声波测井课物理基础.ppt

声波测井方法和应用,主讲人：章成广,长江大学地球物理与资源学院,诸 论一、什么是声波测井1、介质在流体中传播的波称声波，在弹性介质中传播的波为弹性波机械振动波。2、频率2020000Hz，次声波、声波、超声波，特超声0.5GHz。3、波的特性体波（纵波、横波），界面波（全反射波：伪瑞利波、斯通利波）根据声波（或弹性波）在介质中传播原理，在井中测量声波传播速度、幅度（衰减）等特性，以确定地层特性的测井方法,二、目的应用1、确定孔隙度时差2、识别岩性时差、幅度衰减3、油气识别时差、幅度衰减、Vp/Vs4、裂缝识别（或渗透性）低频斯通利波、波形、幅度衰减5、固井质量、钻井工程（弹性系数、地层压力、破裂压力）、采油开发（弹性系数、岩石强度、出砂指数）6、地震标定、构造确定、工程物探,诸 论,三、声波测井发展声波测井40年代末50年代出现，先后出现有：声速测井、声幅测井、井下电视、长源距声波、偶极子及多极子横波测井、阵列声波测井等模拟信号数字成像，数字化信息化成像化系列化,诸 论,声幅测井(Acoustic Amplitude Well-logging),声速测井(Acoustic Velocity Well-Logging),声波全波列测井（Acoustic Full Waveform Logging）,三、声波测井发展几个代表的发展阶段：1.Wyllei(1956)时间平均公式提出;2.70年代末长源距声波全波列测井出现;3.80年代中期阵列声波测井出现;4.90年代末偶极子及多极子横波测井出现;5.井下声幅电视出现及井周声波成像方法的完善.,诸 论,特别是声波测井与地震资料结合，在解决地下地质构造、判断岩性、识别压力异常层位、探测和评价裂缝、判断储集层中流体的性质等方面起着重要作用，使声波测井成为结合测井和物探的纽带，并有着良好的发展前景。,三、声波测井发展 从声波测井发展特点来看，仪器的研制略超过方法理论的完善，即大致在理论方法指导下研制成功仪器，在测井资料前提下使方法完善。声波测井理论70年代末发展起来（52年Biot）弹性、孔隙介质、层状（横向）同性 从几何声学理论声学（波动理论），通过数学分析、数值模拟、实验测量使声波测井理论得到完善。,诸 论,几个重要的研究方向：1.井中波形理论数值模拟2.声波全波列信息提取及解释评价3.孔隙介质声学及声波测井资料的地质解释研究4.声脉冲发射成像测井及水泥胶结测井方法研究5.偶极子及多极子横波测井研究6.井间声波探测井及振电效应探测技术研究,诸 论,面临问题及发展趋势,1.对储层的认识及地层的声学模型2.反演问题多解性地质约束、物理约束3.服务对象扩大（储层非储层）4.联合反演(地质、地震、其它测井结合）5.声频谱测井（频率谱、幅度、应力场）6.工程物探、生态环境波的正确认识（岩石物理、波动理论）信息提取（数字信号处理）解释模型（地质）,诸 论,教材与参考资料,教材：声波测井理论基础及其应用参考资料：1、声波测井原理-石油工业出版社-楚泽涵2、声波测井-石油工业出版社-SPWL专题选辑3、Acoustic wave in borehores-,4、套管井测井解释原理与应用-石油工业出版社5、定量测井声学 唐晓明 郑传汉 6、“测井技术”杂志,诸 论,第一章 声波测井-物理基础,声波或弹性波是指弹性介质中传播的压强、应力、质点位移、质点速度等的变化或几种变化的综合。声波是物质的一种运动形式，它由物质的机械振动产生，通过质点间的相互作用将振动由近及远的传播，而质点与质点之间有弹性并且相互联系，所以声波在物质中的传播与物质的弹性密切相关,第一节 声波与声场,声波测井发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也短，所以对声波测井来讲，岩石可看作弹性体。