纲与应力相同。(2)(2)泊松比泊松比 弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同

16、时，横向缩小。假设：有一圆柱形弹性体的直径和长横向缩小。假设：有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为度分别为D和和L，在外力作用下，直径和长度的变，在外力作用下，直径和长度的变化分别为化分别为 D和和 L，则横向相对缩减，则横向相对缩减 D/ /D和纵向和纵向相对伸长相对伸长 L/ /L之比称为泊松比，用之比称为泊松比，用 表示。表示。 = = 弹性体的横向应变弹性体的横向应变 / / 纵向应变纵向应变 = =（D/D）/ /（L/L） 物理意义：描述弹性体形状改变的物理量，无量纲；物理意义：描述弹性体形状改变的物理量，无量纲；任何材料，任何材料， =00.5。施加力施加力-D-L(3)(3)体积

17、弹性模量体积弹性模量 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) (N/m2 2或或kg/cmkg/cm2 2) )体积弹性模量：在外力作用下，物体体积发生相体积弹性模量：在外力作用下，物体体积发生相对变化对变化 V/V，即，体积应变，则，体积弹性模量，即，体积应变，则，体积弹性模量为应力与体应变之比。为应力与体应变之比。体积弹性模量的倒数叫体积弹性模量的倒数叫体积压缩系数体积压缩系数，用，用 表示，表示，即：即： =1/=1/K(4)(4)剪切模量剪切模量 (也称切变模量也称切变模量) （kg/cmkg/cm2

18、2）如右下图所示的矩形六面弹性体，其上表面如右下图所示的矩形六面弹性体，其上表面的面积为的面积为A，受到平行于该表面的剪切力，受到平行于该表面的剪切力FtFt的作用时，在力的方向上相对位移一段距离的作用时，在力的方向上相对位移一段距离 L，剪切应力等于，剪切应力等于Ft/A，剪切应变等于，剪切应变等于 L/L，则切应力与切应变之比就叫剪切模量或切变则切应力与切应变之比就叫剪切模量或切变模量，用模量，用 表示。表示。岩石名称岩石名称E(1011N/m2) (1011N/m2)页页 岩岩0.170.170.450.45砂砂 岩岩0.0030.0030.7150.7150.20.20.350.35泥

19、灰岩泥灰岩0.150.150.450.450.30.30.40.4石灰岩石灰岩0.250.250.8010.8010.220.220.350.350.2310.2310.2650.265硬石膏硬石膏0.720.720.740.740.2950.2950.2810.281玄武岩玄武岩1.151.150.230.230.1560.1560.2370.237花岗岩花岗岩0.30.30.570.570.1980.1980.300.30部分岩石的弹性模量部分岩石的弹性模量二、二、 岩石的变形与应力岩石的变形与应力1. 1. 岩石与理想弹性体的区别岩石与理想弹性体的区别u连续性：连续性：整个物体是否均由介

20、质组成；整个物体是否均由介质组成；u均匀性：均匀性：任意相同大小的两个体积元的物理化任意相同大小的两个体积元的物理化学性质是否完全相同；学性质是否完全相同；u完全弹性：完全弹性：应力与应变是否服从虎克定律；弹性模应力与应变是否服从虎克定律；弹性模量量E、 、 、K是否是否为恒定常数；弹性波传播有无能为恒定常数；弹性波传播有无能量衰减。量衰减。切变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)/)/L/L 切变角，切变角，tgtg = =L/LL/L，当，当 很小时，很小

21、时，tgtg = =L/LL/L岩石：由于具有孔隙和裂缝等，故岩石本身岩石：由于具有孔隙和裂缝等，故岩石本身不连续、非均匀、且非完全弹性。不连续、非均匀、且非完全弹性。I段表示，由于需要克服介质内部的内摩擦和段表示，由于需要克服介质内部的内摩擦和粘滞性，因此在应力较小的范围内没有能测粘滞性，因此在应力较小的范围内没有能测量得出的应变；量得出的应变；II段表示应力为中等时，在一定范围内应力段表示应力为中等时，在一定范围内应力和应变之间呈线性关系；和应变之间呈线性关系；III表示应力较大时，由于发生塑性形变或孔隙、表示应力较大时，由于发生塑性形变或孔隙、裂缝的扩大或延伸，或骨架部分的稳态破损，应裂

