第十一章 声测井
声测井是以研究井下岩石声学特性为基础的一系列测井方法。它是利用介质对声波传播速度和声能吸收的差异，借以探测岩石的性质来解决井下地质问题。 声测井的方法主要分为声速测井、声幅测井、声波全波列测井，以及超声成相测井等。本章将重点介绍声速测井和声幅测井。
第一节 声测井的物理基础
声测井的物理基础在于两个方面： 一个是岩石的声学特性, 即声波在岩石中的传播特性; 另一个是声波的产生与接收。
声波是物质的一种运动形式，它是由物质的机械振动而产生的，通过质点间的相互作用将振动由近及远而传播。人耳听到的声波在0.02～20kHz之间。频率大于kHz的波为超声波。声测井所用的机械波是声波或超声波, 频率一般为15～30kHz。
声波在井内岩层中的传播是弹性波在弹性介质中传播的过程， 因此有必要了解岩石的弹性和弹性波在岩石中传播规律。
一、岩石弹性
受外力会发生体形变化，外力取消后又能恢复原状的物体叫弹性体；取消外力后不能恢复原状的物体称为塑性体。一个物体是弹性体还是塑性体，除取决于物体本质外，还与外力的作用大小、时间长短及环境条件等因素有关。固体物质在受力小、作用时间短的情况下多呈弹性体。声测井中，由于声波的能量低，作用在岩石上的时间短，因而岩石可视为弹性介质，这样以弹性波在弹性介质中的传播规律来研究声波在岩石中的传播特性。
用相同的力作用于不同的岩石，将会产生不同的体形变化，这是因为它们具有不同的弹性。通常用下列弹性模量来描述岩石的弹性。
二、岩石的声波速度
声波在介质传播过程中，当波的传播方向和质点振动方向一致时叫纵波，其速度以表示。纵波在传播中， 因介质发生压缩和扩张的体积形变，故又称压缩波。当波的传播方向与质点的振动方向相互垂直时叫横波，其速度以表示。横波使介质产生剪切形变， 因而又叫切变波。通常这两种波可同时存在于固体介质中，但横波不能在液体和气体中传播。
纵波和横波速度还可用弹性模量的基本参数和表示，即
(11-1)
(11-2)
式中─纵波在岩石中的传播速度；
─横波在岩石中的传播速度；
─岩石杨氏模量；
─岩石泊松比；
─岩石密度。
在同一介质中, 纵波和横波的速波比为
(11-3)
由于大多数沉积岩的泊松比=0.25 ， 所以岩石中纵波速度是横波速度的1.73 倍。岩石中传播的声波，纵波速度大于横波速度。
从式(11-1)、式(11-2)看出，纵波与横波速度主要取决于杨氏模量和密度两个因素。随着介质的杨氏模量增大，其、相应的增加。声波速度和密度的关系，单纯从关系式观察，只能得出“反向关系”的结论。但是大量事实证明，声波速度随密度增加而增大。这是因为介质的弹性模量受密度的影响十分敏感，密度增加时杨氏模量将以指数规律随之急剧上升，由此促使、的增加超过上述的“反向关系”，所以才有以上规律。
由于弹性模量和密度的差别，使各类岩石具有不同的声波速度（表11-1）。
表11-1 常见介质和岩石的密度与纵波速度
介 质 | 密 度 | 纵波速度 | 介 质 | 密 度 | 纵波速度 |
空气(20℃) | 0.00121 | 344 | 致密白云岩 | 2.8 | 7900 |
水 (20℃) | 0.998 自动排污阀 | 1438 | 盐 岩 | 2.17 | 4600～5200 |
泥 浆 | 1.2 | 1530～1620 | 石 膏 太阳能取暖房 | 2.62 | 4790 |
石 油 | 0.8 | 1070～1320 | 致密灰岩 | 2.7 | 6400～7000 |
折流板除雾器煤 | 1.1～1.7 | 1800全息图像～2600 | 玄齿轮修复 武 岩 | | 4000～4300 |
泥 岩 | 2.0～2.4 | 1830～3960 | 正 长 岩 | | 4900～5200 |
疏松粘土 | 1.9～2.1 | 1830～2440 | 喷 出 岩 | | ＜5800 |
砂 岩 | 2.1～2.6 | 3720～4900 | 致密砂岩透明口罩 | | 5000～5800 |
| | | | | |
岩石的声波速度除了与上述基本因素有关外, 还与岩性、岩石结构、地质年代和埋藏深度等因素有关。
1.岩性
由于不同矿物的弹性模量大小不同, 而弹性模量的大小又是影响声波速度的主要因素, 所以由不同矿物组成的岩石, 其声速大小不同。
2.岩石结构
胶结疏松、孔隙度大的岩石，相应地有着较小的密度；反之，则有着较大的密度。由此可知，岩石结构对岩石声速有显著的影响。一般来说，沉积岩的声波速度随其孔隙度增加而减小。
3.地质年代
岩石的声波速度也受到地质年代的影响。许多实际观测资料表明,同样深度相同成分的岩石，当地质年代不同时，老地层比新地层具有较高的速度，这是由于老地层受更长时间的地质作用，压实程度比新地层高，有较大的密度所致。
4.埋藏深度
地层的声波速度还与其埋藏的深度有关。在岩性一致、地质年代相同或相近的条件下，地层声波速度随埋藏深度的加深而有所增大。
三、声波在介质界面的传播特性
实际测井中，介质并非无限均匀，地层有分界面，尤其是泥浆与井壁之间存在着明显的液态介质与固态介质的分界面。当声波传播到介质分界面上就会与光波一样，发生声波的反射与折射。在反射与折射时，应满足质点振动法向速度连续，以及界面两侧应力的切向分量或法向分量相等的边界条件，由此得到声波的反射定律和折射定律。
若分界面入射一侧为第一介质，声波速度为，另一侧为第二介质，声波速度为。声波入射到分界面时，一部分反射回来变为反射波，另一部分穿过分界面进入第二介质成为折射波(透射波)。入射波、反射波与折射波的传播方向与分界面法线的夹角，分别称为入射角、反射角与折射角（图11-1）。
图11-1 声波在分界面上的反射与折射
─入射角;─反射角;─折射角
声波反射与折射的规律与光波一样，遵循反射定律和折射定律，即
(11-4)
(11-5)
由于、对一定的介质是个固定值， 所以随着入射角增大，折射角也增大。在＞的条件下，当入射角增大到某一角度时，折射角达到90°（图11-1），折射波将在第二介质并沿着分界面传播，这样的折射波在声波测井中叫滑行波，此时的入射角i 叫临界角。下面分三种情况讨论:
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