中国石油大学(华东)声波测井.doc

声波测井
声波测井是通过测量井壁声学性质来判断地层的地质特性及井眼状况的一类测井方法，包括声速测井、声幅测井、声波全波列测井等多种测井方法。
第一节 井内声波的发射、传播和接收
声波是机械波，是机械振动在媒介中的传播过程。声波测井首先要在井内建立一个人工声场，这就需要一个声波发射器T，它向井内发射有一定声功率、有一定方向和频率特性的声脉冲。其次，声波在井内的传播与井内流体和井壁附近地层的性质有关。最后，在离声波发射器足够远的地方放置声波接收器R。
井内泥浆是一种液体，由于它只能发生体积形变，不能发生剪切形变，所以它只能传播纵波，不能传播横波。则置于井内泥浆中的声波测井换能器发射的或接收的都是纵波。当岩石受到声源激发时，它不但能发生体积形变，而且能发生剪切形变，故可同时产生纵波和横波。
1、 声时差：声波在介质中传播单位距离所用的时间。
2、 声速：声波在介质中单位时间传播的距离。
3、 声压：声波在介质中传播过程的某一瞬间，声波在介质中产生的瞬时压强。
4、 声强：在声波传播的波阵面上，单位面积上的声功率大小。
5、 声衰减：声波在传播过程中为克服介质质点之间的摩擦或粘滞作用以及介质中有声波传播时的热传导及弛豫现象等，使在介质中传播的声波发生能量或幅度衰减，声能转化成热能的不可逆过程。
6、 声阻抗：介质密度与声速的乘积。
7、 水泥胶结测井：通过测量套管波第一正峰幅度来检查固井质量的一种测井方法。
8、 什么是斯通利波？有什么特点？
答：斯通利波是在井内流体中传播的一种诱导波，是沿井轴方向传播的流体纵波与井壁地层滑行横波相互作用产生的，相当于几何声学的泥浆直达波。
特点是：有轻微频散，无截止频率：相速度略低于群速度；能量集中在低频段，在井轴方向无衰减，井壁向地层按指数减小；井径变小，幅度增加。
9、 什么是声速测井的周波跳跃？它可能造成多大的时间测量误差？
答：声速测井仪正常记录时，两个接收探头被同一首波触发，但在含气疏松地层或钻井液混有气体时，声波能量严重衰减，首波只能触发第一个接收探头而没有能力触发第二个接收探头，第二个接收探头只能被后续波触发，曲线显示为不稳定的特别大的时差。
当出现周波跳跃时，每差一个负峰，时差就会增大一个周期，从而时间测量误差就会随之增大。
10、岩石的纵波和横波速度是声波测井中最重要的测量参数，试写出理想弹性介质中纵、横波速与弹性模量的关系式。说明在孔隙介质中，影响纵横波速和弹性模量的主要因素。
答： 纵波：
横波：
——纵波速度
——横波速度
——杨氏模量
——切变模量
——泊松比
——拉梅常数
——体积密度
影响纵横波速和弹性模量的主要因素有：岩石性质、孔隙度及孔隙内流体性质、流体饱和度等。
11、 解释声波在地层中传播时能量衰减的主要原因。
答：（1）介质的吸收：声波在地层传播的时候一部分能量转换成热能，介质对声波的吸收系数与介质密度和成反比，越小，越低，声波衰减越大。
（2）声波的反射和折射：在界面多的时候，声波衰减越大，因此在裂缝地层声幅衰减很大。
12、解释为什么在相同地层条件下，滑行纵波幅度比滑行横波幅度小？
答：（1）由于横波速度小于纵波速度，使第二临界角大于第一临界角，从而使激发滑行横波的能量较大。
（2）由于滑行横波的波长小于滑行纵波的波长，波能量更集中在井壁附近。
（3）传播过程中的声波能量的几何扩展按的规律弥散。
（4）横波传播的仅是体积元形状变化，而没有体积元体积变化因此物理衰减不如滑行纵波明显。
第二节 声波速度测井
声波速度测井是测量滑行纵波在井壁地层中传播速度的测井方法。
一、*滑行纵波作为首波的条件——临界源距的推导
设源距，换能器至井壁距离为，流体速度为，滑行纵波速度为，则滑行纵波为首波的条件可表示为

