1聲波測井課物理基礎(chǔ)

1、 聲波測井方法和應用聲波測井方法和應用主講人：章成廣長江大學地球物理與資源學院諸諸 論論一、什么是聲波測井一、什么是聲波測井1、介質(zhì)、介質(zhì)在流體中傳播的波稱聲波，在彈在流體中傳播的波稱聲波，在彈性介質(zhì)中傳播的波為彈性波性介質(zhì)中傳播的波為彈性波機械振動波。機械振動波。2、頻率、頻率2020000hz，次聲波、聲波、超，次聲波、聲波、超聲波，特超聲聲波，特超聲0.5ghz。3、波的特性、波的特性體波（縱波、橫波），界面體波（縱波、橫波），界面波（全反射波：偽瑞利波、斯通利波）波（全反射波：偽瑞利波、斯通利波）根據(jù)聲波（或彈性波）在介質(zhì)中傳播根據(jù)聲波（或彈性波）在介質(zhì)中傳播原理，在井中測量聲波傳播速

2、度、幅度原理，在井中測量聲波傳播速度、幅度（衰減）等特性，以確定地層特性的測井（衰減）等特性，以確定地層特性的測井方法方法二、目的應用二、目的應用1、確定孔隙度、確定孔隙度時差時差2、識別巖性、識別巖性時差、幅度衰減時差、幅度衰減3、油氣識別、油氣識別時差、幅度衰減、時差、幅度衰減、vp/vs4、裂縫識別（或滲透性）、裂縫識別（或滲透性）低頻斯通利波、低頻斯通利波、波形、幅度衰減波形、幅度衰減5、固井質(zhì)量、鉆井工程（彈性系數(shù)、地層、固井質(zhì)量、鉆井工程（彈性系數(shù)、地層壓力、破裂壓力）、采油開發(fā)（彈性系數(shù)、壓力、破裂壓力）、采油開發(fā)（彈性系數(shù)、巖石強度、出砂指數(shù)）巖石強度、出砂指數(shù)）6、地震標定、

3、構(gòu)造確定、工程物探、地震標定、構(gòu)造確定、工程物探諸諸 論論三、聲波測井發(fā)展三、聲波測井發(fā)展聲波測井聲波測井40年代末年代末50年代出現(xiàn)，先后出現(xiàn)有：聲速測井、年代出現(xiàn)，先后出現(xiàn)有：聲速測井、聲幅測井、井下電視、長源距聲波、偶極子及多極子橫聲幅測井、井下電視、長源距聲波、偶極子及多極子橫波測井、陣列聲波測井等波測井、陣列聲波測井等模擬信號模擬信號數(shù)字數(shù)字成像，數(shù)字化成像，數(shù)字化信息化信息化成像化成像化系系列化列化諸諸 論論聲幅測井(acoustic amplitude well-logging) 聲速測井(acoustic velocity well-logging) 聲波全波列測井（聲波全波列

4、測井（acoustic full waveform logging） 三、聲波測井發(fā)展三、聲波測井發(fā)展幾個代表的發(fā)展階段：幾個代表的發(fā)展階段：1. wyllei (1956) 時間平均公式提出時間平均公式提出;2. 70年代末長源距聲波全波列測井出現(xiàn)年代末長源距聲波全波列測井出現(xiàn);3. 80年代中期陣列聲波測井出現(xiàn)年代中期陣列聲波測井出現(xiàn);4. 90年代末偶極子及多極子橫波測井出現(xiàn)年代末偶極子及多極子橫波測井出現(xiàn);5. 井下聲幅電視出現(xiàn)及井周聲波成像方法的完善井下聲幅電視出現(xiàn)及井周聲波成像方法的完善.諸諸 論論特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解決地下地質(zhì)構(gòu)特別是聲波測井與地震資料結(jié)合，在解決地

5、下地質(zhì)構(gòu)造、判斷巖性、識別壓力異常層位、探測和評價裂縫、造、判斷巖性、識別壓力異常層位、探測和評價裂縫、判斷儲集層中流體的性質(zhì)等方面起著重要作用，使聲判斷儲集層中流體的性質(zhì)等方面起著重要作用，使聲波測井成為結(jié)合測井和物探的紐帶，并有著良好的發(fā)波測井成為結(jié)合測井和物探的紐帶，并有著良好的發(fā)展前景。展前景。三、聲波測井發(fā)展三、聲波測井發(fā)展 從聲波測井發(fā)展特點來看，儀器的研制略超從聲波測井發(fā)展特點來看，儀器的研制略超過方法理論的完善，即大致在理論方法指導下研過方法理論的完善，即大致在理論方法指導下研制成功儀器，在測井資料前提下使方法完善。制成功儀器，在測井資料前提下使方法完善。 聲波測井理論聲波測井

6、理論70年代末發(fā)展起來（年代末發(fā)展起來（52年年biot） 彈性、孔隙介質(zhì)、層狀（橫向）同性彈性、孔隙介質(zhì)、層狀（橫向）同性 從幾何聲學從幾何聲學理論聲學（波動理論），通過理論聲學（波動理論），通過數(shù)學分析、數(shù)值模擬、實驗測量使聲波測井理論數(shù)學分析、數(shù)值模擬、實驗測量使聲波測井理論得到完善。得到完善。諸諸 論論幾個重要的研究方向幾個重要的研究方向：1.井中波形理論數(shù)值模擬井中波形理論數(shù)值模擬2.聲波全波列信息提取及解釋評價聲波全波列信息提取及解釋評價3.孔隙介質(zhì)聲學及聲波測井資料的地質(zhì)孔隙介質(zhì)聲學及聲波測井資料的地質(zhì)解釋研究解釋研究4.聲脈沖發(fā)射成像測井及水泥膠結(jié)測井聲脈沖發(fā)射成像測井及水泥膠