22、缝的扩大或延伸，或骨架部分的稳态破损，应力与应变之间不再保持线性关系；力与应变之间不再保持线性关系；IV段表示当应力逐渐减小时，由于已发生塑段表示当应力逐渐减小时，由于已发生塑性变形，应力与应变不再保持单值关系；在性变形，应力与应变不再保持单值关系；在应力减小到零时仍有剩余应变。应力减小到零时仍有剩余应变。2.2. 岩石受力变形的几种模式岩石受力变形的几种模式地下岩石特点：地下岩石特点：靠近地表的岩石近于弹性体，即应力与应变之靠近地表的岩石近于弹性体，即应力与应变之间的关系近似于虎克定律；间的关系近似于虎克定律； 地表以下地表以下1020公里深处的岩石，由于温度和公里深处的岩石，由于温度和压力

23、增加，岩石具有较明显的塑性和粘滞性，应压力增加，岩石具有较明显的塑性和粘滞性，应力与应变之间时间滞后明显，且剩余变形明显；力与应变之间时间滞后明显，且剩余变形明显； 岩石的变形和应力状态都与时间有关。岩石的变形和应力状态都与时间有关。岩石受力变形模式：岩石受力变形模式：虎克模式虎克模式或线弹性模式：应力与应变之间呈线性或线弹性模式：应力与应变之间呈线性关系，即服从虎克定律；关系，即服从虎克定律；牛顿模式牛顿模式或线性粘滞模式：应力与应变速率成正或线性粘滞模式：应力与应变速率成正比或线性关系；比或线性关系；圣维南模式圣维南模式：当应力小于某一数值：当应力小于某一数值(屈服强度屈服强度)时无时无任

24、何形变，而当应力大于屈服强度时，则发生塑任何形变，而当应力大于屈服强度时，则发生塑性变形。性变形。实际上，岩石受力变形是上述三种基本模式的各实际上，岩石受力变形是上述三种基本模式的各种组合。种组合。声波或弹性波在岩石中的产生和传播过程属于声波或弹性波在岩石中的产生和传播过程属于较小应力和应变范围，接近于虎克模式较小应力和应变范围，接近于虎克模式；当经历当经历长时间长时间(数以百万年数以百万年)的地壳构造运动，则的地壳构造运动，则更接近于牛顿模式更接近于牛顿模式；在瞬时释放大量能量的岩石断裂、垮陷及地震在瞬时释放大量能量的岩石断裂、垮陷及地震等较大应力与应变的过程，则更接近于圣维南等较大应力与应

25、变的过程，则更接近于圣维南模式。模式。3.3. 岩石受力变形的一般规律岩石受力变形的一般规律I段：压应力较小时，应力与应变呈非线性关系，段：压应力较小时，应力与应变呈非线性关系，实际是由于岩石受压力作用时孔隙、裂缝变小引实际是由于岩石受压力作用时孔隙、裂缝变小引起的，孔隙度大小不同则这一段的范围就不同，起的，孔隙度大小不同则这一段的范围就不同，孔隙越发育这段越长，对应地层为孔隙越发育这段越长，对应地层为2000米以内，米以内，岩层由于上覆岩层的重量而引起的变形岩层由于上覆岩层的重量而引起的变形(压实压实) 。II段：应力与应变的关系呈近似线性关系，斜率为段：应力与应变的关系呈近似线性关系，斜率

