石油课堂 | 声波测井的原理及技术方法（建议收藏）
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声波测井通过测量地层声波速度研究地质剖面和固井质量。分为声速和声幅测井，声速测井确定地层孔隙度、岩性等。声波测井受地层厚度等因素影响，可判断气层、裂缝发育等。固井质量评价用水泥胶结测井和声波变密度测井。本章介绍岩石弹性参数、声波传播速度、测井原理等关键知识点，为油气勘探提供重要技术支持。
声波在不同介质中传播时，其速度、幅度衰减及频率变化等声学特性是不同的。声波测井就是以介质声学特性为基础，研究钻井地质剖面、评价固井质量等问题的测井方法。
声波测井分为声速测井和声幅测井。声速测井测量地层声波速度。地层声波速度与地层岩性、孔隙度及孔隙流体性质等因素有关。根据地层声波速度，可确定地层孔隙度、岩性、孔隙流体性质。
第一节 岩石的声学特性
声波是一种机械波。根据声波频率声波分为 ：次声波（频率低于20Hz）； 可闻声波（20Hz至20kHz）；超声波（频率大于20kHz）。
一、岩石的弹性
1、弹性力学的基本假设
1）、物体是连续的，即描述物体弹性性质的力学参数及形变状态的物理量是空间的连续函数；
2）、物体是均匀的，即物体由同一类型的均匀材料组成，在物体中任选一个体积元，其物理、化学性质与整个物体的物理、化学性质相同；
3）、物体是各向同性的，即物体的性质与方向无关；
4）、物体是完全线弹性的，在弹性限度内，物体在外力作用下发生弹性形变，取消外力后物体恢复到初始状态。应力与应变存在线性关系，并服从广义胡克定律。
满足以上基本假设条件的物体称为理想完全线弹性体，描述介质弹性性质的参数为常数。当外力取消后不能恢复到其原来状态的物体称为塑性体。
声波测井中声源发射的声波能量较小，作用在地层上的时间也很短，所以可以把岩石看作弹性体。因此，可以用弹性波在介质中的传播规律研究声波在岩石中的传播特性。
在均匀无限大的地层中，声波速度主要取决于声波类型、地层弹性和密度。一般用下述几个弹性参数描述岩石的弹性性质。
2、弹性力学参数
1）、应力与应变
物体在外力作用下发生弹性形变的同时，在物体内部产生的抵抗其形变的力称为内力。作用在单位面积上的弹性内力称为应力。
根据应力方向与作用面法向的关系,应力分为:
(1)、平行于体积元各面法向的应力称为正应力；
(2) 、垂直于体积元各面法向的应力称为切应力。
在外力作用下，若弹性体内的任意体积元发生体积变化，而边角关系不变，则称此形变为体形变。体积元的各边边长的变化率称为线应变。
在外力作用下，若仅体积元形状发生变化，而体积不变，则称为剪切形变。体积元的边角关系的变化称为角应变（或切应变）。
2) 、广义胡克定律
对于完全线弹性介质,其应力与应变存在线性关系。每一应力分量等于六个应变分量的线性组合。
此外,系数矩阵C为对称方阵，只有21个独立元素.
（1）均匀、横向各向同性介质(TI)
对于均匀、横向各向同性的完全线弹性介质，系数矩阵只有5个独立的弹性系数。建立图6-1所示坐标系.弹性系数矩阵如式(6-2)所示.
（2）裂隙各向异性介质
裂隙各向异性介质,一般指具有一组垂向平行裂隙的介质模型,Crampin 称其为张性扩容各向异性介质( EDA) 。在EDA 介质中建立如图6-2 的坐标系。此时,系数矩阵只有5个独立的弹性系数。弹性系数矩阵如式(6-3)所示.
(3) 均匀、各向同性完全线弹性介质
对于均匀、各向同性的完全线弹性介质,系数矩阵只有两个独立的弹性系数.系数矩阵形式为(6-4)式.
