聲波速度測井

是在鑽孔中通過研究岩層中聲波傳播速度來確定岩層性質的一種測井方法。通常使用的聲波速度測井儀包括一個聲波發生器(T)和兩個接收器(R。、R。)。記錄的參數是聲波到達兩個接收器的時間差(△t)，即聲波在兩個接收器之間岩層中傳播所需要的時間。實際上，它是一個時間測量系統。聲波在岩層中傳播的速度，由岩石的彈性、密度以及孔隙中流體的性質等決定。聲波速度測井，可用來劃分岩性、確定油氣貯集層的孔隙度和劃分氣層。還可以提供地震勘探必需的速度資料。

基本介紹

• 中文名：聲波速度測井
• 外文名：sonic logging,acoustic velocity logging,acousti一log
• 學科：地球物理勘探

概述

聲波速度測井是通過測量井下岩層的聲波傳播速度(實際中記錄的是聲波時差值)，研究井外地層的岩性、物性，估算地層孔隙度的一種測井方法。它是三種孔隙度測井方法之一，也是常規聲波測井中主要的方法之一。聲波速度測井所記錄的地層聲速，一般是指地層縱波的速度(或縱波時差)。它是陣列聲波、多級子陣列聲波測井的基礎。本節將介紹聲波速度測井的基本原理、聲波時差的形成和記錄以及聲波速度測井資料的套用。

射線聲學理論和波動聲學理論

井孔中射線聲學理論

射線聲學是研究聲波的波前或者波陣面的空間位置與其傳播時間的關係的學科，又被稱為幾何聲學。與幾何光學相似，它們都是利用波前、射線等幾何圖形來描述波的運動過程和規律。射線聲學包括很多研究內容，在此主要介紹費馬原理、惠更斯原理、聲波的反射與折射定律等。

1．費馬時間最小原理和惠更斯原理

1)費馬時間最小原理

一般聲波在均勻各向同性、完全彈性的無限大介質中傳播經過A，B任意兩點時，是沿著這兩點所決定的直線傳播的。然而，理論和實驗證明，在不均勻介質如各向異性介質中，聲波並不沿直線傳播，這時聲波在傳播時遵循何種規律呢?費馬時間最小原理對此給予了回答。聲波在一般介質中傳播時，所經過的任意兩點的傳播路徑滿足所用時間最小的傳播條件，這就是費馬時問最小原理。這一原理是從光波動學中借鑑而來的，它的證明可參看有關文獻。在介質的聲學性質已知情況下，可以根據費馬時間最小原理來確定聲波在經過介質的任意兩點時所走的路徑，還可以確定聲波的走時，即聲波經過這兩點所用的時間。費馬時間最小原理在討論非均勻介質中任意兩點的聲波的傳播時是方便的，因此可以利用費馬時間最小原理分析井內所傳播的波。

2)惠更斯原理

波傳播到的介質中的各點都可以看成新的波源，稱作子波源。每個子波源都可以向各個方向發出微弱的波，稱之為子波。這些子波是以所在介質的聲波速度傳播的，新的波前就是由這些子波相互疊加而形成的，這些子波所形成的包絡決定了新波前的位置。因此，有了惠更斯原理，就可以根據已知的波前求得後來時刻的波前。利用惠更斯原理時應該注意，它只是說明空間中所傳播的可能的波，而沒指出波必須沿某一方向傳播。

2．井內傳播的波

1)流體直達波

所謂流體直達波，即由聲源出發經過井內流體而直接到達接收器的波。這種波也是聲源的入射波。直達波直接從聲源出發到達接收器或觀測點，它不受周圍不連續區域的影響。事實上，某一點的聲場是由直達場或人射場疊加而成的。這種波顯然符合費馬時間最小原理。

