地球物理測井課件：第九章 聲速測井

第九章聲速測井

聲速測井是測量井下巖層聲波傳播速度（或時(shí)差），以判別井剖面地層巖性、估算孔隙度的測井方法

主要內(nèi)容1、井內(nèi)聲波信號的傳播規(guī)律2、時(shí)差的記錄3、聲速測井資料地質(zhì)應(yīng)用首先看一下什么是聲波?描述聲波特征的是那些參數(shù)?一般:f>20000hz:超聲波f=(20~20000)hz:聲波f<20hz:次聲波9.1井內(nèi)聲波傳播規(guī)律

一巖層速度

1巖層速度在均勻各向同性介質(zhì)中,縱波、橫波速度為：與密度、彈性系數(shù)有關(guān)，對于巖層速度是：1）與巖石的礦物成分、彈性特性、密度有關(guān)；2）與巖層的孔隙度、流體特性及飽和情況有關(guān)；3）與埋藏深度、地質(zhì)年代、地質(zhì)構(gòu)造等有關(guān)。

巖性是影響聲速的最主要因素

不同灰質(zhì)膠結(jié)物砂巖聲速（勝利）

幾種常見巖石骨架參數(shù)及孔隙流體參數(shù)表

不同地質(zhì)年代泥巖地層的聲速不同流體介質(zhì)聲速不同孔隙度砂巖的聲速

不同壓力、溫度下巖石速度變化

飽和水和干燥巖石速度隨壓力變化

巖心速度與含氣飽和度的關(guān)系縱波縱波橫波橫波

V1Vp，Vs1、反射折射定律在兩種介質(zhì)界面上，聲波傳播符合斯奈爾定律(沿界面視速度相等)泥漿地層二、反射與折射

V1Vp，Vs2、垂直入射幅度反射、折射系數(shù)能量反射、折射系數(shù)

三、滑行波1、滑行縱波由折射定律V1泥漿Vp、Vs地層也就是折射縱波沿井壁巖層傳播—滑行縱波，此時(shí)入射角為第一臨界角，即

滑行縱波特性：1）沿井壁附近滑行傳播，速度為Vp。2）是一種非均勻波，在地層中，離井壁距離增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減(?)，能量集中在3p（即Vp/f）范圍內(nèi)，在Z=p內(nèi)集中了滑行波能量63%，因此探測范圍在一個(gè)p左右。例：砂巖Vp=4000m/s，f=20kHzp=0.2m

3)在井中傳播方式:滑行波在傳播過程中不斷向井中輻射能量,在井壁上傳播,其波陣面是圓錐體。說明C與B點(diǎn)波陣面相位相同，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)射源看作點(diǎn)源，向四面入射，以C點(diǎn)固定CB面轉(zhuǎn)一周成圓錐面。

4)在井中傳播方式:滑行波在傳播過程中不斷向井中輻射能量,在井壁上傳播其波陣面是圓錐體。說明C與B點(diǎn)波陣面相位相同，F(xiàn)點(diǎn)發(fā)射源看作點(diǎn)源，向四面八方入射，以C點(diǎn)固定CB面轉(zhuǎn)一周成圓錐面。

2.滑行橫波由折射定律

也就是折射橫波沿井壁巖層傳播—滑行橫波，此時(shí)入射角為第二臨界角，即滑行橫波特性:1）沿井壁附近滑行傳播，速度為Vs。2）是一種非均勻波，在地層中，離井壁徑向距離增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，能量集中在3s（即Vs/f）范圍內(nèi)，在Z=s內(nèi)集中了滑行波能量63%，因此探測范圍在一個(gè)s左右。3）滑行橫波幅度大于縱波幅度它們的波長之比為：Vs/Vp?fp/fs=0.578?20/18=0.65因此靠近井壁附近滑行橫波幅度較滑行縱波幅度有更多能量。另外，橫波反射系數(shù)遠(yuǎn)小于縱波，即有更多能量進(jìn)入地層，在相同的情況下有更多的能量轉(zhuǎn)換為滑行橫波。某些地層縱橫波速度和臨界角Vf=1600m/s，=1.2g/cm3ABCTRL除了滑行波外還有”直達(dá)波”和反射波.1<c反射波,地層折射縱橫波2)c<1<s反射波地層折射橫波3)s<1<900全反射波—偽瑞利波（界面波）4）1900直達(dá)波—斯通利波(界面波)在上一節(jié)討論了波的傳播,那么那一種波與地層性質(zhì)有關(guān)?如何記錄?記錄十有什么條件?這一節(jié)我們來討論這些問題9.2聲系與時(shí)差記錄一滑行波（縱波）作為首波接收條件井眼條件下用幾何聲學(xué)方法分析大致有三種波:滑行波與直達(dá)波、反射波,這幾種波只有滑行波與地層性質(zhì)密切相關(guān),因此聲速測井接收滑行縱波，來反映地層的特性。那么如何簡單有效把滑行波與直達(dá)波、反射波區(qū)分開來呢?ABCTRLac直達(dá)波TR：反射波TBR：滑行波：

