Question

声波速度测井

Answer 1

声波速度测井简称声速测井，是在井中测量井壁地层声波传播速度的一类测井方法。由于声波速度测井直接记录的是声波时差(即声波速度的倒数)，因此也常被称为声波时差测井。如前所述，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填充的流体性质等有关，因此，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度，判断岩性和孔隙流体性质。

声波速度测井仪核心部件是声系，由声波发射换能器和接收换能器组成。根据换能器数量差别，可分为单发射双接收、单发射三接收、双发射双接收、双发射四接收等测井仪。其中，单发射双接收和双发射双接收测井仪应用较普遍。

2.2.1单发射双接收声波速度测井原理

2.2.1.1 测井仪器简介

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。如图2.2.1所示。

图2.2.1 声波速度测井仪外貌

电子线路用来提供脉冲电信号，触发发射换能器T发射声波，接收换能器R₁、R₂接收声波信号，并转换成电信号。发射与接收换能器是由具有压电效应物理性质的锆钛酸铅陶瓷晶体制成。在脉冲电信号的作用下以其压电效应的逆效应产生声振动，发射声波;在声波信号的作用下，R以其压电效应的正效应接收声波，形成电信号，待放大后经电缆送至地面仪器记录。

实际测井时，电子线路每隔一定的时间给发射换能器一次强的脉冲电流，使换能器晶体受到激发而产生振动，其振动频率由晶体的体积和形状所决定。目前，声速测井所用的晶体的固有振动频率为20kHz。

在下井仪器的外壳上有很多刻槽，称之为隔声体，用以防止发射换能器发射的声波经仪器外壳传至接收换能器造成对地层测量的干扰。

2.2.1.2 测量原理

井下仪器的发射换能器晶体振动，引起周围介质的质点发生振动，产生向井内泥浆及岩层中传播的声波。由于泥浆的声速v₁与地层的声速v₂不同，v₁<v₂，所以在泥浆和地层的界面(井壁)上将发生声波的反射和透射，由于发射换能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i方向入射到界面上的声波，透射产生沿井壁在地层中传播的滑行波。由于泥浆与地层接触良好，滑行波传播使井壁附近地层的质点振动，这必然引起泥浆质点的振动，在泥浆中也引起相应的波，因此在井中就可以用接收换能器R₁、R₂先后接收到滑行波，进而测量地层的声波速度。

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，只要在仪器外壳上刻槽和适当选择较大的源距(发射器与接收器间的距离)，就可以使滑行波首先到达接收器，声速测井仪就可以只接收并记录与地层性质有关的滑行波。图2.2.2给出的就是上述的井内声波传播的示意图。

发射换能器发射的声波以泥浆的纵波形式传到地层，地层受到应力的作用不仅会产生压缩形变，也会产生切变形变，因此地层中既有滑行纵波产生又有滑行横波产生。不论滑行纵波或滑行横波，在传播时都会引起泥浆质点的振动，以泥浆纵波的形式分别被接收换能器所接收，只不过地层滑行纵波最先到达接收器，较后到达的是地层滑行横波并叠加在滑行纵波的尾部上。图2.2.3给出了接收换能器接收到的波形图。声速测井测量的是滑行波。

图2.2.2 井中声波传播示意图

图2.2.3 到达接收器的波形图

如果发射器在某一时刻t₀发射声波，声波经过泥浆、地层、泥浆传播到接收器，其传播路径如图2.2.4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ΔT为:

图2.2.4 声速测井原理图

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如果在两个接收换能器之间的距离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ΔT=CD/v₂(=l/v₂)。仪器的间距l是固定的(我国采用的间距等于0.5m)，时间差ΔT的大小只随地层声速变化，所以ΔT的大小反映了地层声速的高低。声速测井实际上测量记录的是时差Δt(声波传播1m用的时间)。测量时由地面仪器通过把时间差ΔT转变成与其成比例的电位差的方式来记录时差Δt。记录点在两个接收换能器的中点，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声速测井的时差曲线。