因此研究声波在岩石中的传播规律，可以应用弹性波在物质中的传播规律。,声波参数:频率(f)、周期(T)、速度、波长（=C.T)、波数（2/=/C）,第一章声波测井-物理基础,声场的基本概念与描述声场的基本物理量,声场是指介质中有声波传播的区域。描述声场的基本 物理量一般有声波速度、声压、声功率、声强等。,压力或压强,声波在某一单位时间内，沿其传播方向通过波阵面所传递的能量称为声功率;单位面积上声功率的大小称为声强。,为质点振动速度,振动过程要比声源滞后,牛顿第二定律：,第一章声波测井-物理基础,声场的基本概念与描述声场的基本物理量,c称之为波阻抗或声阻抗，通常以Z表示,相对于欧姆定律,声强：,声场中，单位体积内的声能量称为声能量密度,第一章声波测井-物理基础,第二节 岩石的弹性与弹性系数,声波测井中声波的传播介质是岩石，而影响声波在岩石中传播的主要因素是岩石的岩性及其它的物理、化学性质。,什么是弹性、塑性介质？,理想弹性体的基本特征:,1、物体是连续；2、物体是均匀的；3、物体是各向同性的；4、物体是完全弹性的。应力-应变关系是线性的，服从广义虎克（Hooke）定律。,地球物理学研究的对象是地壳中各种不同地质年代、由不同成分矿物组成、结构各异的岩石。显然，地下岩石并非理想弹性体。,1、孔隙和裂缝，并不是连续介质；2、固体与流体相对滑动。,对于声波测井，由于发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也短，所以在声波测井中，岩石可看作弹性体近似弹性体。因此研究声波在岩石中的传播规律，可以应用弹性波在物质中的传播规律。,第一章声波测井-物理基础,岩石应力-应变、弹性系数,应变：单位长度所产生的形变,应变包括角应变、体应变、线应变三种。,应力：单位横截面所产生的内聚力,它是在弹性体内部发生形变的体积元和相邻的体积元之间相互作用的量度，是弹性体反抗 使其发生形变的外力而产生的内力。,用弹性系数来确定弹性介质的弹性性质杨氏模量(E)、剪切模量(G)、体积弹性模量K、泊松比、密度、拉梅系数。,杨氏模量又可以称为拉伸模量和纵向伸长系数，一般用E表示。在线性弹性形变区,应力与应变的比值称为杨氏模量。,剪切模量又可以称为切变模量和刚性模量，一般用G表示。指弹性体在发生单位角应变时所需的剪切应力的大小。（流体中G=0）,体积弹性模量又称体积压缩模量，一般用K表示，指弹性体受均匀静压力时，静压力与体应变的比值。,Y,第一章声波测井-物理基础,岩石应力-应变、弹性系数,泊松比一般用表示，表征弹性材料变形时横向缩短和纵向伸长的比值。,岩石的密度定义为单位体积岩石的质量，一般用表示。,表征应力和应变方向一致和互相垂直的两个系数称为拉梅系数。,=G,一些岩石和介质的与弹性性质有关的参数,第一章声波测井-物理基础,岩石应力-应变、弹性系数,弹性常数之间的转换关系表,第一章声波测井-物理基础,第三节 岩石的声波速度与影响因素,声波速度,泊松比的取植范围为00.5，r显然总是大于1，可见纵波速度总是大于横波速度。对自然界中常见的岩石来说，=0.25，这样可以得到:r=1.73。理想流体中不存在切应变，即，所以理想流体中无横波存在，只有纵波。,一、影响岩石声波速度的因素:,1.岩性是影响声速的最主要因素,第一章声波测井-物理基础,第三节 岩石的声波速度与影响因素,不同岩性矿物的声波速度,不同灰质胶结物砂岩声速（胜利油田）,1.岩性是影响声速的最主要因素,第一章声波测井-物理基础,第三节 岩石的声波速度与影响因素,2.孔隙和流体性质对声波速度的影响,Vp,3.压力对声波速度的影响,经分析压力对声速的影响可达35%以上,4.