§2-2声波速度测井

声波速度测井简称声速测井，测量地层滑行波的时差?t（地层纵波速度的倒数，单位是?s/m或?s/ft）。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。是一种主要的测井方法。它的井下仪器主要由声波脉冲发射器和声波接收器构成的声系及电子线路组成。目前，主要应用二种类型的声系（单发双收声系、双发双收声系）。

一、单发射双接收声速测井仪的测量原理 1、单发双收声速测井仪

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T和两个接收换能器R1、R2组成，其中，发射器和接收器之间的距离称为源距，相邻接收器之间的距离称为间距。声波测井声系的最小源距为1米，间距为0.5米。如图2所示。电子线路提供脉冲电信号，触发发射器T发射声波，接收器R1、R2接收声波信号，并转换为电信号。

换能器----能将电磁能转换成声能，又能将声能转换成电磁能的器件，测井上常用压电陶瓷晶体换能器。

压电晶体的压电效应：在外力作用下，晶体产生形变时，会引起晶体内部正，负电荷中心相对位移而产生极化，导致晶体某些表面出现电荷累积，其电荷密度与外力成正比。电压效应。

将晶体置于外电场中，外电场的作用使晶体内部正，负电荷中心发生位移，从而导致晶体表面产生形变，其形变大小与外电场成正比。----逆压电效应。

发射换能器的工作频率一般应选用换能器本身的机械谐振频率，声速及声幅测井为20--25KHz。

接收换能器要接收的声波信号有一定宽度，着就要求接收换能器对一定频率范围内的声波信号都有相近的接收特性。

发射探头（T）：作为声源，向地层发射声功率、指向角特性和频率都一定的脉冲声波，以在井下建立人工声场。T利用逆压电效应，将电信号→声信号。

接收探头（R）：接受经地层传来的声波信号。R利用正压电效应，将声信号→电信号。 测井仪工作时，电子线路每隔一定时间（通常为50毫秒）激发一次发射器，使其产生振动，其振动频率由晶体的几何尺寸及几何形态而定。目前，声速测井仪所用晶体的固有振动频率为20kHz。

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图2-2、井下声系示意图 图2-3、井内声波传播示意图 此外，在下井仪器的外壳上刻有许多小槽，称为隔声体。其作用是防止发射器发射的声波经仪器外壳直接传至接收换能器，对地层测量造成干扰。 2、单发双收声速测井仪的测量原理 （1）井内声场分析

①测井环境的声波特性

井内泥浆----主要成分是水、盐离子及粘土微粒等混和流体。只能产生体积形变，不能

产生剪切形变，即只能产生纵波，不能产生横波。声波测井在井内发射和接收的声波均为纵波。

井壁岩石----具有一定孔隙（流体填充）的固体，它不但可以产生体积形变，也可以产生剪切形变。这样不但可产生纵波，也可产生横波。测井时，岩石受声源激发可同时产生纵波和横波。

②滑行纵波和滑行横波

发射器在井内产生声波，声波接收器记录首波到达时间。根据首波到达时间，确定首波的传播速度，并确保首波就是地层纵波。

发射器在井内产生声波，声波向周围介质中传播。由于泥浆声速v1与地层声速v2不同，所以在泥浆和地层的分界面（井壁）上声波将发生反射和折射。由于发射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?（sin??v1v）入射到界面的声波，在地层

2中产生沿井壁传播的滑行波。根据边界条件，沿井壁传播的滑行波将在泥浆中产生泥浆折射波，被井内接收器接收记录。

发射器发射的声波以泥浆纵波形式传到井壁，在井壁地层中产生折射纵波及折射横波。

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v地层横波速度）内，既存在滑行纵波，也存在

滑行横波，但由于滑行横波速度低于滑行纵波速度（v/v?1.5），所以，地层滑行纵波先于滑行横波到达接收器。在软地层（v?v）内，只能产生滑行纵波，因此保证了滑行

在硬地层（

sfv?v，

vp地层纵波速度，

spssf纵波先到达接收器。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。

由此可以看出，井内存在以下几种波：（1）反映地层滑行纵波的泥浆折射波；（2）反映地层滑行横波的泥浆折射波；（3）井内泥浆直达波；（4）井内一次及多次反射波；（5）井内流体制导波（管波或斯通利波）。

③滑行波成为首波的条件

全波列中的其它波不可能比滑行纵波先到达接受器，只有管波有可能，它相当于几何声学的直达波，此外还有反射波。

I. 从三条路进径看来，直达波的路径最短，反射波不可能先于直达波到达接受器。 II. 管波速度略小于流体速度，我们近似取为流体速度。

III. 费尔马时间最小原理：声波以第一临界角入射到两种介质的分界面上以后，沿分界面以地层的速度C2滑行传播，并仍以第一临界角方向折回到井内泥浆中接收探头处，走这条路径比任何自发射器到接受器并部分穿过地层的其他路径所用时间都少。 从上面不难看出，要使滑行纵波成为首波，则必须满足：

AEABBCCE??? v1v1v2v1我们把滑行波刚好成为首波的距离称为临界源距，即滑行纵波成为首波的条件是要选择测井源距大于临界源距。

我国的声速测井源距常用一米。为了防止声波从仪器外壳（钢管外壳）直接到达接收器成为首波，采用仪器外壳交叉刻槽。如要使管波出现在横波之后，并使纵横有明显差别，以记录较完善的全波列波，源距还需进一步加大，声波全波列测井采用长源距声波测井，源距为2.438--3.658米。

所以，无论是硬地层，还是软地层，声速测井仪只记录地层滑行纵波的传播速度。图3给出了井内声波传播的示意图。

（2）单发双收声速侧井仪的测量原理

如果发射器在某一时刻to发射声波，根据几何声学理论，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收器，其传播路径如图4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：

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?T?t2?t1?(ABv?BC1v?CD2v?DF2v)?(AB1v?BC1v?CE2v)?CD1v?(DF2v?CE （5） )1v1 如果在两个接收器之间的距离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?CDv(?l2v)。由于仪器间距已知，时间差只随地层速度变

2化，所以?T的大小反映了地层声速的高低。声速测井实际上记录的地层时差（声波在地层中传播1m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。仪器记录点在两个接收器的中点，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时差曲线，图5给出了时差曲线实例。声波时差的单位是?s/m或?s/ft。

二、影响声波时差曲线的主要因素 1、井径变化的影响

当两个接收器对应井段的井眼比较规则时，单发双收声系所记录的时间差才只与地层速度有关，反之，将随井眼几何尺寸的变化而变化，在变化层段，时差曲线出现异常。如图6所示。

图2-4、声速测井原理图

图2-5、声速测井曲线实例

在砂泥岩分界面处，常常发生井径变化， 砂岩一般缩径而泥岩扩径。因此在砂岩层顶部 （井眼扩大段的下界面）出现时差减小的尖峰， 在砂岩底界面（井眼扩大段的上界面）出现时 差增大的尖峰。

2、地层厚度的影响

（1）深度偏差

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图2-6、井径变化对声波时差的影