声波测井技术.ppt

1、引入：声波测井以不同岩石的声差异为基础，声波在不同岩石介质中传播： 1)声波传播的速度有差异 2)声波幅度衰减有差异 3)声波的频率变化 普通声波频率： 20Hz20KHz 测井声波频率： 等于或大于20KHz,第四章 声波测井,目前有声速测井、声波幅度测井、声波全波列、声波电视、地震测井、多极子声波等。,测井应用： 声速测井测量记录声波速度 研究地层岩性、孔隙性、流体性质 声幅测井测量记录声波幅度 研究地层裂缝或套管井水泥环胶结程度 声波全波列测井测量记录声波全波列 研究地层岩性、物性、力学性质等 超声波成像测井测量记录超声反射波、谐振波的速度或幅度衰减 研究井壁情况或套管井水泥环胶结程度,

2、声波测井测量的物理量是波在地层介质中的波速和衰减。测量时，声波测井仪（包括声发射器和声接收器）总是处于充满泥浆的井内，井周围是地层，地层介质通常可以近似成弹性介质。因此，声波测井的物理模型是： 充满液体的柱状井眼内的弹性波传播问题。,弹性体：物体受外力作用发生形变，取消外力后能恢复到其原来状态的物体 塑性体：物体受外力作用发生形变，取消外力后不能恢复到其原来状态的物体 物体的弹性或塑性：与物体性质、外力大小、外力作用时间、作用方式等有关 岩石的弹性参量 杨氏模量: E = (F/A) / (L/L) 应力与应变之比 泊松比: = - (D/D) / (L/L) 横、纵向应变之比（00.5) 切

3、变模量： = （Ft/A）/ (L/L) 切应力与切应变之比 体积形变模量： K = F / (V/V) 作用力与体积应变之比 声波测井特点声波能量较小，作用时间很短，岩石可视为弹性介质 切变和压缩弹性形变横波（剪切波）和纵波（压缩波） 声波传播介质： 横波固体 纵波固体、液体、气体,弹性波在弹性体中的传播机理如下： 把弹性体看成由连续分布的质点组成，质点与质点之间通过弹性力相互联系着，由于某种原因（随时间变化的外力）使弹性体某一质点发生扰动时，这种扰动会通过弹性力影响附近质点，使这些质点也随之振动起来，这种振动又通过弹性力影响更远的质点，使扰动向四周传播形成波形，这就是弹性波。因此，弹性波与

4、弹性体中的质点的运动状态密切相关。,纵波: 弹性体质点的振动方向与波的传播方向一致，在波动过程中质点的排列会出现稀疏和密集的现象 横波: 弹性体质点的振动方向与波的传播方向垂直，在波动过程中质点仍是均匀排列，仅发生横向错动,动画- 一个脉冲激励下的波动1 纵波,动画- 2 横波,动画- 3 瑞雷面波,三维动画纵波,三维动画横波,三维动画瑞雷面波,第一节 声学基础,一、声波在介质分界面上的传播,1 、产生反射波和透射波(当入射角小于临界角) A、满足反射定律12；透射定律sin/ sin=V1/V2 B、当0时： 反射系数 R(Z2cosZ1cos)/(Z2cosZ1cos)(Z2Z1)/(Z2

5、Z1) 透射系数 T=1R2Z1cos/(Z2cosZ1cos)=2Z1/(Z2+Z1) 波阻抗 Z1=1V1 Z2=2V2,第一节 声学基础,一、声波在介质分界面上的传播,2 、产生滑行波和折射波 A、产生滑行波 产生滑行波的条件为： a) 入射波所在介质的速度小于透射波所在介质的速度，即 V2V1 ； b) 入射角等于临界角（当透射角 =90时的入射角称为临 界角）。设临界角为i，根据Snell定理易知： i=arcsin(V1/V2) 当满足以上两个条件时，透射波将在下层介质中以速度V2在界面滑行，这种情况下的透射波称为滑行波。,B、产生折射波 声波的传播实质上是质点的振动，因此滑行波在

