聲波測井方法和應(yīng)用主講人：章成廣長江大學(xué)地球物理與資源學(xué)院聲波測井方法和應(yīng)用主講人：章成廣長江大學(xué)1諸論一、什么是聲波測井1、介質(zhì)—在流體中傳播的波稱聲波，在彈性介質(zhì)中傳播的波為彈性波—機(jī)械振動波。2、頻率—20~20000Hz，次聲波、聲波、超聲波，特超聲>0.5GHz。3、波的特性—體波（縱波、橫波），界面波（全反射波：偽瑞利波、斯通利波）——根據(jù)聲波（或彈性波）在介質(zhì)中傳播原理，在井中測量聲波傳播速度、幅度（衰減）等特性，以確定地層特性的測井方法諸論2二、目的應(yīng)用1、確定孔隙度—時差2、識別巖性—時差、幅度衰減3、油氣識別—時差、幅度衰減、Vp/Vs4、裂縫識別（或滲透性）—低頻斯通利波、波形、幅度衰減5、固井質(zhì)量、鉆井工程（彈性系數(shù)、地層壓力、破裂壓力）、采油開發(fā)（彈性系數(shù)、巖石強(qiáng)度、出砂指數(shù)）6、地震標(biāo)定、構(gòu)造確定、工程物探諸論二、目的應(yīng)用諸論3三、聲波測井發(fā)展聲波測井40年代末50年代出現(xiàn)，先后出現(xiàn)有：聲速測井、聲幅測井、井下電視、長源距聲波、偶極子及多極子橫波測井、陣列聲波測井等模擬信號—數(shù)字—成像，數(shù)字化—信息化—成像化—系列化諸論聲幅測井(AcousticAmplitudeWell-logging)聲速測井(AcousticVelocityWell-Logging)聲波全波列測井（AcousticFullWaveformLogging）

三、聲波測井發(fā)展諸論聲幅測井(AcousticAmp4三、聲波測井發(fā)展幾個代表的發(fā)展階段：1.Wyllei(1956)時間平均公式提出;2.70年代末長源距聲波全波列測井出現(xiàn);3.80年代中期陣列聲波測井出現(xiàn);4.90年代末偶極子及多極子橫波測井出現(xiàn);5.井下聲幅電視出現(xiàn)及井周聲波成像方法的完善.諸論特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解決地下地質(zhì)構(gòu)造、判斷巖性、識別壓力異常層位、探測和評價裂縫、判斷儲集層中流體的性質(zhì)等方面起著重要作用，使聲波測井成為結(jié)合測井和物探的紐帶，并有著良好的發(fā)展前景。三、聲波測井發(fā)展諸論特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解5三、聲波測井發(fā)展

從聲波測井發(fā)展特點(diǎn)來看，儀器的研制略超過方法理論的完善，即大致在理論方法指導(dǎo)下研制成功儀器，在測井資料前提下使方法完善。聲波測井理論70年代末發(fā)展起來（52年Biot）彈性、孔隙介質(zhì)、層狀（橫向）同性從幾何聲學(xué)——理論聲學(xué)（波動理論），通過數(shù)學(xué)分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測量使聲波測井理論得到完善。諸論三、聲波測井發(fā)展諸論6幾個重要的研究方向：1.井中波形理論數(shù)值模擬2.聲波全波列信息提取及解釋評價3.孔隙介質(zhì)聲學(xué)及聲波測井資料的地質(zhì)解釋研究4.聲脈沖發(fā)射成像測井及水泥膠結(jié)測井方法研究5.偶極子及多極子橫波測井研究6.井間聲波探測井及振電效應(yīng)探測技術(shù)研究諸論幾個重要的研究方向：諸論7面臨問題及發(fā)展趨勢

1.對儲層的認(rèn)識及地層的聲學(xué)模型2.反演問題多解性—地質(zhì)約束、物理約束3.服務(wù)對象擴(kuò)大（儲層—非儲層）4.聯(lián)合反演(地質(zhì)、地震、其它測井結(jié)合）5.聲頻譜測井（頻率譜、幅度、應(yīng)力場）6.工程物探、生態(tài)環(huán)境波的正確認(rèn)識（巖石物理、波動理論）—信息提?。〝?shù)字信號處理）—解釋模型（地質(zhì)）諸論面臨問題及發(fā)展趨勢1.對儲層的認(rèn)識及地層的聲學(xué)模型諸8教材與參考資料

教材：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用參考資料：1、聲波測井原理---石油工業(yè)出版社-楚澤涵2、聲波測井---石油工業(yè)出版社-SPWL專題選輯3、Acousticwaveinborehores---F.L.Paillet,C.H.Cheng4、套管井測井解釋原理與應(yīng)用----石油工業(yè)出版社5、定量測井聲學(xué)——唐曉明鄭傳漢6、“測井技術(shù)”雜志諸論教材與參考資料教材：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用諸9第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)

聲波或彈性波是指彈性介質(zhì)中傳播的壓強(qiáng)、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度等的變化或幾種變化的綜合。聲波是物質(zhì)的一種運(yùn)動形式，它由物質(zhì)的機(jī)械振動產(chǎn)生，通過質(zhì)點(diǎn)間的相互作用將振動由近及遠(yuǎn)的傳播，而質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間有彈性并且相互聯(lián)系，所以聲波在物質(zhì)中的傳播與物質(zhì)的彈性密切相關(guān)

第一節(jié)聲波與聲場聲波測井發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以對聲波測井來講，巖石可看作彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可以應(yīng)用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。聲波參數(shù):頻率(f)、周期(T)、速度、波長（=C.T)、波數(shù)（2/

=/C）第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲波或彈性波是指彈10

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量

聲場是指介質(zhì)中有聲波傳播的區(qū)域。描述聲場的基本物理量一般有聲波速度、聲壓、聲功率、聲強(qiáng)等。壓力或壓強(qiáng)聲波在某一單位時間內(nèi)，沿其傳播方向通過波陣面所傳遞的能量稱為聲功率;單位面積上聲功率的大小稱為聲強(qiáng)

。

為質(zhì)點(diǎn)振動速度

振動過程要比聲源滯后

牛頓第二定律：

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基11第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量

c稱之為波阻抗或聲阻抗，通常以Z表示

相對于歐姆定律聲強(qiáng)：聲場中，單位體積內(nèi)的聲能量稱為聲能量密度

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量12第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第二節(jié)巖石的彈性與彈性系數(shù)聲波測井中聲波的傳播介質(zhì)是巖石，而影響聲波在巖石中傳播的主要因素是巖石的巖性及其它的物理、化學(xué)性質(zhì)。什么是彈性、塑性介質(zhì)？理想彈性體的基本特征:

