管波探测的波场震相属性探讨

doi:10.11720/wtyht.2019.0030

管波探测的波场震相属性探讨

何辉¹, 段娜^,¹, 高雯琪²

1. 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司,广西桂林 541004

2. 桂林理工大学地球与科学学院,广西桂林 541004

Discussion on the attributes of the phases in Tube wave filed

HE Hui¹, DUAN Na^,¹, GAO Wen-Qi²

1. China Nonferrous Metals Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,China

2. School of Earth and Science,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China

通讯作者: 段娜(1982-),女,硕士,工程师,研究方向为工程物探。Email:251393697@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2019-01-15 修回日期: 2019-08-29 网络出版日期: 2019-10-20

基金资助:

国家自然科学基金项目. 41574030
广西自然科学基金重点基金项目. 2016GXNSFDA380014

Received: 2019-01-15 Revised: 2019-08-29 Online: 2019-10-20

摘要

管波探测是近年来发展起来的一种适用于工程勘察的井中地球物理探测新技术。笔者利用实际管波测井资料,在管波波场分析的基础上,对管波波场的震相属性进行了分析和探讨。分析结果表明:管波探测不仅可以检测井孔的完整性,而且可以直观地呈现井孔中地层的变化特征;管波探测波场的折射波初至可以清楚地反映井孔中地层的变化特征。同时,在波场特征分析中还发现了二次反射管波R ^*震相。

关键词： 管波波场 ; 管波震相 ; 管波探测

Abstract

The Tube wave detection is a new downhole geophysical technique used in geological engineering in recent years.Based upon the observed data of tube waves,this paper tries to analyze the kinematic characteristics of the different phases in the Tube wave field.The results from this analysis show that the technique not only can detects t the integrity of a downhole,but also can map the variation of the geological structure along the downhole by the traveltimes of refracted Tube wave from the drill wall.Meanwhile,the unknown phases R ^* is found in this study,the phase R ^* should be the twice reflection of phase R₁ acoording to the twice traveltimes of the original reflections.

Keywords： Tube wave filed ; phases in Tube wave field ; downhole detection

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本文引用格式

何辉, 段娜, 高雯琪. 管波探测的波场震相属性探讨. 物探与化探[J], 2019, 43(5): 1119-1122 doi:10.11720/wtyht.2019.0030

HE Hui, DUAN Na, GAO Wen-Qi. Discussion on the attributes of the phases in Tube wave filed. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(5): 1119-1122 doi:10.11720/wtyht.2019.0030

0 引言

根据弹性波理论,在固体与液体的分界面上会产生一种特殊的面波,这种面波在两种介质的分界面附近沿界面传播,称之为广义的瑞利波^[1,2,3,4]。由于这种面波是在1924年被英国地震学家Robert Stoneley首次发现,荷兰地球物理学家Johan Gerard Jozef Scholte于1947年对其进行了深入的研究,因而也称之为斯通利(Stoneley)面波或司格特(Scholte)面波^[5]。近些年来,斯通利面波被广泛应用于井孔缺陷探测,故又称之为管波,相应的探测方法称之为管波探测法^[6]。

作为井中地球物理勘探的新方法,通过在钻孔中灌注井液来满足“管波”产生基本的条件。管波技术不仅可以探测井孔的完整性,包括井孔的缩颈、扩颈及井孔旁侧一定范围内的溶洞、溶蚀裂隙、软弱夹层等不良地质体,而且可以获得井壁附近一定范围内的地层变化特征。近十多年来,管波探测广泛应用于工程勘察、岩溶勘测、混凝土灌注桩检测等流域,取得了良好的经济效益和社会效益^[7,8,9]。

笔者根据实际工作中获得的管波测井资料,对管波波场的震相属性进行了初步探讨。

1 井孔中的管波波场震相属性分析

设井孔的直径为d,发射探头与接收探头之间的距离(探头长度)为l,井孔中的地层结构如图1 所示,其中第一个地层的分界面的深度为h₁,纵波速度为v₁,第二个地层的分界面的深度为h₂,纵波速度为v₂;底部地层的纵波速度为v₃;井液的速度为v,管波的传播速度为v_g。如果井孔中存在缺陷,诸如缩颈、扩颈或岩溶及裂隙等,那么,管波就会在这些地方发生反射。

图1

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图1 管波测井示意

Fig.1 Diagram of tube wave logging

管波与其他类型的弹性波一样,在传播方向上遇到波阻抗差异界面时,管波也会发生反射,产生反射管波。管波仪发射探头T的中点与接收探头R的中点之间距离为0.6 m,发收探头之间是电缆软连接,实际可把它看成一个整体,其中心位置就是“探头的起点”,即探头在井孔中的深度。在工程中一般采用超磁致震源发射脉冲振动,其能量仅在井孔附近一定范围内传播^[10];同时,由于发射探头与接收探头之间的距离很小,因而管波探测可以看成是自激自收,反射管波的往返传播路径近似相同,那么,我们不难得到在井孔中深度z处(探头中心在井壁的投影)观测到深度分别为z₁、z₂的两个缺陷所产生的向上、向下反射的上行反射管波和下行反射管波,其旅行时间 $t_{1}^{u}$ 、 $t_{1}^{d}$ 及 $t_{2}^{u}$ 、 $t_{2}^{d}$ 分别为:

(1)

\{\begin{array}{l} {t^{u}}_{1} \approx \frac{2 (z - z_{1})}{v_{g}} = \frac{- 2 z_{1}}{v_{g}} + \frac{2 z}{v_{g}}, \\ {t^{d}}_{1} \approx \frac{2 (z_{1} - z)}{v_{g}} = \frac{2 z_{1}}{v_{g}} - \frac{2 z}{v_{g}} 。 \end{array}