2.2.2 影响时差曲线的主要因素

声波时差曲线主要反映地层的岩性、孔隙度和孔隙流体性质，但也受到其他一些因素的影响。

2.2.2.1 井径变化的影响

当井眼扩大时，在井眼扩大井段的上下界面处，时差曲线就会出现假的异常，如图2.2.5所示。这是由于当接收换能器R₁进入井眼扩大部分而接收换能器R₂仍在井眼扩大的下界面之下时，CE>DF，由式(2.2.1)可以知道时间差ΔT减小，所以在井眼扩大井段的下界面处会出现声速测井时差曲线减小的假异常;在R₁、R₂均进入井眼扩大井段时，CE=DF，不会有异常出现，而当R₁、R₂跨井眼扩大的上界面时，CE<DF，由式(2.2.1)可知ΔT增大，所以在井眼扩大的井段的上界面处，将出现声速测井时差曲线增大的假异常。

在一些砂泥岩的分界面处，常常发生井径变化，砂岩一般缩径而泥岩扩径，因此在砂岩层的顶部(相当于井眼扩大井段的下界面)出现时差曲线减小的尖峰，砂岩层的底界面处(相当于井眼扩大井段的上界面)出现时差曲线增大的尖峰。图2.2.6就是砂泥岩剖面井径变化对时差曲线影响的实例。显然，在时差曲线上取值时，要参考井径曲线，避开井径变化引起的时差曲线的假异常，以便正确取值。

图2.2.5 井径变化对声波时差影响示意图

图2.2.6 井径扩大对声波测井曲线影响的实例

2.2.2.2 地层厚度的影响

地层厚度是相对声速测井仪的间距来说的，厚度大于间距的称为厚层，小于间距的称为薄层。它们在声速测井时差曲线上的显示是有差别的。

1)对着厚地层的中部，声波时差不受围岩的影响，时差曲线出现平直段，该段时差值为该厚地层的时差值。当地层岩性不均匀时，曲线有小的变化，则取该厚地层中部时差曲线的平均值作为它的时差值。时差曲线由高向低和由低向高变化的半幅点处正好对应于地层的上、下界面。所以，可以用半幅点划分地层界面。实际测的声波时差曲线往往受井径及岩性变化的影响，因此现场实际工作中，划分地层界面时，常参考微电极和自然电位曲线。

2)薄层的时差曲线受围岩影响较大，半幅点间的距离越大于地层的真厚度。

3)薄互层间距大于互层中的地层厚度时，曲线不能反映地层的真正速度，甚至还可能出现反向。

可见，间距大于地层厚度时，时差曲线分辨地层的能力差，甚至无法分层和正确读取时差值，因此间距尺寸必须小于目的层中最薄地层的厚度，间距越小，分辨地层的能力越强，测量的精度也就越差。所以，应该合理地选择间距。

2.2.2.3 “周波跳跃”现象的影响

在一般情况下，声速测井仪的两个接收换能器是被同一脉冲首波触发的，但是在含气疏松地层情况下，地层大量吸收声波能量，声波发生较大的衰减，这时常常是声波信号只能触发路径较短的第一接收器的线路。当首波到达第二接收器时，由于经过更长的路径的衰减不能使接收器线路触发。第二接收器的线路只能被续至波所触发，因而在声波时差曲线上出现“忽大忽小”的幅度急剧变化的现象，这种现象称为周波跳跃，如图2.2.7所示。

图2.2.7 周波跳跃现象

在泥浆气侵的井段，疏松的含气砂岩压力较大，井壁坍塌以及裂缝发育的地层，由于声波能量的严重衰减，经常出现这种周波跳跃的现象。由于周波跳跃现象的存在，使得无法由时差曲线正确读出地层的时差值。但是，周波跳跃这个特征，却可以作为判断裂缝发育地层和寻找气层的主要依据。