εδ0ABCDEQP

R硬化彈性軟化破裂1、物體是連續(xù)；2、物體是均勻的；3、物體是各向同性的；4、物體是完全彈性的。

應(yīng)力—-應(yīng)變關(guān)系是線性的，服從廣義虎克（Hooke）定律。地球物理學(xué)研究的對象是地殼中各種不同地質(zhì)年代、由不同成分礦物組成、結(jié)構(gòu)各異的巖石。顯然，地下巖石并非理想彈性體。1、孔隙和裂縫，并不是連續(xù)介質(zhì)；2、固體與流體相對滑動。

對于聲波測井，由于發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以在聲波測井中，巖石可看作彈性體—近似彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可以應(yīng)用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第二節(jié)巖石的彈性與彈性系數(shù)聲波測13第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)應(yīng)變：單位長度所產(chǎn)生的形變,應(yīng)變包括角應(yīng)變、體應(yīng)變、線應(yīng)變?nèi)N。應(yīng)力：單位橫截面所產(chǎn)生的內(nèi)聚力它是在彈性體內(nèi)部發(fā)生形變的體積元和相鄰的體積元之間相互作用的量度，是彈性體反抗使其發(fā)生形變的外力而產(chǎn)生的內(nèi)力。用彈性系數(shù)來確定彈性介質(zhì)的彈性性質(zhì)楊氏模量(E)、剪切模量(G)、體積彈性模量K、泊松比、密度、拉梅系數(shù)\。

楊氏模量又可以稱為拉伸模量和縱向伸長系數(shù)，一般用E表示。在線性彈性形變區(qū),應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為楊氏模量。剪切模量又可以稱為切變模量和剛性模量，一般用G表示。指彈性體在發(fā)生單位角應(yīng)變時所需的剪切應(yīng)力的大小。（流體中G=0）體積彈性模量又稱體積壓縮模量，一般用K表示，指彈性體受均勻靜壓力時，靜壓力與體應(yīng)變的比值。YXBACDC′D′A′B′x12第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)應(yīng)變：單位長14第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)

泊松比一般用表示，表征彈性材料變形時橫向縮短和縱向伸長的比值。巖石的密度定義為單位體積巖石的質(zhì)量，一般用表示。表征應(yīng)力和應(yīng)變方向一致和互相垂直的兩個系數(shù)稱為拉梅系數(shù)。=G

一些巖石和介質(zhì)的與彈性性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)

參數(shù)介質(zhì)楊氏模量E體積模量K切變模量G拉梅系數(shù)泊松比

密度104MPag/cm3鋼鋁玻璃花崗巖石灰?guī)r砂巖頁巖207775.54.53177.5533.53282.63221.51115.532.53.52.510.300.350.250.250.20-0.320.23-0.280.22-0.407.702.70～2.55～2.67～2.65～2.45～2.35第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)泊松比一般15第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)彈性常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系表

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)彈性常數(shù)之間16第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素聲波速度

泊松比的取植范圍為0～0.5，r顯然總是大于1，可見縱波速度總是大于橫波速度。對自然界中常見的巖石來說，=0.25，這樣可以得到:r=1.73。理想流體中不存在切應(yīng)變，即，所以理想流體中無橫波存在，只有縱波。一、影響巖石聲波速度的因素:1.巖性是影響聲速的最主要因素第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素聲17第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素不同巖性礦物的聲波速度

巖石、礦物，103kg/m3E，109N/m2Vp，m/s玄武巖2.7268.50.3065930石灰?guī)r2.7057.90.3136130石膏2.2335.30.3384790石英2.65750.175370頁巖2.252439灰質(zhì)含量（%）Vp，(m/s)t，（s/m)小于533003005-203300～3630300～27520-253570～3700280～270不同灰質(zhì)膠結(jié)物砂巖聲速（勝利油田）

1.巖性是影響聲速的最主要因素第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素不18第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素2.孔隙和流體性質(zhì)對聲波速度的影響,Vp3.壓力對聲波速度的影響

經(jīng)分析壓力對聲速的影響可達(dá)35%以上

4.溫度對聲波速度的影響溫度由25℃變到120℃，波速減小最大的為8.21%，最小的為1.12%，平均誤差不到3.5%，因此相對壓力而言，認(rèn)為溫度對巖心聲速的影響可以忽略第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素219第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素5.巖石生成的地質(zhì)條件對聲波速度的影響不同的泥巖地層的聲速（前蘇聯(lián)）地質(zhì)年代巖性聲速Vp(m/s)新第三系泥巖1600～1700上白堊系泥巖1900～2000下白堊系泥巖2000～2400中下侏羅系及二迭系、三迭系泥巖2500～30006.埋藏深度對巖層速度的影響例如江漢油田，深度為1500m處的典型砂巖，聲波時差值為295s/m；當(dāng)深度增至3300m時，典型砂巖的聲波時差減小到235s/m

。此外，巖層速度與構(gòu)造上的位置、斷層特性有關(guān)。巖性相同并屬于同一地質(zhì)年代的巖層，位于構(gòu)造頂部的聲速要大于構(gòu)造翼部的聲速。但頂部風(fēng)化，Vp

。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素520第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射在聲波測井中，一般在作定性分析時，大多采用射線聲學(xué)理論或幾何聲學(xué)理論。射線聲學(xué)對于了解聲波在井內(nèi)傳播的路徑和走時是非常有用的。但是，射線聲學(xué)理論是波動理論的一種近似，聲波波長與模型的幾何尺寸相比非常小時才適用。在實(shí)際聲波測井中，當(dāng)聲源的發(fā)射主頻為20kHz時或更低時，如果井內(nèi)流體的波速為1500m/s,那么此時聲波的最小波長為0.075m,而井半徑一般為0.1m。由此可見，射線理論并不能完全適用于聲波測井，因而也不能完全解釋井內(nèi)所傳播的所有波型。

1．費(fèi)爾馬原理：任意兩點(diǎn)的傳播路徑滿足所用時間最小的傳播條件。

2．惠更斯原理：介質(zhì)中波所傳播到的各點(diǎn)都可以看成新的子波源，子波是以所在介質(zhì)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(luò)決定了新的波前。

3.斯奈爾（Snell）定律：入射波、反射波和透射波沿分界面視速度相等。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射在聲21第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射一、聲波在井壁上的反射與折射速度大,角度大不考慮聲波傳播過程的各種衰減的情況下，聲波發(fā)生反射和折射能量的分配取決于泥漿和井壁兩種介質(zhì)的聲阻抗值大小以及入射角和折射角的關(guān)系。當(dāng)不考慮折射橫波時，能流（功率）反射系數(shù)和折射系數(shù)可表示為聲波垂直井壁入射