26、为等效杨氏弹性模量等效杨氏弹性模量E，接近虎克模式，此时，岩石，接近虎克模式，此时，岩石的孔隙与裂缝的压缩已接近极限。的孔隙与裂缝的压缩已接近极限。I、II段的变形都是可逆的，即取消外力后能恢复。段的变形都是可逆的，即取消外力后能恢复。 II段的终点纵坐标段的终点纵坐标(B)值为岩石的值为岩石的弹性限度弹性限度。III段：载荷继续增加，应力与应变的关系不再是段：载荷继续增加，应力与应变的关系不再是线性关系，而是向下弯曲的曲线，在此范围内，线性关系，而是向下弯曲的曲线，在此范围内，外力去除后应力应变关系沿外力去除后应力应变关系沿PQ段下降，即发生塑段下降，即发生塑性变形，具有一定剩余变形。剩余变

27、形性变形，具有一定剩余变形。剩余变形 Q5%的岩石称为韧性的。的岩石称为韧性的。曲线最高点曲线最高点C的应力值称的应力值称为抗压强度为抗压强度 P(或压缩强或压缩强度度)，其值大约为弹性限，其值大约为弹性限度的度的1.52倍。倍。IV段：在段：在C点以后外力逐渐下降，则应力应变关点以后外力逐渐下降，则应力应变关系沿着系沿着CD方向下滑，即岩石呈明显的塑性变形。方向下滑，即岩石呈明显的塑性变形。外力完全卸除后将有较大剩余变形外力完全卸除后将有较大剩余变形 R。过过C点以后岩石发生稳态破裂，即岩石固相骨架发点以后岩石发生稳态破裂，即岩石固相骨架发生微破裂；破裂进一步发展时将发生非稳态破裂，生微破裂

28、；破裂进一步发展时将发生非稳态破裂，即岩石破碎成为若干块，此时应力约为最大应力即岩石破碎成为若干块，此时应力约为最大应力( (抗压强度抗压强度) )的的85%85%左右。左右。岩石发生变形的过程中，声速也将同时发岩石发生变形的过程中，声速也将同时发生变化，一般情况下，随岩石应力增加与生变化，一般情况下，随岩石应力增加与体积减小，声波速度增加，但当岩石发生体积减小，声波速度增加，但当岩石发生破裂时声速将明显下降。破裂时声速将明显下降。岩石在发生稳态破坏前后，即图中的岩石在发生稳态破坏前后，即图中的CD段，段，将会产生频率变化极大的噪声，这种现象称将会产生频率变化极大的噪声，这种现象称为声发射。为

29、声发射。声发射的随机性较大，且与岩石的破裂过程声发射的随机性较大，且与岩石的破裂过程有关，因此可用于地震预报和震情监测，天有关，因此可用于地震预报和震情监测，天然地震可以认为是一种放大了的声发射现象。然地震可以认为是一种放大了的声发射现象。三、声波在岩石中的传播特性三、声波在岩石中的传播特性 纵波、横波的定义纵波、横波的定义 波的传播特征波的传播特征 产生滑行波的条件产生滑行波的条件 反射、折射系数（反射、折射系数（R R、T T） 波阻抗、声耦合率波阻抗、声耦合率 声速影响因素声速影响因素 不同介质的声波速度不同介质的声波速度三、声波在岩石中的传播特性三、声波在岩石中的传播特性1. 1. 纵

30、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。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，因为它的因为它的切变模量切变模量=0=0(2) (2) 在井下，纵波和横

31、波都能在地层中传播，而泥浆在井下，纵波和横波都能在地层中传播，而泥浆中只能传播纵波。中只能传播纵波。三、声波在介质界面上的传播三、声波在介质界面上的传播2. 2. 波的传播波的传播介质介质1介质介质2入射波入射波入入射射角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3. 3. 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)第二临界角第二临界角: : 2 2* * = arcsin(

32、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

33、=0，T+R=1T+R=15. 5. 波阻抗、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 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(

34、(kg/m2S) )反射系数钢 管5400780024.121060.9312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

35、的声波速度介质介质声速声速(m/s)时差时差( 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 小小 结结1. 弹性力学弹性力学2.描述物体弹性的物理量描述物体弹性的物理量3.岩石的形变规律岩石的形变

