第四章-声波2012

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：20Hz—20KHz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:σ=-(∆D/D)/(∆L/L)横、纵向应变之比（0—0.5)切变模量：μ=（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，弹性波与弹性体中的质点的运动状态密切相关。2Pv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Sv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1＝2＝；透射定律sin/sin=V1/V2B、当＝＝0时：反射系数R＝(Z2cos－Z1cos)/(Z2cos＋Z1cos)＝(Z2－Z1)/(Z2＋Z1)透射系数T=1－R＝2Z1cos/(Z2cos＋Z1cos)=2Z1/(Z2+Z1)波阻抗Z1=1V1Z2=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iV1V2α二、声波测井中的声波1、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)t(直达)。t(直达)=L/V1；t(滑行)=2a/V1+b/V2；所以2a/V1+b/V2≤L/V1最后整理可得：S=(d-ds)/2=V1/V2如果取V1=1600米/秒（泥浆），ds=0.051米，d=0.254米。V2＝7900米/秒－1800米/秒，则L0.25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)21112SL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SonicVelocity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10－20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SonicVelocity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=t2－t1式中t1为首波到达第一个接收器的时间，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)=L×106/t(米/秒)。21112VbVat22122VbVat221212VLVbbttt声波发射器声波接收器声波接收器声波测井原理图LL0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，Z=H和ZH，分析结果如下：a）ZH，时差曲线对应地层中部出现一段平稳区，等于地层时差；地层的上、下界面与时差曲线的半幅点相对应。因此，地层的时差值和地层界面在时差曲线上都得到了明确表示。b）Z=H，时差曲线对应地层中点为地层的时差值，地层上、下界面与时差曲线的半幅点相对应。于是地层时差值和地层界面在时差曲线上得到了明确的显示。c）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。第二节声波速度测井SonicVelocity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h≈3波长=V/f≈8～38厘米，岩石的声速V＝1520～7620米/秒，频率f=20kHz；所以，h≈0.23～1.13米(软地层)(硬地层)Δt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VS1106式中S为慢度，μs/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μs/m二、声波速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L＝1，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=500μs/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=(1－b)/V1+b/V2记录点在曲线b点时：b=0，即t＝106/V1=500μs/m记录点在曲线c点时：a=b=0.5，即t＝0.5×106/V1＋0.5×106/V2＝(t1+t2)/2记录点在曲线d点时：b=1，即t＝106/V2=144μs/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=144μs/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=(1－b)/V1+b/V2记录点在曲线e点时，b=0，即：t＝106/V2=144μs/m记录点在曲线f点时：a=b=0.5，即：t＝0.5×106/V1＋0.5×106/V2＝(t1+t2)/2记录点在曲线g点时：b=1，即：t＝106/V1=500μs/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t＝t2－t1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＝(Z2－Z1)/(Z2＋Z1)当（Z2－Z1）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R2R1T2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/V1t2=T上A/V1+AB/V2+BC/V2+CR2/V1所以t上=t2-t1＝BC/V2＋CR2/V1－BR1/V1T下发射时t3=T下a/V1+ab/V2+bR2/V1t4=T下a/V1+ab/V2+bc/V2+cR1/V1所以t下=t4-t3＝bc/V2＋cR1/V1－bR2/V1t=(t上+t下)/2＝(BC/V2+bc/V2)/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