反射系數(shù):折射(或透射)系數(shù):1、Z2>Z1同相位2、Z2<Z1反相位3、兩者相差大，反射能量大聲耦合差

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射一、22第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射二、井內(nèi)傳播的波

直達(dá)波和反射波（或多次）、滑行波、全反射波滑行縱波:由折射定律

也就是折射縱波沿井壁巖層傳播—滑行縱波，此時入射角為第一臨界角，即

滑行橫波:第二臨界角第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射二、23某些地層縱、橫波速度和臨界角Vf=1600m/s，=1.2g/cm3二、井內(nèi)傳播的波

第四節(jié)聲波在井中的反射和折射第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)某些地層縱、橫波速度和臨界角二、井內(nèi)傳播的波第四節(jié)聲波24三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件聲波測井是接收地層縱波—滑行縱波，來反映地層的特性。就要把滑行波與直達(dá)波、反射波區(qū)分開來。ABCTRLac直達(dá)波TR：反射波TBR：滑行波：

TACRV1VP第四節(jié)聲波在井中的反射和折射第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)1．滑行波作為首波接收的條件三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件聲波測井是接收地層25根據(jù)費(fèi)爾瑪最小原理，滑行波最先到達(dá)R處所滿足的條件：取泥巖(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1L#=0.825m取白云巖(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1L#=0.25mABCTRLacV1VP第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件根據(jù)費(fèi)爾瑪最小原理，滑行波最先到達(dá)R處所滿足的條件：取泥巖(26當(dāng)L>0.825m時,在整個地層剖面,接收的首波總是來自沿井壁巖層傳播的滑行縱波。目前國產(chǎn)儀器源距為1米一般儀器的外殼是鋼管，通過刻槽方法消除來自鋼管的直達(dá)波，經(jīng)多次反射使能量急劇衰減。內(nèi)部用橡膠作業(yè)題:1.在高速地層中（Vs>V1)滑行橫波是否可作為次首波，并推導(dǎo)?2.在慢速地層中（Vs<V1)滑行橫波是否可作為次首波，為什么?三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)當(dāng)L>0.825m時,在整個地層剖面,接收的首波總是來自沿井27ABCTRL滑行波作為首波:1)方便容易記錄(通過門檻拾?。?)受地層干擾少。對于聲速測井聲系L=1米，波在實(shí)際地層中滑行的距離不同，不僅與地層特性有關(guān)，還與井眼條件有關(guān)，受泥漿的影響不是固定的很難得到地層的速度。ac三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件2、聲波測井聲系源距的選擇原則第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)ABCTRL滑行波作為首波:1)方便容易記錄(通過門檻拾取282、聲波測井聲系源距的選擇原則三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件為了測量全波波形——縱波、橫波、全反射波，必須使得各種波群能夠在時域內(nèi)相互“拉開”而盡量減少相互疊加，一般選擇更長的源距，如長源距聲波全波列測井和多極子陣列聲波測井

但是，在實(shí)際測井中，由于聲波在傳播過程中存在著各種衰減，增大源距，聲波衰減嚴(yán)重，從而造成記錄的聲信號的信噪比降低，甚至記錄不到信號，因此在一定的發(fā)射聲功率的條件下，源距選得又不能過長。a.首波特性；b.衰減問題（周波跳躍）；c.波組分（縱波、橫波、全反射波）3．滑行波在井壁上傳播的波陣面在t時刻，滑行波走了AB=vpt距離，而折射波走了AC=vft距離，且AB>AC,這說明傳播t時刻后,雖然它們的傳播距離不同,但在BC上各點(diǎn)的相位是相同的，BC繞井軸旋轉(zhuǎn)的圓錐面表示了滑行波的波陣面

——圓錐面的波陣面

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)2、聲波測井聲系源距的選擇原則三、滑行波（縱波）作為首波接收29一、波前擴(kuò)展造成的聲能衰減—幾何擴(kuò)散第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減若聲源發(fā)出的總功率為W，則由聲強(qiáng)的定義有

球面波二、聲波在介質(zhì)中的吸收造成的衰減這種由于波陣面的幾何擴(kuò)展而造成的聲強(qiáng)（能量）隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為聲波的幾何衰減

介質(zhì)對聲波dp的吸收與聲波在介質(zhì)中的傳播距離dl成正比，定義為介質(zhì)對聲波的吸收系數(shù)，設(shè)聲波以平面波形式傳播了dl距離后，聲壓降低了當(dāng)時l=0，P=P0一、波前擴(kuò)展造成的聲能衰減—幾何擴(kuò)散第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)30三、井下聲波的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減聲波測井所用聲源的幾何形狀一般是有限長的圓管狀，對接收的信號有貢獻(xiàn)的部分，把探頭可以看成是某點(diǎn)等效聲中心（點(diǎn)聲源）發(fā)出的——

等效球面波在井壁附近，沿與井壁法線成θ角的方向上，若傳播距離為L

，此點(diǎn)的聲強(qiáng)

平面波、柱面波（1/L）、球面波在井眼中，聲信號強(qiáng)度的衰減嚴(yán)重受聲波在傳播過程中波陣面的幾何擴(kuò)展的影響。在不考慮介質(zhì)對聲波的吸收的前提下，若從探頭到井壁，聲波傳播的距離增加一倍時，則到達(dá)井壁時，聲波信號的強(qiáng)度減小4倍。此時，由于波陣面擴(kuò)展引起的能量分散是不能忽略的。三、井下聲波的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳31四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減泥漿對超聲的衰減包括吸收衰減和固相顆粒散射衰減兩部分1．泥漿對超聲的吸收衰減：主要有泥漿的粘滯、熱傳導(dǎo)以及泥漿的微觀過程引起的弛豫效應(yīng)。a．粘滯吸收(泥漿內(nèi)摩擦)系數(shù):超聲在泥漿中傳播由于泥漿內(nèi)摩擦作用，造成泥漿對超聲的吸收水及與水相近的液體介質(zhì)