7、結(jié)測井方法研究方法研究5.偶極子及多極子橫波測井研究偶極子及多極子橫波測井研究6.井間聲波探測井及振電效應探測技術(shù)井間聲波探測井及振電效應探測技術(shù)研究研究諸諸 論論面臨問題及發(fā)展趨勢面臨問題及發(fā)展趨勢 1.對儲層的認識及地層的聲學模型對儲層的認識及地層的聲學模型2.反演問題多解性反演問題多解性地質(zhì)約束、物理約束地質(zhì)約束、物理約束3.服務對象擴大（儲層服務對象擴大（儲層非儲層）非儲層）4.聯(lián)合反演聯(lián)合反演( (地質(zhì)、地震、其它測井結(jié)合）地質(zhì)、地震、其它測井結(jié)合）5. 聲頻譜測井（頻率譜、幅度、應力場）聲頻譜測井（頻率譜、幅度、應力場）6.工程物探、生態(tài)環(huán)境工程物探、生態(tài)環(huán)境波的正確認識（巖石物理

8、、波動理論）波的正確認識（巖石物理、波動理論）信息提取（數(shù)字信號處理）信息提?。〝?shù)字信號處理）解釋模型解釋模型（地質(zhì)）（地質(zhì)）諸諸 論論教材與參考資料教材與參考資料 教材教材：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應用：聲波測井理論基礎(chǔ)及其應用參考資料參考資料：1、聲波測井原理、聲波測井原理-石油工業(yè)出版社石油工業(yè)出版社-楚澤涵楚澤涵2、聲波測井、聲波測井-石油工業(yè)出版社石油工業(yè)出版社-spwl專題選輯專題選輯3、acoustic wave in borehores-f.l.paillet, c.h.cheng4、套管井測井解釋原理與應用、套管井測井解釋原理與應用-石油工業(yè)出版社石油工業(yè)出版社5、定量測井聲學、

9、定量測井聲學 唐曉明唐曉明 鄭傳漢鄭傳漢 6、 “測井技術(shù)測井技術(shù)”雜志雜志諸諸 論論第一章第一章 聲波測井聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ) 聲波或彈性波是指彈性介質(zhì)中傳播的壓強、應力、質(zhì)點位移、聲波或彈性波是指彈性介質(zhì)中傳播的壓強、應力、質(zhì)點位移、質(zhì)點速度等的變化或幾種變化的綜合質(zhì)點速度等的變化或幾種變化的綜合。聲波是物質(zhì)的一種運動形式，。聲波是物質(zhì)的一種運動形式，它由物質(zhì)的機械振動產(chǎn)生，通過質(zhì)點間的相互作用將振動由近及遠的它由物質(zhì)的機械振動產(chǎn)生，通過質(zhì)點間的相互作用將振動由近及遠的傳播，而質(zhì)點與質(zhì)點之間有彈性并且相互聯(lián)系，所以聲波在物質(zhì)中的傳播，而質(zhì)點與質(zhì)點之間有彈性并且相互聯(lián)系，所以聲波在物質(zhì)

10、中的傳播與物質(zhì)的彈性密切相關(guān)傳播與物質(zhì)的彈性密切相關(guān) 第一節(jié)第一節(jié) 聲波與聲場聲波與聲場聲波測井發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，聲波測井發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以對聲波測井來講，巖石可看作彈性體。因此研究聲波所以對聲波測井來講，巖石可看作彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可以在巖石中的傳播規(guī)律，可以應用彈性波應用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。律。 聲波參數(shù)聲波參數(shù): 頻率頻率(f) 、周期、周期(t)、速度、速度、 波長（波長（ =c.t)、波數(shù)（、波數(shù)（2 / = /c） 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲

11、場的基本物理量聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量 聲場聲場是指介質(zhì)中有聲波傳播的區(qū)域。描述聲場的基本是指介質(zhì)中有聲波傳播的區(qū)域。描述聲場的基本 物理量一般有聲波速度、聲壓、聲功率、聲強等。物理量一般有聲波速度、聲壓、聲功率、聲強等。壓力或壓強聲波在聲波在某一單位某一單位時間內(nèi)，沿其傳播方向通過波陣時間內(nèi)，沿其傳播方向通過波陣面所傳遞的能量稱為面所傳遞的能量稱為聲功率聲功率; 單位面積單位面積上聲功率的大上聲功率的大小稱為小稱為聲強聲強 。1fpssdppf)(2sdpsdpppsfff)(21dtdvsdrsdp 為質(zhì)點振動速度為質(zhì)點振動速度 v01vdtdrdpv)/(0crtiepp振動

12、過程要比聲源滯后振動過程要比聲源滯后 cr/牛頓第二定律：牛頓第二定律： 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量聲場的基本概念與描述聲場的基本物理量 c稱之為波阻抗或聲阻抗，通常以稱之為波阻抗或聲阻抗，通常以z表示表示 )/(01crtiecipdrdppcv1相對于歐姆定律相對于歐姆定律wf dxpsjvpvssdts聲強：聲強：zpcpcpppvj22聲場中，單位體積內(nèi)的聲能量稱為聲能量密度聲場中，單位體積內(nèi)的聲能量稱為聲能量密度 jc222/cpccpcj第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第二節(jié)第二節(jié) 巖石的彈性與彈性系數(shù)巖石的彈性