36、规律4.声波在岩石中的传播规律声波在岩石中的传播规律5.纵波、横波、滑行纵波和滑行横波纵波、横波、滑行纵波和滑行横波6.反射和折射系数，波阻抗、声耦合率反射和折射系数，波阻抗、声耦合率7.地层中影响声波的因素地层中影响声波的因素第二章第二章 岩石声学基础岩石声学基础井眼地层的划分井眼地层的划分注：图中注：图中1 1泥浆；泥浆；2 2泥饼；泥饼；3 3冲洗带；冲洗带；4 4过渡带；过渡带；5 5原状地层原状地层烃类烃类水水泥质泥质骨架骨架声波或弹性波声波或弹性波是指弹性介质中传播的压强、是指弹性介质中传播的压强、应力、体积元变形、质点位移、质点速度等应力、体积元变形、质点位移、质点速度等的变化或

37、几种变化的综合。的变化或几种变化的综合。岩石声学岩石声学或或地声学地声学是专门研究在岩层或地层是专门研究在岩层或地层中声波的产生、传播、接收以及各种效应的中声波的产生、传播、接收以及各种效应的一门边缘学科。一门边缘学科。声场声场：介质中声波传播的区域。：介质中声波传播的区域。声压声压：在声波传播过程中的某一个瞬间，由于声：在声波传播过程中的某一个瞬间，由于声波传播在介质中所产生的瞬时压强（即压强超过波传播在介质中所产生的瞬时压强（即压强超过没有声波传播时的静压强部分），声压是有效声没有声波传播时的静压强部分），声压是有效声压的简称，用压的简称，用P表示，单位为帕（表示，单位为帕（Pa）。）。第

38、一节第一节 声场的基本物理量声场的基本物理量常用单位换算关系：常用单位换算关系： 1Pa1N/m2=10dyn/cm2 1dyn/cm21微巴微巴 1兆帕兆帕 106Pa 10.13公斤力公斤力/cm2 1公斤力公斤力/cm21工程大气压工程大气压通常，利用通常，利用声压级声压级来表示声波的有效声压大小，来表示声波的有效声压大小，记作记作Lp： Lp20lg( (P/Po) ) P：声波的有效声压；：声波的有效声压； Po：基准声压，在空气中，：基准声压，在空气中，Po= =20微帕微帕; ; 在水中，在水中，Po= =0.1帕。帕。声压级声压级Lp无量纲无量纲，习惯上以分贝，习惯上以分贝(

39、(dB) )为其单位；为其单位；例如：在空气中相距例如：在空气中相距5 5米大声讲话，对方所感受到米大声讲话，对方所感受到的声压约为参考声压的声压约为参考声压( (Po=20微帕微帕) )的的1000倍，则其倍，则其声压级为：声压级为： Lp20lg(P/Po)20lg100060分贝分贝声功率：声波沿其传播方向上，单位时间内通过声功率：声波沿其传播方向上，单位时间内通过波阵面（与波传播方向垂直）的声能，也叫声能波阵面（与波传播方向垂直）的声能，也叫声能通量，用通量，用J J表示，即：表示，即：TtndVStPTJ0)(1 P(t)瞬时声压；瞬时声压； S声波所通过的波阵面面积；声波所通过的波

40、阵面面积； Vn声波传播方向上的质点瞬时速度；声波传播方向上的质点瞬时速度； T声波周期整数倍的时间。声波周期整数倍的时间。声功率单位：瓦声功率单位：瓦( (W) ) 1瓦瓦1焦耳焦耳/秒秒 （即（即1W1 J/S） 1瓦瓦106微瓦微瓦 1微瓦微瓦10尔格尔格/秒秒声强声强：在声波传播的波阵面上，单位面积上的声：在声波传播的波阵面上，单位面积上的声功率大小，用功率大小，用I表示，即：表示，即：TtndVtPTSJI0)(1声强的单位：瓦声强的单位：瓦/米米2；微瓦；微瓦/厘米厘米2；尔格；尔格/秒秒厘米厘米2 同样可以利用同样可以利用声强级声强级来表示一个声波的强度，声来表示一个声波的强度，