對于清水泥漿，當(dāng)聲發(fā)射頻率20kHz時，聲吸收系數(shù)4.7×10-6（m-1），若不考慮聲能的幾何擴(kuò)散，聲傳播距離1km時,聲強(qiáng)減小的相對變化不到1%。當(dāng)聲發(fā)射頻率100kHz時，聲吸收系數(shù)8.5×10-5（m-1），聲傳播距離1km時,聲強(qiáng)減小的相對變化15.6%。當(dāng)聲發(fā)射頻率2MHz時，聲吸收系數(shù)4.7×10-2（m-1），聲傳播距離1m時,聲強(qiáng)減小的相對變化8.9%。可忽略不可忽略四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在32四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減1．泥漿對超聲的吸收衰減b．熱傳吸收衰減系數(shù):超聲在傳播過程中，引起泥漿壓縮和膨脹造成溫度變化,一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致聲能的耗散。k為熱傳導(dǎo)系數(shù),CV、CP為定容和定壓熱容量

除了極高溫情況外，熱傳導(dǎo)吸收系數(shù)比粘滯吸收系數(shù)小得多c．馳豫吸收：泥漿壓縮和膨脹過程中,伴有泥漿中分子的內(nèi)外自由度能量的重新分配過程(馳豫過程),這一過程需要一定時間(馳豫時間)，馳豫過程中有規(guī)則的聲振動轉(zhuǎn)化為無規(guī)則熱運(yùn)動的附加能量耗散。

′為低頻容變粘滯系數(shù)；是與馳豫時間有關(guān)系數(shù)

四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在33四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減2.泥漿固相顆粒對超聲的散射衰減

1）散射衰減系數(shù)：泥漿中含有固相顆粒（膨潤土、漂珠、硅藻土等），會引起一部分聲波散射，形成散射衰減。假設(shè)固相顆粒為完全剛性的，半徑遠(yuǎn)小于聲波長的小球N為單位體積小球數(shù)（與密度有關(guān)）；a為固相顆粒半徑膨潤土=22.647×10-6(-1)(cm-1),泥漿密度越大，散射衰減系數(shù)增加越快；在同樣泥漿密度下,顆粒半徑增大n倍,顆粒數(shù)N減少1/n3倍,則散射系數(shù)增大n3倍2）泥漿添加劑對散射系數(shù)的影響：防止高壓井噴，需要增加泥漿比重，a.增加固相含量（膨潤土、重晶石等）；b.采用鹽水泥漿。為了改善泥漿性能，還要加一些添加劑（鉆井粉、CMC、氫氧化鈉、鐵鉻鹽等）。一般采用低固相鹽水泥漿（對電阻率測井不利），加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，使固相顆粒少且呈分散體系，能減小散射系數(shù)。另外，在非均勻介質(zhì)(如巖石孔隙介質(zhì))中,聲波傳播過程中的聲頻散是不容忽視的現(xiàn)象。

四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在34第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器

聲波的兩種物理效應(yīng)——磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)。換能器是指將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，如從電能轉(zhuǎn)換為聲能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能等等。一般稱用于發(fā)射聲能的換能器叫做發(fā)射換能器或發(fā)射探頭，稱接收用的換能器叫做接收換能器或接收探頭。一、換能器的概念與要求1）有足夠的聲功率（對發(fā)射探頭而言），發(fā)射信號有足夠大的幅度才能到達(dá)接收器而被記錄。2）發(fā)射頻率既要滿足劃分地層的分辨率要求，又要避免聲信號衰減過大所出現(xiàn)的問題。3）聲波換能器還必需具有一定的方向性，以有利于產(chǎn)生和接收滑行波。對于一般的地層，第一臨界角在1363o之間，因此對聲波的指向角有一定的要求。4）換能器應(yīng)耐高溫和高壓。

（井下的溫度可達(dá)150℃以上，壓力可能會超過100MPa（兆帕））。5）換能器還要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、其性能穩(wěn)定，成本低廉便于大量生產(chǎn)。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器35

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器1.磁致伸縮效應(yīng)二、磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)當(dāng)鐵磁性材料的磁狀態(tài)改變時，其尺寸也發(fā)生相應(yīng)的改變。例如鐵磁材料做成的棒放在方向順著棒長的磁場內(nèi)，其長度將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮效應(yīng)是可逆的，即在對棒拉伸使之發(fā)生形變時，其磁化強(qiáng)度也發(fā)生變化，若在棒上繞以線圈，則線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。鐵、鈷、鎳這三種材料中，鎳的磁致伸縮效應(yīng)最明顯。

將鐵磁性材料棒放入交變磁場中，在周期性的磁化作用下，其長度也將周期性的發(fā)生改變。若交變電磁場的頻率與棒的固有頻率相等時，棒將在交變電磁場的作用下，以其固有頻率振動，振幅達(dá)到極大，同時在棒的兩端將發(fā)射出與棒的固有頻率相同的聲波。反過來，當(dāng)聲波經(jīng)過棒傳播時，由于聲波對棒的拉伸和壓縮作用，使其磁化強(qiáng)度發(fā)生變化。套在棒上的線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這就是逆磁致伸縮效應(yīng)，利用它可以接收聲波。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器1.磁36第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)有些多原子分子晶體材料在應(yīng)力作用下發(fā)生形變時，會在晶體表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在電場的作用下，這些晶體的幾何尺寸會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。二、磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)

壓電材料可以分為兩類:一類是天然的或人工制造的壓電單晶體,如石英,酒石酸鉀鈉(俗名羅謝爾鹽或羅式鹽)、硫酸鋰、鈮酸鋰等；另一類是人工按陶瓷制作工藝燒制的壓電多晶體,通常稱為壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等一類多原子分子晶體）。內(nèi)部有某些微小區(qū)域，它們都有一定方向的電極距，這些小區(qū)域稱為“電疇”。每個“電疇”都有一定方向的電極距。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)37第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)聲波測井儀器的聲波換能器：圓管狀的壓電陶瓷、壓電陶瓷片。其工作原理是：經(jīng)極化處理的壓電陶瓷，沿一定方向?qū)ζ涫┘与妷簳r，在電場力的作用下，將發(fā)生形變，在外加電場變化范圍不大的條件下，形變和外加電場成正比。當(dāng)外加電場的頻率和壓電陶瓷材料的固有頻率相同時，材料即產(chǎn)生按材料固有頻率發(fā)生的變形，從而在周圍介質(zhì)中激發(fā)聲波。

二、磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)切變激化、縱向壓電效應(yīng)換能器

圓管狀的壓電陶瓷換能器振動模式：井軸方向近似平面波的軸向振動模；井壁方向近似柱面波的切向振動模式；井壁方向柱面波的徑向振動模式。

聲波換能器對徑向振動來說，是通過在陶瓷管內(nèi)外壁上鍍銀來施加電壓，而對切向振動來說，是在圓管狀探頭的內(nèi)外表面相隔均勻的距離上，沿圓管軸線加以偶數(shù)條銀層，將相隔的銀層用導(dǎo)線連接，作為外加電場的兩根引入線，這時除了產(chǎn)生切向振動外，還表現(xiàn)為圓管直徑的變化。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)38第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)二、磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)切變激化、縱向壓電效應(yīng)換能器

