聲波測井2課件

第一章巖石彈性力學(xué)基礎(chǔ)基本概念和相關(guān)知識(shí)巖石的變形與應(yīng)力聲波在巖石中的傳播特性基本概念和相關(guān)知識(shí)彈性力學(xué)彈性的定義彈性體和塑性體描述彈性體的參數(shù)：

楊氏彈性模量E

泊松比體積彈性模量K

剪切模量部分巖石的彈性模量1彈性的定義彈性：是指物體在外力作用下將發(fā)生變形，即物體受力的效果不是產(chǎn)生宏觀運(yùn)動(dòng)，而是物體內(nèi)部各體積元或各部分之間相對(duì)位置的變化，在外力不超過一定限度情況下，取消外力則物體將恢復(fù)原狀，物體的這種性質(zhì)稱為彈性，即物體受有限外力作用而發(fā)生形變后恢復(fù)原來形態(tài)的能力。彈性力學(xué)對(duì)被研究物體的假定：①物體是連續(xù)的②物體是均勻的；③物體是各向同性的；④物體受力后的變形和位移是微小的；⑤物體是完全彈性的。彈性力學(xué)所研究的是理想彈性體，而石油的儲(chǔ)集體－地下巖石并非理想的彈性體。非均質(zhì)性：孔隙、裂縫，骨架與膠結(jié)物性質(zhì)各不相同各向異性：節(jié)理、層理等第一節(jié)彈性體的應(yīng)力和應(yīng)變一物體分類彈性體：當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消又能恢復(fù)原狀的物體，稱為彈性體。塑性體：反之，當(dāng)物體受力發(fā)生形變，一旦外力取消而不能恢復(fù)原狀的物體，稱為塑性體。彈性體塑性體可變成在聲波測井中，聲源的能量很小，聲波作用在巖石上的時(shí)間很短，因而巖石可以當(dāng)成彈性體，在巖石中傳播的聲波可以被認(rèn)為是彈性波。(1)楊氏彈性模量EE＝應(yīng)力/應(yīng)變＝/應(yīng)力：作用在單位面積上的力，F(xiàn)/S。應(yīng)變：彈性體在力方向上的相對(duì)形變，△L/L。E物理意義：彈性體發(fā)生單位線應(yīng)變時(shí)彈性體產(chǎn)生的應(yīng)力大??；數(shù)值大小表示彈性體或彈性材料在外力作用下發(fā)生形變的難易程度，其量綱與應(yīng)力相同。(2)泊松比

彈性體在外力作用下，縱向上產(chǎn)生伸長的同時(shí)，橫向縮小。假設(shè)：有一圓柱形彈性體的直徑和長度分別為D和L，在外力作用下，直徑和長度的變化分別為D和

L，則橫向相對(duì)縮減D/D和縱向相對(duì)伸長

L/L之比稱為泊松比，用表示。

=彈性體的橫向應(yīng)變/縱向應(yīng)變=（△D/D）/（△L/L）物理意義：描述彈性體形狀改變的物理量，無量綱；任何材料，=0～0.5。施加力-D-L(4)剪切模量

(也稱切變模量)（kg/cm2）如右下圖所示的矩形六面彈性體，其上表面的面積為A，受到平行于該表面的剪切力Ft的作用時(shí)，在力的方向上相對(duì)位移一段距離L，剪切應(yīng)力等于Ft/A，剪切應(yīng)變等于L/L，則切應(yīng)力與切應(yīng)變之比就叫剪切模量或切變模量，用表示。巖石名稱E(×1011N/m2)(×1011N/m2)頁巖0.17～0.45砂巖0.003～0.7150.2～0.35泥灰?guī)r0.15～0.450.3～0.4石灰?guī)r0.25～0.8010.22～0.350.231～0.265硬石膏0.72～0.740.2950.281玄武巖1.150.230.156～0.237花崗巖0.3～0.570.198～0.30部分巖石的彈性模量二、巖石的變形與應(yīng)力1.巖石與理想彈性體的區(qū)別連續(xù)性：整個(gè)物體是否均由介質(zhì)組成；均勻性：任意相同大小的兩個(gè)體積元的物理化學(xué)性質(zhì)是否完全相同；完全彈性：應(yīng)力與應(yīng)變是否服從虎克定律；彈性模量E、、、K是否為恒定常數(shù)；彈性波傳播有無能量衰減。巖石：由于具有孔隙和裂縫等，故巖石本身不連續(xù)、非均勻、且非完全彈性。I段表示，由于需要克服介質(zhì)內(nèi)部的內(nèi)摩擦和粘滯性，因此在應(yīng)力較小的范圍內(nèi)沒有能測量得出的應(yīng)變；II段表示應(yīng)力為中等時(shí)，在一定范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之間呈線性關(guān)系；IV段表示當(dāng)應(yīng)力逐漸減小時(shí)，由于已發(fā)生塑性變形，應(yīng)力與應(yīng)變不再保持單值關(guān)系；在應(yīng)力減小到零時(shí)仍有剩余應(yīng)變。2.巖石受力變形的幾種模式地下巖石特點(diǎn)：①靠近地表的巖石近于彈性體，即應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系近似于虎克定律；

②地表以下10～20公里深處的巖石，由于溫度和壓力增加，巖石具有較明顯的塑性和粘滯性，應(yīng)力與應(yīng)變之間時(shí)間滯后明顯，且剩余變形明顯；

