1、主講人：李維彥長江大學地球物理與石油資源學院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聲速測井是測量井下巖層聲波傳播速度（或時差），以判別井剖面地層巖性、估（或時差），以判別井剖面地層巖性、估算孔隙度的測井方法算孔隙度的測井方法 主要內容主要內容1、井內聲波信號的傳播規律、井內聲波信號的傳播規律2、時差的記錄、時差的記錄3、聲速測井資料地質應用、聲速測井資料地質應用 首先看一下什么是聲波?描述聲波特征的是那些參數? 一般: f20000hz:超聲波 f=(2020000)hz:聲波 f20hz:次聲波9.1井內聲波傳播規律井內聲波傳播規律 一一 巖層速度巖層速度 1 巖層

2、速度巖層速度在均勻各向同性介質在均勻各向同性介質中中,縱波、橫波速度為：縱波、橫波速度為：與密度、彈性系數有與密度、彈性系數有關，對于巖層速度是：關，對于巖層速度是：1）與巖石的礦物成分、與巖石的礦物成分、彈性特性、密度有關；彈性特性、密度有關；2）與巖層的孔隙度、流體特性及飽和情與巖層的孔隙度、流體特性及飽和情況有關；況有關；3）與埋藏深度、地質年代、地質構造等有關。與埋藏深度、地質年代、地質構造等有關。 巖性是影響聲速的最主要因素巖性是影響聲速的最主要因素 不同灰質膠結物砂巖聲速（勝利）不同灰質膠結物砂巖聲速（勝利）SPSPVVEVEV732.1,25.0)1(21)21)(1()1(2巖

3、巖石石、礦礦物物 ，103kg/m3 E，109N/m2 VP，m/S 玄玄武武巖巖 2.72 68.5 0.306 5930 石石灰灰巖巖 2.70 57.9 0.313 6130 石石膏膏 2.23 35.3 0.338 4790 石石英英 2.65 75 0.17 5370 頁頁巖巖 2.25 2439 灰灰質質含含量量(%) 聲聲速速,VP(m/s) 時時差差, t( s/m) 10% 砂砂 巖巖（2）10% 石石 灰灰 巖巖 白白云云巖巖（1）5.530% 白白云云巖巖（2）1.55.5%, 10% 白白云云巖巖（3）01.5% 硬硬 石石 膏膏 石石 膏膏 巖巖 鹽鹽 淡淡 水水

4、鹽鹽 水水 石石 油油 甲甲 烷烷 流體介質流體介質 密度密度 ，103kg/m3 聲速聲速,VP(m/s) 石油石油 0.80.89 10701320 水水 1.0 1483 甲烷甲烷 0.657 10-3 430 乙烷乙烷 1.9 10-3 248 地地 質質 年年 代代 巖巖 性性 聲聲 速速 ,VP(m /s) 新新 第第 三三 系系 泥泥 巖巖 16001700 上上 白白 堊堊 系系 泥泥 巖巖 19002000 下下 白白 堊堊 系系 泥泥 巖巖 20002400 中中 下下 侏侏 羅羅 系系 泥泥 巖巖 25003000 不同地質年代泥巖地層的聲速不同地質年代泥巖地層的聲速不同

5、流體介質聲速不同流體介質聲速不同孔隙度砂巖的聲速不同孔隙度砂巖的聲速 0 010001000200020003000300040004000500050006000600070007000800080000 05 5101015152020252530303535404045455050P(MPa)P(MPa)VP(m/s)VP(m/s)No.1037(25C)No.1037(25C)No.1037(120C)No.1037(120C)No.1081(25C)No.1081(25C)No.1081(120C)No.1081(120C) 不同壓力、溫度下巖石速度變化不同壓力、溫度下巖石速度變化