TACRABCTRL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：當(dāng)L>0.825m時(shí),在整個(gè)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。問題:1.在高速地層中（Vs>V1)滑行橫波是否可作為次首波?2.在慢速地層中（Vs<V1)滑行橫波是否可作為次首波?ABCTRL取泥巖(最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1,L#=0.825m取白云巖(最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1,L#=0.25mABCTRL二、單發(fā)單收聲系對于單發(fā)單收聲系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。三、單發(fā)雙收聲系VpV1TR1R2TR1：TR2：因此當(dāng)井眼規(guī)則時(shí)，t只與地層速度有關(guān)，實(shí)現(xiàn)了測量地層速度的目的。通常通過儀器刻度，時(shí)差單位為t=1/V（m/s）=106/V（us/m）或用單位us/ft（1ft=0.3048m)1單法雙收聲系測量原理2單發(fā)雙收聲系的優(yōu)點(diǎn)

(1)能直接測量巖層的聲波速度或時(shí)差;在固定l上僅與巖層速度有關(guān)傳播時(shí)間,在整個(gè)井眼剖面上得到的巖層速度指在l間距內(nèi)平均值。

(2)現(xiàn)用間距為0.5米,使聲波測井曲線能劃分厚度0.5米以上巖層。問題:間距l(xiāng)是不是愈小愈好？

例：dt=2us，砂巖t=182us/m，白云巖t=141us/m

砂巖：dt’=2/(0.5*182)=2.2%

白云巖：dt’=2/(0.5*141)=2.8%若l=0.2米砂巖：dt’=2/(0.2*182)=5.5%

白云巖：dt’=2/(0.2*141)=7.1%為了提高對薄層的分辨率,需要提高儀器的測量精度,以減小間距l(xiāng)。目前最小間距l(xiāng)=0.1524米(6in)。3存在的問題：

(1）井眼不規(guī)則影響；當(dāng)ABCEDF時(shí)記錄的時(shí)差不僅與地層速度有關(guān)，還與泥漿速度、井徑大小有關(guān)。

1、正常2、DF<CE負(fù)異常3、正常5、正常2、DF>CE正異常

(2)儀器記錄點(diǎn)與實(shí)際傳播路徑中點(diǎn)不在同一深度上O為儀器記錄點(diǎn)R1、R2的中點(diǎn)，實(shí)際深度點(diǎn)O’為傳播路徑的中點(diǎn)，兩者相差h=atgc，產(chǎn)生深度誤差。例：泥巖0.192米(a=0.1米)

白云巖0.023米(a=0.1米)對于上發(fā)下收：H-h=H-atgc對于下發(fā)上收：H+h=H+atgc但由于井徑和角度c是變化的，因此深度誤差沒法校正。

四、雙發(fā)雙收聲系1測量原理當(dāng)井眼規(guī)則時(shí)F1—J1、J2J1:ABCEJ2:ABDFt1=CD/VpF2—J2、J1J2：A’B’C’E’J1：A’B’D’F’t2=C’D’/Vpt=（t1+t2）/2=CD/Vp測量段為CC’

（1）可消除井徑變化對測量結(jié)果的影響F1—J1、J2，分別在擴(kuò)井、未擴(kuò)井段F2—J2、J1，分別在擴(kuò)井、未擴(kuò)井段在擴(kuò)井井段CE=D’F’，在未擴(kuò)段C’E’=DF，則F1F2J1J2AEF’FE’A’BCD’DC’O’O’’B’2優(yōu)點(diǎn)

（2）可消除深度誤差F1—J1、J2，實(shí)際深度點(diǎn)O’h=-atgc，實(shí)際深度H-atgcF2—J2、J1，實(shí)際深度點(diǎn)O’’h=atgc，實(shí)際深度H+atgc實(shí)際O’O’’的中點(diǎn)就是儀器記錄點(diǎn)O，兩者一致。即時(shí)差平均值的中點(diǎn)（巖層CC’的中點(diǎn)）（注意：對于薄互層，速度變化大，可能有誤差）