2.2.3 井眼补偿声速测井

如前所述，单发射双接收声速测井受井径变化的影响，声波时差曲线出现假异常。

为了克服这种影响，采用了双发射双接收声速测井仪。图2.2.8是这种仪器对井径变化影响的补偿示意图。R₁、R₂为接收器，T₁为上发射器，T₂为下发射器。测井时，上下发射器交替发射声脉冲，两个接收器接收T₁、T₂交替发射产生的滑行波，得到时差Δt₁和Δt₂，地面仪器的计算电路对Δt₁和Δt₂取平均值，记录仪记录出平均值Δt时差曲线。由图2.2.8可以看出，双发射双接收声速测井仪的T₁发射得到的Δt₁曲线和T₂发射得到的Δt₂曲线。在井径变化处产生的假异常的变化方向相反，所以，取平均值得到的Δt曲线恰好补偿掉了井径变化的影响。双发射双接收声速测井仪测量的Δt时差曲线还可以补偿仪器在井中倾斜时对时差造成的影响。

图2.2.8 井径变化影响的补偿示意图

2.2.4 声波速度测井资料的应用

2.2.4.1 判断气层

由于油、气、水的声速不同，水的声速大于油的声速，而油的声速又大于气的声速，特别是气的声速和油水的声速有很大的差别，因此在高孔隙度和泥浆侵入不深的条件下，测井能够比较好的确定疏松砂岩的气层。

气层在声波时差曲线上显示的特点有:

1)产生周波跳跃。它常见于特别疏松、孔隙度很大的砂岩气层中，因为地层含气对声波能量有很大的衰减作用，造成周波跳跃。对于非常疏松的砂岩气层来说，是因为它们颗粒之间的接触面积很小，声波能量从一个颗粒传到另一颗粒，必须通过孔隙中的气体，由于岩石和气体的声阻抗相差很大，二者之间的声耦合很差，声波能量不易由颗粒向气体传播，会产生大量散射，声波信号受到很大的衰减，因此气层在声波时差曲线上表现为周波跳跃。

2)声波时差增大。气层的声波时差值明显大于油层，比一般砂岩的时差值大30μs/m以上。成岩较好、岩性纯净的砂岩气层都具有这一特点。

另外，在泥浆侵入不深的高孔隙度疏松砂岩地层中，油层的声波时差也相应增大，一般比水层大10%～20%，因此声速测井的这种特点，有利于判断高孔隙性地层所含的流体性质，确定油气和气水的接触面。

2.2.4.2 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的地层砂泥岩剖面，砂岩的声波速度一般较大(时差较低)。砂岩的胶结物的性质和含量也影响声波时差的大小，通常钙质胶结比泥质胶结的声波时差低，并且随着钙质含量增多声波时差下降;随泥质含量增多，声波时差增高。泥岩的声波速度小(声波时差显示高值)。页岩的声波时差值介于砂岩和泥岩之间。砾岩的声波时差一般都较低，并且越致密声波时差值越低。

碳酸盐岩剖面中，致密石灰岩和白云岩的声波时差值最低，如含有泥质时，声波时差稍有增高;如有孔隙或裂缝时，声波时差有明显增大，甚至还可能出现声波时差曲线的周波跳跃现象。

在膏盐剖面中，无水石膏与岩盐的声波时差有明显的差异。岩盐部分因井径扩大，时差曲线有明显的假异常，所以可以利用声波时差曲线划分膏盐剖面。图2.2.9是用声波时差曲线划分无水石膏和岩盐层的一个例子。

由于声波时差曲线能够较好地反映岩石的致密程度，所以它可以和微电极等测井曲线一起用来判断储集层的储集性质的优劣。

图2.2.9 声波时差曲线划分无水石膏和岩盐层

声波时差曲线可以划分地层，如果地层的孔隙度和岩性在横向上大体是稳定的，那么声波时差曲线也可以被用来进行地层对比。

2.2.4.3 确定岩层孔隙度

由第一节已经知道岩层声速和孔隙度有关，通过理论计算和实验可以确定出声速或时差与孔隙度的关系式，所以由声速测井的时差值可以估算出岩层的孔隙度。声速测井的时差反映的是岩层的总孔隙度。

