第三章声波测井

课时教学实施方案课程：地球物理测井授课班级：资源1101-04授课学期：2013-2014学年1学期课题第三章声波测井计划学时8学时教学目的通过本章内容的学习，达到以下目的：1.了解地层中存在的波的类型及其特性2.掌握声波速度测井的测量原理和井眼补偿方法3.掌握声波全波列测井的测量原理4.掌握声波幅度和声波变密度测井的测量原理5.掌握各种声波测井曲线的应用，重点掌握利用声波速度计算孔隙度重点滑行纵波为首波的条件；单发双收声系井眼补偿方法；声波速度计算孔隙度；声幅测井判断固井质量难点单发双收声系井眼补偿方法；双发双收声系井眼补偿方法；声波全波列测井求取纵横波时差教具准备PPT的制作，多媒体使用教学后记教学进程设计（包括教学要点、步骤、方法、时间安排及板书设计、作业布置等）一、教学要点1.滑行纵波的产生以及在声速测井中成为首波的条件（板书画图）2.声速测井中声波时差的计算（板书画图并写出声波时差计算公式）3.如何利用双发双收和单发双收声系进行井眼补偿（板书画图并写出井眼补偿公式）4.声波幅度的影响因素及如何应用声波幅度和变密度测井判断固井质量二、教学步骤、方法第一节井内声波的发射、传播和接收（1学时）要了解声波测井，就必须先了解井下地层的声波，了解声波的性质以及不同类型的声波在地层中的传播特性。表征声波性质的参数包括声波速度、声的能量以及声的频率。1.滑行纵波和滑行横波是在声波速度测井中最主要的声波类型，要详细讲述滑行纵横波产生的条件、第一临界角与岩性的关系等。2.视瑞利波、斯通利波等是在声波全波列中出现的声波类型，尾随在纵横波之后，简要讲述他们的性质及应用第二节声波速度测井（3学时）本节是本章的重点内容，也是最主要的声波测井方法，要重点讲述。1.声波速度测井中测量的是滑行纵波在地层中的传播速度（时间），首先要明确滑行纵波成为首波的条件（结合第一节滑行纵波产生的条件）。2.单发双收声速测井：讲述单发双收的声系特点，以及声速测井的测量原理和声波时差的计算方法（板书画出声波传播路径和时差计算公式）。3.井眼补偿声速测井：先解释单发双收声系存在的问题，提出井眼补偿的必要性；再详细讲述井眼补偿的方法，分别板书画出双发双收和单发双收的井眼补偿方法和对应的计算公式。4.声速测井的应用：确定岩性和孔隙度（重点）、识别气层和裂缝、合成地震记录、检测压力异常和断层第三节声波全波列测井（2学时）1.声系和记录内容：掌握声波全波列测井的概念，以及它所用的声系，对比全波列声系和声速测井声系的差别以及记录内容的差别。2.声波波形分析：全波列测井的主要内容是从测井得到的全波列中进行波形分析，提取出有用信息。重点是提出纵波时差和横波时差。3.声波全波列测井的应用：对比在地层评价中，全波列测井相对于声速测井的优越性。第四节声波幅度测井（2学时）1.声波幅度测井是在套管井内进行测量，所以首先要明确套管井地层和井眼中声波的类型及传播特性2.水泥胶结测井：利用套管波首波幅度来检测水泥胶结质量的一种测井方法，要明确其测量原理及评价依据（板书画出套管井内的胶结界面）3.声波变密度测井：把套管井内声波全波列的能量转化为变密度图像，用来研究第一界面和第二界面的胶结质量备注教案第三章声波测井声波测井是通过测量井壁介质的声学性质来判断井壁地层的地质特性及井眼工程状况的一类测井方法,包括声速测井、声幅测井、声波全波列测井等多种测井方法。声波在介质中的传播特性主要指声速、声幅和频率特性。第一节井内声波的发射、传播和接收一、井内声波的发射和接收声波是机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。人耳能听到的声波频率20Hz－20KHz，频率〈20HZ为次声波，频率〉20KHZ为超声波，声波测井使用的频率为15-30KHz，所以又称为超声波测井。