3缺點(diǎn)（1）薄層分別率差單發(fā)雙收：h=l雙發(fā)雙收：h=CC’=l+2atgc?tgc<l/2a,c=tg-10.5/2*0.1<68.20CD與C’D’有重合部分,可劃分1~2l厚薄層。?c>68.20(底速地層),CD與C’D’不重合,只能劃分大于2l的薄層

T1T2R1R2CDD’C’(2)對于低速地層出現(xiàn)盲區(qū)當(dāng)c>68.20(低速地層),CD與C’D’不重合之間有間隔,此間隔地層對測量結(jié)果無貢獻(xiàn)稱盲區(qū)。對于泥巖，盲區(qū)厚度

h=C’C-2l=2atgc+l-2l=2atgc-l=0.267m(a=0.2,l=0.5,c=62.450)9.3時(shí)差曲線及其應(yīng)用時(shí)差曲線特點(diǎn)時(shí)差曲線影響因素時(shí)差曲線應(yīng)用

一聲速曲線特點(diǎn)1、測井曲線形態(tài)（1）上下圍巖巖性相同時(shí)，曲線對稱于地層中點(diǎn)；（2）巖層界面位于時(shí)差曲線半幅點(diǎn)處；（3）在界面上下0.5米不反映巖層的時(shí)差（L=0.5米）。泥巖砂巖泥巖tJ1J22、讀值方法（手工）（1）均勻?qū)佑缮舷聨r層界面內(nèi)縮0.3米取平均值;0.3米平坦值0.3米面積平均值0.3米0.3米

2、讀值方法（手工）(2)非均勻?qū)忧罂紫抖?由上下巖層界面內(nèi)縮0.3米取面積平均值非均質(zhì)研究或劃分有效厚度,一般分兩段含泥質(zhì)夾層,由上下界面內(nèi)縮0.3米,扣除夾層后取面積平均值面積平均值0.3米0.3米面積平均值0.3米0.3米

（1）相位誤差時(shí)差是通過電平觸發(fā)兩道波形（模擬信號）得到的兩個(gè)波傳播時(shí)間而獲得的。例：f=20kHz，一周為T=50us，半周25us，可能引起的誤差10~15us，f<20kHz,誤差更大.。因此用電平觸發(fā)方式很難消除這種誤差。

提高頻率如何？?泥漿衰減?高頻信號傳輸不好引起信號畸變。二影響聲速測井因素

（2）周波跳躍氣層、裂縫發(fā)育地層波衰減大，第二道接收器R2，由于首波幅度很低，不能觸發(fā)電平（固定），而觸發(fā)后續(xù)波（例橫波），時(shí)差增加了幾個(gè)周期的—周波跳躍。過去也往往用來識別氣層和裂縫儲層。

（4）源距和間距影響

源距影響源距長探測巖層深,源距短探測巖層淺,破碎帶影響大,但也要考慮衰減的影響。

如表源距與探測深度關(guān)系間距影響間距大小對曲線的測量精度有影響(相對誤差、幅度衰減引起周波跳躍,對分層能力也有影響。（3）噪聲干擾這種情況往往是測量過程、儀器本身等因素造成的?？捎脭?shù)字記錄方法來克服，例相似相關(guān)方法。

當(dāng)間距小于巖層厚度時(shí)，測量時(shí)差反映巖層時(shí)差；當(dāng)間距大于巖層厚度時(shí)，測量時(shí)差是巖層和圍巖時(shí)差的混合值。

三聲速曲線應(yīng)用1、地層對比—?jiǎng)澐值貙樱?）砂泥巖剖面：砂巖時(shí)差較高，膠結(jié)物性質(zhì)和含量對時(shí)差有影響，如鈣質(zhì)較泥質(zhì)砂巖時(shí)差低，隨鈣質(zhì)增加時(shí)差下降；孔隙度、氣體含量增加會(huì)使時(shí)差增大；泥巖一般顯示高值，但泥巖中含砂、鈣質(zhì)、石膏都會(huì)使下降；礫巖一般時(shí)差較低；頁巖介于泥巖和致密砂巖之間。砂巖骨架時(shí)差一般182us/m(或56us/ft),泥巖為328us/m(或100us/ft)。時(shí)差曲線能很好反映砂巖的致密性，能區(qū)分致密和滲透性砂巖。（2）碳酸巖鹽剖面：致密石灰?guī)r和白云巖時(shí)差最低(49us/ft、43us/ft);含泥質(zhì)時(shí)差會(huì)增大,泥巖和泥灰?guī)r時(shí)差較高,孔隙性、裂縫性石灰?guī)r和白云巖時(shí)差明顯增大，甚至出現(xiàn)周波跳躍。（3）膏巖剖面：滲透性砂巖時(shí)間最高；泥巖中含鈣、含膏與致密砂巖相