6、飽和水和干燥巖石速度隨壓力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系巖心速度與含氣飽和度的關系縱波縱波縱波縱波橫波橫波橫波橫波 V1Vp，Vs1、反射折射定律、反射折射定律在兩種介質界面上，聲波傳在兩種介質界面上，聲波傳播符合斯奈爾定律播符合斯奈爾定律(沿界面視沿界面視速度相等速度相等)SPSPSSPPVVVVVVVV22121121111111,sinsin,sinsin,sinsin泥漿泥漿地層地層二、反射與折射二、反射與折射 V1Vp，Vs2、垂直入射、垂直入射2121221212121221111212)(4,2,2,ZZZZTZZZZRVVZZZTVZVZZZZZ

7、RPPPPSPPPPPP幅度反射、幅度反射、折射系數折射系數能量反射、能量反射、折射系數折射系數 三、滑行波三、滑行波1、滑行縱波、滑行縱波由折射定律由折射定律PCVV11arcsin90,arcsinsinsin211121PPPPVVVV當V1泥漿泥漿Vp、Vs地層地層也就是折射縱波沿井壁巖層傳也就是折射縱波沿井壁巖層傳播播滑行縱波滑行縱波，此時入射角為，此時入射角為第一臨界角，即第一臨界角，即 滑行縱波特性：滑行縱波特性：1）沿井壁附近滑行傳播，速度為）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，）是一種非均勻波，在地層中，離井壁距離離井壁距離增加按負指數規律衰減增加按

8、負指數規律衰減(?)，能量集中在能量集中在3 p（即（即Vp/f）范圍內，在）范圍內，在Z= p內集中了滑行波內集中了滑行波能量能量63%，因此探測范圍在一個，因此探測范圍在一個 p左右。左右。例：砂巖例：砂巖Vp=4000m/s，f=20kHz p =0.2m 3)在井中傳播方式在井中傳播方式:滑行波在傳播過滑行波在傳播過程中不斷向井中輻射能量程中不斷向井中輻射能量,在井壁上在井壁上傳播傳播,其波陣面是圓錐體。其波陣面是圓錐體。說明說明C與與B點波陣面相位相同，點波陣面相位相同，F點發點發射源看作點源，向四面入射，以射源看作點源，向四面入射，以C點點固定固定CB面轉一周成圓錐面。面轉一周成圓

9、錐面。ABACVVtVABtVACPCP11sin, 4)在井中傳播方式在井中傳播方式:滑行波在傳播過滑行波在傳播過程中不斷向井中輻射能量程中不斷向井中輻射能量,在井壁在井壁上傳播其波陣面是圓錐體。上傳播其波陣面是圓錐體。說明說明C與與B點波陣面相位相同，點波陣面相位相同，F 點點發射源看作點源，向四面八方入射，發射源看作點源，向四面八方入射，以以C點固定點固定CB面轉一周成圓錐面。面轉一周成圓錐面。ABACVVtVABtVACSSS11sin, 2.滑行橫波滑行橫波由折射定律由折射定律 也就是折射橫波沿井壁巖層傳也就是折射橫波沿井壁巖層傳播播滑行橫波滑行橫波，此時入射角為，此時入射角為第二臨

10、界角，即第二臨界角，即90,arcsinsinsin211121SSSSVVVV當SSVV11arcsin滑行橫波特性滑行橫波特性:1）沿井壁附近滑行傳播，速）沿井壁附近滑行傳播，速度為度為Vs。2）是一種非均勻波，在地層）是一種非均勻波，在地層中，中，離井壁徑向距離增加按離井壁徑向距離增加按負指數規律衰減負指數規律衰減，能量集中，能量集中在在3 s（即（即Vs/f）范圍內，在）范圍內，在Z= s內集中了滑行波能量內集中了滑行波能量63%，因此探測范圍在一個，因此探測范圍在一個 s左右。左右。 3）滑行橫波幅度大于縱）滑行橫波幅度大于縱波幅度波幅度 它們的波長之比為：它們的波長之比為： Vs/