對于相同的材料來說，切向極化探頭要比徑向極化探頭的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高。

聲源的指向角特性花瓣圖聲波發(fā)射探頭是具有一定幾何形狀，探頭發(fā)射出的聲波能量在空間各個方向上的分布是不同的。即其發(fā)射存在方向性。當(dāng)發(fā)射探頭為有限長圓柱體時，聲源在圓柱體中心的直徑方向上發(fā)射出的聲波能量要大些，而在另外一些方向上發(fā)射出的聲波能量很小。探頭的指向特性由探頭的振動模式、幾何形狀及幾何尺寸所決定

。通常把聲壓最大值的方向定位聲軸的方向。聲壓幅度值為聲軸方向聲壓幅度值的70%（-3dB）的方向所張開的夾角D-3dB稱為波束角。井下發(fā)射探頭發(fā)出的聲波應(yīng)在與井壁法線方向成13o63o的范圍內(nèi)都有足夠的聲波能量。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器2.壓電效應(yīng)39

由于聲波在井內(nèi)傳播時會發(fā)生衰減，特別是高頻信號，所以對接收探頭提出的要求是：（1）接收探頭的固有頻率不應(yīng)大于發(fā)射探頭的固有頻率，甚至可以使接收探頭的固有頻率稍低于發(fā)射探頭的固有頻率。因此在組裝儀器的聲學(xué)系統(tǒng)時，應(yīng)對探頭的頻率特性進(jìn)行測定，選擇固有頻率合適的接收探頭。（2）對于聲波測井的兩個接收探頭，其固有頻率應(yīng)挑選得盡量接近，否則將會對同一滑行首波造成幅度和相位的失真，引起記錄的明顯偏差第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器由于聲波在井內(nèi)傳播時會發(fā)生衰減，特別是高頻信號，所以40

作業(yè)與思考題：1.寫出縱波速度與橫波速度的表達(dá)式（用彈性系數(shù)表示），并推導(dǎo)一般地層中縱橫波速度的關(guān)系；2.推導(dǎo)滑行縱波作為首波接收的幾何聲學(xué)條件，并討論聲波測井中聲系源距的選擇原則；3.聲波在傳播中時的衰減包括那幾部分，簡單敘述；4.地層速度的影響因素有哪些，并簡述各種影響因素下，地層速度的變化規(guī)律；5.寫出下列參數(shù)的物理意義，常用單位并標(biāo)明其量綱：聲壓、聲強(qiáng)、聲速、聲時差、聲阻抗；6.畫出聲波垂直入射井壁時的能量分散圖，分別用聲波幅度和聲波能量兩種方式寫出聲波反射與折射系數(shù)，并說明各字符代表的物理意義；7.敘述聲波換能所利用的兩種物理效應(yīng)的基本原理；8.指出泥漿對超聲衰減的影響有哪些。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)作業(yè)與思考題：第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)41

聲波測井方法和應(yīng)用主講人：章成廣長江大學(xué)地球物理與資源學(xué)院聲波測井方法和應(yīng)用主講人：章成廣長江大學(xué)42諸論一、什么是聲波測井1、介質(zhì)—在流體中傳播的波稱聲波，在彈性介質(zhì)中傳播的波為彈性波—機(jī)械振動波。2、頻率—20~20000Hz，次聲波、聲波、超聲波，特超聲>0.5GHz。3、波的特性—體波（縱波、橫波），界面波（全反射波：偽瑞利波、斯通利波）——根據(jù)聲波（或彈性波）在介質(zhì)中傳播原理，在井中測量聲波傳播速度、幅度（衰減）等特性，以確定地層特性的測井方法諸論43二、目的應(yīng)用1、確定孔隙度—時差2、識別巖性—時差、幅度衰減3、油氣識別—時差、幅度衰減、Vp/Vs4、裂縫識別（或滲透性）—低頻斯通利波、波形、幅度衰減5、固井質(zhì)量、鉆井工程（彈性系數(shù)、地層壓力、破裂壓力）、采油開發(fā)（彈性系數(shù)、巖石強(qiáng)度、出砂指數(shù)）6、地震標(biāo)定、構(gòu)造確定、工程物探諸論二、目的應(yīng)用諸論44三、聲波測井發(fā)展聲波測井40年代末50年代出現(xiàn)，先后出現(xiàn)有：聲速測井、聲幅測井、井下電視、長源距聲波、偶極子及多極子橫波測井、陣列聲波測井等模擬信號—數(shù)字—成像，數(shù)字化—信息化—成像化—系列化諸論聲幅測井(AcousticAmplitudeWell-logging)聲速測井(AcousticVelocityWell-Logging)聲波全波列測井（AcousticFullWaveformLogging）

三、聲波測井發(fā)展諸論聲幅測井(AcousticAmp45三、聲波測井發(fā)展幾個代表的發(fā)展階段：1.Wyllei(1956)時間平均公式提出;2.70年代末長源距聲波全波列測井出現(xiàn);3.80年代中期陣列聲波測井出現(xiàn);4.90年代末偶極子及多極子橫波測井出現(xiàn);5.井下聲幅電視出現(xiàn)及井周聲波成像方法的完善.諸論特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解決地下地質(zhì)構(gòu)造、判斷巖性、識別壓力異常層位、探測和評價裂縫、判斷儲集層中流體的性質(zhì)等方面起著重要作用，使聲波測井成為結(jié)合測井和物探的紐帶，并有著良好的發(fā)展前景。三、聲波測井發(fā)展諸論特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解46三、聲波測井發(fā)展

從聲波測井發(fā)展特點(diǎn)來看，儀器的研制略超過方法理論的完善，即大致在理論方法指導(dǎo)下研制成功儀器，在測井資料前提下使方法完善。聲波測井理論70年代末發(fā)展起來（52年Biot）彈性、孔隙介質(zhì)、層狀（橫向）同性從幾何聲學(xué)——理論聲學(xué)（波動理論），通過數(shù)學(xué)分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測量使聲波測井理論得到完善。諸論三、聲波測井發(fā)展諸論47幾個重要的研究方向：1.井中波形理論數(shù)值模擬2.聲波全波列信息提取及解釋評價3.孔隙介質(zhì)聲學(xué)及聲波測井資料的地質(zhì)解釋研究4.聲脈沖發(fā)射成像測井及水泥膠結(jié)測井方法研究5.偶極子及多極子橫波測井研究6.井間聲波探測井及振電效應(yīng)探測技術(shù)研究諸論幾個重要的研究方向：諸論48面臨問題及發(fā)展趨勢

