声波测井仪在勘察中的运用

通常的声波测井如声速测井和声幅测井，只记录纵波头波的传播时间和第一个波的波幅，而且只是利用了井孔中非常少的波列。实际上，换能器在井孔中激发出的波列携带着很多的地层信息。声波全波列测井采用数字记录方式记录了井孔中的全部波列，利用数字信号处理的方法从全波列中提取所感兴趣的信息，用于声波测井资料的地质解释。

1井孔中的声波及其波型成分在钻孔中，由点声源激发的全波列是由多种波列成分组成的，主要包括纵波、横波、伪瑞雷波和斯通利波等(见图1)。(1)纵波纵波(又称滑行纵波)是由声源发出的以第一临界角入射到井壁后，在井外地层并靠近井壁且以图1全波列波形图地层中的纵波速度沿井壁滑行的波。这种波在沿井壁传播的同时，又会以第一临界角为折射角折回井中，被接收器接收到。(2)横波横波又称为滑行横波，它类似于纵波，从射线声学的角度来看，横波头波是由声源发出且以第二临界角入射到井壁后在井外地层并靠近井壁以地层中的横波速度传播的波，这种波在沿井壁传播时又会以第二临界角为折射角折回井中，被接收器接收到。(3)伪瑞雷波以相速度介于井内流体中的纵波速度和地层中的横波速度传播的无几何衰减的高频散波。(4)斯通利波以大于且近似等于井内流体中的纵波速度传播的无几何衰减的微频散波。

2声波全波列测井仪系统组成及工作原理

2.1系统组成目前在国内工程勘察行业，适用的声波全波列测井仪器主要为北京大地华龙公司生产的XG-Ⅱ长源距全波列测井仪，该仪器是一套双通道高分辨率、数字化的测井仪，具有分时采样、迭加、滤波、信号增强、抑制噪声以及现场实时计算、实时显示实测波形和测试结果等功能。测井仪系统由主机、井中全波列声系、连接电缆、平面换能器(用于岩芯的波速测试)和数据处理软件组成。主要技术指标见表1。井中全波列声系由一个发射探头和两个接收探头组成(见图2)，发射探头距接收探头1的距离为1.05m，距接收探头2的距离为1.25m，两接收探头间距为0.20m。

2.2工作原理应用射线声学理论分析，当发射声源(发射换能器)的几何尺寸小于声波的波长时，发射声波的指向性较差，在井孔中激发的声波则以不同的角度辐射到井壁上，并在井液与井壁的界面上发生反射及折射，而折射使部分声波能量进入岩体。折射定理:由式(1)可知:当θ的值为arcsin(ν1/ν2)时，则折射角θ2为90°，亦即折射波将沿井壁传播(滑行波)，见图3。同理，滑行波在传播过程中亦以90°入射角，不断折射回井液，并被接收换能器拾取。由于一般岩石的波速远高于水的波速，滑行波将先于通过井液的直达波到达。此时，远近不同的两个接收换能器所拾取的滑行折射波，其到时差异、幅频差异，便容含了两换能器间井壁岩体所反映的地球物理信息;根据其接收到的各种波的初至时间差可计算出两道间地层的波速值。

2.3岩石中声波的传播特征新鲜完整的岩石波速高、波幅大、频率高，岩石风化后波速、波幅和频率均会降低。这是由于风化作用使岩石中的结构面增加，且原有的矿物分解成次生的亲水矿物，矿物或岩屑颗粒之间的连结状态也由原来的结晶连结或胶结连结转化为水胶连结，较为松散，从而使声波传播时间增长，波速降低，而吸收衰减增大，波幅大大缩小，频率变低，波在风化岩石中的穿透能力也大为减弱。同理，在岩体破碎及节理裂隙发育区，当声波在岩体中传播时，由于这种不连续界面中往往富含有液体使其波阻抗降低，且在这种界面上传播的声波会发生不同程度的反射、绕射，致使声波的能量大大衰减，导致波速降低，波幅变小，频率变低，反映在全波列波形上会出现图4所示的声波异常区(见图4中浅灰色区块)［2］。用软件回放出来，然后利用人工方法观察两道波形中横波的波至点，并将它们对应的波至读出，进而利用两通道波形的波至来计算横波时差，这种方法比较麻烦，处理速度慢，而且精度不高。

2.4全波列测井中纵横波的提取在测井时，用门槛鉴别的方法即可检测纵波的波至，并计算纵波时差。目前大部分的波速测试仪器均可通过软件自动判读并计算纵波速度。对普通波速测试仪来说，由于纵波后续波的干扰，一般很难利用类似的方法来获得地层的横波速度。而声波全波列测井仪采用了较长的源距，记录了整个波列，即在某个测量点上记录了远近两道完整的全波列波形。在全波列波形中，纵波信号到达一段时间后横波才能到达，此时纵波信号已有所衰减，而横波信号由于频率低振幅大，与前边的纵波有着明显差异，可较容易将二者区分开来。由此可见，利用全波列信息通过一系列信号处理分析，从全波列资料中提取纵波、横波和斯通利波等，不仅可以得到各种波的波速，而且在一定条件下可以得到某一种波群幅度和频率谱等，从而可以充分利用这些测井信息研究地层的特性。下面介绍横波提取的方法。

