一种利用声波测量地层密度方法及其探测装置技术领域
本发明属石油工程测井施工中裸眼井地层物理参数测量和岩性含油评价的专用仪器技术
领域尤其涉及一种利用声波测量地层密度的方法及其测量装置。
背景技术
在石油勘探和开发的过程中，对地层密度的测量是评价地层孔隙度的重要参数。过去用
放射性方法，测量电子俘获截面获得地层的密度，需要剂量比较大的伽马源，对人体和环境
均有比较大的伤害。并且测量仪器必须被推靠到井壁，在井眼变化比较大的井段工程施工难
度和风险均比较大。测量结果受贴井壁影响，测量误差比较大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用声波测量地层密度的方法及测量装置，该
方法通过超声波对地层密度进行测量，避免了放射源对人体伤害和对环境的伤害；不用推靠
器，提高了施工安全、降低了施工风险，保证了工作质量。
为解决现有技术中存在的问题，本发明采用如下技术方案：一种利用声波测量地层密度的
方法，包括如下步骤：第一，将水平探头置于井内，垂直井壁入射超声波，超声波在井壁发
生垂直反射，通过获得的入射波和反射波计算反射系数；第二，对步骤一中测量的波形进行
傅里叶变换FFT获得其频谱，选取其中的极大值，利用频谱的极大值计算反射系数的值；第
三，根据步骤一中的反射系数或步骤二中频谱的极大值获得的反射波系数，通过本发明提供
的近似线性图版计算出地层的密度。
所述反射系数
其中，Z为所测量地层的波阻抗性，Z0为井内液体的波阻抗。
所述波阻抗Z＝ρV，其中ρ为地层的密度，V为地层的纵波速度。
所述井内液体的波阻抗Z0＝ρfVf，ρf为液体的密度有关，Vf为液体的纵波速度。
所述的反射系数R不仅仅是地层密度ρ的函数，还是地层声速V的函数，并且地层密度和声
速具有相关关系。砂岩或石灰岩图版就是利用该相关关系，构建了砂岩地层密度与反射系数
R之间的接近线性关系，或者说，利用砂岩本身的密度与声速的关联关系综合了弹性模量的
影响，获得了砂岩地层密度ρ改变时，其对应的垂直反射系数R的变化，见图1，这样，我
们便可以用所测量的反射系数直接通过砂岩本身的特性图版图1刻度成砂岩的密度。石灰岩
测量时，需要用石灰岩的相应图版进行转换。
为解决现有技术存在的问题，本发明的方法还可以通过如下装置进行实现：
一种利用声波测量地层密度的探测装置，包括探测仪，所述探测仪端部水平设有超声探头，
其中包括将电冲击转换为超声振动的压电片和接收反射波的一个压电单元。
所述压电片的半径小于压电单元，压电片设置在所述压电单元的内部。
所述压电片的半径小于压电单元，压电片设置在所述压电单元的外部。
所述压电单元由两个内径尺寸不同的压电环构成。
所述超声探头为自发自收信号的压电片和压电环构成。
所述压电环的内径均大于所述压电片的内径。
有益效果：1、通过超声波的反射直接测量砂岩地层的密度，获得密度孔隙度测井资料，不需
要再使用放射性源测量地层密度，保护了环境和人体健康。2、不需要将仪器推靠到井壁，施
工安全性提高，工程施工的风险减小。3、可以对整个井壁进行扫描测量，获得井壁密度的图
像。4、调整发射频率，可以实现不同径向探测深度的地层密度测量。5、该方法可以在裸眼
井和套管井中实施。
附图说明
图1是本发明的砂岩图版，即一种利用声波测量地层密度的方法中反射系数与地层密度的相
关图。
图2是本发明一种利用声波测量地层密度的探测装置优选结构截面图。
图3是本发明一种利用声波测量地层密度的探测装置另一种优选结构截面图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细地说明：
本发明提供一种利用声波测量地层密度的方法，包括如下步骤：第一，将水平探头置于
井内，垂直井壁入射超声波到地层，通过获得的入射波和反射波计算反射系数；第二，对步
骤一中测量的波形进行傅里叶变换(FFT)获得其频谱，选取其中的极大值，利用频谱计算反
射系数的变化值，第三，根据步骤一中的反射系数或步骤二中频谱的极大值获得反射系数，
通过线性分析计算出地层的密度。
所述反射系数其中，Z为所测量地层的波阻抗性，Z0为井内液体的波阻抗。
所述波阻抗Z＝ρV，其中ρ为地层的密度，V为地层的纵波速度。所述井内液体的波阻抗
Z0＝ρfVf，ρf为井内液体的密度有关，Vf为井内液体的纵波速度。所测量的反射系数是地
层密度及其纵波速度、井内液体的密度及其纵波速度的综合结果。
本发明方法主要针对砂岩储集层，其密度改变会导致孔隙度变化，相应地其声速也会发
生变化，将砂岩储集层特有的声速随孔隙度的变化规律(威利公式或更精确的非线性公式如