此式可化简为

由，，得

若把不等式右端记为临界源距，则

二、单发双收声速测井（）
设，发射探头经井壁到所用时间为，到所用时间为，纵波速度为，则

单发双收声速测井的主要问题是：其声速曲线在井眼扩大的界面附近产生假异常，并可能受仪器在井内倾斜的影响。
三、井眼补偿声速测井（双发双收井眼补偿声速测井）
两个接收器在中间，上下各有一个发射器，源距相同。如排列，和交替发射声脉冲，并分别测量时差和，再取其平均值为记录时差。即

双发双收井眼补偿声速测井的缺点是：纵向分辨率低，划分的最小厚度增加。当时，中间有段地层不能搭接，使未搭接地层对测量结果无贡献。
*声速测井是最常见的岩性-孔隙度测井方法之一。

1、试说明用声波速度估算孔隙度的常用方法，其物理模型、意义及在实际应用中的优缺点。
答：威利时间平均公式：
——测量的纯岩石声波时差
——岩石骨架声波时差
——岩石孔隙流体的声波时差
——纯岩石孔隙度
——压实校正系数
原理：滑行纵波传播单位距离所用时间等于它经过岩石内各种成分所用时间的总和。
优缺点：对泥质含量少的油水层误差很小，而泥质粉砂岩和含钙致密层误差较大。只适用于含泥质的单矿物岩石，且得出的孔隙度偏高，需做压实校正。
2、井中泥浆的声速为1600米/秒，井壁岩层滑行纵波的波速是1800米/秒，井壁与探头间的距离为0.1米，计算接收探头首先记录来自地层滑行纵波的临界距离。
答：

=

=0.825（米）
3、图示并说明双发双收声系的井眼补偿原理。

声系结构：两个接收器在中间，上下各有一个发射器，源距相同。如图所示，和交替发射声脉冲，并分别测量时差和，再取其平均值为记录时差。上发射器采样点为,下发射器探头为，两者之间的中点为双发双收采样点，其深度与仪器记录点O一致，不再产生深度偏移。这种方法不但能消除井眼扩大的影响，而且能消除仪器记录点与井壁实际采样点在深度上的误差，其缺点是纵向分辨率降低，划分最小厚度增加。
双发双收声系在上发射探头工作时测量记录一次声波时差：

在下发射探头工作时测量记录一次声波时差：

，，取两次测量结果的平均值：

即双发双收声系测量结果已经将井径变化对声波时差的影响补偿了，因此用双发双收声系的声波时差测井也称为补偿井眼声波时差测井。
第三节 声波全波列测井
声波全波列测井是在发射声脉冲以后依次记录先后到达接收器的滑行纵波、滑行横波、视瑞利波和管波（斯通利波）的波形，以其速度和幅度研究地层性质的一种测井方法，是目前信息量最大的一种声波测井法。
声波全波列测井又称长源距声波测井或深度导出的井眼补偿声波测井。

1、长源距声波测井仪会在井壁和地层中产生哪些波？利用它们可确定哪些地层参数？
答：滑行横波、滑行纵波、视瑞利波、斯通利波。
利用这些资料可以进行岩性分析、孔隙度计算、判断气层和裂缝、计算岩石的力学参数。
2、简述长源距声波测井仪的工作原理及特点。