温度对声波速度的影响,温度由25变到120，波速减小最大的为8.21%，最小的为1.12%，平均误差不到3.5%，因此相对压力而言，认为温度对岩心声速的影响可以忽略,第一章声波测井-物理基础,第三节 岩石的声波速度与影响因素,5.岩石生成的地质条件对声波速度的影响,不同的泥岩地层的声速（前苏联）,6.埋藏深度对岩层速度的影响,例如江汉油田，深度为1500m处的典型砂岩，声波时差值为295s/m；当深度增至3300m时，典型砂岩的声波时差减小到235 s/m。,此外，岩层速度与构造上的位置、断层特性有关。岩性相同并属于同一地质年代的岩层，位于构造顶部的声速要大于构造翼部的声速。但顶部风化，Vp。,第一章声波测井-物理基础,第四节 声波在井中的反射和折射,在声波测井中，一般在作定性分析时，大多采用射线声学理论或几何声学理论。射线声学对于了解声波在井内传播的路径和走时是非常有用的。但是，射线声学理论是波动理论的一种近似，声波波长与模型的几何尺寸相比非常小时才适用。在实际声波测井中，当声源的发射主频为20kHz时或更低时，如果井内流体的波速为1500m/s,那么此时声波的最小波长为0.075m,而井半径一般为0.1m。由此可见，射线理论并不能完全适用于声波测井，因而也不能完全解释井内所传播的所有波型。,1费尔马原理：任意两点的传播路径满足所用时间最小的传播条件。,2惠更斯原理：介质中波所传播到的各点都可以看成新的子波源，子波是以所在介质的声波速度传播的，新的波前就是由这些子波相互叠加而形成的，这些子波所形成的包络决定了新的波前。,3.斯奈尔（Snell）定律：入射波、反射波和透射波沿分界面视速度相等。,第一章声波测井-物理基础,第四节 声波在井中的反射和折射,一、声波在井壁上的反射与折射,速度大,角度大,不考虑声波传播过程的各种衰减的情况下，声波发生反射和折射能量的分配取决于泥浆和井壁两种介质的声阻抗值大小以及入射角和折射角的关系。当不考虑折射横波时，能流（功率）反射系数和折射系数可表示为,声波垂直井壁入射,反射系数:,折射(或透射)系数:,1、Z2 Z1同相位,2、Z2 Z1反相位,3、两者相差大，反射能量大,声耦合差,第一章声波测井-物理基础,第四节 声波在井中的反射和折射,二、井内传播的波,直达波和反射波（或多次）、滑行波、全反射波,滑行纵波:由折射定律 也就是折射纵波沿井壁岩层传播滑行纵波，此时入射角为第一临界角，即 滑行横波:第二临界角,某些地层纵、横波速度和临界角Vf=1600m/s，=1.2g/cm3,二、井内传播的波,第四节 声波在井中的反射和折射,第一章声波测井-物理基础,三、滑行波（纵波）作为首波接收几何声学条件,声波测井是接收地层纵波滑行纵波，来反映地层的特性。就要把滑行波与直达波、反射波区分开来。,直达波TR：,反射波TBR：,滑行波：TACR,V1,VP,第四节 声波在井中的反射和折射,第一章声波测井-物理基础,1滑行波作为首波接收的条件,根据费尔玛最小原理，滑行波最先到达R处所满足的条件：,取泥岩(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1L#=0.825m取白云岩(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1L#=0.25m,V1,VP,第一章声波测井-物理基础,三、滑行波（纵波）作为首波接收几何声学条件,当L0.825m时,在整个地层剖面,接收的首波总是来自沿井壁岩层传播的滑行纵波。目前国产仪器源距为1米一般仪器的外壳是钢管，通过刻槽方法消除来自钢管的直达波，经多次反射使能量急剧衰减。内部用橡胶,作业题:1.