2）弹性力学参数
A、杨氏模量E
杨氏模量E定义为弹性体发生单位线应变时弹性体产生的应力大小。
B、泊松比
弹性体在单轴外力作用下，当受力方向产生伸长时，自由方向缩小。
泊松比等于物体自由方向的线应变与受力方向的线应变之比的负值。
它表示物体几何形变的系数，无量纲。对于一切物质，泊松比介于0到0.5之间。
C、切变模量
D、体积形变弹性模量 K
体积形变弹性模量K定义为在外力作用下，物体所受的体应力与物体体积相对变化之比。量纲为N/㎡。
二、声波在岩石中的传播特性
1 、纵波和横波
声波传播方向和质点振动方向一致的波叫纵波。声波传播方向和质点振动方向相互垂直的波为横波。横波又分为SV波和SH波。
固体既可以传播纵波也可以传播横波，但流体不能传播横波。
2 、纵波和横波速度
声波在弹性介质中的传播速度定义为单位时间声波能量传播的距离,与介质的弹性和密度有关。在均匀各向同性介质中，纵波速度、横波速度及速度比的表达式分别为：
三、声波在介质分界面上的传播特性
声波通过波阻抗（即声速与介质体密度的乘积）不连续的界面时，发生反射和折射现象，遵循斯奈尔反射、折射定律。即入射波、反射波、折射波在同一平面内沿不同方向传播 。图6-7、6－8是声波的反射和折射示意图。
第二节 声波速度测井
声波速度测井简称声速测井，通过测量地层滑行波的时差△tp （地层纵波速度的倒数，单位微秒/米或微秒/英尺），反映井壁地层的特性。
一、单发射双接收声速测井仪的测量原理
1．单发双收声速测井仪
下井仪器包含三部分：声系、电子线路和隔声体。声系由一个发射换能器T和两个接收换能器R1、R2组成。其中，发射器和接收器之间的距离称为源距L，相邻接收器之间的距离称为间距l。如图6-16所示。
2、单发双收声速测井仪的测量原理
1）、井内声场分析
发射器在井内产生声波，声波接收器记录首波(首先到达接收器的声波)到达时间。根据首波到达时间，确定首波的传播速度，测井时,确保首波是地层纵波。
井内存在以下几种波：
（1）、反映地层滑行纵波的泥浆折射波；
（2）、反映地层滑行横波的泥浆折射波；
（3）、井内泥浆直达波；
（4）、井内一次及多次反射波；
（5）井内流体制导波（管波或斯通利波）。
图6-17给出了井内声波传播的示意图。
2）、单发双收声速侧井仪的测量原理
如果发射器在某一时刻t0发射声波，根据几何声学理论，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收器，其传播路径如图6-18所示，到达Rl和R2的时刻分别为t1和t2，则时间差△T为：
3、单发双收声系的缺陷
1) 、井径扩大对时差曲线的影响
在井眼几何尺寸变化
的层段，时差曲线出现
异常。在井眼扩大段的上、下界面分别出现时差增大和减小的尖峰。如图6-20所示。
2) 、仪器记录点与实际深度点的偏移
单发双收声波测井仪的记录点定义为两个接收器的中点。其实际深度点定义为到达两个接收器的折射波的折射点间的中点。
声波测井的输出代表厚度为一个间距的地层平均速度，即仪器记录点上下0.25米厚地层的平均速度。分析测量及记录过程可知，仪器记录点与声波在两个接收器对应地层中的实际传播路径的中点不重合，即存在一定的深度误差，声波在地层中实际传播路径的中点偏向发射器一方，二者偏移的距离为：
二、井眼补偿声速测井
1、声系结构
该仪器的井下声系包括两个发射器和两个接收器。它们的排列方式如图6－21所示。其中，两个接收器之间的距离（间距）为0.5米，T1、R1和R2、T2之间的距离为1米。
2、井眼补偿原理
1) 、时差的确定
图6－21是这种仪器对井径变化影响的补偿示意图。
2) 、井眼补偿原理
