本文摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，這篇 測(cè)井論文 基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中的工程勘察和地質(zhì)災(zāi)害防治工作對(duì)聲波全波列測(cè)井技術(shù)的需求將進(jìn)一步加大，對(duì)該方法技術(shù)的研究也將更深入，以使其發(fā)揮更廣泛、更重要的作用�！稖y(cè)井技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1977年，由中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，這篇測(cè)井論文基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中的工程勘察和地質(zhì)災(zāi)害防治工作對(duì)聲波全波列測(cè)井技術(shù)的需求將進(jìn)一步加大，對(duì)該方法技術(shù)的研究也將更深入，以使其發(fā)揮更廣泛、更重要的作用�！稖y(cè)井技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1977年，由中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司主辦。《測(cè)井技術(shù)》宗旨：總結(jié)、交流我國(guó)測(cè)井行業(yè)的科研成果和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，介紹國(guó)外先進(jìn)測(cè)井技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)測(cè)井技術(shù)的發(fā)展，滿(mǎn)足石油工業(yè)勘探開(kāi)發(fā)需要。
通常的聲波測(cè)井如聲速測(cè)井和聲幅測(cè)井，只記錄縱波頭波的傳播時(shí)間和第一個(gè)波的波幅，而且只是利用了井孔中非常少的波列。實(shí)際上，換能器在井孔中激發(fā)出的波列攜帶著很多的地層信息。聲波全波列測(cè)井采用數(shù)字記錄方式記錄了井孔中的全部波列，利用數(shù)字信號(hào)處理的方法從全波列中提取所感興趣的信息，用于聲波測(cè)井資料的地質(zhì)解釋。
1井孔中的聲波及其波型成分
在鉆孔中，由點(diǎn)聲源激發(fā)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(jiàn)圖1)。(1)縱波縱波(又稱(chēng)滑行縱波)是由聲源發(fā)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(shí)，又會(huì)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(chēng)為滑行橫波，它類(lèi)似于縱波，從射線(xiàn)聲學(xué)的角度來(lái)看，橫波頭波是由聲源發(fā)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(shí)又會(huì)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(nèi)流體中的縱波速度和地層中的橫波速度傳播的無(wú)幾何衰減的高頻散波。(4)斯通利波以大于且近似等于井內(nèi)流體中的縱波速度傳播的無(wú)幾何衰減的微頻散波。
2聲波全波列測(cè)井儀系統(tǒng)組成及工作原理
2.1系統(tǒng)組成目前在國(guó)內(nèi)工程勘察行業(yè)，適用的聲波全波列測(cè)井儀器主要為北京大地華龍公司生產(chǎn)的XG-Ⅱ長(zhǎng)源距全波列測(cè)井儀，該儀器是一套雙通道高分辨率、數(shù)字化的測(cè)井儀，具有分時(shí)采樣、迭加、濾波、信號(hào)增強(qiáng)、抑制噪聲以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示實(shí)測(cè)波形和測(cè)試結(jié)果等功能。測(cè)井儀系統(tǒng)由主機(jī)、井中全波列聲系、連接電纜、平面換能器(用于巖芯的波速測(cè)試)和數(shù)據(jù)處理軟件組成。主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。井中全波列聲系由一個(gè)發(fā)射探頭和兩個(gè)接收探頭組成(見(jiàn)圖2)，發(fā)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(yīng)用射線(xiàn)聲學(xué)理論分析，當(dāng)發(fā)射聲源(發(fā)射換能器)的幾何尺寸小于聲波的波長(zhǎng)時(shí)，發(fā)射聲波的指向性較差，在井孔中激發(fā)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(fā)生反射及折射，而折射使部分聲波能量進(jìn)入巖體。折射定理:由式(1)可知:當(dāng)θ的值為arcsin(ν1/ν2)時(shí)，則折射角θ2為90°，亦即折射波將沿井壁傳播(滑行波)，見(jiàn)圖3。