2)滑行縱波和滑行橫波

滑行波在地球物理領域又稱為首波，而在聲學領域稱之為頭波和旁側波。它是聲波在特定人射條件下，以折射區的波速在折射區內靠近界面傳播的波。現分別分析這兩種波。

(二)井孔中的波動理論一模式方法

波動理論一般是指從彈性波動力學出發，通過求解研究區中滿足一定邊界條件和初始條件的波動方程來表述和分析區域中某一點在某一時刻的波動場(如聲場或彈性波場)。某一區域的聲場可用多種方法來表示，如波函式展開法等。所謂聲波測井中的模式方法，就是從波動理論出發，用特定的波函式通過求解波動方程來表述聲場的一種方法。利用該方法來表示聲場，是由於所採用的波函式有特定的物理意義，在分析聲場時比較方便。如第一節所述，只有在聲波的波長遠遠小於介質的幾何尺寸時，射線聲學才適用。而在實際聲波測井中，由於所採用的聲波的頻率比較低，因而波長與井徑相比比較接近甚至較大，所以實際井中的波列無法完全用射線聲學解釋。具體地說，雖然所有的波在傳播時仍遵循費馬時間最小原理，但是由於它們在時間和空間上總是相互疊加、相互干涉，最後只能觀測到它們的綜合效應，而難以分清各種分波，如直達波和多次反射波等。所以，要全面而系統地了解井中聲波的傳播特點，定量分析井外介質的性質對井內各種波列的影響，就必須採用波動理論。具體的相關理論知識可查閱相關文獻。

單發雙收聲波速度測井

根據前面的討論，聲波在聲阻抗不同的兩種介質的界面上傳播時發生的折射和反射是符合波的折射和反射定律的。對介質I，Ⅱ，其波速口．，口：是固定值，所以隨著入射角增大，折射角也要增大，在"：>穢。的條件下，當入射角增大到臨界角時，折射角為直角。聲速測井就是測量滑行縱波穿越地層1m所用的時間，即時差，單位是微秒/米。

聲波速度測井儀器由地面儀器和井下儀器組成。井下儀器包括三個部分：聲系(由發射探頭和接收探頭按一定要求形成的空間位置相對固定的組合稱為聲波測井儀器的聲系)、電子線路及隔聲體。

(一)單發雙收聲速測井儀的測量原理

聲波速度測井儀井下儀器在井內以發射探頭髮射聲波，聲波由鑽井液向地層傳播，鑽井液的聲速'/3。不同於地層的聲速口：，所以在鑽井液和地層的界面上將發生波的反射和折射。由於發射探頭髮射的聲波在較大的角度內向各個方向傳播，其中必有以臨界角方向入射到界面的聲波，而且一般地層的速度穢：大於鑽井液的聲速口。，所以必然產生在地層中沿井壁傳播的滑行波。滑行波在地層中傳播的快慢是由岩石性質決定的，所以在井內如果能夠接收到滑行波，就,日a匕l--,測量地層的聲波速度。由於鑽井液和地層接觸良好，滑行波的傳播也必然引起鑽井液質點的振動，滑行波在鑽井液中以波速穢，傳播的聲波波線與地層和鑽井液界面的法線的交角等於臨界角，並且這些波線是相互平行的直線，所以在井中可以接收到滑行波(以臨界角入射的人射波射線和滑行波在鑽井液中傳播的第一條聲波波線所夾的盲區範圍除外

(二)單發雙收聲波速度測井的影響因素

1．井徑的影響

當井徑沒有明顯變化，井眼比較規則時，井徑對聲波時差曲線沒有影響。但是當井徑擴大時，在擴大井段的上下界面處，時差曲線會出現假的異常，

2．岩層厚度的影響

岩層的薄厚是相對聲速測井儀間距而言的。厚度大於間距的稱為厚層，反之稱為薄層，它們在聲波時差曲線上的顯示是有差別的。

3．周波跳躍的影響

在正常情況下，聲速測井儀的兩個接收探頭是被同一脈衝首波觸發的，但是在含氣疏鬆地層，由於聲波能量的嚴重衰減，致使首波減弱到只能觸發第一接收探頭而不能觸發第二接收探頭，第二接收探頭為後續波所觸發，因此，在時差曲線上會出現急劇偏轉或特別大的時差值，這種現象稱為周波跳躍。