由图6-21可以看出，双发双收声速测井仪的T1发射得到的△T1 和T2发射得到的△T2 曲线，在井径变化处的变化方向相反，所以，取平均值得到的曲线恰好补偿了井径变化对测量结果的影响。
另外，在一定程度上测量结果降低了深度误差。这是由于上发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的上方；下发射时，测量地层的中点位于仪器记录点的下方，当接收器对应地层速度及井径变化不大时，即可保证实际记录点与仪器记录点重合，不再出现深度误差。
三、长源距声波全波列测井
声速测井只利用了纵波的速度信息，而声波全波列测井则记录声波的整个波列，不仅可以获得纵波的速度和幅度信息，横波的速度和幅度信息，还可以得到波列中的其它波成分，如伪瑞利波、斯通利波等。为石油勘探和开发提供更多的信息，所以声波全波列测井是一种较好的声波测井方法。
1、裸眼井中声波全波列成分
在裸眼井中，接收器记录到的声波全波列波形图上，包括滑行纵波、滑行横波（硬地层）、伪瑞利波和斯通利波等各类井内声波，如图6－22所示。
的相速度接近于地层横波速度，幅度明显大于滑行横波。
斯通利波是在井内泥浆中传播的管波。其速度和幅度与井壁地层有关，速度低于井内泥浆介质的纵波速度，幅度,频率低。
2、声波全波列测井的记录方式和记录的信息
1）、记录方式
声波测井仪的横向探测深度随声系源距增加而增大。
声波全波列测井通常采用的声系是R1 2 R2 8 T1 2 T2。间距为2ft,最小源距为8 ft.如图6－23所示.采用交替发射同时接收的方式记录地层信息.另外,为了降低井眼不规则产生的影响,取不同时刻测量时间差的平均值作为地层的时间差.
第三节 声速测井的影响因素
一、地层厚度
地层厚度的大小是相对声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层；小于间距的称为薄层。由于声速测井的输出（时差）代表0.5米厚地层的平均时差，因此它们的声速测井时差曲线存在一定差异。
1、厚层
1）在地层中部时差曲线出现平直段，该段时差值为地层时差值。当地层岩性或孔隙性不均匀时，曲线稍有波动，取地层中部时差曲线的平均值作为地层的时差值。
2）时差曲线的半幅点处对应于地层的上、下界面。
2、薄层
目的层时差受相邻地层时差影响较大。若相邻地层时差高于目的层的时差，则目的层时差增加；反之，目的层时差减小。不能应用曲线半幅点确定地层界面。
3、薄互层
间距大于互层中的地层厚度时,测井值不能反映地层的真实速度.
二、“周波跳跃”现象的影响
在一般情况下，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的，对于疏松或含气地层，由于地层声吸收大，声波发生较大的衰减，这时常常是首波信号只能触发路径较短的第一接收器的线路。首波不能触发第二接收器，其线路只能被续至波触发，在声波时差曲线上出现“忽大忽小”的时差急剧变化的现象，这种现象就叫周波跳跃，如图6－25所示。
三、盲区
双发双收声系测量的地层时差是上、下两个发射器分别工作时，由两个接收器记录的首波到达时间的平均值计算得到的。其时差大小反映两接收器对应地层速度.在低速地层，上发射时声波实际传播距离与下发射时声波实际传播距离出现完全不重合。此时，在仪器记录点附近一定厚度的地层对测量结果没有任何贡献，称之为“盲区”。即所测时差与记录点所在深度处地层速度无关。盲区厚度为：
第四节 声波速度测井资料的应用
一、判断气层
气和油水的声速及声衰减差别很大。因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，声波测井可以较好的确定含气疏松砂岩。气层在声波时差曲线上显示的特点有：