同理，滑行波在傳播過(guò)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(yuǎn)高于水的波速，滑行波將先于通過(guò)井液的直達(dá)波到達(dá)。此時(shí)，遠(yuǎn)近不同的兩個(gè)接收換能器所拾取的滑行折射波，其到時(shí)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(jù)其接收到的各種波的初至?xí)r間差可計(jì)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(fēng)化后波速、波幅和頻率均會(huì)降低。這是由于風(fēng)化作用使巖石中的結(jié)構(gòu)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(jié)狀態(tài)也由原來(lái)的結(jié)晶連結(jié)或膠結(jié)連結(jié)轉(zhuǎn)化為水膠連結(jié)，較為松散，從而使聲波傳播時(shí)間增長(zhǎng)，波速降低，而吸收衰減增大，波幅大大縮小，頻率變低，波在風(fēng)化巖石中的穿透能力也大為減弱。同理，在巖體破碎及節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，當(dāng)聲波在巖體中傳播時(shí)，由于這種不連續(xù)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(huì)發(fā)生不同程度的反射、繞射，致使聲波的能量大大衰減，導(dǎo)致波速降低，波幅變小，頻率變低，反映在全波列波形上會(huì)出現(xiàn)圖4所示的聲波異常區(qū)(見(jiàn)圖4中淺灰色區(qū)塊)[2]。用軟件回放出來(lái)，然后利用人工方法觀察兩道波形中橫波的波至點(diǎn)，并將它們對(duì)應(yīng)的波至讀出，進(jìn)而利用兩通道波形的波至來(lái)計(jì)算橫波時(shí)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(cè)井中縱橫波的提取在測(cè)井時(shí)，用門(mén)檻鑒別的方法即可檢測(cè)縱波的波至，并計(jì)算縱波時(shí)差。目前大部分的波速測(cè)試儀器均可通過(guò)軟件自動(dòng)判讀并計(jì)算縱波速度。對(duì)普通波速測(cè)試儀來(lái)說(shuō)，由于縱波后續(xù)波的干擾，一般很難利用類(lèi)似的方法來(lái)獲得地層的橫波速度。而聲波全波列測(cè)井儀采用了較長(zhǎng)的源距，記錄了整個(gè)波列，即在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)上記錄了遠(yuǎn)近兩道完整的全波列波形。在全波列波形中，縱波信號(hào)到達(dá)一段時(shí)間后橫波才能到達(dá)，此時(shí)縱波信號(hào)已有所衰減，而橫波信號(hào)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(qū)分開(kāi)來(lái)。由此可見(jiàn)，利用全波列信息通過(guò)一系列信號(hào)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(cè)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(shí)別法這種方法是首先將聲波測(cè)井記錄道的全波列利3全波列測(cè)井在工程勘察中的應(yīng)用在工程勘察中，聲波全波列測(cè)井主要用于解決以下地質(zhì)問(wèn)題:(1)巖體的波速測(cè)試及力學(xué)參數(shù)計(jì)算;(2)劃分基巖地層與巖性;(3)圈定構(gòu)造、巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶及軟弱層，輔以確定含水層位置;(4)對(duì)風(fēng)化殼及巖體完整程度做出定量評(píng)價(jià)。
2.4.2相關(guān)對(duì)比法相關(guān)對(duì)比法是利用兩道全波列信號(hào)求某一段波列的互相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而求得該波群的速度(群速度)的一種方法(見(jiàn)圖5)。應(yīng)用該方法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析，可以準(zhǔn)確地識(shí)別S波的到時(shí)，大大提高了波速分析的效率和精度。
3.1測(cè)試方法技術(shù)由于當(dāng)前聲波測(cè)試主要應(yīng)用在巖體的波速測(cè)試及計(jì)算力學(xué)參數(shù)方面，因此本文以該方面的工作為例來(lái)介紹聲波測(cè)試的方法技術(shù)。該方法分為孔內(nèi)巖體波速測(cè)試和巖石(巖芯)波速測(cè)試兩步。(1)孔內(nèi)巖體波速測(cè)試:采用一發(fā)雙收聲系，以水為耦合介質(zhì)測(cè)定巖體的縱波速度νpm和橫波速度νsm。(2)巖石波速測(cè)試:一般測(cè)試巖芯的波速。測(cè)試方法采用透射法，即在巖芯的兩端放置縱波發(fā)射換能器及接收換能器，測(cè)定巖芯的縱波速度νpr。(3)根據(jù)巖石的密度、巖芯的波速及巖體的縱橫波速度，計(jì)算巖體的動(dòng)彈性模量、動(dòng)剪切模量、
