測井論文聲波測井儀在勘察中運用

　　隨著我國經濟建設的穩步發展，這篇測井論文基礎建設項目中的工程勘察和地質災害防治工作對聲波全波列測井技術的需求將進一步加大，對該方法技術的研究也將更深入，以使其發揮更廣泛、更重要的作用。《測井技術》(雙月刊)創刊于1977年，由中國石油集團測井有限公司主辦。《測井技術》宗旨：總結、交流我國測井行業的科研成果和生產經驗，介紹國外先進測井技術，促進我國測井技術的發展，滿足石油工業勘探開發需要。

　　通常的聲波測井如聲速測井和聲幅測井，只記錄縱波頭波的傳播時間和第一個波的波幅，而且只是利用了井孔中非常少的波列。實際上，換能器在井孔中激發出的波列攜帶著很多的地層信息。聲波全波列測井采用數字記錄方式記錄了井孔中的全部波列，利用數字信號處理的方法從全波列中提取所感興趣的信息，用于聲波測井資料的地質解釋。

　　1井孔中的聲波及其波型成分

　　在鉆孔中，由點聲源激發的全波列是由多種波列成分組成的，主要包括縱波、橫波、偽瑞雷波和斯通利波等(見圖1)。(1)縱波縱波(又稱滑行縱波)是由聲源發出的以第一臨界角入射到井壁后，在井外地層并靠近井壁且以圖1全波列波形圖地層中的縱波速度沿井壁滑行的波。這種波在沿井壁傳播的同時，又會以第一臨界角為折射角折回井中，被接收器接收到。(2)橫波橫波又稱為滑行橫波，它類似于縱波，從射線聲學的角度來看，橫波頭波是由聲源發出且以第二臨界角入射到井壁后在井外地層并靠近井壁以地層中的橫波速度傳播的波，這種波在沿井壁傳播時又會以第二臨界角為折射角折回井中，被接收器接收到。(3)偽瑞雷波以相速度介于井內流體中的縱波速度和地層中的橫波速度傳播的無幾何衰減的高頻散波。(4)斯通利波以大于且近似等于井內流體中的縱波速度傳播的無幾何衰減的微頻散波。

　　2聲波全波列測井儀系統組成及工作原理

　　2.1系統組成目前在國內工程勘察行業，適用的聲波全波列測井儀器主要為北京大地華龍公司生產的XG-Ⅱ長源距全波列測井儀，該儀器是一套雙通道高分辨率、數字化的測井儀，具有分時采樣、迭加、濾波、信號增強、抑制噪聲以及現場實時計算、實時顯示實測波形和測試結果等功能。測井儀系統由主機、井中全波列聲系、連接電纜、平面換能器(用于巖芯的波速測試)和數據處理軟件組成。主要技術指標見表1。井中全波列聲系由一個發射探頭和兩個接收探頭組成(見圖2)，發射探頭距接收探頭1的距離為1.05m，距接收探頭2的距離為1.25m，兩接收探頭間距為0.20m。

　　2.2工作原理應用射線聲學理論分析，當發射聲源(發射換能器)的幾何尺寸小于聲波的波長時，發射聲波的指向性較差，在井孔中激發的聲波則以不同的角度輻射到井壁上，并在井液與井壁的界面上發生反射及折射，而折射使部分聲波能量進入巖體。折射定理:由式(1)可知:當θ的值為arcsin(ν1/ν2)時，則折射角θ2為90°，亦即折射波將沿井壁傳播(滑行波)，見圖3。同理，滑行波在傳播過程中亦以90°入射角，不斷折射回井液，并被接收換能器拾取。由于一般巖石的波速遠高于水的波速，滑行波將先于通過井液的直達波到達。此時，遠近不同的兩個接收換能器所拾取的滑行折射波，其到時差異、幅頻差異，便容含了兩換能器間井壁巖體所反映的地球物理信息;根據其接收到的各種波的初至時間差可計算出兩道間地層的波速值。