11、Vpfp/fs=0.578 20/18 =0.65 因此靠近井壁附近滑行因此靠近井壁附近滑行橫波幅度較滑行縱波幅橫波幅度較滑行縱波幅度有更多能量。另外，度有更多能量。另外，橫波反射系數遠小于縱橫波反射系數遠小于縱波，即有更多能量進入波，即有更多能量進入地層，在相同的情況下地層，在相同的情況下有更多的能量轉換為滑有更多的能量轉換為滑行橫波。行橫波。某些地層縱橫波速度和臨界角某些地層縱橫波速度和臨界角Vf=1600m/s， =1.2g/cm3地地 層層 Vp（ m/s） Vs（ m/s） 第第 一一 臨臨 界界 角角 （ 度度 ） 第第 二二 臨臨 界界 角角 （ 度度 ） 泥泥 巖巖 1800

12、950 62.44 砂砂 巖巖1 2630 1518 37.28 砂砂 巖巖2 3850 2300 24.33 44.05 砂砂 巖巖3 5500 3200 16.55 30 石石 灰灰 巖巖 7000 3700 13.13 25.37 白白 云云 巖巖 7900 4400 11,41 21.19 鋼鋼 管管 5400 3100 17.14 31.04 ABCTRL除了滑行波外還有除了滑行波外還有”直達波直達波”和反射和反射波波. 1 c 反射波反射波,地層折射縱橫波地層折射縱橫波2) c 1 s反射波反射波地層折射橫波地層折射橫波3) s 10.825m時時,在整個地層剖面在整個地層剖面,接

13、接收的首波總是來自沿井壁巖層傳播收的首波總是來自沿井壁巖層傳播的的滑行縱波。滑行縱波。目前國產儀器源距為目前國產儀器源距為1米米一般儀器的外殼是鋼管，通過刻槽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波，經多方法消除來自鋼管的直達波，經多次反射使能量急劇衰減。次反射使能量急劇衰減。問題問題:1.在高速地層中（在高速地層中（VsV1)滑行橫波滑行橫波是否可作為次首波是否可作為次首波?2.在慢速地層中（在慢速地層中（VsV1)滑行橫波滑行橫波是否可作為次首波是否可作為次首波?ABCTRL取泥巖取泥巖(最低最低)：Vp=1800，V1=1600，a=0.1,L#=0.825m取白云巖取白云

14、巖(最高最高)：Vp=7900，V1=1600，a=0.1,L#=0.25mABCTRL地地 層層 Vp（m/s） 第第一一臨臨界界角角（度度） L-2a tg c 泥泥 巖巖 1800 62.45 0.6118 砂砂巖巖1 2630 37.28 0.8467 砂砂巖巖2 3850 24.33 0.9086 石石灰灰巖巖 6500 14.15 0.9492 白白云云巖巖 7000 13.12 0.9531 鋼鋼 管管 5400 17.14 0.9380 無無水水石石膏膏 6200 14.57 0.9465 二、單發單收聲系二、單發單收聲系PCPCCACTAVVVtgaLVattt11sin2c

15、os22對于單發單收聲系對于單發單收聲系L=1米，波在實際地層米，波在實際地層中滑行的距離不同，不僅與地層特性有中滑行的距離不同，不僅與地層特性有關，還與井眼條件有關，受泥漿的影響關，還與井眼條件有關，受泥漿的影響不是固定的不是固定的,很難得到地層的速度。很難得到地層的速度。三、單發雙收聲系三、單發雙收聲系VpV1TR1R2PPPPPVmVlVCDtttDFCEABVDFVBDVABtVCEVBCVABt5.012211111TR1：TR2：因此當井眼規則時，因此當井眼規則時， t只與地層速只與地層速度有關，實現了測量地層速度的目度有關，實現了測量地層速度的目的。的。通常通過儀器刻度，時差單位