声波测井首先要在井内产生人工声场，所以需要声波发射器，要接收声波就需要声波接收器，接收器接收到得为声波的波形。二、滑行纵波和滑行横波1.基本概念和性质纵波（压缩波或P波）：介质质点的振动方向与波的传播方向一致。弹性体的小体积元体积改变，而边角关系不变。横波（剪切波或S波）：介质质点的振动方向与波传播方向垂直的波。特点：弹性体的小体积元体积不变，而边角关系发生变化。由于泥浆只能发生体积形变，不能发生剪切形变，它只能传播纵波不能传播横波，所以置于井内泥浆中的声波测井换能器发射或接收的声波都是纵波。井眼穿过的各种岩石，虽然大多数有一定孔隙，孔隙内有流体，但其主体是互相紧密相连的固体颗粒，整体为固体介质。它们不但能发生体积形变还能发生剪切形变，所以既能传播纵波又能传播横波。介质的波阻抗是声速与密度的乘积，泥浆与地层岩石的波阻抗相差较大，形成明显分界面，声波在井壁上要发生反射和折射。因为泥浆不能传播横波，所以井内没有反射横波2.声波的反射和折射定理2211sinsinsinvvv当v1，v2一定时，2，如果v2v1，当2=90o，此时折射波以v2速度沿界面传播，称为滑行波。滑行波：声波测井将在井壁地层内沿井壁滑行的折射波称为滑行波。临界角：产生滑行波的入射角称为临界角。产生滑行纵波的入射角称为第一临界角ip，产生滑行横波的入射角称为第二临界角is。只有岩层纵波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行纵波；只有岩层横波速度大于泥浆纵波速度时，才能产生滑行横波。滑行波滑行波产生条件:V2V1；以临界角入射滑行波能量分布：滑行波非均匀波，63%能量集中在1个波长内，在3个波长内能量占98%,这就决定了声速测井的探测深度，大约是1个波长，0.2~0.3m左右，相当于储层的冲洗带。（反应声速测井的探测深度）三、视瑞利波、斯通利波（管波）和漏泄模式波离声源足够远的接收器依次接收到得波形称为声波全波列。除了有滑行纵波、滑行横波，还有伪瑞利波、斯通利波、漏泄模式波。它们的产生和传播不能用几何声学解释，但它们都是波动的传播，应服从波动方程，每种波都是波动方程在特定条件下的解。声波全波列可分为两个波列，第一个波列从P波开始到后续震荡基本结束（S波之前），除了P波都称为漏泄模式波；第二个波列从S波开始，直至后续震荡结束，包括滑行横波、视瑞利波和斯通利波。1.视瑞利波瑞利波：沿半无限介质自由表明（介质之外为空气）传播的波，其质点运动的轨迹是椭圆形，短轴在传播方向上，长轴垂直于传播方向。因此，瑞利波像是横波与纵波合成的，而且以横波振动为主。瑞利波是一种面波，只在固体介质表面传播。井下岩石与液体界面上产生，沿岩石表面传播的波，称为视瑞利波或假（伪）瑞利波。视瑞利波具有频散现象：波的速度因频率的变化而变化。任一特定相位传播的速度称为相速度；该波列最高峰的传播速度称为群速度。视瑞利波以横波速度为上限，流体速度为下限，地层横波速度大于流体速度、声源频率大于截止频率方能激发视瑞利波。2．斯通利波(管波)地震上的斯通利波是沿固体分界面传播的一种地震波。井下的斯通利波是在井内流体中传播的一种诱导波，是沿井轴方向传播的流体纵波与井壁地层滑行横波相互作用产生的。相当于几何声学的泥浆直达波。其质点运动的轨迹也是椭圆，长轴在井轴方向。传播速度低于流体纵波速度。斯通利波特点：(1)S波之后；(2)幅度最大，在井轴方向无衰减，振幅在径向上从井轴到井壁按指数增加，从井壁向地层按指数减小；(3)略有频散；(4)无截止频率，能量主要集中在低频段；(5)管波幅度随岩石孔隙性、渗透性变好而增加，实验发现井径变小时管波幅度明显增加；3．漏泄模式波地震上认为是透过很薄的折射层的首波(P波)，测井上研究很少。