6、界面滑行时，所经过的任何一点都可以看作是从该时刻开始振动的一个新的点振源，由于上下层介质是紧密接触的，所以滑行波所经过的任何一点的振动，必然要引起上层的振动，即在上层介质中形成了一种新的波，此波称为折射波。 折射波有如下特点： 1)折射角等于临界角，折射波是一簇平行的直线。 2)入射角小于临界角时，不产生折射波，入射角小于临界角 的区域称为折射波的盲区。,3 、产生全反射波(当入射角大于临界角) 小结： 当入射角小于临界角，产生反射波和透射波； 当入射角等于临界角，产生滑行波和折射波； 当入射角大于临界角，产生全反射波。,声波在介质分界面上的传播,i,V1,V2,i,二、声波测井中的声波 1、

7、测井中的声波,二、声波测井中的声波,2、测井测的是什么波? 由于测量第一个波(初至波)到达接收器的时间，在技术上最容易实现，故声速测井主要研究初至波，即测量初至波从发射器发出到达接收器的时间。 初至波：最先到达接收器的波； 续至波：随初至波后到达接收器的波。,要求：滑行波先于直达波到接收器，即 t(滑行)0.25米0.825米。 （白云岩) (泥岩),3、源距的选择(挑选滑行波为初至波，直达波、反射波为续至波),二、声波测井中的声波,源距并不是取得越大越好，因为声源的强度总是有限的。常规声波测井一般源距为1m左右；长源距声波测井仪源距2.44m和3.05m。,第二节 声波速度测井 Sonic

8、Velocity 一、单发双收声速测井原理,发射器T ：是一种电声能转换器，常用压电陶瓷，压电石英组成， 即电脉冲作用下，发射器把电能转换成声能，并以声波的 形式发射出去。 发射器每秒间歇地发射1020次，每次发射的频率为20kHz的声波。 接收器R ：是一种声电能转换器，常用压电陶瓷，压电石英组成， 即把接收到的声能转换成电脉冲信号。,第二节 声波速度测井 Sonic Velocity 一、单发双收声速测井原理,设计要求：最先到达接收器的是滑行纵波的折射波(简称滑行纵波)。 测量的是：T发射后，同一首波(滑行纵波)触发二个接收器R1，R2的时差t； t=t2t1 式中 t1为首波到达第一个接

9、收器的时间，t2为首波到达第二个接收器的时间。 所以有：t=L/V (微秒/米)，(us/m)；V=L/t (米/微秒)=L106/t (米/秒)。,L,L0,间距的选择 声波测井仪在某一深度点测得的时差是以深度点为中心,厚为Z（间距）的地层段的平均时差，可见仪器的纵向分辨率与间距大小密切相关。下图给出了三种不同间距的仪器对厚度为H的同一地层测得的声波时差理论曲线，三种间距情况分别为ZH，分析结果如下：,a）ZH，时差曲线上任何一点的读数都不等于地层时差值，时差曲线在地层界面处无任何特征。 综合分析结果说明，声波测井仪对地层的最小可分辨厚度等于仪器的间距，间距愈小，仪器分辨薄层的能力愈强。,第

10、二节 声波速度测井 Sonic Velocity 一、单发双收声速测井原理,注意：1)习惯作法t=1/V；V=106/t。 2)记录点在R1、R2的中点； 3)声速测井的探测深度h3 波长 =V/f838厘米，岩石的声速V15207620 米/秒，频率f=20kHz； 所以，h0.23 1.13米 (软地层) (硬地层),t为声波通过单位距离所需时间，声速的倒数称为慢度，慢度表示声波在介质中通过单位距离所需的时间，即,式中S为慢度，s/m 在声波测井中，都是以慢度作为反映地层介质中声波传播速度的记录量，并习惯上把慢度称为“时差”。因此，时差的单位不是s（秒），而是慢度的单位 s/m,二、声波速