1.對儲層的認(rèn)識及地層的聲學(xué)模型2.反演問題多解性—地質(zhì)約束、物理約束3.服務(wù)對象擴(kuò)大（儲層—非儲層）4.聯(lián)合反演(地質(zhì)、地震、其它測井結(jié)合）5.聲頻譜測井（頻率譜、幅度、應(yīng)力場）6.工程物探、生態(tài)環(huán)境波的正確認(rèn)識（巖石物理、波動理論）—信息提取（數(shù)字信號處理）—解釋模型（地質(zhì)）諸論面臨問題及發(fā)展趨勢1.對儲層的認(rèn)識及地層的聲學(xué)模型諸49教材與參考資料

教材：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用參考資料：1、聲波測井原理---石油工業(yè)出版社-楚澤涵2、聲波測井---石油工業(yè)出版社-SPWL專題選輯3、Acousticwaveinborehores---F.L.Paillet,C.H.Cheng4、套管井測井解釋原理與應(yīng)用----石油工業(yè)出版社5、定量測井聲學(xué)——唐曉明鄭傳漢6、“測井技術(shù)”雜志諸論教材與參考資料教材：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用諸50第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)

聲波或彈性波是指彈性介質(zhì)中傳播的壓強(qiáng)、應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)位移、質(zhì)點(diǎn)速度等的變化或幾種變化的綜合。聲波是物質(zhì)的一種運(yùn)動形式，它由物質(zhì)的機(jī)械振動產(chǎn)生，通過質(zhì)點(diǎn)間的相互作用將振動由近及遠(yuǎn)的傳播，而質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)之間有彈性并且相互聯(lián)系，所以聲波在物質(zhì)中的傳播與物質(zhì)的彈性密切相關(guān)

第一節(jié)聲波與聲場聲波測井發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以對聲波測井來講，巖石可看作彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可以應(yīng)用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。聲波參數(shù):頻率(f)、周期(T)、速度、波長（=C.T)、波數(shù)（2/

=/C）第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲波或彈性波是指彈51

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量

聲場是指介質(zhì)中有聲波傳播的區(qū)域。描述聲場的基本物理量一般有聲波速度、聲壓、聲功率、聲強(qiáng)等。壓力或壓強(qiáng)聲波在某一單位時間內(nèi)，沿其傳播方向通過波陣面所傳遞的能量稱為聲功率;單位面積上聲功率的大小稱為聲強(qiáng)

。

為質(zhì)點(diǎn)振動速度

振動過程要比聲源滯后

牛頓第二定律：

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基52第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量

c稱之為波阻抗或聲阻抗，通常以Z表示

相對于歐姆定律聲強(qiáng)：聲場中，單位體積內(nèi)的聲能量稱為聲能量密度

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量53第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第二節(jié)巖石的彈性與彈性系數(shù)聲波測井中聲波的傳播介質(zhì)是巖石，而影響聲波在巖石中傳播的主要因素是巖石的巖性及其它的物理、化學(xué)性質(zhì)。什么是彈性、塑性介質(zhì)？理想彈性體的基本特征:

εδ0ABCDEQP

R硬化彈性軟化破裂1、物體是連續(xù)；2、物體是均勻的；3、物體是各向同性的；4、物體是完全彈性的。

應(yīng)力—-應(yīng)變關(guān)系是線性的，服從廣義虎克（Hooke）定律。地球物理學(xué)研究的對象是地殼中各種不同地質(zhì)年代、由不同成分礦物組成、結(jié)構(gòu)各異的巖石。顯然，地下巖石并非理想彈性體。1、孔隙和裂縫，并不是連續(xù)介質(zhì)；2、固體與流體相對滑動。

對于聲波測井，由于發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以在聲波測井中，巖石可看作彈性體—近似彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可以應(yīng)用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第二節(jié)巖石的彈性與彈性系數(shù)聲波測54第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)應(yīng)變：單位長度所產(chǎn)生的形變,應(yīng)變包括角應(yīng)變、體應(yīng)變、線應(yīng)變?nèi)N。應(yīng)力：單位橫截面所產(chǎn)生的內(nèi)聚力它是在彈性體內(nèi)部發(fā)生形變的體積元和相鄰的體積元之間相互作用的量度，是彈性體反抗使其發(fā)生形變的外力而產(chǎn)生的內(nèi)力。用彈性系數(shù)來確定彈性介質(zhì)的彈性性質(zhì)楊氏模量(E)、剪切模量(G)、體積彈性模量K、泊松比、密度、拉梅系數(shù)\。

楊氏模量又可以稱為拉伸模量和縱向伸長系數(shù)，一般用E表示。在線性彈性形變區(qū),應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為楊氏模量。剪切模量又可以稱為切變模量和剛性模量，一般用G表示。指彈性體在發(fā)生單位角應(yīng)變時所需的剪切應(yīng)力的大小。（流體中G=0）體積彈性模量又稱體積壓縮模量，一般用K表示，指彈性體受均勻靜壓力時，靜壓力與體應(yīng)變的比值。YXBACDC′D′A′B′x12第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)應(yīng)變：單位長55第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)

泊松比一般用表示，表征彈性材料變形時橫向縮短和縱向伸長的比值。巖石的密度定義為單位體積巖石的質(zhì)量，一般用表示。表征應(yīng)力和應(yīng)變方向一致和互相垂直的兩個系數(shù)稱為拉梅系數(shù)。=G

一些巖石和介質(zhì)的與彈性性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)

參數(shù)介質(zhì)楊氏模量E體積模量K切變模量G拉梅系數(shù)泊松比

密度104MPag/cm3鋼鋁玻璃花崗巖石灰?guī)r砂巖頁巖207775.54.53177.5533.53282.63221.51115.532.53.52.510.300.350.250.250.20-0.320.23-0.280.22-0.407.702.70～2.55～2.67～2.65～2.45～2.35第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)泊松比一般56第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)彈性常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系表

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)巖石應(yīng)力-應(yīng)變、彈性系數(shù)彈性常數(shù)之間57第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素聲波速度

泊松比的取植范圍為0～0.5，r顯然總是大于1，可見縱波速度總是大于橫波速度。對自然界中常見的巖石來說，=0.25，這樣可以得到:r=1.73。理想流體中不存在切應(yīng)變，即，所以理想流體中無橫波存在，只有縱波。一、影響巖石聲波速度的因素:1.巖性是影響聲速的最主要因素第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素聲58第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素不同巖性礦物的聲波速度

