3声波测井

三、声波在介质界面上的传播特性

声波通过传播速度不同的两种介质Ⅰ和Ⅱ的分界面时，会发生反射和折射，并遵循光的反射定律和折射定律。图6-2(a)是声波的反射和折射的示意图。折射定律的数学表达式是

21sinsinvv

式中α—入射角；

β—折射角；

V1、v2—分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的声速。

因为V1、v2对一定的介质是个固定值，所以随着入射角α的增大折射角β也增大，如在v2>v1的情况下，则β>α。当入射角增大到某一角度i时，折射角达到90°，见图6-2(b)。此时，折射波将在第Ⅱ介质中以v2的速度沿界面传播，这种折射波在声波测井中叫滑行波。入射角i叫临界角。

2声波速度测井

声波速度测井简称声速测井，测量滑行波通过地层传播的时差△t（声速的倒数，单位是μS/m)。是目前用以估算孔隙度、判断气层和研究岩性等的主要测井方法之一。它的下井仪器主要由声波脉冲发射器和声波接收器构成的声系以及电子线路组成。声系主要有三种类型，单发射双接收声系和双发射双接收及双发射四接收声系。

一、单发射双接收声速测井仪的测量原理

1．单发射双接收声速测并仪的简单介绍

这种下井仪器包括三个部分：声系、电子线路和隔声体，声系由一个发射换能器（发射探头）T和两个接收换能器（接收探头）R1、R2组成。如图6-3所示。

电子线路用来提供脉冲电信号，触发发射换能器T发射声波，接收换能器R1、R2接收声波信号，并转换成电信号。发射与接收换能器是由具有压电效应物理性质的锆钛酸铅陶瓷晶体制成。在脉冲电信号的作用下以其压电效应的逆效应产生声振动，发射声波；在声波信号的作用下，R以其压电效应的正效应接收声波，形成电信号．待放大后经电缆送至地面仪器记录。

实际测井时，电子线路每隔一定的时间给发射换能器一次强的脉冲电流，使换能器晶体受到激发而产生振动，其振动频率由晶体的体积和形状所决定。目前，声速测井所用的晶体的固有振动频率为20 kHz。

在下井仪器的外壳上有很多刻槽，称之为隔声体，用以防止发射换能器发射的声波经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量的干扰。

2．单发射双接收声速测井仪的测且原理

井下仪器的发射换能器晶体振动，引起周围介质的质点发生振动，产生向井内泥浆及岩层中传播的声波，由于泥浆的声速v1与地层的声速v2不同，v2＞v1，所以在泥浆和地层的界面（井壁）上将发生声波的反射和折射，由于发射换能器可在较大的角度范围内向外发射声波。因此，必有以临界角i方向入射到界面上的声波折射产生沿井壁在地层中传播的滑行波。由于泥浆与地层接触良好，滑行波传播使井壁地层质点振动（视为滑行波到达该点时的新振源），这必然引起泥浆质点的振动，在泥浆中传播，因此，在井中就可以用接收换能器R1、R2先后接收到滑行波，进而测量地层的声波速度。

此外，还有经过仪器外壳和泥浆传播到接收器的直达波和反射波，只要在仪器外壳上刻槽和适当选择较大的源距（发射换能器与接收换能器间的距离），就可以使滑行波首先到达接收换能器，声速测井仪就可以只接收记录与地层性质有关的滑行坡。图6-4给出的就是上述的井内声波传播的示意图。

发射换能器发射的声波以泥浆的纵波形式传到地层，地层受到应力的作用不仅会产生压缩形变，也会产生切变形变，因此地层中既有滑行纵波产生又有滑行横波产生。不论滑行纵波或滑行横波，在传播时都会引起泥浆质点的振动，以泥浆纵波、横波的形式分别为接收换能器所接收，只不过，地层滑行纵波最先到达接收器，较后到达的是地层滑行横波并迭加在滑行纵波的尾部上。图6-5给出了接收换能器接收到的波形图。声速测井测量的是滑行纵波。

如果发射换能器在某一时刻t。发射声波，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收换能器，其传播路径如图6-6所示，即沿ABCE路径传播到接收换能器R1，经ABCDF路径传播到接收换能器R2，到达R1和R2的时刻分别为t1和t2，那么到达两个接收换能器的时间差△T为