13、與彈性系數(shù)聲波測井中聲波的傳播介質(zhì)是巖石，而影響聲波在巖石中傳播的主聲波測井中聲波的傳播介質(zhì)是巖石，而影響聲波在巖石中傳播的主要因素是巖石的巖性及其它的物理、化學性質(zhì)要因素是巖石的巖性及其它的物理、化學性質(zhì) 。什么是彈性、塑性介質(zhì)？什么是彈性、塑性介質(zhì)？理想彈性體的基本特征理想彈性體的基本特征: 0abcdeqp r硬化硬化彈性彈性軟化軟化破裂破裂1、物體是連續(xù)；、物體是連續(xù)；2、物體是均勻的、物體是均勻的 ；3、物體是各向同性的；物體是各向同性的；4、物體是完全彈性的、物體是完全彈性的 。 應力應力-應變關(guān)系是線性的，服從廣義虎克（應變關(guān)系是線性的，服從廣義虎克（hooke）定律定律 。地球

14、物理學研究的對象是地殼中各種不同地質(zhì)年代、由不同成分礦物組成、地球物理學研究的對象是地殼中各種不同地質(zhì)年代、由不同成分礦物組成、結(jié)構(gòu)各異的巖石。顯然，地下巖石并非理想彈性體結(jié)構(gòu)各異的巖石。顯然，地下巖石并非理想彈性體。 1、孔隙和裂縫，并不是連續(xù)介質(zhì)；、孔隙和裂縫，并不是連續(xù)介質(zhì)；2、固體與流體相對滑動、固體與流體相對滑動 。 對于聲波測井，由于發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以在聲波對于聲波測井，由于發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時間也短，所以在聲波測井中，巖石可看作彈性體測井中，巖石可看作彈性體近似彈性體。因此研究聲波在巖石中的傳播規(guī)律，可近似彈性體。因此研究聲波在巖石中

15、的傳播規(guī)律，可以應用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律以應用彈性波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律 。xyxyzxzxyzyzzzzzyyyyxxxxetetetetetet222第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)巖石應力巖石應力-應變、彈性系數(shù)應變、彈性系數(shù)應變應變：單位長度所產(chǎn)生的形變：單位長度所產(chǎn)生的形變 , ,應變包括角應變、體應變、線應變?nèi)N。應變包括角應變、體應變、線應變?nèi)N。ll/應力：應力：單位橫截面所產(chǎn)生的內(nèi)聚力單位橫截面所產(chǎn)生的內(nèi)聚力sf /它是在彈性體內(nèi)部發(fā)生形變的體積元和相鄰的體積元之間相互作用的量度，它是在彈性體內(nèi)部發(fā)生形變的體積元和相鄰的體積元之間相互作用的量度，是彈性體反抗是

16、彈性體反抗 使其發(fā)生形變的外力而產(chǎn)生的內(nèi)力。使其發(fā)生形變的外力而產(chǎn)生的內(nèi)力。用彈性系數(shù)來確定彈性介質(zhì)的彈性性質(zhì)楊氏模量用彈性系數(shù)來確定彈性介質(zhì)的彈性性質(zhì)楊氏模量(e)、剪切模量、剪切模量(g)、體、體積彈性模量積彈性模量k、泊松比、泊松比 、密度、密度 、拉梅系數(shù)、拉梅系數(shù) 。 楊氏模量楊氏模量又可以稱為拉伸模量和縱向伸長系數(shù)，一般用又可以稱為拉伸模量和縱向伸長系數(shù)，一般用e表示。在線性彈性形變表示。在線性彈性形變區(qū)區(qū),應力與應變的比值稱為楊氏模量。應力與應變的比值稱為楊氏模量。 剪切模量剪切模量又可以稱為切變模量和剛性模量，一般用又可以稱為切變模量和剛性模量，一般用g表示。指彈性體在發(fā)生表示

17、。指彈性體在發(fā)生單位角應變時所需的剪切應力的大小單位角應變時所需的剪切應力的大小 。（流體中流體中g(shù)=0）體積彈性模量體積彈性模量又稱體積壓縮模量，一般用又稱體積壓縮模量，一般用k表示，指彈性體受均勻靜壓力時，靜表示，指彈性體受均勻靜壓力時，靜壓力與體應變的比值。壓力與體應變的比值。yxbacdcdab x 1 2第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)巖石應力巖石應力-應變、彈性系數(shù)應變、彈性系數(shù) 泊松比泊松比一般用一般用 表示，表征彈性材料變形時橫向縮短和縱向伸長的比值。表示，表征彈性材料變形時橫向縮短和縱向伸長的比值。 巖石的密度巖石的密度定義為單位體積巖石的質(zhì)量，一般用定義為單位

18、體積巖石的質(zhì)量，一般用 表示表示 。23kg表征應力和應變方向一致和互相垂直的兩個系數(shù)稱為表征應力和應變方向一致和互相垂直的兩個系數(shù)稱為拉梅系數(shù)拉梅系數(shù) 。=g 一些巖石和介質(zhì)的與彈性性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)一些巖石和介質(zhì)的與彈性性質(zhì)有關(guān)的參數(shù) 參數(shù)參數(shù)介質(zhì)介質(zhì)楊氏模量楊氏模量e e體積模量體積模量k切變模量切變模量g拉梅系數(shù)拉梅系數(shù) 泊松比泊松比 密度密度 10104 4mpag/cm3鋼鋼鋁鋁玻璃玻璃花崗巖花崗巖石灰?guī)r石灰?guī)r砂巖砂巖頁巖頁巖20207 77 77 75.55.54.54.53 317177.57.55 53 33.53.53 32 28 82.62.63 32 22 21.51.51