16、為通常通過儀器刻度，時差單位為 t=1 / V（m/s）=106/V（us/m）或用單位或用單位us/ft（1ft=0.3048m)1 單法雙收聲系測量原理單法雙收聲系測量原理2單發雙收聲系的優點單發雙收聲系的優點 (1)能直接測量巖層的聲波速度或時差能直接測量巖層的聲波速度或時差;在固定在固定l上上僅與巖層速度有關傳播時間僅與巖層速度有關傳播時間,在整個井眼剖面上得在整個井眼剖面上得到的巖層速度指在到的巖層速度指在l間距內間距內平均值。平均值。 (2)現用間距為現用間距為0.5米米,使聲波測井曲線能使聲波測井曲線能劃分厚度劃分厚度0.5米米以上巖層。以上巖層。問題問題:間距間距l是不是愈小愈

17、好？是不是愈小愈好？ 例：例：dt=2us，砂巖，砂巖 t=182us/m，白云巖，白云巖 t=141us/m 砂砂 巖：巖：dt=2/(0.5*182)=2.2% 白云巖白云巖：dt=2/(0.5*141)=2.8%若若l=0.2米米 砂砂 巖：巖：dt=2/(0.2*182)=5.5% 白云巖白云巖：dt=2/(0.2*141)=7.1%為了提高對薄層的分辨率為了提高對薄層的分辨率,需要提高儀器的測量精度需要提高儀器的測量精度,以以減小間距減小間距l。目前最小間距。目前最小間距l=0.1524米米(6in)。3存在的問題：存在的問題： ( 1）井眼不規則影響；當）井眼不規則影響；當AB C

18、E DF時時記錄的時差不僅與地層速度有關，還與泥漿速度、井徑記錄的時差不僅與地層速度有關，還與泥漿速度、井徑大小有關。大小有關。1VCEDFVCDtP 1、正、正常常2、DFCE正異常正異常1VCEDFVCDtP (2)儀器記錄點與實際傳播路徑中點儀器記錄點與實際傳播路徑中點不在同一深度上不在同一深度上O為儀器記錄點為儀器記錄點R1、R2的中點，實的中點，實際深度點際深度點O 為傳播路徑的中點，為傳播路徑的中點，兩者相差兩者相差 h=a tg c，產生深度誤差。，產生深度誤差。例：泥巖例：泥巖 0.192米米(a=0.1米米) 白云巖白云巖 0.023米米(a=0.1米米)對于上發下收：對于上

19、發下收： H- h=H - a tg c對于下發上收：對于下發上收： H+ h=H+ a tg c但由于井徑和角度但由于井徑和角度 c是變化的，因是變化的，因此深度誤差沒法校正。此深度誤差沒法校正。 四、雙發雙收聲系四、雙發雙收聲系1測量原理測量原理當井眼規則時當井眼規則時F1J1、J2J1:ABCEJ2:ABDF t1=CD/VpF2J2、J1J2：ABCEJ1：ABDF t2=CD/Vp t= （ t1+ t2）/2 =CD/Vp測量段為測量段為CC （1）可消除井徑變化對測量結）可消除井徑變化對測量結果的影響果的影響F1J1、J2，分別在擴井、未擴，分別在擴井、未擴井段井段F2J2、J1

20、，分別在擴井、未擴，分別在擴井、未擴井段井段在擴井井段在擴井井段CE=DF，在未擴段，在未擴段CE=DF，則，則11VCEDFVCDtP12VECFDVDCtPPVCDttt221F1F2J1J2AEFFEABCDDCOOB2優點優點 （2）可消除深度誤差）可消除深度誤差F1J1、J2，實際深度點，實際深度點O h=-a tg c，實際深度，實際深度H- a tg cF2J2、J1，實際深度點，實際深度點O h=a tg c，實際深度，實際深度H+a tg c實際實際OO的中點就是儀器記錄的中點就是儀器記錄點點O，兩者一致。即時差平均，兩者一致。即時差平均值的中點（巖層值的中點（巖層CC的中點