(6-3)

如果在两个接收换能器之间的距离L(称之为间距）对着的井段井径没有明显变化且仪器居中，则可认为CE=DF，所以△T=CD/v2（=1/v2）。仪器的间距L是固定的（我国采用的间距等于0.5m），时间差△T的大小只随地层声速变化，所以△T的大小反映了地层声速的高低。声速测井实际上测量记录的是时差△t（声波传播lm所用的时间）。测量时由地面仪器通过把时间差△T转变成与其成比例的电位差的方式来记录时差△t。记录点在两个接收换能器的中点，下井仪器在井内自下而上移动测量，便记录出一条随深度变化的声速测井的时差曲线，图6-7给出了声速测井的时差曲线实例。声波时差的单位是μS/m， (1μS= 10-6S)。

二、影响时差曲线的主要因素

声波时差曲线主要反映地层的岩性、孔隙度和孔隙流体性质，但也受到其他一些因素的影响。

1．井径变化的影响

当井眼扩大时，在井眼扩大井段的上下界面处，时差曲线就会出现假的异常，如图6-8所示。这是由于当接收换能器R1进入井眼扩大部分而接收换能器R2仍在井眼扩大的下界面之下时，CE>DF，由式（6-3)可以知道时间差△T减小，所以在井眼扩大井段的下界面处会出现声波测井时差曲线减小的假异常；在R1、R2均进入井眼扩大井段时，CE=DF，不会有异常出现；而当R1、R2跨井眼扩大的上界面时，DF>CE，由式（6-3)可知△T增大，所以在井眼扩大的井段的上界面处，将出现声速测井时差曲线增大的假异常。

在一些砂泥岩的分界面处，常常发生井径变化，砂岩一般缩径而泥岩扩径，因此在砂岩层的顶部（相当于井眼扩大井段的下界面）出现时差曲线减小的尖锋，砂岩层的底界面处〔相当于井眼扩大井段的上界面）出现时差曲线增大的尖锋。图6-9就是砂泥岩剖面井径变化对时差曲线影响的实例。显然，在时差曲线上取值时，要参考井径曲线，避开井径变化引起的时差曲线的假异常，以便正确取值。

2．地层厚度的影响

地层厚度的大小是相对声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层；小于间距的称为薄层。它们在声速测井时差曲线上的显示是有差别的。

(1)厚层 图6-10(b)所示的地层，中间为速度较高的厚层石灰岩，上、下都是速度较低的页岩。声速测井测量的时差是R1、R2之间所对的地层的平均声波时差。当R1、R2都在石灰岩下界面之下时，测得的是页岩的声波时差。如果仪器由下部页岩向上测量，当R1刚好达到石灰岩下界面时，测得的时差仍是页岩的声波时差，相当于曲线的A点。当R2进入石灰岩R2仍在石灰岩下界面之下时，随着仪器上提R1和R2之间的石灰岩所占的比例逐渐增大而页岩逐渐减小，所以测得的声波时差逐渐减小，曲线由A点向B点变化。当R1和R2的中点正好到达石灰岩下界面时，R1、R2之间石灰岩和页岩所占的比例相等，测得的声波时差为页岩与石灰岩声波时差的平均值，这相当于曲线的I点。当R2正好到达石灰岩下界面时，相当于曲线的B点，此后，R1、R2均在石灰岩中，测得的数值为石灰岩的声波时差，即曲线的BC段，当R1进入上部页岩后，R1、R2中点正好处在灰岩的上界面时，测得的数值为页岩与石灰岩声波时差的平均值，相当于曲线上的I点。最后，R1和R2都在上部页岩中时，测得的均为页岩的声波时差，曲线为一直线。

综上所述厚层理论曲线特点如下： ①对着厚地层的中部，声波时差不受围岩的影响，时差曲线出现平直段，该段时差值为该厚地层的时差值。当地层岩性不均匀时，曲线有小的变化，则取该地层中部时差曲线的平均值作为它的时差值。