瑞曼公式等)代入反射系数计算公式以后发现：反射系数随地层密度的变化规律是一单调变
换曲线，接近直线，如图1清楚示出。即，砂岩地层的广义反射系数随地层密度近似线性变
化，这样，我们直接测量反射波幅度即可获得砂岩地层的密度。而砂岩地层是最主要的储集
层，是测井主要测量的目的层。因此，用垂直超声方法可以测量到砂岩地层的密度。
本发明方法直接利用了反射波幅度中的地层密度信息。对于砂岩地层，所测量的密度比
较准确。所测量的物理量是幅度，经过处理以后获得的参数是地层的密度，没有弹性模量的
耦合特征。或者说，地层弹性模量的影响综合到了反射系数与地层密度的图版中。
我们再进一步分析图1，垂直入射的超声波，其反射系数与砂岩地层的密度近似成线性
关系，该关系综合了砂岩地层的弹性模量影响，是砂岩密度与反射系数之间的单值关系，砂
岩地层密度改变，相应地其反射系数随之改变，接收到的反射波幅度和相位也改变。测量到
反射波，并将幅度转换为反射系数后经过刻度刻度和标定，即利用图1所示的转换关系获得
砂岩地层的密度。该密度是通过超声反射波的反射系数，用反射波幅度表现的。
在石油工程中，主要依据砂岩地层的密度计算其孔隙体积(密度孔隙度)，本方法主要测
量砂岩储集层的密度，对于泥岩、页岩和灰质成分比较重的其它岩石，所测量的密度与真实
密度有一定的偏差，因为是用砂岩(图1)图版计算的，或者说是用砂岩进行刻度的，刻度
线主要满足砂岩的弹性模量变化规律，所以，我们称所测量的密度为砂岩密度。用石灰岩的
弹性模量变化规律时，测量所获得的密度即为石灰岩密度。该刻度方法在中子测井中已经广
泛使用，有石灰岩刻度和砂岩刻度图版，利用不同的图版所测量到的中子孔隙度分别是石灰
岩中子孔隙度和砂岩中子孔隙度。
为解决现有技术存在的问题，本发明的方法还可以通过如下装置进行实现：
一种利用声波测量地层密度的探测装置，包括探测仪，所述探测仪1端部水平设有由将电冲
击转换为振动的压电片21和接收反射波的压电单元22构成的探头2。所述压电片21设置在
所述压电单元22的内部。或者所述压电片21设置在所述压电单元22的外部。所述压电单元
22由两个内径尺寸不同的压电环构成。所述探头2为自发自收探头，由压电片21、压电单元
22构成。所述压电环的内径均大于所述压电片的内径。
如图2所示，为本发明探测装置的一种优选结构即探头2中间部分为压电片21，该压电
片紧贴着探测仪1，形成内嵌的探测头结构，其外设有两个内径尺寸不同的压电环组成的压
电单元22，该压电单元用于接收反射波，由于两个压电环的源距不同，接收波形的相位就存
在差别。
如图3所示，为本发明探测装置的另一种优选结构即探头2中间部分为压电单元22，该
压单元22紧贴着探测仪1，压电单元22由两个内径尺寸不同的压电环组成，其外部设有压
电片21，形成外凸的探测头结构。
我们结合本发明的方法、探测装置进行分析，探头的主频根据仪器的半径和井眼半径决
定，以超声波激发的电干扰与反射波能够明显分开为标准，保证井壁反射波波形的有效测量。
即，发射探头主频的选择要保证发射声波的电信号和超声反射波能够有效区分开，发射波形
的余震(电磁干扰)不影响反射波的测量。对反射波的形状进行分析，从波形中提取反映反
射波幅度(反射系数)的物理量，例如最大波幅度，正波形的面积以及最大正波形所包含的
面积，负波形的面积以及负最大波形所包含的面积，幅度谱的极大值等等，用这些物理量计
算反射系数，对这些物理量计算的反射系数进行刻度，即在不同砂岩地层进行测量，获得不
同的反射波波形，从波形中提取有关幅度和相位信息，用这些信息计算反射系数，利用地层
密度与波形的有关幅度和相位信息所反应的反射系数之间的关系获得砂岩地层密度，即地层
密度与这些物理量所获得的反射系数之间是单值近似线性关系，用该关系从所测量的反射波
形中获得砂岩地层的密度。用不同半径的压电片和压电片环制作不同径向接收源距的探头如
图2,3所示，实现多个径向源距反射波形的测量。
在实际操作中，探头可以使用自发自收，即只采用单个压电片结构。或者，探头采用一
发多收，即单个半径小的压电片与多个半径大的压电环结构。用瞬变激发方式，测量瞬态超
声反射波形。用导纳圆测量发射探头的动态等效电参数，根据所测量的参数调整激发电路，
使激发电路与发射探头匹配，保证声波发射功率，所测量的反射波幅度比较大，信噪比高，
幅度测量精度有保证。
本领域的普通技术人员应能理解，在实际应用中，本发明中各部件的设置方式均可能发
生某些改变，而其他人员在其启示下也可能做出相似设计。需要指出的是，只要不脱离发明
的设计宗旨，所有显而易见的改变及其相似设计，均包含在本发明的保护范围之内。