21、）的中點）（注意：對于薄互層，速度變（注意：對于薄互層，速度變化大，可能有誤差）化大，可能有誤差） 3缺點缺點（1）薄層分別率差）薄層分別率差單發雙收：單發雙收：h=l雙發雙收：雙發雙收：h=CC=l+2a tg c tg cl/2a, c=tg-10.5/2*0.168.20(底速地層底速地層),CD與與CD不重合不重合,只能劃分大于只能劃分大于2l的薄層的薄層 T1T2R1R2CDDC(2)對于低速地層出對于低速地層出現盲區現盲區當當 c68.20(低速地低速地層層),CD與與CD不重合之不重合之間有間隔間有間隔,此間隔地層對此間隔地層對測量結果無貢獻稱盲區。測量結果無貢獻稱盲區。對于泥巖

22、，盲區厚度對于泥巖，盲區厚度 h=CC-2l =2atg c+l-2l =2atg c -l =0.267m(a=0.2,l=0.5, c=62.450)9.3時差曲線及其應用 時差曲線特點 時差曲線影響因素 時差曲線應用 一一 聲速曲線特點聲速曲線特點1 1、測井曲線形態、測井曲線形態（1 1）上下圍巖巖性相同時，曲線對稱于地層中點；）上下圍巖巖性相同時，曲線對稱于地層中點；（2 2）巖層界面位于時差曲線半幅點處；）巖層界面位于時差曲線半幅點處；（3 3）在界面上下）在界面上下0.50.5米不反映巖層的時差（米不反映巖層的時差（L=0.5L=0.5米）。米）。泥巖泥巖砂巖砂巖泥巖泥巖 tJ1

23、J22 2、讀值方法（手工）、讀值方法（手工）（1 1）均勻層）均勻層 由上下巖層界面內縮由上下巖層界面內縮0.30.3米取平均值米取平均值; ;0.3米米平坦值平坦值0.3米米面積平均值面積平均值0.3米米0.3米米 2 2、讀值方法（手工）、讀值方法（手工）(2)(2)非均勻層非均勻層 求孔隙度求孔隙度, ,由上下巖層界面內縮由上下巖層界面內縮0.30.3米取面積平均值米取面積平均值 非均質研究或劃分有效厚度非均質研究或劃分有效厚度, ,一般分兩段一般分兩段 含泥質夾層含泥質夾層, ,由上下界面內縮由上下界面內縮0.30.3米米, ,扣除夾層后取面積平均值扣除夾層后取面積平均值面積平均值面

24、積平均值0.3米米0.3米米面積平均值面積平均值0.3米米0.3米米 （1）相位誤差）相位誤差時差是通過電平觸發時差是通過電平觸發兩道波形（模擬信號）兩道波形（模擬信號）得到的兩個波傳播時得到的兩個波傳播時間而獲得的。間而獲得的。例：例：f=20kHz，一周，一周為為T=50us，半周，半周25us，可能引起的誤差可能引起的誤差1015us，f20kHz,誤誤差更大差更大.。因此用電平。因此用電平觸發方式很難消除這觸發方式很難消除這種誤差。種誤差。 提高頻率如何？提高頻率如何？泥漿衰減泥漿衰減 高頻高頻 信號傳輸不好引起信號畸信號傳輸不好引起信號畸變。變。二二 影響聲速測井因素影響聲速測井因素

25、 （2）周波跳躍）周波跳躍氣層、裂縫發育地層波衰減大，第二道接收器氣層、裂縫發育地層波衰減大，第二道接收器R2，由于，由于首波幅度很低，不能觸發電平（固定），而觸發后續波首波幅度很低，不能觸發電平（固定），而觸發后續波（例橫波），時差增加了幾個周期的（例橫波），時差增加了幾個周期的周波跳躍。周波跳躍。過去過去也往往用來識別氣層和裂縫儲層。也往往用來識別氣層和裂縫儲層。 （4 4）源距和間距影響）源距和間距影響 源距影響源距影響 源距長探測巖層深源距長探測巖層深, ,源距短探測巖層淺源距短探測巖層淺, ,破碎帶影響大破碎帶影響大, ,但也要考慮衰減的影響。但也要考慮衰減的影響。 如表源距與探測深