目前认为它是大于第一临界角的入射波产生的全反射P波与井壁地层相互作用产生的沿井壁在地层中传播的诱导波。其质点运动的轨迹也是椭圆形，长轴在传播方向上，可看成是纵波与横波合成和以纵波为主要成分的波。漏泄模式波的幅度对岩石泊松比有一定依赖性，随泊松比增加而增加第二节声波速度(纵波)测井声波速度测井是测量滑行纵波在井壁地层中传播速度的测井方法，简称声速测井。滑行波的产生：VpVm；发射探头有方向特性,保证各种地层都有以临界角入射的波。一、滑行纵波为首波的条件接收探头能接收到的波（传播路径见右图）：（1）直达波（2）反射波（3）折射波（滑行纵波）直达波TR：1/1VLt反射波TBR:122222VLat滑行波TACR:PCPCCACTAVVVaLVattt11sintan2cos22费尔玛时间最小原理：声波以临界角入射到两种介质的分界面上后，沿边界以地层速度滑行，以临界角方向折回泥浆到达接受器的路径所用时间最短。声速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。根据费尔玛最小原理，滑行波最先到达R处所满足的条件：1tt，即11tan2cos2VLVaLVatPCC所以，CPVaVVLcos21111，112sin1cos2VVVVaaLPPCC112VVVVaPP称为声波测井的临界源距。根据以上条件，可以得到使滑行波先于直达波到达接收器的方法：（1）加大源距取泥岩(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(2)在仪器外壳上刻槽使沿外壳传播的波多次反射，能量衰减；延长传播路径和时间；使不同相位的波相互叠加。(3)全波列测井因为地层横波速度小于纵波，要使管波出现在横波之后，则应进一步加大源距。且可以使纵横波到达时间有明显差别，记录较完整波形，即声波全波列。长源距声波测井源距：2.438m～3.65m二、单发双收声速测井1.声系滑行波作为首波的优点:1)方便容易记录(通过门槛拾取）；2)受地层干扰少。单发单收声系的缺点：（1）只能测量声波在泥浆和地层中总的传播时间，不能单独确定地层速度；（2）影响因素太多，泥浆性质、井眼大小等都影响总的传播时间；（3）当源距为一米时，滑行纵波在地层中的传播距离为0.6118-0.9531米，分辨率太低，使每次测量的地层不只包含有效储集层总之，单发单收声系不能满足声速测井的要求，所以要利用单发双收声系，如图：2.单发双收声速测井的原理滑行波到达R1、R2的时间差：12'ttt)(fppfvABvBCvCDvDF)(fpfvABvBCvCE当井眼规则时：DF=CEppvlvCDt'声波时差：声波传播单位距离(1m)所用的时间，记为t，单位s/m。当间距为l，滑行纵波在地层内传播1米用的时间（声波时差）为△t，它与声波到达两个接收器的时间之差的关系：ltlttt//)('12l大小决定了纵向分辨率，减小l可以提高分辨率,但声波经过l岩层所需时间变短，测量相对误差增大探测深度：一个波长(0.2-0.3m)记录点：地层CD段中点，与接收器中点的位置稍有差别曲线：仪器匀速移动，记录声波时差随井深变化曲线。纵向分辨率：测量的是l范围内的地层速度的平均值(0.5m)三、井眼补偿声速测井1.单发双收声速测井存在的问题（1）井眼扩大时：扩径井段上界面△t增大；扩径井段下界面△t减小（2）仪器不居中时：CE≠DF，声波传播的距离不等于CD，无法计算真实的声波时差仪器有扶正器使仪器居中所以，仪器偏心的影响不大2.双发双收井眼补偿声速测井T1和T2交替发射声脉冲，分别测量时差△t1和△t2，最终记录其声波时差为：221ttt探测特性:优点消除了扩径的影响可消除深度误差缺点分辨率降低对低速地层会出现“盲区”仪器太长，声系复杂3.单发双收井眼补偿声速测井