在高速地层中（VsV1)滑行横波是否可作为次首波，并推导?2.在慢速地层中（VsV1)滑行横波是否可作为次首波，为什么?,三、滑行波（纵波）作为首波接收几何声学条件,第一章声波测井-物理基础,滑行波作为首波:1)方便容易记录(通过门槛拾取）；2)受地层干扰少。,对于声速测井声系L=1米，波在实际地层中滑行的距离不同，不仅与地层特性有关，还与井眼条件有关，受泥浆的影响不是固定的很难得到地层的速度。,三、滑行波（纵波）作为首波接收几何声学条件,2、声波测井声系源距的选择原则,第一章声波测井-物理基础,2、声波测井声系源距的选择原则,三、滑行波（纵波）作为首波接收几何声学条件,为了测量全波波形纵波、横波、全反射波，必须使得各种波群能够在时域内相互“拉开”而尽量减少相互叠加，一般选择更长的源距，如长源距声波全波列测井和多极子阵列声波测井,但是，在实际测井中，由于声波在传播过程中存在着各种衰减，增大源距，声波衰减严重，从而造成记录的声信号的信噪比降低，甚至记录不到信号，因此在一定的发射声功率的条件下，源距选得又不能过长。,a.首波特性；b.衰减问题（周波跳跃）；c.波组分（纵波、横波、全反射波）,3滑行波在井壁上传播的波阵面,在t时刻，滑行波走了AB=vpt距离，而折射波走了AC=vft距离，且ABAC,这说明传播t时刻后,虽然它们的传播距离不同,但在BC上各点的相位是相同的，BC绕井轴旋转的圆锥面表示了滑行波的波阵面 圆锥面的波阵面,第一章声波测井-物理基础,一、波前扩展造成的声能衰减几何扩散,第一章声波测井-物理基础,第五节 声波在传播过程中能量衰减,若声源发出的总功率为W，则由声强的定义有,球面波,二、声波在介质中的吸收造成的衰减,这种由于波阵面的几何扩展而造成的声强（能量）随传播距离增加而减弱的现象，习惯上称为声波的几何衰减,介质对声波dp的吸收与声波在介质中的传播距离dl成正比，定义为介质对声波的吸收系数，设声波以平面波形式传播了dl距离后，声压降低了,当 时l=0，P=P0,三、井下声波的衰减,第一章声波测井-物理基础,第五节 声波在传播过程中能量衰减,声波测井所用声源的几何形状一般是有限长的圆管状，对接收的信号有贡献的部分，把探头可以看成是某点等效声中心（点声源）发出的 等效球 面波,在井壁附近，沿与井壁法线成角的方向上，若传播距离为L，此点的声强,平面波、柱面波（1/L）、球面波,在井眼中，声信号强度的衰减严重受声波在传播过程中波阵面的几何扩展的影响。在不考虑介质对声波的吸收的前提下，若从探头到井壁，声波传播的距离增加一倍时，则到达井壁时，声波信号的强度减小4倍。此时，由于波阵面扩展引起的能量分散是不能忽略的。,四、泥浆对超声的衰减,第一章声波测井-物理基础,第五节 声波在传播过程中能量衰减,泥浆对超声的衰减包括吸收衰减和固相颗粒散射衰减两部分,1泥浆对超声的吸收衰减：主要有泥浆的粘滞、热传导以及泥浆的微观过程引起的弛豫效应。,a粘滞吸收(泥浆内摩擦)系数:超声在泥浆中传播由于泥浆内摩擦作用，造成泥浆对超声的吸收,水及与水相近的液体介质,对于清水泥浆，当声发射频率20kHz 时，声吸收系数4.710-6（m-1），若不考虑声能的几何扩散，声传播距离1km时,声强减小的相对变化不到1%。,当声发射频率100kHz 时，声吸收系数8.510-5（m-1），声传播距离1km时,声强减小的相对变化15.6%。,当声发射频率2MHz 时，声吸收系数4.710-2（m-1），声传播距离1m时,声强减小的相对变化8.9%。,可忽略,不可忽略,四、泥浆对超声的衰减,第一章声波测井-物理基础,第五节 声波在传播过程中能量衰减,1泥浆对超声的吸收衰减,b热传吸收衰减系数:超声在传播过程中，引起泥浆压缩和膨胀造成温度变化,一部分声能转化为热能，导致声能的耗散。