41、声强级记为强级记为LI，其大小表示为：，其大小表示为： LI10lg( (I/Io) ) （单位：分贝（单位：分贝 dB） I声波的声强；声波的声强； Io基准声强，在空气中基准声强，在空气中Io10-12瓦瓦/米米2 （与空气中的基准声压（与空气中的基准声压Po20微帕相当）微帕相当）声压与质点振动速度之比在地声学中称为声压与质点振动速度之比在地声学中称为波阻抗波阻抗或或声阻抗声阻抗，通常以，通常以Z表示；波阻抗表示；波阻抗Z C，即介质，即介质密度与介质声速的乘积，其单位为：密度与介质声速的乘积，其单位为：Kg/m2SZCIPP22CVP若介质的声速为若介质的声速为C，单位体积介质中的声波

42、，单位体积介质中的声波能量为能量为D，则在单位时间内通过波阵面单位，则在单位时间内通过波阵面单位面积上的声能为面积上的声能为DC，即声强，即声强IDC。声能密度声能密度：单位体积介质中所具有的声波能量，：单位体积介质中所具有的声波能量，用用D表示，即：表示，即： D声能密度；声能密度； C声波在介质中的速度。声波在介质中的速度。CPPCCCID222声波在介质中的传播，按其波阵面的几何形状可声波在介质中的传播，按其波阵面的几何形状可以简单地分为：以简单地分为： 球面波；球面波； 柱面波；柱面波； 平面波。平面波。第二节第二节 声波传播过程中的衰减声波传播过程中的衰减一一 井下声波的几何衰减井下

43、声波的几何衰减rJrI24)()(二二 平面波在介质中的吸收平面波在介质中的吸收假设，平面波波阵面不发生扩展，则介质对声波假设，平面波波阵面不发生扩展，则介质对声波的吸收与声波在介质中传播的距离成正比：的吸收与声波在介质中传播的距离成正比： dp- pdl 或或 吸收系数或衰减系数；吸收系数或衰减系数；ePloPeIlOI2ZCIPP22dlPdP在井下，对接收到的声波有贡献的部分，可在井下，对接收到的声波有贡献的部分，可以看作是以探头内的某点为等效中心，发出以看作是以探头内的某点为等效中心，发出声功率为声功率为J( ( ) )的球面波。在井壁附近，沿和的球面波。在井壁附近，沿和井壁法线方向成

44、井壁法线方向成 角方向上传播的声波。若角方向上传播的声波。若传播距离为传播距离为l，则该点的声压与声强为：，则该点的声压与声强为：ellCJlP24)()(ellJlI224)()(三三 介质对声波吸收的一般机理介质对声波吸收的一般机理在理想的弹性介质中，声波在传播过程中没有衰在理想的弹性介质中，声波在传播过程中没有衰减，只是在介质的分界面上发生声波的反射和折减，只是在介质的分界面上发生声波的反射和折射，仅使声波能量的传播方向发生改变，并没有射，仅使声波能量的传播方向发生改变，并没有发生能量转换。发生能量转换。在实际的非理想介质中，声波在传播过程中需要在实际的非理想介质中，声波在传播过程中需要

45、克服介质质点之间的克服介质质点之间的内摩擦内摩擦或或粘滞粘滞作用，以及声作用，以及声波传播时的波传播时的热传导热传导与与驰豫效应驰豫效应等，均会造成声波等，均会造成声波传播的衰减，且是传播的衰减，且是非可逆非可逆的衰减过程。的衰减过程。1 粘滞吸收粘滞吸收介质的介质的粘滞性粘滞性是声波衰减的是声波衰减的主要主要原因。对于粘滞原因。对于粘滞性介质，在声波传播时，相邻的体积元的运动速性介质，在声波传播时，相邻的体积元的运动速度不同，即各体积元之间存在相对运动，将产生度不同，即各体积元之间存在相对运动，将产生内摩擦和粘滞力，因此，声波传播时需要能量来内摩擦和粘滞力，因此，声波传播时需要能量来克服内摩