雙發雙收聲速測井

(一)雙發雙收聲系

為了消除儀器記錄點與井壁實際採樣點之間的深度誤差，減小井眼變化引起的誤差，在實際的聲波速度測井中一般採用雙發雙收聲系。雙發雙收聲繫結構，由兩個發射探頭T．，T：和兩個接收探頭R。，R：組成。兩個接收探頭在中間，兩端放置發射探頭。T，和T：輪流交替發射脈衝聲波，由R。和R：各記錄一次，然後將兩次記錄的時差求平均值作為R。和R：對應的地層聲波時差。下面先分析雙發雙收聲系消除深度誤差的原理。

(二)雙發雙收聲波速度測井誤差

聲速測井儀記錄方式有兩種，一種是模擬記錄，一種是數字記錄。普通的井眼補償聲速測井的記錄方式一般是模擬記錄，而且記錄值為聲波(滑行縱波)時差。記錄過程為：首先，將所接收到的滑行波進行放大，並由電纜傳輸到地面上，由地面轉換電路檢測滑行波的到達時間；然後，將兩列波列首波的到達時間轉換為一寬度等於時差的電脈衝，最後利用積分電路轉換為與時差大小成正比的電壓值被記錄下來。

聲波速度測井資料套用

(一)聲波速度測井曲線

聲速測井曲線是指聲速測井儀測量的地層聲波時差隨深度變化的關係曲線。對於夾在厚泥岩層中的砂岩層，其聲測井儀器一般是上提測量的，當兩個接收探頭都處在下部泥岩層段時，測量時差反映的是泥岩的時差。隨著儀器提升，當上接收探頭處在砂岩層段時，測量時差將隨儀器提升而將降低；當下接收探頭進入砂岩層段時，測量時差反映的是砂岩的時差值，且不再隨儀器提升而變化。當儀器繼續提升時，上接收探頭進入泥岩層段，測量的時差又將增大。隨著儀器進一步提升，下接收探頭也進入泥岩層段，測量時差增大到泥岩時差，不再變化。

(二)聲波速度測井曲線的套用

1．劃分地層

由於不同岩石的聲波速度不同，所以根據聲波時差曲線可以劃分不同岩性的地層。

在砂泥岩剖面中，一般砂岩聲速較大，聲波時差曲線顯示低值。砂岩的膠結物性質和含量也影響聲波時差的大小，通常鈣質膠結砂岩比泥質膠結砂岩的聲波時差值低，並且隨著鈣質含量增多砂岩聲波時差下降，而隨著泥質含量增多砂岩聲波時差升高。泥岩聲速較小，聲波時差曲線顯示高值。頁岩的聲波時差值介於砂岩和泥岩的聲波時差值之問。礫岩聲波時差較低，並且礫岩越緻密，聲波時差越低。

2．判斷氣層

在常溫常壓下，天然氣的聲波時差比油和水的聲波時差大得多，但由於氣體受溫度和壓力的影響很大，在高溫高壓下，其時差會發生明顯減小。一般在地層中天然氣的時差要大於同樣條件下的油和水的時差。另外，在含氣層段上，聲波時差曲線往往會產生周波跳躍。在岩性確定的情況下，可以用這一現象來指示氣層的存在，

3．估算地層孔隙度

地層岩石的聲速與造岩礦物的成分、彈性、密度有關，還與岩石的孔隙度、孔隙流體種類和相態等有關。在孔隙性地層中，關於聲波速度與岩石物性參數的關係已進行了大量實驗測量和理論模型分析研究。20世紀50年代中期，懷利(Wylie)在總結實驗測量結果的基礎上，提出了時間平均公式。懷利認為，聲波在單位體積岩石內傳播可分為兩部分：一部分是岩石骨架部分；另一部分是岩石孔隙流體部分，其體積為咖。假定岩石骨架的聲速為口。流體的聲速為口，，聲波在岩石中傳播的時間為這兩個組成部分的傳播時間之和。