巖石、礦物，103kg/m3E，109N/m2Vp，m/s玄武巖2.7268.50.3065930石灰?guī)r2.7057.90.3136130石膏2.2335.30.3384790石英2.65750.175370頁巖2.252439灰質(zhì)含量（%）Vp，(m/s)t，（s/m)小于533003005-203300～3630300～27520-253570～3700280～270不同灰質(zhì)膠結(jié)物砂巖聲速（勝利油田）

1.巖性是影響聲速的最主要因素第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素不59第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素2.孔隙和流體性質(zhì)對聲波速度的影響,Vp3.壓力對聲波速度的影響

經(jīng)分析壓力對聲速的影響可達(dá)35%以上

4.溫度對聲波速度的影響溫度由25℃變到120℃，波速減小最大的為8.21%，最小的為1.12%，平均誤差不到3.5%，因此相對壓力而言，認(rèn)為溫度對巖心聲速的影響可以忽略第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素260第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素5.巖石生成的地質(zhì)條件對聲波速度的影響不同的泥巖地層的聲速（前蘇聯(lián)）地質(zhì)年代巖性聲速Vp(m/s)新第三系泥巖1600～1700上白堊系泥巖1900～2000下白堊系泥巖2000～2400中下侏羅系及二迭系、三迭系泥巖2500～30006.埋藏深度對巖層速度的影響例如江漢油田，深度為1500m處的典型砂巖，聲波時差值為295s/m；當(dāng)深度增至3300m時，典型砂巖的聲波時差減小到235s/m

。此外，巖層速度與構(gòu)造上的位置、斷層特性有關(guān)。巖性相同并屬于同一地質(zhì)年代的巖層，位于構(gòu)造頂部的聲速要大于構(gòu)造翼部的聲速。但頂部風(fēng)化，Vp

。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第三節(jié)巖石的聲波速度與影響因素561第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射在聲波測井中，一般在作定性分析時，大多采用射線聲學(xué)理論或幾何聲學(xué)理論。射線聲學(xué)對于了解聲波在井內(nèi)傳播的路徑和走時是非常有用的。但是，射線聲學(xué)理論是波動理論的一種近似，聲波波長與模型的幾何尺寸相比非常小時才適用。在實(shí)際聲波測井中，當(dāng)聲源的發(fā)射主頻為20kHz時或更低時，如果井內(nèi)流體的波速為1500m/s,那么此時聲波的最小波長為0.075m,而井半徑一般為0.1m。由此可見，射線理論并不能完全適用于聲波測井，因而也不能完全解釋井內(nèi)所傳播的所有波型。

1．費(fèi)爾馬原理：任意兩點(diǎn)的傳播路徑滿足所用時間最小的傳播條件。

2．惠更斯原理：介質(zhì)中波所傳播到的各點(diǎn)都可以看成新的子波源，子波是以所在介質(zhì)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(luò)決定了新的波前。

3.斯奈爾（Snell）定律：入射波、反射波和透射波沿分界面視速度相等。第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射在聲62第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射一、聲波在井壁上的反射與折射速度大,角度大不考慮聲波傳播過程的各種衰減的情況下，聲波發(fā)生反射和折射能量的分配取決于泥漿和井壁兩種介質(zhì)的聲阻抗值大小以及入射角和折射角的關(guān)系。當(dāng)不考慮折射橫波時，能流（功率）反射系數(shù)和折射系數(shù)可表示為聲波垂直井壁入射

反射系數(shù):折射(或透射)系數(shù):1、Z2>Z1同相位2、Z2<Z1反相位3、兩者相差大，反射能量大聲耦合差

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射一、63第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射二、井內(nèi)傳播的波

直達(dá)波和反射波（或多次）、滑行波、全反射波滑行縱波:由折射定律

也就是折射縱波沿井壁巖層傳播—滑行縱波，此時入射角為第一臨界角，即

滑行橫波:第二臨界角第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第四節(jié)聲波在井中的反射和折射二、64某些地層縱、橫波速度和臨界角Vf=1600m/s，=1.2g/cm3二、井內(nèi)傳播的波

第四節(jié)聲波在井中的反射和折射第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)某些地層縱、橫波速度和臨界角二、井內(nèi)傳播的波第四節(jié)聲波65三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件聲波測井是接收地層縱波—滑行縱波，來反映地層的特性。就要把滑行波與直達(dá)波、反射波區(qū)分開來。ABCTRLac直達(dá)波TR：反射波TBR：滑行波：

TACRV1VP第四節(jié)聲波在井中的反射和折射第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)1．滑行波作為首波接收的條件三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件聲波測井是接收地層66根據(jù)費(fèi)爾瑪最小原理，滑行波最先到達(dá)R處所滿足的條件：取泥巖(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1L#=0.825m取白云巖(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1L#=0.25mABCTRLacV1VP第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件根據(jù)費(fèi)爾瑪最小原理，滑行波最先到達(dá)R處所滿足的條件：取泥巖(67當(dāng)L>0.825m時,在整個地層剖面,接收的首波總是來自沿井壁巖層傳播的滑行縱波。目前國產(chǎn)儀器源距為1米一般儀器的外殼是鋼管，通過刻槽方法消除來自鋼管的直達(dá)波，經(jīng)多次反射使能量急劇衰減。內(nèi)部用橡膠作業(yè)題:1.在高速地層中（Vs>V1)滑行橫波是否可作為次首波，并推導(dǎo)?2.在慢速地層中（Vs<V1)滑行橫波是否可作為次首波，為什么?三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)當(dāng)L>0.825m時,在整個地層剖面,接收的首波總是來自沿井68ABCTRL滑行波作為首波:1)方便容易記錄(通過門檻拾?。?)受地層干擾少。對于聲速測井聲系L=1米，波在實(shí)際地層中滑行的距離不同，不僅與地層特性有關(guān)，還與井眼條件有關(guān)，受泥漿的影響不是固定的很難得到地層的速度。ac三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件2、聲波測井聲系源距的選擇原則第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)ABCTRL滑行波作為首波:1)方便容易記錄(通過門檻拾取692、聲波測井聲系源距的選擇原則三、滑行波（縱波）作為首波接收幾何聲學(xué)條件為了測量全波波形——縱波、橫波、全反射波，必須使得各種波群能夠在時域內(nèi)相互“拉開”而盡量減少相互疊加，一般選擇更長的源距，如長源距聲波全波列測井和多極子陣列聲波測井