③巖石的變形和應(yīng)力狀態(tài)都與時(shí)間有關(guān)。3.巖石受力變形的一般規(guī)律I段：壓應(yīng)力較小時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系，實(shí)際是由于巖石受壓力作用時(shí)孔隙、裂縫變小引起的，孔隙度大小不同則這一段的范圍就不同，孔隙越發(fā)育這段越長，對(duì)應(yīng)地層為2000米以內(nèi)，巖層由于上覆巖層的重量而引起的變形(壓實(shí))。II段：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系呈近似線性關(guān)系，斜率為等效楊氏彈性模量E，接近虎克模式，此時(shí)，巖石的孔隙與裂縫的壓縮已接近極限。I、II段的變形都是可逆的，即取消外力后能恢復(fù)。II段的終點(diǎn)縱坐標(biāo)(B)值為巖石的彈性限度。III段：載荷繼續(xù)增加，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系不再是線性關(guān)系，而是向下彎曲的曲線，在此范圍內(nèi)，外力去除后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系沿PQ段下降，即發(fā)生塑性變形，具有一定剩余變形。剩余變形Q<3%的巖石稱為脆性的，Q>5%的巖石稱為韌性的。曲線最高點(diǎn)C的應(yīng)力值稱為抗壓強(qiáng)度P(或壓縮強(qiáng)度)，其值大約為彈性限度的1.5~2倍。IV段：在C點(diǎn)以后外力逐漸下降，則應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系沿著CD方向下滑，即巖石呈明顯的塑性變形。外力完全卸除后將有較大剩余變形R。過C點(diǎn)以后巖石發(fā)生穩(wěn)態(tài)破裂，即巖石固相骨架發(fā)生微破裂；破裂進(jìn)一步發(fā)展時(shí)將發(fā)生非穩(wěn)態(tài)破裂，即巖石破碎成為若干塊，此時(shí)應(yīng)力約為最大應(yīng)力(抗壓強(qiáng)度)的85%左右。巖石發(fā)生變形的過程中，聲速也將同時(shí)發(fā)生變化，一般情況下，隨巖石應(yīng)力增加與體積減小，聲波速度增加，但當(dāng)巖石發(fā)生破裂時(shí)聲速將明顯下降。巖石在發(fā)生穩(wěn)態(tài)破壞前后，即圖中的CD段，將會(huì)產(chǎn)生頻率變化極大的噪聲，這種現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。聲發(fā)射的隨機(jī)性較大，且與巖石的破裂過程有關(guān)，因此可用于地震預(yù)報(bào)和震情監(jiān)測，天然地震可以認(rèn)為是一種放大了的聲發(fā)射現(xiàn)象。三、聲波在巖石中的傳播特性縱波、橫波的定義波的傳播特征產(chǎn)生滑行波的條件反射、折射系數(shù)（R、T）波阻抗、聲耦合率聲速影響因素不同介質(zhì)的聲波速度三、聲波在巖石中的傳播特性1.縱波、橫波的定義縱波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播發(fā)向一致。彈性體的小體積元體積改變，而邊角關(guān)系不變。橫波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波傳播方向垂直的波。特點(diǎn)：彈性體的小體積元的體積不變，而邊角關(guān)系發(fā)生變化，例如,切變波。注意：(1)橫波不能在流體（氣、液體）中傳播，因?yàn)樗那凶兡Ａ?0(2)在井下，縱波和橫波都能在地層中傳播，而泥漿中只能傳播縱波。三、聲波在介質(zhì)界面上的傳播2.波的傳播介質(zhì)1介質(zhì)2入射波入射角反射角折射角反射波折射波3.產(chǎn)生滑行波的條件VP2>VP1時(shí),折射角=90°折射定律:第一臨界角:1*=arcsin(VP1/VP2)第二臨界角:2*=arcsin(VP1/VS2)同理可得出:當(dāng)折射產(chǎn)生橫波時(shí)有4.反射、折射系數(shù)（R、T）反射系數(shù)R：R=WR/W=反射波的能量/入射波的能量=(2?V2-1?V1)/(2?V2+1?V1)折射系數(shù)T：T=WT/W=折射波的能量/入射波的能量=21?V1/(2?V2+1?V1)入射角=0°，T+R=15.波阻抗、聲耦合率(1)波阻抗ZZ=波的傳播速度×介質(zhì)的密度=V?

(2)聲耦合率兩種介質(zhì)的聲阻抗之比：Z1/Z2Z1/Z2越大或越小，聲耦合越差，R大，T小，聲波不易從介質(zhì)1到介質(zhì)2中去。Z1/Z2越接近1，聲耦合越好，R小，T大，聲波易從介質(zhì)1到介質(zhì)2中去。介質(zhì)(Z2)聲速(m/s)密度(kg/m3)波阻抗(kg/m2S)反射系數(shù)鋼管5400780024.12×1060.9312砂巖330026508.745×1060.7071石灰?guī)r6500287018.65×1060.8511白云巖7000287020.09×1060.8610泥巖180024504.41×1060.4923硬煤370014005.18×1060.5508水和各種介質(zhì)界面上的聲壓反射系數(shù)6.聲速影響因素彈性模量；密度；巖性；孔隙度；巖層地質(zhì)時(shí)代；巖層埋藏深度等。7.不同介質(zhì)的聲波速度介質(zhì)聲速(m/s)時(shí)差(s/m)介質(zhì)聲速(m/s)時(shí)差(s/m)空氣3303000滲透性砂巖5943168甲烷4422260致密砂巖5500182石油1070～1320985～757致密石灰?guī)r6400～7000156～143水1530～162