11、度测井曲线定性分析,采用单发双收声系，且发射器T在接收器R1R2之下。 分析声波时差曲线，设L1，记录点在R1R2的中点。,ab段：当声系自下向上移动测量，直到R2到达V1、V2边界面为止，在测量过程中，R1、R2之间的介质速度为V1和声波时差为t1， 所以 t=106/V1=t1=500s/m， R1R2的中点正对b点。,二、声波速度测井曲线定性分析,bcd段：从R2过边界面直到R1到达V1边界面为止。 设R1、R2到界面的距离分别为a、b，且a+b=L=1。 t=ta+tb=a/V1+b/V2=(1b)/V1+b/V2 记录点在曲线b点时：b=0，即 t106/V1=500s/m 记录点在

12、曲线c点时：a=b=0.5，即 t0.5106/V10.5106/V2(t1+t2)/2 记录点在曲线d点时：b=1，即 t106/V2=144s/m,二、声波速度测井曲线定性分析,de段：当声系自下向上移动测量，直到R2到V2、V1顶界面为止。在测量过程中，R1与R2之间的介质速度为V2和声波时差为t2， 所以 t=106/V2=t2=144s/m，R1R2的中点正对d点。,二、声波速度测井曲线定性分析,efg段：从R2过V2、V1边界面直到R1到V2边界面为止。 设R2、R1到边界面的距离分别为b、a ，且a+b=l=1 t=ta+tb=a/V1+b/V2=(1b)/V1+b/V2 记录点

13、在曲线e点时，b=0，即：t106/V2=144s/m 记录点在曲线f点时：a=b=0.5，即： t0.5106/V10.5106/V2(t1+t2)/2 记录点在曲线g点时：b=1，即：t106/V1=500s/m,二、声波速度测井曲线定性分析,三、声速测井的影响因素,1、周波跳跃 在正常的情况下，R1和R2应该被同一初至波触发，但是由于能量的衰减，常常会造成初至波触发路程较近的第一个接收器R1，而对第二个接收器来R2说，由于能量的衰减，以致于不能被同一初至波触发，R2只能被续至波触发，即t2增大，使tt2t1增大。这种使两个接收器不是被同一初至波触发所造成曲线的波动称为跳跃，这种现象周期性

14、地出现，故称为周波跳跃。,以下几种情况可能出现周波跳跃： A)含气地层， B)声速非常高的致密地层， C)裂隙地层， D)井孔扩大， E)泥浆中含气。 如图所示： 反射系数 R(Z2Z1)/(Z2Z1) 当（Z2Z1）相差较大时R较大，即声波通过界面时能量发生较大的衰减。,2、扩孔的影响,1)扩孔上部 扩孔前后t1不变 扩孔后t2增大 使t出现假正异常,2)扩孔中部 扩孔前后t1，t2同步增大 使t不变,3)扩孔下部 扩孔前后相比t1增大比t2增大明显，使 t出现假负异常,四、双发双收声速测井原理 1、补偿扩孔的影响 t上：是T1R1R2测量声系,即发射器T1在接收器R1R2之上； t下：是R

15、2R1T2测量声系,即发射器T2在接收器R1R2之下。 如果在一个扩孔井段分别采用以上二种声系测量，然后求平均，即 t上下(t上t下)/2 则扩孔与t上下无关，所以引入双发双收声速测井仪。,T上发射时 t1= T上A/V1 +AB/V2+BR1/V1 t2=T上A/V1 +AB/V2+BC/V2+CR2/V1 所以 t上=t2-t1 BC/V2CR2/V1BR1/V1,T下发射时 t3= T下a/V1 +ab/V2+bR2/V1 t4=T下a/V1 +ab/V2+bc/V2+cR1/V1 所以 t下=t4-t3 bc/V2cR1/V1bR2/V1,t=(t上+t下)/2(BC/V2+bc/V2