46、擦和粘滞力而致使声波能量逐渐减小。克服内摩擦和粘滞力而致使声波能量逐渐减小。CfA32238粘滞性系数或动力粘度粘滞性系数或动力粘度N/m2SPaS介质密度介质密度声波在介质中的速度声波在介质中的速度介质对声波的介质对声波的粘 滞 性 吸 收粘 滞 性 吸 收1泊泊0.1PaS1dyn/cm2S2332C介质对声波的粘滞性吸收系数为：介质对声波的粘滞性吸收系数为：2 热传导吸收热传导吸收热传导是引起介质中声波衰减的另一主要原因。热传导是引起介质中声波衰减的另一主要原因。声波在介质中传播时，介质将产生声波在介质中传播时，介质将产生体积压缩体积压缩和和膨膨胀胀的变化，压缩部分体积变小而温度升高，膨

47、胀的变化，压缩部分体积变小而温度升高，膨胀部分体积变大而温度降低。对于理想介质，温度部分体积变大而温度降低。对于理想介质，温度变化与体积变化同相且可逆。而在实际的介质中变化与体积变化同相且可逆。而在实际的介质中温度变化滞后于体积变化温度变化滞后于体积变化，发生热能转化，且不，发生热能转化，且不可逆。声能可逆。声能热能；介质温度热能；介质温度 CCCfApvxxx112322热传导吸收热传导吸收介质的热传导系数介质的热传导系数介质的定容热容量介质的定容热容量介质的定压热容量介质的定压热容量CCCpvxx11232介质对声波的热传导吸收系数为：介质对声波的热传导吸收系数为：介质的定容定压热容声波速

48、度3 声波吸收的经典公式声波吸收的经典公式CCCpvxx11342132CCCAAApvxSx11342322由上表可知：由上表可知：气体的声吸收显著大于液体的声吸收气体的声吸收显著大于液体的声吸收( (四个数量级四个数量级) )在固体当中的声吸收显著小于液体的声吸收在固体当中的声吸收显著小于液体的声吸收气体：气体： A 与与Ax同数量级，但同数量级，但A Ax液体：液体： 除水银外，除水银外，A 大大Ax一个数量级，可忽略一个数量级，可忽略Ax理论计算值与实验值之间误差较大理论计算值与实验值之间误差较大4 水对声波的吸收水对声波的吸收声波在水中的吸收主要是由于水的粘滞性引起的，声波在水中的吸

49、收主要是由于水的粘滞性引起的，实际资料表明，井下声波在几几十厘米的距离实际资料表明，井下声波在几几十厘米的距离上传播时，水对声波吸收所产生的声强变化是较上传播时，水对声波吸收所产生的声强变化是较小的，除非频率特高（小的，除非频率特高（10兆兆Hz以上），一般可以以上），一般可以忽略不计。忽略不计。当当f=2MHz，l=1米时，米时，089.000IIII四四 介质对声波吸收的其它问题介质对声波吸收的其它问题泥浆泥浆( (粘滞性、各种盐类在不同频段上引起共振粘滞性、各种盐类在不同频段上引起共振式驰豫吸收、温度、压力、粘土颗粒式驰豫吸收、温度、压力、粘土颗粒) )岩石孔隙岩石孔隙岩石裂缝岩石裂缝第

50、三节第三节 岩石对声波的吸收岩石对声波的吸收岩石具有粘滞性，声波传播时将发生岩石具有粘滞性，声波传播时将发生能量损耗；能量损耗；岩石具有弹性，声波在传播过程中将岩石具有弹性，声波在传播过程中将有部分弹性动能转换成为弹性位能。有部分弹性动能转换成为弹性位能。岩石中声波衰减的研究一般是通过实验来进行的，岩石中声波衰减的研究一般是通过实验来进行的，结论如下：结论如下： 声波频率增加，衰减增大；声波频率增加，衰减增大； 声波速度大的岩样对声波的衰减小；声波速度大的岩样对声波的衰减小； 横波的衰减比纵波明显；横波的衰减比纵波明显； 压力增大时，岩石对声波的衰减减小；压力增大时，岩石对声波的衰减减小；岩石