2.4.1人工波形识别法这种方法是首先将声波测井记录道的全波列利3全波列测井在工程勘察中的应用在工程勘察中，声波全波列测井主要用于解决以下地质问题:(1)岩体的波速测试及力学参数计算;(2)划分基岩地层与岩性;(3)圈定构造、岩溶、节理裂隙发育带及软弱层，辅以确定含水层位置;(4)对风化壳及岩体完整程度做出定量评价。

2.4.2相关对比法相关对比法是利用两道全波列信号求某一段波列的互相关函数，进而求得该波群的速度(群速度)的一种方法(见图5)。应用该方法对采集的信号进行互相关分析，可以准确地识别S波的到时，大大提高了波速分析的效率和精度。

3.1测试方法技术由于当前声波测试主要应用在岩体的波速测试及计算力学参数方面，因此本文以该方面的工作为例来介绍声波测试的方法技术。该方法分为孔内岩体波速测试和岩石(岩芯)波速测试两步。(1)孔内岩体波速测试:采用一发双收声系，以水为耦合介质测定岩体的纵波速度νpm和横波速度νsm。(2)岩石波速测试:一般测试岩芯的波速。测试方法采用透射法，即在岩芯的两端放置纵波发射换能器及接收换能器，测定岩芯的纵波速度νpr。(3)根据岩石的密度、岩芯的波速及岩体的纵横波速度，计算岩体的动弹性模量、动剪切模量、

3.2影响声波测井的因素［1］(1)周波跳跃的影响正常情况下，测井仪的两个接收探头是被同一脉冲首波触发的，但在孔隙较多的疏松地层和裂隙发育区(或破碎带)中，由于能量的严重衰减，致使首波减弱到只能触发第一接收探头，而第二道首波前沿不能触发，而是触发记录首波后沿，其相位将明显地滞后，造成记录的时差比岩层的实际时差大。更严重的是，第二道首波被第二周或推延多周后的幅度峰所触发，每差一个峰值，时差就增大一个周期，表现在波列图上，则会出现测井曲线的急剧偏转或相邻波速的较大差异，这种现象称为周波跳跃。(2)层厚的影响。全波列测井仪源距较长，对小于两接收道间距的薄地层分辨能力较差。减小间距可以提高对于薄层的分辨能力，但是记录精度将受影响，且探测深度也随之变浅。(3)噪声干扰在碳酸盐岩地层中，由于与井液声阻抗相差很大，声波在孔内的反射较强，经多次反射形成混响声场(噪声)，由于其不易弥散，甚至会叠加在第二次发射后接收到的首波上，使得首波辨认困难，特别是首波幅度小的层段，如裂隙发育区、破碎带等，对该区段声波曲线的判读有较大影响。

4工程实例

陕西省某铁路隧道的选址区位于秦岭山脉中，山势陡峻，该区地层为砂岩，区内断裂破碎带及节理发育，所以查明该区域地层的岩石风化、破碎情况对于隧道勘察设计非常重要。图6为该工程LZK5勘察孔的波速测试成果。由图可见，该钻孔纵波速度一般大于4000m/s，横波速度一般大于1600m/s。在25～28m、43～46m、62～65m、80～85m位置及100～125m之间，有多处纵、横波速度明显降低，反映该区域有破碎带存在或节理裂隙发育。对应上述低速区的位置，岩石的动弹性模量和动剪切模量亦随波速降低，变化幅度明显;部分区域岩石的泊松比表现为数值增大，部分区域无明显变化，反映了不同深度、不同性质的破碎带或节理发育区之间力学性质的差异。图7为江西省某核电工程选址勘察中波速测试得到的“地质—νp柱状图”，该区地层为玄武岩，全区岩石风化强烈，裂隙发育。从图中可以看出，对应不同性质的地层，波速变化较大，反映岩石的风化程度、破碎程度变化较大，21.6m以上波速在2000～2756m/s之间，为强风化、破碎的玄武岩地层;21.6～23.6m层速度为3397m/s，为中风化玄武岩地层;23.6～35.8m层速度一般大于4000m/s，为完整的玄武岩地层，其间偶夹有裂隙;35.8～37m为一明显的裂隙发育区。由上述可见，波速测试结果反映了岩体内部波速场的分布情况，通过波速—深度曲线还可概括、直观地反映岩体的完整性。

5结语

(1)用超声波探测技术进行岩体的纵波、横波速度的测定，能够评价所测岩体的风化程度和岩体完整性指数，其成果较为可靠。(2)由测试结果生成的深度—波速曲线图可直观反映该区域地层的风化程度及岩体破碎情况，可以为设计提供较为可靠的物性参数，是一种值得推广的测试方法。(3)根据波速测试结果计算的岩石力学参数可为工程的勘察设计提供更为详尽的基础地质资料。由于以往的声波全波列测井仪器仅用于石油勘探中深部(上千米)钻孔的测试，而该类仪器价格昂贵，且设备较重、源距较长(最长可达十几米)，在工程勘察领域不适用，因此目前对工程勘察中的声波全波列包含的各种波的波幅、频率等信息的深入研究较少。随着适用于工程勘察的声波全波列测井仪的推出，全波列测井技术现在正被广泛地应用于交通、水电、铁道、工业和民用建筑等领域，解决了各领域工程勘察中的有关问题。随着我国经济建设的稳步发展，基础建设项目中的工程勘察和地质灾害防治工作对声波全波列测井技术的需求将进一步加大，对该方法技术的研究也将更深入，以使其发挥更广泛、更重要的作用。