19、 111115.55.53 32.52.53.53.52.52.51 10.300.300.350.350.250.250.250.250.20-0.320.20-0.320.23-0.280.23-0.280.22-0.400.22-0.407.707.702.702.702.552.552.672.672.652.652.452.452.352.35fma)1 (第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)巖石應力巖石應力-應變、彈性系數(shù)應變、彈性系數(shù)彈性常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系表彈性常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系表 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的聲波速度與影響因素巖石

20、的聲波速度與影響因素聲波速度聲波速度 2pvsv2spvvr21)1 (2r泊松比的取植范圍為泊松比的取植范圍為00.5，r顯然總是大于顯然總是大于1，可見縱波速度總是大于，可見縱波速度總是大于橫波速度。對自然界中常見的巖石來說，橫波速度。對自然界中常見的巖石來說， =0.25，這樣可以得到，這樣可以得到: r=1.73。理想流體中不存在切應變，即，所以理想流體中無橫波存在，只有縱理想流體中不存在切應變，即，所以理想流體中無橫波存在，只有縱波。波。一、影響巖石聲波速度的因素一、影響巖石聲波速度的因素: 1. 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第一章聲波測井第一章聲波測井-物理

21、基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的聲波速度與影響因素巖石的聲波速度與影響因素不同巖性礦物的聲波速度不同巖性礦物的聲波速度 巖石、礦物巖石、礦物 ，103kg/m3e，109n/m2 vp，m/s玄武巖玄武巖2.722.7268.568.50.3060.30659305930石灰?guī)r石灰?guī)r2.702.7057.957.90.3130.31361306130石膏石膏2.232.2335.335.30.3380.33847904790石英石英2.652.6575750.170.1753705370頁巖頁巖2.252.2524392439灰質(zhì)含量（灰質(zhì)含量（% %）vp p，( (m/s) ) t，（，（

22、s/m) )小于小于5 5330033003003005-205-20330033003630363030030027527520-2520-253570357037003700280280270270不同灰質(zhì)膠結(jié)物砂巖聲速（勝利油田）不同灰質(zhì)膠結(jié)物砂巖聲速（勝利油田） 1. 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第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的聲波速度與影響因素巖石的聲波速度與影響因素2. 孔隙和流體性質(zhì)對聲波速度的影響孔隙和流體性質(zhì)對聲波速度的影響fmapvvv11, vp3. 壓力對聲波速度的影響壓力對聲波速度的影響 經(jīng)分析壓力對聲速的影響

23、可達經(jīng)分析壓力對聲速的影響可達35%以上以上 4. 溫度對聲波速度的影響溫度對聲波速度的影響溫度由溫度由25變到變到120，波速減小最大的為，波速減小最大的為8.21%，最小的為，最小的為1.12%，平均誤差不到，平均誤差不到3.5%，因此相對壓力而言，認為溫度對巖心聲速的影因此相對壓力而言，認為溫度對巖心聲速的影響可以忽略響可以忽略 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 巖石的聲波速度與影響因素巖石的聲波速度與影響因素5. 巖石生成的地質(zhì)條件對聲波速度的影響巖石生成的地質(zhì)條件對聲波速度的影響不同的泥巖地層的聲速（前蘇聯(lián)）不同的泥巖地層的聲速（前蘇聯(lián)）地質(zhì)年代地質(zhì)年代巖性

24、巖性聲速聲速v vp p (m/s) (m/s)新第三系新第三系泥巖泥巖1600160017001700上白堊系上白堊系泥巖泥巖1900190020002000下白堊系下白堊系泥巖泥巖2000200024002400中下侏羅系及二迭系、三迭系中下侏羅系及二迭系、三迭系泥巖泥巖25002500300030006. 埋藏深度對巖層速度的影響埋藏深度對巖層速度的影響例如江漢油田，深度為例如江漢油田，深度為1500m處的典型砂巖，聲波時差值為處的典型砂巖，聲波時差值為295 s/m；當深度；當深度增至增至3300m時，典型砂巖的聲波時差減小到時，典型砂巖的聲波時差減小到235 s/m 。 此外，巖層速

25、度與構(gòu)造上的位置、斷層特性有關(guān)。巖性相同并屬于同一地質(zhì)此外，巖層速度與構(gòu)造上的位置、斷層特性有關(guān)。巖性相同并屬于同一地質(zhì)年代的巖層，位于構(gòu)造頂部的聲速要大于構(gòu)造翼部的聲速。但頂部風化，年代的巖層，位于構(gòu)造頂部的聲速要大于構(gòu)造翼部的聲速。但頂部風化， vp 。第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第四節(jié)第四節(jié) 聲波在井中的反射和折射聲波在井中的反射和折射在聲波測井中，一般在作定性分析時，大多采用在聲波測井中，一般在作定性分析時，大多采用射線聲學理論射線聲學理論或或幾何聲幾何聲學學理論。射線聲學對于了解聲波在理論。射線聲學對于了解聲波在井內(nèi)傳播的路徑和走時是非常有用的井內(nèi)傳播的路徑和走時是

26、非常有用的。但是，但是，射線聲學理論是波動理論的一種近似，聲波波長與模型的幾何尺射線聲學理論是波動理論的一種近似，聲波波長與模型的幾何尺寸相比非常小時才適用。寸相比非常小時才適用。在實際聲波測井中，當聲源的發(fā)射主頻為在實際聲波測井中，當聲源的發(fā)射主頻為20khz時或更低時，如果井內(nèi)流體的波速為時或更低時，如果井內(nèi)流體的波速為1500m/s,那么此時聲波的最小那么此時聲波的最小波長為波長為0.075m,而井半徑一般為而井半徑一般為0.1m。由此可見，射線理論并不能完全適。由此可見，射線理論并不能完全適用于聲波測井，因而也不能完全解釋井內(nèi)所傳播的所有波型。用于聲波測井，因而也不能完全解釋井內(nèi)所傳播

