[科普中国]-声波测井

原理

将一个受控声波振源放入井中,声源发出的声波引起周围质点的振动,在地层中产生体波即纵波和横波,在井壁一钻井液界面上产生诱导的界面波即伪瑞利波和斯通莱波。这些波作为地层信息的载体,被井下接收器接收,送至地面的记录下来,就是声波测井。接收器、声源统称为声系,根据声系排列及尺寸的不同,声波测井仪可分为补偿测井仪(BHC)、长源距声波测井仪( LSS)和阵列声波测井仪。声波在井内地层中传播由于地层岩石成分、结构、孔隙中流体成分的变化其波的速度、幅度甚至频率都会发生变化。只记录声波速度变化的称为声速测井(AC),而记录声幅度变化的则称为声幅测井。声波速度测井中短源声系仅记录纵波(即首波)传播时差,长源距声系可记录下纵波、横波、伪瑞利波、斯通莱波等各种波列的传播时差,所以又称为全波声波测井,而阵列声波仪由于声系复杂既可以记录纵波声速,又可以记录全波列声速,还可以记录声幅。1

分类声波测井分为声速测井和声幅测井。声速测井测量地层声波速度。地层声波速度跟地层的岩性、孔隙度以及孔隙流体性质等因素有关。根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性即孔隙流体性质。

声波速度测井简称声速测井，它记录的是声波通过1米岩层所需的时间，测量地层滑行波的时差△t(地层纵波速度的倒数)。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。2

声波测井方法1.补偿声波测井仪(BHC)

补偿声波测井仪(BHC)的声系如图所示。是用两个发射器和两个接收器组成的特殊类型的声波速度测井仪,普通的声速测井仪只有一个发射器和两个接收器。它的测量结果受井径变化和仪器相对于井轴倾斜的影响。当仪器的问距与源距固定时,它对于发射器在接收器之上和发射器在接收器之下的测量结果的影响正好相反。井眼补偿声波测井仪是把这两种情况结合起来消除井径变化和仪器倾斜影响的仪器。

补偿声波测井可消除井径变化(垮塌、溶洞及工程原因)对测量结果的影响。使用井眼补偿声波测井,求取纵波速度,从而确定岩性和岩石孔隙度，但由于这些方法的探测深度较浅，受井眼环境及侵入带影响较大,为此提出了长源距声波测井和阵列声波测井。

2.长源距声波测井

长源距声波测井是继井眼补偿声波测井仪之后出现的一种声波测井仪。它具有前者井眼补偿的相同特点，同时由于源距较长使波列中各种成分的波更易于划分、有利于充分利用声波测井的各种信息，并且由于探测深度较大，结果受井壁影响较小。长源距声波测井仪有两个接收器（R、R2）和两个发射器（T1、T2）。测量是在两个位置上进行的，在第一个位置时，发射器T1（或T2）发射、在顶部两个接收器测最时差；当仪器提到两个发射器和第一个位置时两个接收器位置接近时，两个发射器发射，R2（或R1）记录。第一个位置记录的结果由地面仪器存贮起来，等第二个位置记录之后，由仪器自动计算并输出经过井眼补偿的声波时差。

3.阵列声波测井阵列声波测井

现代声波测井仪普遍采用多个传感器，构成所谓阵列声波测井仪，如阿特拉斯公司的DAC、MAC和斯仑贝谢公司的DSl等。通过记录多条曲线进行相关和叠加处理，可以有效地压制干扰，准确提取纵波、横波和斯通利波的各种信息。由于接收器的间距较小，能满足薄层研究的需要。

阵列声波测井的声系如图所示,在声系的下部是两个压电陶瓷发射器,间距2ft(61cm),发射器带宽为5~18kHZ。声系的上部有8 个压电陶瓷接收器,每个接收器之间的距离为6in (15.2cm),这组接收器用于阵列声波测井。第一个接收器与上发射器之间的源距为8ft,与下发射器之间的距离为10ft,第一个接收器与第五个接收器间的距离为2ft,这样的声系可组成源距分别为8ft 和10ft 的长源距声波测井。