16、)/2=BC/V2=bc/V2,在无扩孔的情况下：bc=BC=L(间距) ，t=L/V2； 在有扩孔的情况下：虽然BC 和 bc都大于L，但是这段路程都是在地层中滑行，所以影响不大：t=BC/V2=bc/V2，即与扩孔的关系不大。,2、双发双收声速测井原理,井径变化的补偿原理分析示意图,仪器倾斜的补偿原理分析示意图,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层 常见介质的纵波传播速度,1 划分岩性,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,2 判断含水、含油和含气层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,2 判断含水、含油

17、和含气层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,2 判断含水、含油和含气层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,2 判断含水、含油和含气层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,2 判断含水、含油和含气层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,3 划分煤层,第三节 声速测井曲线的应用 一、划分岩性，判断含水,含油和含气层,4 确定破碎带,声波通过岩样的总时间T等于通过岩样骨架时间Tma，泥质时间Tsh和液体时间T之和，即 T=Tma+Tsh+T 便有,二、确定孔隙度,所以 VtVm

18、atma+Vshtsh+Vt tVmatma/V+Vshtsh/V+Vt/V 设 VVma+Vsh+V1, =V/V 即： t(1Vsh )tma+Vshtsh+ t 对纯砂岩来说： 对砂泥岩来说：,二、确定孔隙度,具体求解孔隙度的步骤： 1、求总孔隙度 t为实测的声波时差 tma182us/m (砂岩骨架的时差) t 620us/m(水的声波时差),二、确定孔隙度,2、压实校正 当岩石固结不好或未胶结时(如疏松砂岩)，声波经过这种地层传播的时差比固结好岩层中的传播时差要大，用上式计算得到的孔隙度偏高，因此要进行压实校正。 压实校正后的孔隙度为： Cp 为 压实校正系数；压实的岩石Cp=1，未

19、压实的岩石 Cp1。 Cp的求法： 1) Cp=1.680.0002*H ；H为地层所处的深度。 要求Cp=1 2) (s d n 分别为声波、密度、中子测井计算得到的孔隙度，根据是d、n与地层的压实程度无关) 3) Cp=tsh/300；根据是压实好的泥岩的声波时差一般可取300us/m。,二、确定孔隙度,3、泥质校正 方法1： 方法2： 经过泥质校正后的孔隙度称为有效孔隙度。,二、确定孔隙度,第四节 声幅测井 一、固井声幅测井,1)固井过程与固井的作用 对油气井来说，不管采用什么方式完井，都需要下套管，套管是钢制的圆筒，厚613毫米。套管下入井中是空的，不能达到封固地层的目的，还必须在套管

20、和地层之间注入水泥，水泥凝固了以后便封固了地层,这一过程称为固井，俗称“打水泥”。 固井的目的是封固地层，防止油气流出和油气层与水层互窜，为油气层的开采创造条件，延长油井的使用期限。因此固井的质量非常重要。,水泥,套管,声幅测井是利用水泥和泥浆（或水）其声阻抗的较大差异对沿套管轴向传播的声波的衰减影响来反映水泥与套管间的胶结质量。由位于井轴上相隔一段距离的一对声发射器和声接收器构成。当发射器发出声波后，接收器上接收到的声信号包括有套管波、水泥波、地层波和泥浆波的贡献。 由于水泥对声波具有较大的吸收系数，实际到达接收器的水泥波相对很微弱，一般可认为接收信号中无水泥波的贡献。,固井声波测井的主要任

21、务是检查套管和地层间水泥环的胶结质量，包括第一胶结面的胶结质量水泥环和套管间的胶结情况、第二胶结面的胶结质量水泥环和地层间的胶结情况。同时，水泥返高、水泥抗压强度和套管破裂等有关固井工程质量问题都是十分重要的评价内容。由于固井声波测井的井眼条件和测量目的都与裸眼井声波测井不同，因此在方法原理和仪器设计上也有其自身特点。,理论和实际测量表明，套管波的首波主要来自于沿套管的滑行纵波和一次反射纵波的贡献。在井内泥浆不变的条件下，套管波的首波向外层介质辐射能量的多少取决于介质的声阻抗。 对套管滑行纵波来说: 当管外为真空时，阻抗比为，不向管外辐射能量； 当套管外层介质的声阻抗与钢管相同时，向管外的能量