,k为热传导系数,CV、CP为定容和定压热容量,除了极高温情况外，热传导吸收系数比粘滞吸收系数小得多,c驰豫吸收：泥浆压缩和膨胀过程中,伴有泥浆中分子的内外自由度能量的重新分配过程(驰豫过程),这一过程需要一定时间(驰豫时间)，驰豫过程中有规则的声振动转化为无规则热运动的附加能量耗散。,为低频容变粘滞系数；是与驰豫时间有关系数,四、泥浆对超声的衰减,第一章声波测井-物理基础,第五节 声波在传播过程中能量衰减,2.泥浆固相颗粒对超声的散射衰减,1）散射衰减系数：泥浆中含有固相颗粒（膨润土、漂珠、硅藻土等），会引起一部分声波散射，形成散射衰减。,假设固相颗粒为完全刚性的，半径远小于声波长的小球,N为单位体积小球数（与密度有关）；a为固相颗粒半径,膨润土=22.64710-6(-1)(cm-1),泥浆密度越大，散射衰减系数增加越快；在同样泥浆密度下,颗粒半径增大n倍,颗粒数N减少1/n3倍,则散射系数增大 n3倍,2）泥浆添加剂对散射系数的影响：,防止高压井喷，需要增加泥浆比重，a.增加固相含量（膨润土、重晶石等）；b.采用盐水泥浆。,为了改善泥浆性能，还要加一些添加剂（钻井粉、CMC、氢氧化钠、铁铬盐等）。一般采用低固相盐水泥浆（对电阻率测井不利），加适当的添加剂，使固相颗粒少且呈分散体系，能减小散射系数。,另外，在非均匀介质(如岩石孔隙介质)中,声波传播过程中的声频散是不容忽视的现象。,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,声波的两种物理效应磁致伸缩效应和压电效应。换能器是指将能量从一种形式转换为另一种形式的装置，如从电能转换为声能、机械能转换为声能等等。一般称用于发射声能的换能器叫做发射换能器或发射探头，称接收用的换能器叫做接收换能器或接收探头。,一、换能器的概念与要求,1）有足够的声功率（对发射探头而言），发射信号有足够大的幅度才能到达接收器而被记录。2）发射频率既要满足划分地层的分辨率要求，又要避免声信号衰减过大所出现的问题。3）声波换能器还必需具有一定的方向性，以有利于产生和接收滑行波。对于一般的地层，第一临界角在1363之间，因此对声波的指向角有一定的要求。4）换能器应耐高温和高压。（井下的温度可达150以上，压力可能会超过100MPa（兆帕）。5）换能器还要有足够的机械强度、结构简单、体积小、其性能稳定，成本低廉便于大量生产。,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,1.磁致伸缩效应,二、磁致伸缩效应和压电效应,当铁磁性材料的磁状态改变时，其尺寸也发生相应的改变。例如铁磁材料做成的棒放在方向顺着棒长的磁场内，其长度将发生变化，这种现象称为磁致伸缩效应。,磁致伸缩效应是可逆的，即在对棒拉伸使之发生形变时，其磁化强度也发生变化，若在棒上绕以线圈，则线圈中产生感应电动势。铁、钴、镍这三种材料中，镍的磁致伸缩效应最明显。,将铁磁性材料棒放入交变磁场中，在周期性的磁化作用下，其长度也将周期性的发生改变。若交变电磁场的频率与棒的固有频率相等时，棒将在交变电磁场的作用下，以其固有频率振动，振幅达到极大，同时在棒的两端将发射出与棒的固有频率相同的声波。反过来，当声波经过棒传播时，由于声波对棒的拉伸和压缩作用，使其磁化强度发生变化。套在棒上的线圈中将产生感应电动势，这就是逆磁致伸缩效应，利用它可以接收声波。,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,2.压电效应,有些多原子分子晶体材料在应力作用下发生形变时，会在晶体表面产生电荷，这种现象称为压电效应。在电场的作用下，这些晶体的几何尺寸会发生变化，这种现象称为逆压电效应。