26、度關系如表源距與探測深度關系 間距影響間距影響 間距大小對曲線的測量精度有影響間距大小對曲線的測量精度有影響( (相對相對誤差、幅度衰減引起周波跳躍誤差、幅度衰減引起周波跳躍, ,對分層能力也有影響。對分層能力也有影響。源源距距（米米） 1 1.5 2.4 3.0 3.6 探探測測深深度度(厘厘米米) 10 16 26 34 40 （3）噪聲干擾）噪聲干擾這種情況往往是測量過程、儀器本身等因素造這種情況往往是測量過程、儀器本身等因素造成的。可用數字記錄方法來克服，例相似相關成的。可用數字記錄方法來克服，例相似相關方法。方法。 當間距小于巖層厚度時，測量時差反映巖層時差；當間距大于巖當間距小于巖

27、層厚度時，測量時差反映巖層時差；當間距大于巖層厚度時，測量時差是巖層和圍巖時差的混合值。層厚度時，測量時差是巖層和圍巖時差的混合值。 三三 聲速曲線應用聲速曲線應用1、地層對比、地層對比劃分地層劃分地層（1）砂泥巖剖面：）砂泥巖剖面： 砂巖時差較高，膠結物性質和含量對時差有砂巖時差較高，膠結物性質和含量對時差有影響，如鈣質較泥質砂巖時差低，隨鈣質增加時差下降；孔隙度、影響，如鈣質較泥質砂巖時差低，隨鈣質增加時差下降；孔隙度、氣體含量增加會使時差增大；泥巖一般顯示高值，但泥巖中含砂、氣體含量增加會使時差增大；泥巖一般顯示高值，但泥巖中含砂、鈣質、石膏都會使下降；礫巖一般時差較低；頁巖介于泥巖和致

28、鈣質、石膏都會使下降；礫巖一般時差較低；頁巖介于泥巖和致密砂巖之間。砂巖骨架時差一般密砂巖之間。砂巖骨架時差一般182us/m(或或56us/ft),泥巖為泥巖為328us/m(或或100us/ft)。時差曲線能很好反映砂巖的致密性，能區。時差曲線能很好反映砂巖的致密性，能區分致密和滲透性砂巖。分致密和滲透性砂巖。（2）碳酸巖鹽剖面：）碳酸巖鹽剖面： 致密石灰巖和白云巖時差最低致密石灰巖和白云巖時差最低(49us/ft、43us/ft);含泥質時差會增大含泥質時差會增大,泥巖和泥灰巖時差較高泥巖和泥灰巖時差較高,孔隙性、裂孔隙性、裂縫性石灰巖和白云巖時差明顯增大，甚至出現周波跳躍。縫性石灰巖和

29、白云巖時差明顯增大，甚至出現周波跳躍。（3）膏巖剖面：滲透性砂巖時間最高；泥巖中含鈣、含膏與致）膏巖剖面：滲透性砂巖時間最高；泥巖中含鈣、含膏與致密砂巖相當；無水膏巖時差最低（密砂巖相當；無水膏巖時差最低（52us/ft）；巖鹽（）；巖鹽（67us/ft）由）由于擴井時差很大或出現周波跳躍現象。于擴井時差很大或出現周波跳躍現象。 鈣質鈣質泥巖泥巖砂巖砂巖砂泥巖剖面砂泥巖剖面 2、判斷氣層、判斷氣層天然氣的時差很大，并隨溫度變化天然氣的時差很大，并隨溫度變化比油、水時差大的多，在相同條件下，氣層砂巖大比油、水時差大的多，在相同條件下，氣層砂巖大于油水層砂巖時差，往往出現周波跳躍。于油水層砂巖時差，往往出現周波跳躍。)/(430102732736msttg