1、产生周波跳跃
它常见于特别疏松的砂岩气层中，如图6－26所示。这是由于含气疏松砂岩具有较高的孔隙度，且孔隙内含声吸收强的天然气，致使声波能量衰减大，产生周波跳跃。
2、声波时差增大
二、识别裂缝裂缝发育地层
在裂缝发育的层，由于裂缝的存在，造成声波的反射、透射。由于裂缝内充填的流体声吸收高，与岩石的波阻抗相差较大，因此使得接收的声波能量降低，在声波时差曲线上表现为声波时差的增大。如图6－27所示。
三、划分地层
由于不同地层具有不同的声波速度，所以根据声波时差曲线可以划分不同岩性的地层。
1 、砂泥岩剖面
砂岩声速与砂岩胶结物的性质及含量有关。通常钙质胶结砂岩时差比泥质胶结砂岩的低，并且声波时差随钙质含量增加而减小，随泥质含量增高而增高。
2 、 碳酸盐岩剖面
在碳酸盐岩剖面中，致密石灰岩和白云岩的时差最低,，如含泥质，时差稍有增高；当有孔隙或裂缝时，时差明显增大，甚至还可能出现周波跳跃现象。
3 、膏盐剖面
在膏盐剖面中，无水石膏与岩盐的声波时差有明显的差异，岩盐部分因井径扩大，时差曲线有明显的假异常，所以可以利用声波时差曲线划分膏盐剖面。
四、确定地层孔隙度
1 、威利时间平均公式
地层声速和地层孔隙度有关，大量数据表明，在固结、压实的纯地层中，地层孔隙度和声波时差存在线性关系，即威利时间平均公式，如图6－28所示。
2)、固结而压实不够的砂岩
对于此类地层，要引入压实校正。压实校正的大小用压实校正系数Cp表示，Cp与地层埋藏深度、年代及地区有关,如图6－29所示。压实校正后的孔隙度为：
3)、泥质砂岩
由于泥质声波时差较大，按上式计算的孔隙度偏大，必须进行泥质校正。由下式计算地层孔隙度。
五、其它应用
1、异常地层压力预测
地层压力指地层孔隙流体压力。沉积岩层的流体压力等于其静水压力，并对应一个正常压力梯度。在一些地区地层压力高于或低于有正常压力梯度计算的数值，即地层压力出现异常。地层压力高于正常值的地层称为异常高压地层；地层压力低于正常值的地层称为异常低压地层。
对泥岩时差研究发现，它可以成功地预测邻近储层的地层压力。在半对数坐标系上作泥岩时差与深度的关系。在正常压力下，数据点都落在正常压实趋势线上；高压异常地层的数据点落在趋势线的右侧，时差增大；低压异常地层的时差小于正常值，数据点落在趋势线的左侧。如图6-30所示。
2、岩石强度分析
岩石强度指岩石承受各种压力的特性。根据声波、地层密度测井资料，可以连续计算自然条件下岩石的各种弹性模量，以对岩石强度进行全面分析。用测井资料计算的岩石弹性模量为动态弹性模量，与实验室采用静压应变测量的弹性模量（静态弹性模量）不同。
根据均匀各向同性的线弹性介质的波速与弹性模量的关系，可以计算地层的各种弹性模量。
3、裂缝检测
声波全波列测井资料能够指示地层裂缝。由于声波通过裂缝时，其幅度都会减小，表现在波形图上就是声波幅度减小。声波幅度衰减程度取决于波的性质（类型、频率）、裂缝倾角（水平裂缝、低角度裂缝、高角度裂缝）、裂缝张开度等因素。水平缝对横波幅度影响大；高角度裂缝对纵波幅度影响大。垂直传播的纵波和横波其衰减量与裂缝倾角的函数关系如图6－31所示。
第五节 固井质量评价
目前用于检查固井质量的声幅测井有水泥胶结测井、变密度测井等测井方法。
一、水泥胶结测井（CBL）
1、水泥胶结测井的原理
套管波：沿井轴方向在套管内传播的声波，其时差大约为57微秒/英尺。
一界面：套管和水泥环间的界面。
二界面：水泥环和地层间的界面。
自由套管：套管外为流体介质。
水泥面：套管外固体水泥与泥浆之间的界面。
串槽：固井后，由隔层相隔的两个或多个渗透性地层流体通过一界面或二界面相通的现象。
套管井的井身结构如图6－32所示。