,二、磁致伸缩效应和压电效应,压电材料可以分为两类:一类是天然的或人工制造的压电单晶体,如石英,酒石酸钾钠(俗名罗谢尔盐或罗式盐)、硫酸锂、铌酸锂等；另一类是人工按陶瓷制作工艺烧制的压电多晶体,通常称为压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等一类多原子分子晶体）。内部有某些微小区域，它们都有一定方向的电极距，这些小区域称为“电畴”。每个“电畴”都有一定方向的电极距。,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,2.压电效应,声波测井仪器的声波换能器：圆管状的压电陶瓷、压电陶瓷片。其工作原理是：经极化处理的压电陶瓷，沿一定方向对其施加电压时，在电场力的作用下，将发生形变，在外加电场变化范围不大的条件下，形变和外加电场成正比。当外加电场的频率和压电陶瓷材料的固有频率相同时，材料即产生按材料固有频率发生的变形，从而在周围介质中激发声波。,二、磁致伸缩效应和压电效应,切变激化、纵向压电效应换能器,圆管状的压电陶瓷换能器振动模式：井轴方向近似平面波的轴向振动模；井壁方向近似柱面波的切向振动模式；井壁方向柱面波的径向振动模式。,声波换能器,对径向振动来说，是通过在陶瓷管内外壁上镀银来施加电压，而对切向振动来说，是在圆管状探头的内外表面相隔均匀的距离上，沿圆管轴线加以偶数条银层，将相隔的银层用导线连接，作为外加电场的两根引入线，这时除了产生切向振动外，还表现为圆管直径的变化。,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,2.压电效应,二、磁致伸缩效应和压电效应,切变激化、纵向压电效应换能器,对于相同的材料来说，切向极化探头要比径向极化探头的机电转换效率高。,声源的指向角特性花瓣图,声波发射探头是具有一定几何形状，探头发射出的声波能量在空间各个方向上的分布是不同的。即其发射存在方向性。当发射探头为有限长圆柱体时，声源在圆柱体中心的直径方向上发射出的声波能量要大些，而在另外一些方向上发射出的声波能量很小。探头的指向特性由探头的振动模式、几何形状及几何尺寸所决定。通常把声压最大值的方向定位声轴的方向。声压幅度值为声轴方向声压幅度值的70%（-3dB）的方向所张开的夹角D-3dB称为波束角。井下发射探头发出的声波应在与井壁法线方向成1363的范围内都有足够的声波能量。,由于声波在井内传播时会发生衰减，特别是高频信号，所以对接收探头提出的要求是：（1）接收探头的固有频率不应大于发射探头的固有频率，甚至可以使接收探头的固有频率稍低于发射探头的固有频率。因此在组装仪器的声学系统时，应对探头的频率特性进行测定，选择固有频率合适的接收探头。（2）对于声波测井的两个接收探头，其固有频率应挑选得尽量接近，否则将会对同一滑行首波造成幅度和相位的失真，引起记录的明显偏差,第一章声波测井-物理基础,第六节 声波测井换能器,作业与思考题：1.写出纵波速度与横波速度的表达式（用弹性系数表示），并推导一般地层中纵横波速度的关系；2.推导滑行纵波作为首波接收的几何声学条件，并讨论声波测井中声系源距的选择原则；3.声波在传播中时的衰减包括那几部分，简单叙述；4.地层速度的影响因素有哪些，并简述各种影响因素下，地层速度的变化规律；5.写出下列参数的物理意义，常用单位并标明其量纲：声压、声强、声速、声时差、声阻抗；6.画出声波垂直入射井壁时的能量分散图，分别用声波幅度和声波能量两种方式写出声波反射与折射系数，并说明各字符代表的物理意义；7.叙述声波换能所利用的两种物理效应的基本原理；8.指出泥浆对超声衰减的影响有哪些。,第一章声波测井-物理基础,