工作原理：在某个时刻，声系的记录点正对被测地层F时，若发射探头工作，和分别接受到发出的信号，记录到和的两个时间差权值，而和的差值相当于和接收到的发出的信号差，这相当于一个下发射的单发双收的声系工作情况，记。经过一段时间后，由于声系被提升，使和正对被测地层F，此时先后收到和发出的声信号，分别记录为和，差值是处接收到的和发射信号的对应时差，相当于一个双发单收的电极系工作情况，记。
因此被测量的地层波的补偿时差为，这一结果显然相当于双发双收声系补偿记录结果。
特点：长源距能够在时间轴上区分速度不同的波群，便于从滑行纵波、滑行横波、瑞利波等各组波群中提取速度、幅度、频率变化等信息；井内流体对测量记录的影响使得测量记录结果比通常较短源距时测量结果小得多。
第四节 声波幅度测井
一、 水泥胶结测井（CBL）
水泥胶结测井是测量套管波第一正峰的幅度来检查固井质量的一种测井方法。采用单发单收声系，源距是1m。水泥胶结测井仪是按固定的时间间隔依次发射频率为20的声脉冲，然后按第一正峰到达时间对其幅度采样，再将它们展宽放大，经积分电路平滑后输出直流电位差。
1、简述声幅测井评价水泥胶结质量的原理和方法。为什么水泥胶结测井可以不用单发双收声系而用单发单收井下装置？
答：（1）声幅测井是利用套管波的首波幅度评价水泥胶结质量的。如果水泥和套管胶结良好，由于套管和水泥环的声阻抗差别小，声耦合好，套管波容易通过水泥环向外传播，套管波能量有较大衰减，接收器记录到的首波幅度就较小；如果套管和水泥环胶结不好，接收器记录到的首波幅度就较大。因此，利用声幅测井曲线可以评价固井质量。
（2）声幅测井队固井质量的解释采用的是相对幅度法，把无水泥处的自由套管最大声幅作为1，解释层段的声幅与其比值为相对声幅。
（3）所测的声幅是胶结好与不好的反映，不是所测声波传播过程的衰减，只需要一个接收器便可完成，而两个接收器的声波探测仪是用来记录声波时差的，在声幅测井中不需要测声波时差，所以该方法不用单发双收声系。
二、声波变密度测井（VDL）
为了全面评价水泥环与套管和地层两个界面的胶结质量，发展了测量套管波前12到14个波的幅度和到达时间的声波变密度测井。
二、 超声电视测井（BHTV）
超声电视测井又称井下声波电视，是一种利用声波发射原理获得井壁直观图像的测井方法。超声成像测井的换能器以固定的速率绕仪器轴旋转，与它同步旋转的地磁仪每周产生一个磁北信号，以控制成像方位。旋转的换能器每秒发射3000-4000次宽度为20、频率为2的声脉冲，经泥浆垂直入射到井壁后又反射回来被该换能器接收。接收到的反射波被电子线路转换成电信号，送到地面记录仪放大后控制电视显像管光点的辉度：反射波幅度越小辉度越暗，反之越高。
填空题：
1、一岩石包括骨架和孔隙流体，流体密度为，骨架密度为，若测量得到的视密度为，则其孔隙度表达式为= ______________________。
2、声速测井记录的是_____________到达的时间。
3、产生滑行纵波的入射角称为_______________。
4、声波在介质中传播时，按其波阵面的几何形状可以简单地分为___________、_____________和_____________。
5、单晶或多晶材料在应力作用下产生电场的现象被称之为________________。
6、在含气地层，声速测井记录的时差按声波信号周期的倍数急剧增大，这种现象叫做_____________。
7、在紧密相连的两种介质分界面上，其声学的边界条件为________________连续和_________________连续。
8、在声波全波列图上，纵波与横波的相位_____________。
9、_____________是在胡克定律中表示弹性体或弹性材料在外力作用下变形难易程度的物理量。
10、声强与声波传播距离的平方成_______比。
11、在流体和均匀固体界面上，声学的边界条件是________________和________________。
12、在硬地层裸眼井中测量的声波全波波形中一般包括_______、_______和________三种模式波，这三种波按主频从低到高的排序为_______、________和__________。