1）、水泥胶结测井的声系结构
水泥胶结测井的井下仪如图6－33所示，声系为单发单收声系，源距1米。发射器发射的 声信号的频率为20千赫。
2）、水泥胶结测井的原理
水泥胶结测井的主要目的是利用套管波幅度检查套管和水泥环间的胶结程度。其测量原理为：
A、套管波的产生：声波以临界角入射到套管内壁，在套管内激发套管波；
B、套管波沿套管传播时，在井内产生临界折射波，此波被井内接收器接收并记录其首波幅度；
C、套管波幅度与一界面的胶结程度有关，一界胶结良好，套管波幅度低；一界胶结差，套管波幅度高。这样，就得到了一条随深度变化的套管波幅度曲线，以反映一界面胶结情况。
2、套管波幅度的影响因素
1）、测井时间：为保证灌入到管外环行空间的水泥充分凝固，一般在固井后24小时到48小时测井最好，过早或过晚都会造成测井值的失真。
2）、水泥环的厚度：实验证明，水泥环厚度大于2厘米，其对测井曲线的影响基本固定；小于2厘米，随水泥环厚度的减小，测井值升高（失真），因此，在对资料进行解释时，应参考井径曲线。
3）、井内泥浆气侵：井内泥浆气侵造成声波幅度的降低，造成胶结良好的假象。
4）、仪器偏心：与井内泥浆气侵一样，仪器偏心也造成声幅的降低，造成胶结良好的假象。
3、水泥胶结测井曲线的应用
水泥胶结测井曲线如图6－34所示。图中曲线分两部分：
1）、自由套管部分；
2）、管外有固体水泥部分。
根据套管波幅度与一界面的胶结程度的关系，一般认为，一界面胶结良好，套管波幅度低；一界面胶结差，套管波幅度高。
相对幅度也可以评价一界面胶结情况。
相对幅度越大，表明固井质量越差，一般分为三个等级：相对幅度小于20%，胶结良好；相对幅度介于20—40%，胶结中等；相对幅度大于40%，胶结不好（串槽）。
声幅衰减率α表示套管波在套管中传播1英尺或1米衰减的分贝数。完全胶结时的声幅衰减率最大，胶结指数为1；胶结指数随胶结程度的降低而减小。
由于CBL测井无法评价二界面的胶结情况，在此基础上又提出了声波变密度测井。
二、声波变密度测井
1、声波变密度测井的测量原理
1）、声波变密度测井仪
声波变密度测井仪的井下声系为单发双收声系，源距为3英尺和5英尺。发射的声信号的频率为20千赫。
2）、声波变密度测井的测量原理
声波变密度测井仪的记录结果为：
套管波幅度；
套管波到达两个接收器的时间；
延续一定时间的两个全波列波形图。
从记录的波形图上，可以看到以下几类波：套管波；地层波；井内流体制导波；井内泥浆波。地层波与套管波的区别表现为：
套管波到达时间比较稳定；
地层波的到达时间随地层速度的变化而变化。
2、影响地层波幅度的因素
1）、一、二界面的胶结程度：一、二界面同时胶结良好，地层信号一般比较强；
2）、水泥环的强度：一、二界面胶结良好，同时水泥环强度高，地层信号一般比较强；
3）、地层的声学性质：地层声衰减高，地层信号弱。如图6-39所示.
3、声波变密度测井资料的应用
声波变密度测井资料主要用于检测二界面胶结状况，定性解释固井质量。
1）、自由套管：套管波强，地层波弱或完全没有；
2）、有良好的水泥环，且一、二界面胶结良好，套管波弱，地层波强；
3）、一界面胶结好，二界面胶结差，套管波弱，地层波弱。如图6-40所示.
本章小结
1、描述岩石弹性的弹性参数。
2 、声波在地层中的传播速度。声波在介质分界面上的反射、折射及临界折射。
3、声波测井原理。声波时差与声速的关系。
4 、影响声波时差曲线的因素及声波时差曲线的应用 。
5、应用威利时间平均公式计算地层孔隙度时应注意的问题。
6、影响套管波幅度的因素。
7、套管波幅度与一界面胶结程度的关系。
8、影响地层波幅度的因素。
9、地层波幅度与一界面、二界面胶结程度的关系。
