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矿场地球物理

西安石油大学石油工程学院 高 辉 2009.9

§第6章 声波测井 (Acoustic logging) 6.1 概述

6.2 岩石的声学特性 6.3 声波速度测井 6.4 声波幅度测井

6.5 长源距声波全波列测井 6.1 概述

声波测井的定义

声波测井就是以岩石等介质的声学特性为基础来研究钻井地质剖面、判断固井质量等问题的一种测井方法。 声波测井分类 声速测井 声幅测井 6.1 概述

声幅测井的定义

声幅测井是研究声波在地层或套管内传播过程中幅度的变化，层从而认识地及固井水泥胶结情况的一种声波测井方法。 声速测井的定义

声速测井，是测量地层声波速度的测井方法。声波在岩石中的传播速度与岩石的性质、孔隙度以及孔隙中所充填的流体性质等有关，研究声波在岩石中的传播速度或传播时间，就可以确定岩石的孔隙、判断岩性和孔隙流体性质。 6.1 概述

§第6章 声波测井 (Acoustic logging) 6.1 概述

6.2 岩石的声学特性 6.3 声波速度测井 6.4 声波幅度测井

6.5 长源距声波全波列测井 6.2 岩石的声学特性

声波的产生、传播及频率 声波是物质运动的一种形式，它是由物质的机械振动而产生的，通过质点间的相互作用将振动由近及远的传递。人耳听到的声波频率在20Hz至20kHz之间，频率大于20kHz的机械波称为超声波。

各类声波测井用的机械波介于声波和超声波之间。 6.2 岩石的声学特性

对测井时发射的声波而言，井下岩石可认为是弹性介质，在声振动作用下产生切变弹性形变和压缩弹性形变。岩石既能传播横波又能传播纵波，岩石中横波与纵波速度和岩石的弹性关系密切。

一、岩石的弹性 弹性体概念 塑性体概念

一个物体是弹性体还是塑性体，除与物体本身的性质有关外，还与作用其上的外力的大小、作用时间的长短以及作用方式等因素有关。一般地说，外力小、作用时间短，物体表现为弹性体。

声波测井中声源发射的声波能量较小，作用在岩石上的时间也很短，所以对声波速度测井来讲，岩石可以看作弹性体。因此，可以用弹性波在介质中的传播规律来研究声波在岩石中的传播特性。 6.2 岩石的声学特性

描述岩石弹性性质的参数

在均匀无限的岩石中，声波速度主要取决于岩石的弹性和密度。作为弹性介质的岩石，其弹性可用几个参数来描述： 岩石弹性参数 杨氏模量E 泊松比σ 切变模量μ

体积形变弹性模量K 6.2 岩石的声学特性 1、杨氏模量

外力F作用在长度为L、横截面积为A的均匀弹性体的两端(弹性体被压缩或拉伸)时，弹性体的长度发生ΔL的变化，并且弹性体内部产生恢复其原状的弹性力。

弹性体单位长度的形变ΔL/L称之为应变；单位截面积上的弹性力称之为应力，它的大小等于F/A。

杨氏模量就是应力与应变之比，以E表示: 杨氏模量的单位是N/m2。 6.2 岩石的声学特性 2、泊松比

弹性体在外力作用下，纵向上产生伸长的同时，横向缩小。设有一圆柱形弹性体的直径和长度分别为D和L，在外在外力作用下，直径和长度的变化分别为ΔD和ΔL，那么横向相对减缩ΔD/D和纵向相对伸长ΔL/L之比称之为泊松比，用σ表示：

泊松比只是表示物体的几何形变的系数。对于一切物质，σ都介于0到0.5之间。 6.2 岩石的声学特性 3、切变模量

矩形六面弹性体，其上表面abfe面积为A，受到平行于该表面的切力Ft的作用时，在力的方向上相对位移一段距离Δl，切应力等于Ft/A，切应变为Δl/l，切应力与切应变之比就是所定义的切变模量，用μ表示： 切变模量的单位是N/m2。 弹性体切变图

6.2 岩石的声学特性 4、体积形变弹性模量

体积形变弹性模量K的定义为：在外力作用下，物体体积相对变化ΔV/V ，即体积应力与应变之比，用K表示: 5、体积压缩系数

体积形变弹性模量的倒数叫体积压缩系数，以β表示： 6.2 岩石的声学特性

二、声波在岩石中的传播特性 纵、横波概念

弹性波在介质中的传播实质上是质点振动的依次传递。当波的传播方向和质点振动方向一致时叫纵波。纵波传播过程中，介质发生压缩和扩张的体积形变，因而纵波也叫压缩波。 当波的传播方向和质点振动方向相互垂直时叫横波。横波传播中介质产生剪切形变，所以横波也叫切变波。 6.2 岩石的声学特性 纵、横波速度

声波在弹性介质中的传播速度主要取决于介质的弹性模量和密度。在均匀各向同性介质中，纵波速度Vp、横波速度Vs与杨氏弹性模量、泊松比、密度之间的关系式为：

可看出，纵波速度永远大于横波速度，当岩石的泊松比为0.25时，纵波速度是横波速度的1.73倍，所以在岩石中传播，纵波总是早于横波被接收到。

对于沉积岩，声波速度除了与上述基本因素有关外，还和岩性、孔隙度、岩石地质时代、岩石埋藏深度等地质因素有关。 6.2 岩石的声学特性 1、岩性

由于不同矿物的弹性模量大小不同，介质弹性模量的大小又是影响介质声速的主要因素，所以由不同矿物构成的岩石，其声速大小也不同。常见的介质和岩石的纵波速度如下： 6.2 岩石的声学特性 2、孔隙度

孔隙流体相对岩石骨架为低速介质，所以岩性相同孔隙流体不变的岩石，孔隙度越大，岩石的声速越小。

6.2 岩石的声学特性 3、岩石地质时代

深度相同成分相似的岩石，当地质时代不同时，声速也不同。 老地层比新地层具有较高的声速。

4、岩石埋藏深度

在岩性和地质时代相同的条件下，声速随岩层埋藏深度加深而增大。这种变化是由于受上覆地层压力增大使岩石的杨氏弹性模量增大的缘故。岩层埋藏较浅的地层，埋藏深度增加时，其声速变化剧烈；深部地层，埋藏深度增加时，其声速变化不明显。 上述分析看出，可根据岩石声速来研究岩层，确定岩层的岩性和孔隙度。 6.2 岩石的声学特性

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。

声波在介质分界面上的传播 滑行波、临界角概念

当入射角增大到某一角度时，折射角达到90，则入射角叫临界角。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。 6.2 岩石的声学特性 §第6章 声波测井 (Acoustic logging)