27、的所有波型。 1費爾馬原理：費爾馬原理：任意兩點的傳播路徑滿足所用時間最小的傳播條件。任意兩點的傳播路徑滿足所用時間最小的傳播條件。 2惠更斯原理：惠更斯原理：介質(zhì)中波所傳播到的各點都可以看成新的子波源，子波介質(zhì)中波所傳播到的各點都可以看成新的子波源，子波是以所在介質(zhì)的聲波速度傳播的，新的波前就是由這些子波相互疊加而是以所在介質(zhì)的聲波速度傳播的，新的波前就是由這些子波相互疊加而形成的，這些子波所形成的包絡決定了新的波前。形成的，這些子波所形成的包絡決定了新的波前。 3. 斯奈爾（斯奈爾（snell）定律：）定律：入射波、反射波和透射波沿分界面視速度相等。入射波、反射波和透射波沿分界面視速度相等

28、。 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第四節(jié)第四節(jié) 聲波在井中的反射和折射聲波在井中的反射和折射一、聲波在井壁上的反射與折射一、聲波在井壁上的反射與折射 vvvvsscp2211sinsinsin速度大速度大,角度大角度大221122112221122112)coscos(coscos4coscoscoscoscccczzzzzzzz不考慮聲波傳播過程的各種衰減的情況下，不考慮聲波傳播過程的各種衰減的情況下，聲波發(fā)生反射和折射能量的分配取決于泥聲波發(fā)生反射和折射能量的分配取決于泥漿和井壁兩種介質(zhì)的聲阻抗值大小以及入漿和井壁兩種介質(zhì)的聲阻抗值大小以及入射角和折射角的關(guān)系。射角和折射角

29、的關(guān)系。當不考慮折射橫波當不考慮折射橫波時時，能流（功率）反射系數(shù)和折射系數(shù)可，能流（功率）反射系數(shù)和折射系數(shù)可表示為表示為聲波垂直井壁入射聲波垂直井壁入射 2121221212)(4zzzzzzzz反射系數(shù)反射系數(shù):折射折射(或透射或透射)系數(shù)系數(shù):1、z2 z1同相位同相位2、z20.825m時時,在整個地層剖面在整個地層剖面,接收接收的首波總是來自沿井壁巖層傳播的的首波總是來自沿井壁巖層傳播的滑滑行縱波。行縱波。目前國產(chǎn)儀器源距為目前國產(chǎn)儀器源距為1米米一般儀器的外殼是鋼管，通過刻槽方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(jīng)多次反法消除來自鋼管的直達波，經(jīng)多次反射使能量

30、急劇衰減。射使能量急劇衰減。內(nèi)部用橡膠內(nèi)部用橡膠作業(yè)題作業(yè)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，并推導是否可作為次首波，并推導?2.在慢速地層中（在慢速地層中（vsac,這說明傳播這說明傳播t時刻后時刻后,雖然它們的傳播距雖然它們的傳播距離不同離不同,但在但在bc上各點的相位是相同的上各點的相位是相同的 ，bc繞井軸旋轉(zhuǎn)繞井軸旋轉(zhuǎn)的圓錐面表示了滑行波的波陣面的圓錐面表示了滑行波的波陣面 圓錐面的波陣面圓錐面的波陣面 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)一、波前擴展造成的聲能衰減一、波前擴展造成的聲能衰減幾何擴散幾何擴散第一章聲波測井第一章聲波

31、測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 聲波在傳播過程中能量衰減聲波在傳播過程中能量衰減若聲源發(fā)出的總功率為若聲源發(fā)出的總功率為w，則由聲強的定義有，則由聲強的定義有 24)(rwrj球面波球面波二、聲波在介質(zhì)中的吸收造成的衰減二、聲波在介質(zhì)中的吸收造成的衰減這種由于波陣面的幾何擴展而造成的聲強（能量）隨傳播距這種由于波陣面的幾何擴展而造成的聲強（能量）隨傳播距離增加而減弱的現(xiàn)象，習慣上稱為聲波的離增加而減弱的現(xiàn)象，習慣上稱為聲波的幾何衰減幾何衰減 介質(zhì)對聲波介質(zhì)對聲波dp的吸收與聲波在介質(zhì)中的傳播距離的吸收與聲波在介質(zhì)中的傳播距離dl成正比，成正比，定義定義 為介質(zhì)對聲波的吸收系數(shù)，設聲波以平面

32、波形式傳播了為介質(zhì)對聲波的吸收系數(shù)，設聲波以平面波形式傳播了dl距離后，聲壓降低了距離后，聲壓降低了 dpdppdldlp 或者 laeplepp0當 時l=0，p=p0lejj20jjl0lg10cpj200三、井下聲波的衰減三、井下聲波的衰減第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 聲波在傳播過程中能量衰減聲波在傳播過程中能量衰減聲波測井所用聲源的幾何形狀一般是有限長的圓管狀，對接收的信聲波測井所用聲源的幾何形狀一般是有限長的圓管狀，對接收的信號有貢獻的部分，把探頭可以看成是某點等效聲中心（點聲源）發(fā)號有貢獻的部分，把探頭可以看成是某點等效聲中心（點聲源）發(fā)出的出的 等效