3.2影響聲波測(cè)井的因素[1](1)周波跳躍的影響正常情況下，測(cè)井儀的兩個(gè)接收探頭是被同一脈沖首波觸發(fā)的，但在孔隙較多的疏松地層和裂隙發(fā)育區(qū)(或破碎帶)中，由于能量的嚴(yán)重衰減，致使首波減弱到只能觸發(fā)第一接收探頭，而第二道首波前沿不能觸發(fā)，而是觸發(fā)記錄首波后沿，其相位將明顯地滯后，造成記錄的時(shí)差比巖層的實(shí)際時(shí)差大。更嚴(yán)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(fā)，每差一個(gè)峰值，時(shí)差就增大一個(gè)周期，表現(xiàn)在波列圖上，則會(huì)出現(xiàn)測(cè)井曲線(xiàn)的急劇偏轉(zhuǎn)或相鄰波速的較大差異，這種現(xiàn)象稱(chēng)為周波跳躍。(2)層厚的影響。全波列測(cè)井儀源距較長(zhǎng)，對(duì)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(duì)于薄層的分辨能力，但是記錄精度將受影響，且探測(cè)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(nèi)的反射較強(qiáng)，經(jīng)多次反射形成混響聲場(chǎng)(噪聲)，由于其不易彌散，甚至?xí)B加在第二次發(fā)射后接收到的首波上，使得首波辨認(rèn)困難，特別是首波幅度小的層段，如裂隙發(fā)育區(qū)、破碎帶等，對(duì)該區(qū)段聲波曲線(xiàn)的判讀有較大影響。
4工程實(shí)例
陜西省某鐵路隧道的選址區(qū)位于秦嶺山脈中，山勢(shì)陡峻，該區(qū)地層為砂巖，區(qū)內(nèi)斷裂破碎帶及節(jié)理發(fā)育，所以查明該區(qū)域地層的巖石風(fēng)化、破碎情況對(duì)于隧道勘察設(shè)計(jì)非常重要。圖6為該工程LZK5勘察孔的波速測(cè)試成果。由圖可見(jiàn)，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(qū)域有破碎帶存在或節(jié)理裂隙發(fā)育。對(duì)應(yīng)上述低速區(qū)的位置，巖石的動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量亦隨波速降低，變化幅度明顯;部分區(qū)域巖石的泊松比表現(xiàn)為數(shù)值增大，部分區(qū)域無(wú)明顯變化，反映了不同深度、不同性質(zhì)的破碎帶或節(jié)理發(fā)育區(qū)之間力學(xué)性質(zhì)的差異。圖7為江西省某核電工程選址勘察中波速測(cè)試得到的“地質(zhì)—νp柱狀圖”，該區(qū)地層為玄武巖，全區(qū)巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育。從圖中可以看出，對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的地層，波速變化較大，反映巖石的風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化、破碎的玄武巖地層;21.6～23.6m層速度為3397m/s，為中風(fēng)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(fā)育區(qū)。由上述可見(jiàn)，波速測(cè)試結(jié)果反映了巖體內(nèi)部波速場(chǎng)的分布情況，通過(guò)波速—深度曲線(xiàn)還可概括、直觀地反映巖體的完整性。
5結(jié)語(yǔ)
(1)用超聲波探測(cè)技術(shù)進(jìn)行巖體的縱波、橫波速度的測(cè)定，能夠評(píng)價(jià)所測(cè)巖體的風(fēng)化程度和巖體完整性指數(shù)，其成果較為可靠。(2)由測(cè)試結(jié)果生成的深度—波速曲線(xiàn)圖可直觀反映該區(qū)域地層的風(fēng)化程度及巖體破碎情況，可以為設(shè)計(jì)提供較為可靠的物性參數(shù)，是一種值得推廣的測(cè)試方法。(3)根據(jù)波速測(cè)試結(jié)果計(jì)算的巖石力學(xué)參數(shù)可為工程的勘察設(shè)計(jì)提供更為詳盡的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。由于以往的聲波全波列測(cè)井儀器僅用于石油勘探中深部(上千米)鉆孔的測(cè)試，而該類(lèi)儀器價(jià)格昂貴，且設(shè)備較重、源距較長(zhǎng)(最長(zhǎng)可達(dá)十幾米)，在工程勘察領(lǐng)域不適用，因此目前對(duì)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(cè)井儀的推出，全波列測(cè)井技術(shù)現(xiàn)在正被廣泛地應(yīng)用于交通、水電、鐵道、工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域，解決了各領(lǐng)域工程勘察中的有關(guān)問(wèn)題。
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