(2)

\{\begin{array}{l} {t^{u}}_{2} \approx \frac{2 (z - z_{2})}{v_{g}} = \frac{- 2 z_{2}}{v_{g}} + \frac{2 z}{v_{g}}, \\ {t^{d}}_{2} \approx \frac{2 (z_{2} - z)}{v_{g}} = \frac{2 z_{2}}{v_{g}} - \frac{2 z}{v_{g}} 。 \end{array}

由式(1)、(2)可以看出,反射管波的时距曲线均为直线,所不同的是上行反射管波与下行反射管波的旅行时间曲线的斜率符号相反,从而形成一系列的相互交叉的直线系(图1)。反射管波时距曲线斜率的绝对值相同或相近,并且其值倒数的2倍即为管波在井液中传播速度。一般来说,管波的速度v_g略小于井液的纵波速度v(约1500 m/s),约为井液纵波速度的0.98倍^[10]。

同时,发射探头产生的是球面波,必然有一条声波满足第一临界角α₀入射到孔壁,可在井壁上产生α₀=90°的折射纵波,它已在管波勘探的记录中得到证实存在,如图2b中的t_r,它是管波勘探记录图2a时间轴初至部分放大后的结果。

图2

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图2 管波探测波场(a)及初至区域的井壁纵波折射波(b)

Fig.2 Observed tube wave fields (a) and the P-wave refraction from drill wall (b)

虽然收到了井壁岩体的折射纵波,但并不知道发射探头发射声波的时刻,那么这个被发现的折射波就失去了作用。如果仪器能提供发射探头发射信号的时间信号(即触发同步信号),那么管波勘探仪将能增加一个新功能,即岩体纵波的传播时间t_r。

为了说明这个设想的作用,我们先假设仪器已提供了这一功能,这样就可以得到折射波的传播时间t_r, 再计算出折射波在井壁岩体上的传播距离后(它不等于发、收探头的总长l)就可得到一个新的声学参量,即井壁介质(岩体)的折射纵波传播速度v_p。它可以显示出井孔孔壁介质的变化。如从井壁折射波t_r震相的波场特征来看,在47.5 m以上部分是钢套管,来自钢管管波的折射波的波至清晰,其旅行时间较小(因为钢管的波速是钢板的传播速度,略小于无限体钢的波速5850 m/s),而且变化平缓(0.22 ms,图2b)。

2 管波探测的应用与分析

文中以广西壮族自治区桂林市穿山桥建设工程的管波探测数据(钻孔ZK-A,孔径为0.11 m,47.5 m以上部分为钢质套管)为例,对管波波场的震相属性进行分析。

在管波探测的波场图中,不仅存在着非常明显的反射管波(图3a中的R₁、R₂、R₃、R₄等震相),反映井孔在垂向上的变化特征,诸如井孔的缩颈、扩颈及岩溶、裂隙等缺陷所产生的管波反射;同时,在管波记录的初至区域,也记录到井壁折射波t_r(图2b),它携带着井孔周围垂向地层变化的丰富信息。

图3

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图3 井孔ZK-A的管波探测波场分析与岩心

a—管波波场观测数据;b—井孔岩心柱状

Fig.3 a—the observed tube wave field;b—the drill cores

在管波探测波场图中(图3a),在47.5~52.0 m井段两端观测到一个“八”字形反射管波R₁和R₂,指示出井孔在该部位岩溶及裂隙发育(图3b),并且在47.5 m及52.0 m两个部位分别产生了管波反射R₁和R₂,其传播速度分别为1325.06 m/s及1383.84 m/s;在54 m深度处还观测到一个反射管波R₃,其传播速度为1357.28 m/s,与该处的岩溶发育情况相吻合;管波R₄则是来自井孔顶部的反射,其传播速度为1412.60 m/s(表1)。

表1 井孔ZK-A的管波记录中各反射管波震相参数

Table 1 The parameters for different reflection phases observed from downhole ZK-A

震相	z₁/m	t₁/ms	z₂/m	t₂/ms	v_g/(m·s^-1)
R₁	35.5	18.216	46.5	1.613	1325.06
R₂	53.0	1.884	61.0	13.446	1383.84
R₃	54.5	1.355	61.0	10.933	1357.28
R₄	54.0	12.282	60.0	3.787	1412.60
R^*	40.9	19.955	45.5	6.223	669.97

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3 结论

管波探测是近年来发展起来的一种适用于工程勘察的地球物理新技术,通过在井孔中注入井液产生斯通利波,不仅可以检测井孔的完整性,而且可以获得井孔周围的地层变化特征。文中在对管波探测资料分析的基础上,对管波波场的震相属性进行了分析,得到如下结论:

1)反射管波可以检测井孔的完整性,并且可以确定井孔中缺陷的所在位置;

2)如利用井壁折射波可以清楚地反映井孔围岩地层的变化特征,如果增加管波仪触发同步信号,那么管波勘探仪将能增加一个新功能,即可根据岩体纵波的传播时间t_r计算井壁岩体的纵波传播速度;

3)管波波场中存在震相R^*,应该是R₁的二次反射管波。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

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t_{1}^{u}

、

t_{1}^{d}

及

t_{2}^{u}

、

t_{2}^{d}

分别为: ...

... 由式(1)、(2)可以看出,反射管波的时距曲线均为直线,所不同的是上行反射管波与下行反射管波的旅行时间曲线的斜率符号相反,从而形成一系列的相互交叉的直线系(图1).反射管波时距曲线斜率的绝对值相同或相近,并且其值倒数的2倍即为管波在井液中传播速度.一般来说,管波的速度v_g略小于井液的纵波速度v(约1500 m/s),约为井液纵波速度的0.98倍^[10]. ...

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