大量的实践表明，在固结、压实的纯地层中，若有小的均匀分布的粒间孔隙，则孔隙度和声波时差之间存在线性关系，其关系式称为平均时间公式或Wyllie公式，如式(2.2.2):

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或

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式中:Δt为由声波时差曲线读出的地层声波时差，μs/m;Δt_f为孔隙中流体的声波时差，μs/m;Δt_ma为岩石骨架的声波时差，μs/m。

当岩石骨架成分和孔隙中流体性质已知时，Δt_ma和Δt_f是个常数，于是Δt和孔隙度的关系为线性关系，即:

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式中:A=Δt_f－Δt_ma;B=Δt_ma。

由于不同地区，不同地层的A和B可能不同，因此必须按地区，针对某一地层或某一层段，用岩心分析资料和测井资料，建立岩石孔隙度和声波时差的统计关系。图2.2.10为某油田一个层组的声波时差与孔隙度的关系图，其经验公式为:

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在应用平均时间公式时，必须注意公式导出的条件(即使用条件)是孔隙均匀分布、固结且压实的纯地层，因此，由时间平均公式求出的声波孔隙度(φ_s)，对于不同的地层情况要分别处理。

1)对于固结压实的纯地层，分两种情况。

a.粒间孔隙的石灰岩及较致密的砂岩(孔隙度为18%～25%)可直接利用平均时间公式计算孔隙度，不必进行任何校正。因为这类岩石的孔隙度较小，泥浆侵入往往较深，声速测井测的是冲洗带的声波时差，冲洗带孔隙充满泥浆滤液，不必进行流体校正。另外，如果含有泥质，由于岩石致密，泥质也是致密的，其声波时差较低，接近于岩石的时差，可不必进行泥质校正。

图2.2.10 声波时差与孔隙度的关系图

b.孔隙度为25%～35%的固结而压实的砂岩，其声波孔隙度φ_s需要引入流体校正。这类砂岩泥浆侵入往往较浅，冲洗带中不全是泥浆滤液，还含有残余油气，按Wyllie公式计算的孔隙度偏大，必须乘以流体校正系数加以校正。在一般的情况下可用经验数据校正，对于气层，流体校正系数为0.7;对于油层，流体校正系数为0.8～0.9。

2)对于固结而不够压实的砂岩，要引入压实校正。直接应用平均时间公式求得的疏松砂岩的孔隙度偏高，要进行压实程度的校正。这种疏松砂岩在地质年代较新的地层中，埋藏深度一般较浅，砂岩是否压实，可根据邻近的泥岩的声波时差Δt_sh的大小来辨别，若邻近泥岩的声波时差大于328μs/m，则认为砂岩未压实，且Δt_sh越大，表明压实程度越差。

利用压实校正系数C_p对这类疏松砂岩进行压实程度的校正。如果直接由图版求得的孔隙度为φ_s，经压实程度校正后的孔隙度为φ_sc，则:

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压实校正系数C_p最好由平均时间公式求得的φ_s，与真孔隙度值对比得到，即C_p=φ_s/φ。

φ由岩心实验测定或其他孔隙度测井得到，如电阻率法，密度测井－声波时差测井交会法或中子测井法求得。另外，压实校正系数与地层埋藏深度存在一定关系，可以利用压实校正系数与地层埋藏深度的关系曲线求得。

3)对于含泥质的非纯地层要引入泥质校正。时间平均公式是对纯地层导出的，如果地层中含有泥质，由于泥质的声速一般较低，声波时差较大，所以按公式计算的孔隙度偏大，必须进行泥质校正。

对于次生孔隙(溶洞和裂缝)比较发育的碳酸盐岩储集层，次生孔隙在岩层中的分布不均匀，并且孔径大。声波在这样的岩层中传播的机理和前述的纯地层是不同的，声波在溶洞附近传播要产生折射和绕射。利用平均时间公式求得的孔隙度偏低，所以对于次生孔隙发育的碳酸盐岩必须建立其物理模型，导出它自己的平均时间公式。

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