13、声波测井中的软地层是指________________________________________的地层，在软地层井眼中利用单极子声源_______测量地层的横波速度。
14、在地层评价声波测井中，主要利用了声波_____信息，而在水泥环胶结质量评价测井中主要利用了声波____信息。
15、在声波测井中，固井质量声幅测井、长源距声波测井和超声电视测井的工作频率范围分别是_________、_________和_____
16、在充液套管中测量的声波全波列波形中可能包括_________、__________、__________和___________等模式波，这些波主频最低的是___________。
17、声速测井对地层的分辨率等于________，现在声波测井仪对地层测量的最高分辨率为_________米。
简答题：
1、单极子声波测井仪的声源会在井眼、井壁和地层中产生哪些波？利用它们可确定哪些地层参数？
答：单极子声波测井仪的声源会在井眼、井壁和地层中产生直达波、反射波、滑行纵波、滑行横波、视瑞利波、斯通利波和泄露模式波。
可以确定的地层参数：估算储层孔隙度、岩石力学参数确定岩性、判断气层和裂缝等。
2、声源在充满泥浆的套管井中可以激发出套管波、地层滑行纵波、泥浆波，叙述这几种波动模式各自特点，并说明彼此间有何区别。
答：（1）套管波：是以第一临界角入射的纵波经泥浆与套管界面折射后，在套管中产生的滑行波再临界折射到接收器。但因为套管厚度比波长小得多，套管内外表面上质点的位移不同，可以认为套管波不但沿轴向传递体积形变，还沿径向传递剪切形变，因而套管波并不是通常意义的纵波，而是在厚度小于波长的平板介质内传播的兰姆波的一个特例。
（2）滑行纵波：以第一临界角入射时，在井壁岩层表面以岩层的纵波速度，其振幅随增大按规律衰减，比直达波衰减快；滑行纵波是一种绕动波，非均应波。
（3）泥浆波：是沿泥浆传播的直接到达接收器的一种纵波，特点是到达时间稳定，并等于流体时差乘以源距；其声速一般小于井壁岩层纵波，与成反比；出现在地层波列后部，早于地层管波。
3、对称声源在充液裸眼井中激发起哪些波动模式？各有何特点？
答：滑行纵波：是井壁上沿井轴方向以纵波模式传播的波，产生条件是在低速介质中的声源发出的声波向告诉介质入射，入射角为第一临界角；在高速介质的界面上，以其纵波速度传播，是一种非均匀波，其幅度与频率成反比。
滑行横波：是沿井轴方向以横波模式传播的波，产生条件是在低速介质中的声源发出的声波向高速介质入射，入射角为第二临界角；其幅度大于滑行纵波的幅度，它的相位与滑行纵波相反。
视瑞利波：是在岩石与井内液体界面上产生，沿岩石表面传播；沿井壁传播时幅度不会衰减，但向井内地层传播时近似按指数衰减，而向井内传播时按震荡形式迅速衰减。
斯通利波：是井内流体中传播的一种诱导波，是沿井轴方向传播的流体纵波与井壁地层滑行横波相互作用产生的；传播速度低于流体纵波速度，有轻微频散，无截止频率；其幅度随岩石孔隙性、渗透性变好而增加。
泄露模式波：是大于第一临界角的入射波产生的反射P波与井壁地层相互作用产生的沿井壁在地层内传播的诱导波；运动轨迹是椭圆形，其幅度随泊松比增加而增加。

4、为什么在软地层井眼中无法用单极子声波测井仪测得地层的横波速度试叙述测量地层横波波速的方案。
答：对于单极子测井仪来说，当测量遇到软地层时，会导致声波在地层中传播速度降低，而无法让井中泥浆直达波更快达到时间的接收器。甚至连纵波都比泥浆波后达到接收器，更谈不上仪器测到横波了。
测量软地层横波可采用贴井壁声系：（1）滑行横波的速度小于纵波的速度，滑行横波到达接收器的时间是纵波的1.5到20倍；（2）横波的幅度大于纵波，但由于地层对横波吸收强，同时横波的振动方向与井轴垂直。对低角度和水平裂缝的情况，横波衰减大，因此只要地层无水平裂缝，通过对地面的仪器适当调节电子线路的放大倍数和触发电平门槛，降低仪器的增益，减小所用波的振幅，或将触发电平门槛调高就可以记录到横波时差。