33、球等效球 面波面波在井壁附近，沿與井壁法線成在井壁附近，沿與井壁法線成角的方向上，若傳播距離為角的方向上，若傳播距離為l l ，此點的聲強此點的聲強 lelwlj224)()(平面波、柱面波（平面波、柱面波（1/ l）、球）、球面波面波在井眼中，聲信號強度的衰減嚴重受聲波在傳播過程中波陣面的幾何擴展在井眼中，聲信號強度的衰減嚴重受聲波在傳播過程中波陣面的幾何擴展的影響。在不考慮介質(zhì)對聲波的吸收的前提下，的影響。在不考慮介質(zhì)對聲波的吸收的前提下，若從探頭到井壁，聲波傳若從探頭到井壁，聲波傳播的距離增加一倍時，則到達井壁時，聲波信號的強度減小播的距離增加一倍時，則到達井壁時，聲波信號的強度減小4倍

34、倍。此時，。此時，由于波陣面擴展引起的能量分散是不能忽略的。由于波陣面擴展引起的能量分散是不能忽略的。 四、泥漿對超聲的衰減四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 聲波在傳播過程中能量衰減聲波在傳播過程中能量衰減泥漿對超聲的衰減包括吸收衰減和固相顆粒散射衰減兩部分泥漿對超聲的衰減包括吸收衰減和固相顆粒散射衰減兩部分 1泥漿對超聲的吸收衰減泥漿對超聲的吸收衰減 ：主要有泥漿的粘滯、熱傳導以及泥漿的微觀主要有泥漿的粘滯、熱傳導以及泥漿的微觀過程引起的弛豫效應。過程引起的弛豫效應。a粘滯吸收粘滯吸收(泥漿內(nèi)摩擦泥漿內(nèi)摩擦)系數(shù)系數(shù): 超聲在泥漿中傳播由于泥漿內(nèi)

35、摩擦作用，造超聲在泥漿中傳播由于泥漿內(nèi)摩擦作用，造成泥漿對超聲的吸收成泥漿對超聲的吸收 水及與水相近的液體介質(zhì)水及與水相近的液體介質(zhì) 3232ffv對于清水泥漿，當聲發(fā)射頻率對于清水泥漿，當聲發(fā)射頻率20khz 時，時，聲吸收系數(shù)聲吸收系數(shù)4.710-6（m-1），若不考慮），若不考慮聲能的幾何擴散，聲傳播距離聲能的幾何擴散，聲傳播距離1km時時 ,聲聲強減小的相對變化不到強減小的相對變化不到1% 。0094. 10jjlejj200094. 000jjjj當聲發(fā)射頻率當聲發(fā)射頻率100khz 時，聲吸收系時，聲吸收系數(shù)數(shù)8.510-5（m-1），聲傳播距離），聲傳播距離1km時時 ,聲強減小

36、的相對變化聲強減小的相對變化15.6% 。當聲發(fā)射頻率當聲發(fā)射頻率2mhz 時，聲吸收系數(shù)時，聲吸收系數(shù)4.710-2（m-1），聲傳播距離），聲傳播距離1m時時 ,聲強減小的相對變化聲強減小的相對變化8.9% ?？珊雎钥珊雎圆豢珊雎圆豢珊雎运摹⒛酀{對超聲的衰減四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 聲波在傳播過程中能量衰減聲波在傳播過程中能量衰減1泥漿對超聲的吸收衰減泥漿對超聲的吸收衰減b熱傳吸收衰減系數(shù)熱傳吸收衰減系數(shù) :超聲在傳播過程中，引起泥漿壓縮和膨脹造成超聲在傳播過程中，引起泥漿壓縮和膨脹造成溫度變溫度變化化,一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，導致聲能的

37、耗散。一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，導致聲能的耗散。 pvffccvk1121322k為熱傳導系數(shù)為熱傳導系數(shù), cv、cp為定容和定壓熱容量為定容和定壓熱容量 除了極高溫情況外，熱傳導吸收系數(shù)比粘滯吸收系數(shù)小得多除了極高溫情況外，熱傳導吸收系數(shù)比粘滯吸收系數(shù)小得多 c馳豫吸收馳豫吸收 ：泥漿壓縮和膨脹過程中泥漿壓縮和膨脹過程中,伴有泥漿中伴有泥漿中分子的內(nèi)外自由度能量的分子的內(nèi)外自由度能量的重新分配過程重新分配過程(馳豫過程馳豫過程),這一過程需要一定時間這一過程需要一定時間(馳豫時間馳豫時間)，馳豫過程中，馳豫過程中有有規(guī)則的聲振動轉(zhuǎn)化為無規(guī)則熱運動規(guī)則的聲振動轉(zhuǎn)化為無規(guī)則熱運動的附加能量耗散。的

38、附加能量耗散。 2232312ffv 為低頻容變粘滯系數(shù)；為低頻容變粘滯系數(shù)； 是與馳豫時間有關(guān)系數(shù)是與馳豫時間有關(guān)系數(shù) 四、泥漿對超聲的衰減四、泥漿對超聲的衰減第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第五節(jié)第五節(jié) 聲波在傳播過程中能量衰減聲波在傳播過程中能量衰減2. 泥漿固相顆粒對超聲的散射衰減泥漿固相顆粒對超聲的散射衰減 1）散射衰減系數(shù)：）散射衰減系數(shù)：泥漿中含有固相顆粒（膨潤土、漂珠、硅藻土等），會引起一泥漿中含有固相顆粒（膨潤土、漂珠、硅藻土等），會引起一部分聲波散射，形成散射衰減。部分聲波散射，形成散射衰減。 假設固相顆粒為完全剛性的，半假設固相顆粒為完全剛性的，半徑遠小于聲