　　2.3巖石中聲波的傳播特征新鮮完整的巖石波速高、波幅大、頻率高，巖石風化后波速、波幅和頻率均會降低。這是由于風化作用使巖石中的結構面增加，且原有的礦物分解成次生的親水礦物，礦物或巖屑顆粒之間的連結狀態也由原來的結晶連結或膠結連結轉化為水膠連結，較為松散，從而使聲波傳播時間增長，波速降低，而吸收衰減增大，波幅大大縮小，頻率變低，波在風化巖石中的穿透能力也大為減弱。同理，在巖體破碎及節理裂隙發育區，當聲波在巖體中傳播時，由于這種不連續界面中往往富含有液體使其波阻抗降低，且在這種界面上傳播的聲波會發生不同程度的反射、繞射，致使聲波的能量大大衰減，導致波速降低，波幅變小，頻率變低，反映在全波列波形上會出現圖4所示的聲波異常區(見圖4中淺灰色區塊)[2]。用軟件回放出來，然后利用人工方法觀察兩道波形中橫波的波至點，并將它們對應的波至讀出，進而利用兩通道波形的波至來計算橫波時差，這種方法比較麻煩，處理速度慢，而且精度不高。

　　2.4全波列測井中縱橫波的提取在測井時，用門檻鑒別的方法即可檢測縱波的波至，并計算縱波時差。目前大部分的波速測試儀器均可通過軟件自動判讀并計算縱波速度。對普通波速測試儀來說，由于縱波后續波的干擾，一般很難利用類似的方法來獲得地層的橫波速度。而聲波全波列測井儀采用了較長的源距，記錄了整個波列，即在某個測量點上記錄了遠近兩道完整的全波列波形。在全波列波形中，縱波信號到達一段時間后橫波才能到達，此時縱波信號已有所衰減，而橫波信號由于頻率低振幅大，與前邊的縱波有著明顯差異，可較容易將二者區分開來。由此可見，利用全波列信息通過一系列信號處理分析，從全波列資料中提取縱波、橫波和斯通利波等，不僅可以得到各種波的波速，而且在一定條件下可以得到某一種波群幅度和頻率譜等，從而可以充分利用這些測井信息研究地層的特性。下面介紹橫波提取的方法。

　　2.4.1人工波形識別法這種方法是首先將聲波測井記錄道的全波列利3全波列測井在工程勘察中的應用在工程勘察中，聲波全波列測井主要用于解決以下地質問題:(1)巖體的波速測試及力學參數計算;(2)劃分基巖地層與巖性;(3)圈定構造、巖溶、節理裂隙發育帶及軟弱層，輔以確定含水層位置;(4)對風化殼及巖體完整程度做出定量評價。

　　2.4.2相關對比法相關對比法是利用兩道全波列信號求某一段波列的互相關函數，進而求得該波群的速度(群速度)的一種方法(見圖5)。應用該方法對采集的信號進行互相關分析，可以準確地識別S波的到時，大大提高了波速分析的效率和精度。

　　3.1測試方法技術由于當前聲波測試主要應用在巖體的波速測試及計算力學參數方面，因此本文以該方面的工作為例來介紹聲波測試的方法技術。該方法分為孔內巖體波速測試和巖石(巖芯)波速測試兩步。(1)孔內巖體波速測試:采用一發雙收聲系，以水為耦合介質測定巖體的縱波速度νpm和橫波速度νsm。(2)巖石波速測試:一般測試巖芯的波速。測試方法采用透射法，即在巖芯的兩端放置縱波發射換能器及接收換能器，測定巖芯的縱波速度νpr。(3)根據巖石的密度、巖芯的波速及巖體的縱橫波速度，計算巖體的動彈性模量、動剪切模量、