②时差曲线由高向低和由低向高变化的半幅点处（I、I点）正好对应于地层的上、下界面。所以可以用半幅点划分地层界面。

实际测的声波时差曲线往往受井径及岩性变化的影响，因此现场实际工作中，划分地层界面时，常参考微电极和自然电位曲线。

(2）薄层 图6-10(a)中声速测井仪的间距较大，这时，石灰岩地层相当于薄层。曲线受围岩（页岩）影响较大，测得的石灰岩地层中部的时差值高于石灰岩地层的实际时差值，时差曲线半幅点间的距离大于石灰岩地层的实际厚度。并且石灰岩地层越薄，围岩影响越大，时差越高于石灰岩地层的实际时差值，半幅点间的距离越大于石灰岩地层的真厚度。

(3)薄互层 间距大于互层中的地层厚度时，曲线不能反映地层的真正声速度，甚至还可能出现反向，如图6-11所示。互层中的地层厚度是1 ft，在用间距为1. 5 m声系测的时差曲线上，石灰岩处的曲线变化方向正好和0.5m间距的曲线相反。

从上述分析可以看出，间距大于地层厚度时，时差曲线分辨地层的能力差，甚至无法分层和正确读取时差值，因此间距尺寸必须小于目的层中最薄地层的厚度，间距越小，分辨地层的能力越强，但测量的精度也就越差。所以应该合理地选择间距，目前我国现场采用0.5 m的间距。

3.“周波跳跃”现象的影响

在一般情况下，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的，但是在含气疏松地层情况下，地层大量吸收声波能量，声波发生较大的衰减，这时常常是声波信号只能触发路径较短的第一接收换能器的线路。而当首波到达第二接收换能器时，由于经过更长的的衰减不能使接收换能器线路触发。第二接收换能器的线路只能被续至波所触发，因而在声波时差曲线上出现“忽大忽小”的幅度急剧变化现象，这种现象就叫周波跳跃，如图6-12所示。

在泥浆气侵的井段、疏松的含气砂岩井段，井壁坍塌以及裂缝发育的地层，由于声波能量的严重衰减，经常出现这种周波跳跃的现象。由于周波跳跃现象的存在，使得我们无法由时差曲线正确读出地层的时差值。但是，周波跳跃这个特征，却可以作为判断裂缝发育地层和寻找气层的主要依据。

三、井眼补偿声速测井

如前所述，单发射双接收声速测井受井径变化的影响，声波时差曲线出现假异常。

为了克服这种影响，采用了双发射双接收声速测井仪。图6-13是这种仪器对井径变化影响的补偿示意图。R1、R2为接收换能器，T1为上发射换能器，T2为下发射换能器。测井时，上下发射换能器交替发射声脉冲，两个接收换能器接收T1、T2交替发射产生的滑行波，得到时差△t1和△t2曲线，地面仪器的计算电路对△t1和△t2取平均值，记录仪记录出平均值△t时差曲线。由图6-13可以看出，双发射双接收声速测井仪的 T1发射得到的△t1曲线和T2发射得到的△t2曲线。在井径变化处产生的假异常的变化方向相反，所以，取平均值得到的△t曲线恰好补偿掉了井径变化的影响。双发射双接收声速测井仪测量的△t时差曲线还可以补偿仪器在井中倾斜时对时差造成的影响。

四、声波速度测井资料的应用

1.判断气层

由于油、气、水的声速不同，水的声速大于油的声速，而油的声速又大于气的声速，特别是气的声速和油水的声速有很大的差别，因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，声速测井能够比较好的确定疏松砂岩的气层。

气层在声波时差曲线上显示的特点有：

(1)产生周波跳跃 它常见于特别疏松孔隙度很大的砂岩气层中，如图6-14所示。因为地层含气对声波能量有很大的衰减作用，造成周波跳跃。对于非常疏松的砂岩气层来说，这是因为它们颗粒之间的接触面积很小，声波能量从一个颗粒传到另一颗粒，必须通过孔隙中的气体，由于岩石和气体的声阻抗相差很大，二者之间的声藕合很差，声波能量不易由颗粒向气体传播，会产生大量散射，声波信号受到很大的衰减，因此气层在声波时差曲线上表现为周波跳跃。