基于礦井勘探的聲波測井技術應用研究

余 平，魏 磊

（新疆煤田地質局一六一煤田地質勘探隊，新疆 烏魯木齊 830009）

聲波測井是五十年代發展起來的一種重要測井方法，近年來發展較快。由最早的聲速測井、聲幅測井發展到后來的長源距聲波測井，變密度測井、井下聲波電視BHTV、噪聲測井到現在的多極子陣列聲波測井（包括偶極子橫波成像儀DSI），如井周聲波成像測井CBIL，超聲波井眼成像儀等。在解決地層頂部構造特征刻畫，判斷巖性，識別壓力異常層位，探測和評價裂縫、判斷儲集層中流體性質方面，使聲波測井成為結合測井和物探的紐帶，有著良好的發展前景[1]。

1 聲波測井技術工作原理

1.1 聲波測井方法概述

聲波測井主要分兩大類：聲速測井和聲幅測井。聲波速度測井簡稱聲速測井，是研究聲波在礦體中傳播速度的一種測井方法。礦體的傳播聲速度與礦體的致密程度有關，更確切地說與礦體的礦性、孔隙度以及孔隙中所充填的流體性質等有關。因此，研究聲波在礦層中傳播速度或單位時間，在已知礦性和所含孔隙流體情況下，可以確定巖石孔隙度[2]。

聲波幅度測井是研究礦層對聲波幅度的衰減特性的測井方法?？煞衷诼阊劬惺褂玫摹奥阊劬暦鶞y井”和檢查套管固井質量的“固井聲幅測井”，用來檢查固井質量。

1.2 礦體的聲學特征

聲波在彈性介質中的傳播速度主要取決于介質的彈性模量和密度。在均勻各向同性介質中，縱波速度vp、橫波速度vs 與楊氏彈性模量E、泊松比σ、密度ρ 之間的關系式為：

對于大多數沉積巖而言，礦體的泊松比σ 多為0.25 左右，縱波速度是橫波速度的1.73 倍，說明縱波和橫波同時在巖石中傳播時，縱波的速度大于橫波速度。

1.3 礦體中聲波傳播的影響因素

實際研究表明，聲波在不同礦體中的傳播速度不同。決定聲波傳播速度的主要因素是礦體聲波速度。對于沉積礦而言，礦體聲波速度主要取決于礦性、孔隙度、礦層的地質時代以及巖層的埋藏深度。

1.3.1 礦性

不同礦物有不同彈性性質，所以不同礦體，其聲速大小也不同。

1.3.2 孔隙度

礦層孔隙中通常被油、氣、水等流體介質所充填。流體傳播聲波的速度較造巖礦物小得多，即孔隙流體相對礦體架構是低速介質，所以礦性相同、孔隙流體不變時，孔隙度越大，礦體聲速越小。

1.3.3 礦層的地質時代

深度相同，成分相似的礦體，當地質時代不同時，聲速也不同。一般地，老地層比新地層具有較高的聲速。

1.3.4 礦層埋藏的深度

在礦性和地質時代相同的條件下，聲速隨礦層埋藏深度加深而增大。這種變化是由于受上覆地層壓力增大，礦體的楊氏彈性模量增大的緣故。

礦層埋藏較淺的地層，埋藏深度增加時，其聲速變化劇烈；深部地層，埋藏深度增加時，其聲速變化不明顯。

從上述分析看出，可以根據礦體的聲速來研究巖層，確定礦層的礦性和孔隙度。

2 聲波測井在礦井勘探中的應用

本次勘探主要使用S523 型聲波探管，進行了單發單、雙收聲速測井。利用聲速參數進行礦性解釋、劃分鉆孔礦性剖面，計算礦體力學強度參數，為了配合地質災害進行合成記錄及反演處理，以及給工程地質提供礦體力學參數，本次勘查對本區所有鉆孔進行了聲速測井，并對這些鉆孔一部分提供了力學性質參數[3]。

利用聲波測井資料對泊松比、楊氏模量、體積模量、切變模量、強度指數等力學參數進行了計算，從這些參數中可以很直觀地看出各礦層抗壓強度的強弱程度，為分析礦井層頂板、底板的力學性質的提供了較豐富的資料。

礦層——泥巖礦——粉砂巖礦——細砂巖礦——中砂巖礦——（含礫）粗砂巖礦

抗壓強度逐漸增大

圖1 礦層抗壓強度示意圖

在單一鉆孔中，弱強度層在力學性質曲線中反映為柏松比（POIS）為高幅值，而強度指數（STRN）、楊氏模量（YOMO）、體積模量（BUMO）、縱波速度（VCOM）、切變模量（SHMO）以及橫波速度（VSHA）為低幅值；在高強度層中，各曲線反映正好相反，柏松比為低幅值，而其它曲線以高幅值出現。具體形態如圖1 所示。

3 結論

比起傳統的測井技術，聲波測井更加具有準確性以及安全性。觀看常見礦性縱波速度以及時差，我們可以發現，礦產資源的縱波速度排在第四位，僅次于空氣、清水（井液）以及鐵（套管），與位于底層的沖基層縱波速度而言，要相對高很多，然而與它的速度不成正比的則是它的時差，通過測井曲線中的對比，我們可以看出聲波與時差的對比可以更加有效的反映出清晰的界面，大大提高了勘探資料的可信度。

地球物理測井是進行礦產資源勘探眾多手段中不可或缺的一個環節，它也是地質勘探信息比較數字化的一種技術，順應了數字時代的潮流，而數字是原始資料豐富與否的保證，因此隨著數字測井的逐步深入，技術工人對于礦井勘探的工作更加得心應手，礦產資源測井提供的眾多信息都成為推動礦產資源地質發展與研究的重要信息，因此，應用聲波測井這種新型技術，有利于我國礦井探測技術的創新與開發，也有利于我國數字地球的資料積累，并且為國際上的新型測井技術提供了新思路，新方法。