51、对声波能量衰减的影响因素：岩石对声波能量衰减的影响因素： 岩石孔隙度；岩石孔隙度； 孔隙形状；孔隙形状； 孔隙流体相态、性质、饱和度；孔隙流体相态、性质、饱和度； 岩石骨架矿物成分、密度、弹性；岩石骨架矿物成分、密度、弹性； 温度；温度； 压力等。压力等。第三章第三章 井下声波的产生与接收井下声波的产生与接收第三章第三章 井下声波的产生与接收井下声波的产生与接收第第1 1节节 磁致伸缩效应与压电效应磁致伸缩效应与压电效应第第2 2节节 逆压电效应与声波的发射逆压电效应与声波的发射第第3 3节节 换能器的振动模式与激化方式换能器的振动模式与激化方式第第4 4节节 换能器参数换能器参数换能器：换能

52、器：能实现将电磁能（或机械能）转换能实现将电磁能（或机械能）转换为声能，或者将声能转换为电磁能的元器件，为声能，或者将声能转换为电磁能的元器件，俗称俗称探头探头。测井井下作业对声波换能器的要求：测井井下作业对声波换能器的要求：产生的声波信号应有足够的声功率；产生的声波信号应有足够的声功率；产生的声波信号应有一定的频率；产生的声波信号应有一定的频率；产生的声波信号应有一定的方向性；产生的声波信号应有一定的方向性；能在高温、高压下正常工作等。能在高温、高压下正常工作等。第一节第一节 磁致伸缩效应与压电效应磁致伸缩效应与压电效应超声超声波清洗设备波清洗设备.磁致伸缩效应：所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体

53、磁致伸缩效应：所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其在被外磁场磁化时，其体积和长度体积和长度将发生变化的将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为线磁致伸缩的变化量级为1010-5-51010-6-6。它是焦耳在。它是焦耳在18421842年发现的，其逆效应是压磁效应。年发现的，其逆效应是压磁效应。（磁场磁场形变形变） 。温度升高，分子热运动

54、加剧，磁致伸缩效应减弱；温度升高，分子热运动加剧，磁致伸缩效应减弱；当温度达到某一数值时，铁磁性材料的磁性将完当温度达到某一数值时，铁磁性材料的磁性将完全消失（退磁），磁致伸缩效应将完全消失，这全消失（退磁），磁致伸缩效应将完全消失，这一特征温度叫作一特征温度叫作居里点居里点。声波测井常用的磁致伸。声波测井常用的磁致伸缩材料镍片的居里点为缩材料镍片的居里点为370 C。实际上，当温。实际上，当温度超过度超过110 C时，镍片的磁致伸缩效应已经相当时，镍片的磁致伸缩效应已经相当微弱，以致不能正常的发射声波。微弱，以致不能正常的发射声波。压电效应压电效应是指某些单晶和多晶材料在应力作是指某些单晶和

55、多晶材料在应力作用下产生电场的物理过程（用下产生电场的物理过程（应力应力电场电场）。）。压电效应也是可逆的，即在电场作用下，某压电效应也是可逆的，即在电场作用下，某些单晶和多晶材料上的应力与应变发生发生些单晶和多晶材料上的应力与应变发生发生变化（变化（电场电场应力应力） 。具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料。压电压电材料材料压电单晶体压电单晶体(天然或人工制造天然或人工制造)：石英；：石英；酒石酸钾钠；硫酸锂等酒石酸钾钠；硫酸锂等压电多晶体压电多晶体(人工按陶瓷制作工艺烧人工按陶瓷制作工艺烧制制)，通称，通称压电陶瓷压电陶瓷：钛酸钡；锆钛：钛酸钡；锆钛酸铅；镁铌酸铅