但是，在實(shí)際測井中，由于聲波在傳播過程中存在著各種衰減，增大源距，聲波衰減嚴(yán)重，從而造成記錄的聲信號的信噪比降低，甚至記錄不到信號，因此在一定的發(fā)射聲功率的條件下，源距選得又不能過長。a.首波特性；b.衰減問題（周波跳躍）；c.波組分（縱波、橫波、全反射波）3．滑行波在井壁上傳播的波陣面在t時刻，滑行波走了AB=vpt距離，而折射波走了AC=vft距離，且AB>AC,這說明傳播t時刻后,雖然它們的傳播距離不同,但在BC上各點(diǎn)的相位是相同的，BC繞井軸旋轉(zhuǎn)的圓錐面表示了滑行波的波陣面

——圓錐面的波陣面

第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)2、聲波測井聲系源距的選擇原則三、滑行波（縱波）作為首波接收70一、波前擴(kuò)展造成的聲能衰減—幾何擴(kuò)散第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減若聲源發(fā)出的總功率為W，則由聲強(qiáng)的定義有

球面波二、聲波在介質(zhì)中的吸收造成的衰減這種由于波陣面的幾何擴(kuò)展而造成的聲強(qiáng)（能量）隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為聲波的幾何衰減

介質(zhì)對聲波dp的吸收與聲波在介質(zhì)中的傳播距離dl成正比，定義為介質(zhì)對聲波的吸收系數(shù)，設(shè)聲波以平面波形式傳播了dl距離后，聲壓降低了當(dāng)時l=0，P=P0一、波前擴(kuò)展造成的聲能衰減—幾何擴(kuò)散第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)71三、井下聲波的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減聲波測井所用聲源的幾何形狀一般是有限長的圓管狀，對接收的信號有貢獻(xiàn)的部分，把探頭可以看成是某點(diǎn)等效聲中心（點(diǎn)聲源）發(fā)出的——

等效球面波在井壁附近，沿與井壁法線成θ角的方向上，若傳播距離為L

，此點(diǎn)的聲強(qiáng)

平面波、柱面波（1/L）、球面波在井眼中，聲信號強(qiáng)度的衰減嚴(yán)重受聲波在傳播過程中波陣面的幾何擴(kuò)展的影響。在不考慮介質(zhì)對聲波的吸收的前提下，若從探頭到井壁，聲波傳播的距離增加一倍時，則到達(dá)井壁時，聲波信號的強(qiáng)度減小4倍。此時，由于波陣面擴(kuò)展引起的能量分散是不能忽略的。三、井下聲波的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳72四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減泥漿對超聲的衰減包括吸收衰減和固相顆粒散射衰減兩部分1．泥漿對超聲的吸收衰減：主要有泥漿的粘滯、熱傳導(dǎo)以及泥漿的微觀過程引起的弛豫效應(yīng)。a．粘滯吸收(泥漿內(nèi)摩擦)系數(shù):超聲在泥漿中傳播由于泥漿內(nèi)摩擦作用，造成泥漿對超聲的吸收水及與水相近的液體介質(zhì)

對于清水泥漿，當(dāng)聲發(fā)射頻率20kHz時，聲吸收系數(shù)4.7×10-6（m-1），若不考慮聲能的幾何擴(kuò)散，聲傳播距離1km時,聲強(qiáng)減小的相對變化不到1%。當(dāng)聲發(fā)射頻率100kHz時，聲吸收系數(shù)8.5×10-5（m-1），聲傳播距離1km時,聲強(qiáng)減小的相對變化15.6%。當(dāng)聲發(fā)射頻率2MHz時，聲吸收系數(shù)4.7×10-2（m-1），聲傳播距離1m時,聲強(qiáng)減小的相對變化8.9%。可忽略不可忽略四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在73四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減1．泥漿對超聲的吸收衰減b．熱傳吸收衰減系數(shù):超聲在傳播過程中，引起泥漿壓縮和膨脹造成溫度變化,一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致聲能的耗散。k為熱傳導(dǎo)系數(shù),CV、CP為定容和定壓熱容量

除了極高溫情況外，熱傳導(dǎo)吸收系數(shù)比粘滯吸收系數(shù)小得多c．馳豫吸收：泥漿壓縮和膨脹過程中,伴有泥漿中分子的內(nèi)外自由度能量的重新分配過程(馳豫過程),這一過程需要一定時間(馳豫時間)，馳豫過程中有規(guī)則的聲振動轉(zhuǎn)化為無規(guī)則熱運(yùn)動的附加能量耗散。

′為低頻容變粘滯系數(shù)；是與馳豫時間有關(guān)系數(shù)

四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在74四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在傳播過程中能量衰減2.泥漿固相顆粒對超聲的散射衰減

1）散射衰減系數(shù)：泥漿中含有固相顆粒（膨潤土、漂珠、硅藻土等），會引起一部分聲波散射，形成散射衰減。假設(shè)固相顆粒為完全剛性的，半徑遠(yuǎn)小于聲波長的小球N為單位體積小球數(shù)（與密度有關(guān)）；a為固相顆粒半徑膨潤土=22.647×10-6(-1)(cm-1),泥漿密度越大，散射衰減系數(shù)增加越快；在同樣泥漿密度下,顆粒半徑增大n倍,顆粒數(shù)N減少1/n3倍,則散射系數(shù)增大n3倍2）泥漿添加劑對散射系數(shù)的影響：防止高壓井噴，需要增加泥漿比重，a.增加固相含量（膨潤土、重晶石等）；b.采用鹽水泥漿。為了改善泥漿性能，還要加一些添加劑（鉆井粉、CMC、氫氧化鈉、鐵鉻鹽等）。一般采用低固相鹽水泥漿（對電阻率測井不利），加適當(dāng)?shù)奶砑觿?，使固相顆粒少且呈分散體系，能減小散射系數(shù)。另外，在非均勻介質(zhì)(如巖石孔隙介質(zhì))中,聲波傳播過程中的聲頻散是不容忽視的現(xiàn)象。

四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第五節(jié)聲波在75第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)第六節(jié)聲波測井換能器

聲波的兩種物理效應(yīng)——磁致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)。換能器是指將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，如從電能轉(zhuǎn)換為聲能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能等等。一般稱用于發(fā)射聲能的換能器叫做發(fā)射換能器或發(fā)射探頭，稱接收用的換能器叫做接收換能器或接收探頭。一、換能器的概念與要求1）有足夠的聲功率（對發(fā)射探頭而言），發(fā)射信號有足夠大的幅度才能到達(dá)接收器而被記錄。2）發(fā)射頻率既要滿足劃分地層的分辨率要求，又要避免聲信號衰減過大所出現(xiàn)的問題。3）聲波換能器還必需具有一定的方向性，以有利于產(chǎn)生和接收滑行波。對于一般的地層