39、波長的小球徑遠小于聲波長的小球 navaf42498n為單位體積小球數(shù)（與密度為單位體積小球數(shù)（與密度有關(guān)）；有關(guān)）；a為固相顆粒半徑為固相顆粒半徑 膨潤土膨潤土=22.64710-6( -1)(cm-1),泥漿密度越大，散射衰減系數(shù)增加越快；在泥漿密度越大，散射衰減系數(shù)增加越快；在同樣泥漿密度下同樣泥漿密度下,顆粒半徑增大顆粒半徑增大n倍倍,顆粒數(shù)顆粒數(shù)n減少減少1/n3倍倍,則散射系數(shù)增大則散射系數(shù)增大 n3倍倍 2）泥漿添加劑對散射系數(shù)的影響：）泥漿添加劑對散射系數(shù)的影響： 防止高壓井噴，需要增加泥漿比重，防止高壓井噴，需要增加泥漿比重，a.增加固相含量（膨潤土、重晶石增加固相含量（膨潤

40、土、重晶石等）；等）；b.采用鹽水泥漿。采用鹽水泥漿。為了改善泥漿性能，還要加一些添加劑（鉆井粉、為了改善泥漿性能，還要加一些添加劑（鉆井粉、cmc、氫氧化鈉、鐵鉻鹽等）。、氫氧化鈉、鐵鉻鹽等）。一般采用低固相鹽水泥漿（對電阻率測井不利），加適當?shù)奶砑觿?，使固相顆粒一般采用低固相鹽水泥漿（對電阻率測井不利），加適當?shù)奶砑觿?，使固相顆粒少且呈分散體系，能減小散射系數(shù)少且呈分散體系，能減小散射系數(shù) 。另外，在非均勻介質(zhì)另外，在非均勻介質(zhì)(如巖石孔隙介質(zhì)如巖石孔隙介質(zhì))中中, 聲波傳播過程中的聲波傳播過程中的聲頻散聲頻散是不容忽視的現(xiàn)象。是不容忽視的現(xiàn)象。 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理

41、基礎(chǔ)第六節(jié)第六節(jié) 聲波測井換能器聲波測井換能器 聲波的兩種物理效應聲波的兩種物理效應磁致伸縮效應和壓電效應磁致伸縮效應和壓電效應。換能器是指。換能器是指將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，如從電能轉(zhuǎn)換為聲能、將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置，如從電能轉(zhuǎn)換為聲能、機械能轉(zhuǎn)換為聲能等等。一般稱用于發(fā)射聲能的換能器叫做發(fā)射換能機械能轉(zhuǎn)換為聲能等等。一般稱用于發(fā)射聲能的換能器叫做發(fā)射換能器或發(fā)射探頭，稱接收用的換能器叫做接收換能器或接收探頭。器或發(fā)射探頭，稱接收用的換能器叫做接收換能器或接收探頭。 一、換能器的概念與要求一、換能器的概念與要求1）有足夠的聲功率（對發(fā)射探頭而言），發(fā)射信號有足

42、夠大的幅度才能）有足夠的聲功率（對發(fā)射探頭而言），發(fā)射信號有足夠大的幅度才能到達接收器而被記錄到達接收器而被記錄 。2）發(fā)射頻率既要滿足劃分地層的分辨率要求，又要避免聲信號衰減過大）發(fā)射頻率既要滿足劃分地層的分辨率要求，又要避免聲信號衰減過大所出現(xiàn)的問題。所出現(xiàn)的問題。3）聲波換能器還必需具有一定的方向性，以有利于產(chǎn)生和接收滑行波。）聲波換能器還必需具有一定的方向性，以有利于產(chǎn)生和接收滑行波。對于一般的地層，第一臨界角在對于一般的地層，第一臨界角在13 63之間，因此對聲波的指向角有一定之間，因此對聲波的指向角有一定的要求。的要求。4） 換能器應耐高溫和高壓。換能器應耐高溫和高壓。 （井下的溫

43、度可達井下的溫度可達150以上，壓力可能會超過以上，壓力可能會超過100mpa（兆帕）。（兆帕）。5）換能器還要有足夠的機械強度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、其性能穩(wěn)定，成）換能器還要有足夠的機械強度、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、其性能穩(wěn)定，成本低廉便于大量生產(chǎn)。本低廉便于大量生產(chǎn)。 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第六節(jié)第六節(jié) 聲波測井換能器聲波測井換能器1.磁致伸縮效應磁致伸縮效應二、磁致伸縮效應和壓電效應二、磁致伸縮效應和壓電效應當鐵磁性材料的磁狀態(tài)改變時，其尺寸也發(fā)生相應的改變。例如鐵磁材料做成當鐵磁性材料的磁狀態(tài)改變時，其尺寸也發(fā)生相應的改變。例如鐵磁材料做成的棒放在方向順著棒長的磁場內(nèi)，

44、其長度將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮的棒放在方向順著棒長的磁場內(nèi)，其長度將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應。效應。磁致伸縮效應是可逆的，即在對棒磁致伸縮效應是可逆的，即在對棒拉伸使之發(fā)生形變時，其磁化強度拉伸使之發(fā)生形變時，其磁化強度也發(fā)生變化，若在棒上繞以線圈，也發(fā)生變化，若在棒上繞以線圈，則線圈中產(chǎn)生感應電動勢。鐵、鈷、則線圈中產(chǎn)生感應電動勢。鐵、鈷、鎳這三種材料中，鎳的磁致伸縮效鎳這三種材料中，鎳的磁致伸縮效應最明顯應最明顯 。 將鐵磁性材料棒放入交變磁場中，在周期性的磁化作用下，其長度也將將鐵磁性材料棒放入交變磁場中，在周期性的磁化作用下，其長度也將周期性的發(fā)生改變。若交變電磁場的