在声系的中部有两个间距为2ft 的接收器，它们与上、下发射器组成以源距分别为5ft 和7ft的标准井眼补偿测井，可用于裸眼井测量；在下套管井中可用源距为3ft 的声系进行水泥胶结测井(CBL),用源距为5ft 的声系进行变密度测井(VDL),这两种测量结果可用于检查水泥固结质量。在仪器的最顶部是用于测量井内流体声速的测量系统,发射器与接收器相距很近,测井时可连续测量中流体的声波速度。

4.偶极子阵列声波测井

是将普通声波测井仪的单极子技术同偶极子技术有机的组合在一起，其最大优势是在地层横波速度低于井内流体声速时的松软地层，同样可以获得准确的纵波、横波、斯通利波的时差及各类波形在不同接收器上的幅度、衰减系数等参数，同偶极子阵列声波相比交叉偶极子阵列声波测井还可以提供地层横波各向异性的大小和方向，对上述结果进行综合分析，可协助常规测井资料有效地对储层进行评价。此外，在计算岩石力学参数、工程应力参数、评估井眼稳定性方面都有其独特的功效。

5.超声波成像测井

采用旋转式超换能，对井眼四周进行扫描，并记录回波波形。岩石声阻抗的变化会引起回波幅度的变化，井径的变化会引起间波传播时间的变化。将测量的反射波幅度和传播时间按井眼内360度方位显示成图像，就可对整个井壁进行高分辨率成像，由此可以观察井下岩性及几何界面的变化。1

声波曲线的影响因素1、岩石的矿物成分不同，是造成岩石声速差异的主要原因，即岩性是造成岩石声速的主要因素。

2、孔隙性岩层的声速要比相同岩性非孔隙性致密岩层的声速低。

3、孔隙度相同的砂岩，其含水时声速远高于含油时的声速，而且砂岩孔隙度越大，砂岩骨架声速越高，孔隙相同的含水砂岩和含油砂岩的声速差异越明显，含气砂岩声波时差最大。

4、埋藏深度对声速也是有影响的，随深度的增加，岩层所受的上腹地层压力增加，使岩石的颗粒密度、弹性模量以及孔隙中流体密度、弹性参数都会发生变化，更主要的是，岩层孔隙度随上覆岩层深度的增加而又规律减小，这就使岩层声速增加，即相同岩性的地层的声波时差减小。2

声波测井曲线的应用1、划分地层

由于不同地层具有不同的声波速度，所以根据声波时差曲线可以划分不同岩性地层，砂泥岩剖岩中砂岩声波速度大，时差小；泥岩声波速度小；在碳酸盐岩剖面中致密灰岩和白云岩时差低，含泥质时时差增大，若有裂缝和孔隙时声波时差明显增大。砂岩55.5 us/ft(182us/m)、灰岩为47us/ft(155us/m),白云岩43us/ft(141us/m),淡水为189us/ft(620us/m)。

2、确定岩石孔隙度

3、识别气层和裂缝

声波测井曲线表现为时差值急剧增大，增大的数值是按声波信号的周期（50微秒左右）成倍增加，这种现象称为“周波跳跃”。“周波跳跃”可以作为裂缝层段或储集层中含气的特征标志。

（1） 时差一般性增大，一般可以认为同类地层中孔隙度更发育一些。但如果有产气或裂缝的地质依据，也可以判断为有气或有裂缝带。

（2） 如果时差明显增大或有周波跳跃，当地质上可能含气，并且电阻率测井以明显高电阻率显示证明地层含油气时，可以判断为气层；当地质上不可能含气时，可以判断为裂缝异常发育；如果本地层存在裂缝发育的气层，也应从电阻率测井等资料证实。

（3） 井眼严重扩大的岩盐层或泥浆严重混气的井段，也可能产生时差明显增大或周波跳跃。1