22、最多； 当外层介质沿径向对于套管井: 固结良好时套管外围为水泥环，固结不好时套管外围为泥浆（或水），或者部分是水泥部分是泥浆。 由于泥浆的声阻抗与套管的声阻抗相差较大，而水泥的声阻抗与套管相对比较接近，因此套管波的首波幅度与水泥环胶结质量密切相关。,在声幅测井中，把无水泥固结的套管端称为自由套管，自由套管中的套管波声幅最大，在有水泥固结的套管端，套管波的声幅明显下降。因此，对套管波的幅度或衰减测量可以显示水泥与套管的胶结情况，以及指示水泥的返高。 研究结果表明，套管波幅度除了受水泥环胶结状况的影响外，它还会受泥浆性能、仪器源距、套管直径、套管厚度、水泥配比、水泥环厚度以及水泥固结时间等因素的影

23、响。因此，在声幅测井资料的应用中，都是采用相对幅度或相对衰减的方法来评价水泥胶结质量。,2)固井测井原理,固井测井使用单发单收测井装置，T发射20KHz的声波，发射声波的幅度固定为Ao，接收器R接收到的声波幅度为A：,A=AoAaAbAcAdAe,Ao为发射声波幅度，Aa,Ab,Ac,Ad,Ae分别为泥浆、反射、全反射、套管、水泥或地层声波幅度的衰减。其中Aa、Ab、Ac为常数，所以 ：,A=Ao(Ad+Ae) Ae为声波在套管与水泥界面滑行传播时，声波幅度的衰减：,AeA0ebL L：声波在套管中传播的长度(一定)； b：转移系数，它与套管旁物质的性质及分布有关。,小 自由套管 套管外无水泥

24、(固井质量差) b 中 部分水泥胶结 固井质量中等 大 水泥胶结好 固井质量好,所以 较大 自由套管 套管外无水泥(固井质量差) AAo（Ad+Ae）= 中 部分水泥胶结 固井质量中等 较小 水泥胶结好 固井质量好,套管,2、固井声波幅度测井的应用 1)检查固井质量 40% 固井质量差,2)测定套管断裂 在套管断裂处，由于套管波的衰减厉害，所以有一个明显的低值异常。,声波幅度识别套管断裂示意图,第五节、声波全波列测井,1.测量原理 通常的声速、声幅测井，只记录和利用滑行纵波首波的速度或幅度信息。长源距声波全波列测井是声波测井技术发展中的一大突破，以下三点： 从常规的滑行纵波记录，发展到包括滑行

25、纵波、滑行横波、井内管波等整个波列的记录； 从仅记录速度、幅度信息发展到包括速度、幅度、频率、波形特征等信息； 实现了对波列的离散数字记录，为计算机处理声波全波列测井资料奠定了基础。,以斯仑贝谢测井公司目前使用的长源距声波全波列测井仪为例，介绍其原理。长源距声系由两个发射探头T1、T2及两个接收探头R1、R2组成。 探头测量的传播时间为： TTi1T1R1间10英尺距离的传播时间； TTi2T1R2间8英尺距离的传播时间； TTi3T2R1间12英尺距离的传播时间； TTi4T2R2间10英尺距离的传播时间； 以上iP、S； P、S分别代表纵波和横波； 计算声波时差的公式为：,具体计算时差的方法如下： 1）源距L8英尺的时差 采用的井眼补偿方式进行测量。 提升之前T1发射测量R1、R2之间的时差 TTi1TTi2； 提升之后T1、T2发射，测量T1T2之间的时差，TTi4TTi2，便有,2）源距L10英尺的时差 同样采用井眼补偿方式进行测量。 提升之前T2发射测量R1、R2之间的时差 TTi3TTi4； 提升之后T1、T2发射，测量T1T2之间的时差， TT