　　3.2影響聲波測井的因素[1](1)周波跳躍的影響正常情況下，測井儀的兩個接收探頭是被同一脈沖首波觸發的，但在孔隙較多的疏松地層和裂隙發育區(或破碎帶)中，由于能量的嚴重衰減，致使首波減弱到只能觸發第一接收探頭，而第二道首波前沿不能觸發，而是觸發記錄首波后沿，其相位將明顯地滯后，造成記錄的時差比巖層的實際時差大。更嚴重的是，第二道首波被第二周或推延多周后的幅度峰所觸發，每差一個峰值，時差就增大一個周期，表現在波列圖上，則會出現測井曲線的急劇偏轉或相鄰波速的較大差異，這種現象稱為周波跳躍。(2)層厚的影響。全波列測井儀源距較長，對小于兩接收道間距的薄地層分辨能力較差。減小間距可以提高對于薄層的分辨能力，但是記錄精度將受影響，且探測深度也隨之變淺。(3)噪聲干擾在碳酸鹽巖地層中，由于與井液聲阻抗相差很大，聲波在孔內的反射較強，經多次反射形成混響聲場(噪聲)，由于其不易彌散，甚至會疊加在第二次發射后接收到的首波上，使得首波辨認困難，特別是首波幅度小的層段，如裂隙發育區、破碎帶等，對該區段聲波曲線的判讀有較大影響。

　　4工程實例

　　陜西省某鐵路隧道的選址區位于秦嶺山脈中，山勢陡峻，該區地層為砂巖，區內斷裂破碎帶及節理發育，所以查明該區域地層的巖石風化、破碎情況對于隧道勘察設計非常重要。圖6為該工程LZK5勘察孔的波速測試成果。由圖可見，該鉆孔縱波速度一般大于4000m/s，橫波速度一般大于1600m/s。在25～28m、43～46m、62～65m、80～85m位置及100～125m之間，有多處縱、橫波速度明顯降低，反映該區域有破碎帶存在或節理裂隙發育。對應上述低速區的位置，巖石的動彈性模量和動剪切模量亦隨波速降低，變化幅度明顯;部分區域巖石的泊松比表現為數值增大，部分區域無明顯變化，反映了不同深度、不同性質的破碎帶或節理發育區之間力學性質的差異。圖7為江西省某核電工程選址勘察中波速測試得到的“地質—νp柱狀圖”，該區地層為玄武巖，全區巖石風化強烈，裂隙發育。從圖中可以看出，對應不同性質的地層，波速變化較大，反映巖石的風化程度、破碎程度變化較大，21.6m以上波速在2000～2756m/s之間，為強風化、破碎的玄武巖地層;21.6～23.6m層速度為3397m/s，為中風化玄武巖地層;23.6～35.8m層速度一般大于4000m/s，為完整的玄武巖地層，其間偶夾有裂隙;35.8～37m為一明顯的裂隙發育區。由上述可見，波速測試結果反映了巖體內部波速場的分布情況，通過波速—深度曲線還可概括、直觀地反映巖體的完整性。

　　5結語

　　(1)用超聲波探測技術進行巖體的縱波、橫波速度的測定，能夠評價所測巖體的風化程度和巖體完整性指數，其成果較為可靠。(2)由測試結果生成的深度—波速曲線圖可直觀反映該區域地層的風化程度及巖體破碎情況，可以為設計提供較為可靠的物性參數，是一種值得推廣的測試方法。(3)根據波速測試結果計算的巖石力學參數可為工程的勘察設計提供更為詳盡的基礎地質資料。由于以往的聲波全波列測井儀器僅用于石油勘探中深部(上千米)鉆孔的測試，而該類儀器價格昂貴，且設備較重、源距較長(最長可達十幾米)，在工程勘察領域不適用，因此目前對工程勘察中的聲波全波列包含的各種波的波幅、頻率等信息的深入研究較少。隨著適用于工程勘察的聲波全波列測井儀的推出，全波列測井技術現在正被廣泛地應用于交通、水電、鐵道、工業和民用建筑等領域，解決了各領域工程勘察中的有關問題。

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