56、等酸铅；镁铌酸铅等在外加交变电场变化范围不大的情况下，外加电在外加交变电场变化范围不大的情况下，外加电场强度场强度E和线应变和线应变 之间具有近似的线性关系。之间具有近似的线性关系。横向压电效应横向压电效应：外加作用力：外加作用力( (或压电陶瓷产生的应或压电陶瓷产生的应力力) )和原始极化方向互相垂直。和原始极化方向互相垂直。纵向压电效应纵向压电效应：应力方向和极化方向一致的压电：应力方向和极化方向一致的压电效应。效应。切向压电效应切向压电效应：压电陶瓷在受到剪切应力作用时：压电陶瓷在受到剪切应力作用时所产生的压电效应。所产生的压电效应。利用压电陶瓷的压电效应制作成为声波利用压电陶瓷的压电效

57、应制作成为声波的接收换能器（的接收换能器（应力应力电场电场）。）。第二节第二节 逆压电效应与声波的发射逆压电效应与声波的发射逆压电效应逆压电效应：指压电陶瓷材料在外加电场的：指压电陶瓷材料在外加电场的作用下发生形变的过程，作用下发生形变的过程，（电场电场形变形变），），或者叫作电致极化伸缩效应或者叫作电致极化伸缩效应 。横向逆压电效应横向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场：压电陶瓷材料在外加电场作用下，发生形变的方向与电场方向垂直的作用下，发生形变的方向与电场方向垂直的效应。效应。纵向逆压电效应纵向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场：压电陶瓷材料在外加电场作用下，发生形变的方向与电场方向一致的

58、作用下，发生形变的方向与电场方向一致的效应。效应。在压电陶瓷的原始极化方向上施加电场，将在压电陶瓷的原始极化方向上施加电场，将使压电陶瓷在使压电陶瓷在X、Y和和Z方向上发生伸缩形变。方向上发生伸缩形变。若在原始极化方向上施以频率为若在原始极化方向上施以频率为f的交变电场，的交变电场，则压电陶瓷将发生频率相同的伸缩振动。则压电陶瓷将发生频率相同的伸缩振动。切向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场切向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场作用下，发生剪切形变的效应。作用下，发生剪切形变的效应。可以利用压电陶瓷的切向逆压电效应在固体可以利用压电陶瓷的切向逆压电效应在固体介质中激发横波，即可制作横波换能器。

59、介质中激发横波，即可制作横波换能器。第三节第三节 换能器的振动模式与激化方式换能器的振动模式与激化方式现有的声波测井仪的发射换能器一般是圆管状的现有的声波测井仪的发射换能器一般是圆管状的压电陶瓷（当然也有极个别还是利用镍片）。压电陶瓷（当然也有极个别还是利用镍片）。压电陶瓷工作原理压电陶瓷工作原理：经过极化处理的压电陶瓷材：经过极化处理的压电陶瓷材料，沿一定方向加以交变电流时，在电场的作用料，沿一定方向加以交变电流时，在电场的作用下将发生形变，在外加电场变化范围不大的情况下将发生形变，在外加电场变化范围不大的情况下，形变与外加电场成正比，此即逆压电效应或下，形变与外加电场成正比，此即逆压电效应

60、或电致极化伸缩效应。电致极化伸缩效应。声波发射换能器工作原理声波发射换能器工作原理：当外加交变电压：当外加交变电压的频率与压电陶瓷材料的固有频率相同时，的频率与压电陶瓷材料的固有频率相同时，压电陶瓷即产生按其固有频率发生的形变，压电陶瓷即产生按其固有频率发生的形变，从而在周围介质中激发起声波。从而在周围介质中激发起声波。由于圆管状探头在由于圆管状探头在X、Y和和Z方向上的几何尺方向上的几何尺寸各不一样，因此，径向、轴向和厚度振动寸各不一样，因此，径向、轴向和厚度振动发出的声波信号的频率是各不相同的，即三发出的声波信号的频率是各不相同的，即三种振动的固有频率各不相同。种振动的固有频率各不相同。为