45、頻率與棒的固有頻率相等時，棒將在交周期性的發(fā)生改變。若交變電磁場的頻率與棒的固有頻率相等時，棒將在交變電磁場的作用下，以其變電磁場的作用下，以其固有頻率振動，振幅達到極大固有頻率振動，振幅達到極大，同時在棒的兩端將，同時在棒的兩端將發(fā)射出與棒的固有頻率相同的聲波。發(fā)射出與棒的固有頻率相同的聲波。反過來，當聲波經(jīng)過棒傳播時，由于聲反過來，當聲波經(jīng)過棒傳播時，由于聲波對棒的拉伸和壓縮作用，使其磁化強度發(fā)生變化。套在棒上的線圈中將產(chǎn)波對棒的拉伸和壓縮作用，使其磁化強度發(fā)生變化。套在棒上的線圈中將產(chǎn)生感應電動勢，這就是生感應電動勢，這就是逆磁致伸縮效應逆磁致伸縮效應，利用它可以接收聲波。，利用它可以接

46、收聲波。第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第六節(jié)第六節(jié) 聲波測井換能器聲波測井換能器 2.壓電效應壓電效應有些多原子分子晶體材料在應力作用下發(fā)生形變時，會在晶體表面產(chǎn)生電荷，有些多原子分子晶體材料在應力作用下發(fā)生形變時，會在晶體表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為壓電效應壓電效應。在電場的作用下，這些晶體的幾何尺寸會發(fā)生變化，。在電場的作用下，這些晶體的幾何尺寸會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應逆壓電效應。 二、磁致伸縮效應和壓電效應二、磁致伸縮效應和壓電效應 壓電材料可以分為兩類壓電材料可以分為兩類:一類一類是天然的或人工制造的壓電單晶體是天然的或人工制造的壓電單晶

47、體,如石英如石英,酒石酸鉀鈉酒石酸鉀鈉(俗名羅謝爾鹽俗名羅謝爾鹽或羅式鹽或羅式鹽)、硫酸鋰、鈮酸鋰等；、硫酸鋰、鈮酸鋰等；另一類是人工按陶瓷制作工藝燒制另一類是人工按陶瓷制作工藝燒制的壓電多晶體的壓電多晶體,通常稱為通常稱為壓電陶瓷壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等一類多原子（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等一類多原子分子晶體）。內(nèi)部有某些微小區(qū)域，分子晶體）。內(nèi)部有某些微小區(qū)域，它們都有一定方向的它們都有一定方向的電極距電極距，這些，這些小區(qū)域稱為小區(qū)域稱為“電疇電疇”。每個。每個“電疇電疇”都有一定方向的電極距。都有一定方向的電極距。 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第六節(jié)第六節(jié) 聲波測井換能器

48、聲波測井換能器 2.壓電效應壓電效應聲波測井儀器的聲波換能器：聲波測井儀器的聲波換能器：圓管狀的壓電陶瓷、壓電陶瓷片圓管狀的壓電陶瓷、壓電陶瓷片。其工作原理是：。其工作原理是：經(jīng)極化處理的壓電陶瓷，沿一定方向?qū)ζ涫┘与妷簳r，在電場力的作用下，將經(jīng)極化處理的壓電陶瓷，沿一定方向?qū)ζ涫┘与妷簳r，在電場力的作用下，將發(fā)生形變，在外加電場變化范圍不大的條件下，形變和外加電場成正比。當外發(fā)生形變，在外加電場變化范圍不大的條件下，形變和外加電場成正比。當外加電場的頻率和壓電陶瓷材料的固有頻率相同時，材料即產(chǎn)生按材料固有頻率加電場的頻率和壓電陶瓷材料的固有頻率相同時，材料即產(chǎn)生按材料固有頻率發(fā)生的變形，從而

49、在周圍介質(zhì)中激發(fā)聲波。發(fā)生的變形，從而在周圍介質(zhì)中激發(fā)聲波。 二、磁致伸縮效應和壓電效應二、磁致伸縮效應和壓電效應切變激化、縱向壓電效應換能器切變激化、縱向壓電效應換能器 圓管狀的壓電陶瓷換能器振動模式圓管狀的壓電陶瓷換能器振動模式 ：井軸方向井軸方向近似平面波的軸向振動模；近似平面波的軸向振動模；井壁方向近似柱面波的切井壁方向近似柱面波的切向振動模式向振動模式；井壁方向柱面波的徑向振動模式。井壁方向柱面波的徑向振動模式。 聲波聲波換能器換能器對徑向振動來說，是通過在陶瓷管內(nèi)外壁上鍍銀對徑向振動來說，是通過在陶瓷管內(nèi)外壁上鍍銀來施加電壓，而對切向振動來說，是在圓管狀探來施加電壓，而對切向振動來說，是在圓管狀探頭的內(nèi)外表面相隔均勻的距離上，沿圓管軸線加頭的內(nèi)外表面相隔均勻的距離上，沿圓管軸線加以以偶數(shù)條銀層偶數(shù)條銀層，將相隔的銀層用導線連接，作為，將相隔的銀層用導線連接，作為外加電場的兩根引入線，這時除了產(chǎn)生切向振動外加電場的兩根引入線，這時除了產(chǎn)生切向振動外，還表現(xiàn)為圓管直徑的變化。外，還表現(xiàn)為圓管直徑的變化。 第一章聲波測井第一章聲波測井-物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)第六節(jié)第六節(jié) 聲波測井換能器聲波測井換能器 2.壓電效應壓電效