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(見圖1)。(1)縱波縱波(又稱滑行縱波)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。該波在沿井壁傳播的同時(shí)，以第一臨界角為折射角回到井中，被接收器接收。(2)橫波橫波又稱滑行橫波，類似于縱波，從射線聲學(xué)的角度來看，橫波頭波是聲源發(fā)出，第二臨界角進(jìn)入井壁后，在井外地層靠近井壁以地層橫波速度傳播的波，該波沿井壁傳播時(shí)以第二臨界角作為折射角回到井中(3)假瑞雷波以相速介于井內(nèi)流體中的縱波速度和地層中的橫波速度傳播的無幾何衰減的高頻散波。(4)斯通利波以比井內(nèi)流體縱波速度傳播的幾何衰減微波傳播。

2聲波全波列井儀系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

2.1系統(tǒng)構(gòu)成目前在國內(nèi)工程調(diào)查行業(yè)，適用的聲波全波列井儀主要是北京大地華龍公司生產(chǎn)的XG-ⅱ長(zhǎng)源距全波列井儀，該儀器是雙通道高分辨率、數(shù)字化的井儀，具有分時(shí)采樣、反復(fù)、過濾、信號(hào)強(qiáng)化、噪音抑制、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)顯示實(shí)時(shí)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，兩個(gè)接收探頭的距離為0.20m。

2.2工作原理應(yīng)用輻射聲學(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)射聲波的指向性差，在井孔中激發(fā)的聲波以不同的角度輻射到井壁，在井液和井壁的界面發(fā)生反射和折射折射定理:從式(1)可以看出，如果父母的值是arcsin(最大/最大)，折射角父母的2為90°，即折射波沿井壁傳播(滑行波)，請(qǐng)參照?qǐng)D3。同樣，滑行波在傳播過程中也以90°進(jìn)入射角，不斷折射回井液，被接收換能器撿起來。一般巖石的波速遠(yuǎn)高于水的波速，滑行波比井液的直達(dá)波先到達(dá)。此時(shí)，遠(yuǎn)近不同的兩個(gè)接收換能器拾取的滑行折射波，當(dāng)時(shí)的不同、寬頻差異包括兩個(gè)換能器之間井壁巖體反映的地球物理信息，根據(jù)接收的各種波的最初到時(shí)間差，可以計(jì)算兩個(gè)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)(見圖4中淺灰色區(qū)塊)［2］。用軟件播放后，用人工方法觀察兩個(gè)波形中橫波的波點(diǎn)，讀取相應(yīng)的波點(diǎn)，然后用兩個(gè)波形的波點(diǎn)來計(jì)算橫波時(shí)差，這種方法麻煩，處理速度慢，精度不高。

2.4全波列測(cè)量井中縱橫波的提取在測(cè)量井中檻識(shí)別的方法檢測(cè)縱波的波到，計(jì)算縱波時(shí)差。目前，大多數(shù)波速測(cè)試儀器可以通過軟件自動(dòng)判斷和計(jì)算縱波速度。對(duì)于普通的波速測(cè)試儀來說，由于縱波后續(xù)波的干擾，一般很難利用類似的方法獲得地板的橫波速度。聲波全波列井儀采用較長(zhǎng)的源距，記錄了整個(gè)波列，即在某個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄了遠(yuǎn)近兩個(gè)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)間后橫波到達(dá)，此時(shí)縱波信號(hào)衰減，橫波信號(hào)頻率低振幅大，與前縱波明顯不同，容易區(qū)分兩者。由此可見，利用全波列信息通過一系列信號(hào)處理分析，從全波列資料中提取縱波、橫波、斯通利波等，不僅可以得到各種波的波速，還可以在一定條件下得到某種波幅和頻率譜等，充分利用這些井信息研究地層的特性。下面給大家介紹橫波提取的方法。

2.4.1人工波形識(shí)別法的方法是，首先將聲波井記錄道的全波列利3全波列井在工程調(diào)查中的應(yīng)用于工程調(diào)查，聲波全波列井主要用于解決以下地質(zhì)問題:(1)巖體波速測(cè)試和力學(xué)參數(shù)計(jì)算(2)劃分基礎(chǔ)巖層和巖性(3)圍繞結(jié)構(gòu)、巖溶、節(jié)理裂縫發(fā)育帶和軟弱層，輔助確定含水層位置(4)風(fēng)化殼和巖體的完整度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2.4.2相關(guān)對(duì)比法的相關(guān)對(duì)比法是利用兩個(gè)全波列信號(hào)尋求某個(gè)波列的相關(guān)函數(shù)，然后尋求該波列的速度(組速度)的方法(見圖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)由于目前聲波測(cè)試主要應(yīng)用于巖體的波速測(cè)試和計(jì)算力學(xué)參數(shù)，本文以此方面的工作為例介紹聲波測(cè)試方法技術(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)試兩個(gè)步驟。（1）孔內(nèi)巖體波速測(cè)試：采用一發(fā)雙收音系，以水為耦合介質(zhì)測(cè)量巖體縱波速度pm和橫波速度sm。（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，第二波被第二周或推遲多周后的幅度峰觸發(fā)，每次峰值差一次，時(shí)差就會(huì)增加周期，表現(xiàn)在波列圖上，測(cè)井曲線的急劇偏移和相鄰波速的大不相同，這種現(xiàn)象被稱為周波跳躍。(2)層厚的影響。全波列測(cè)井儀的來源距離較長(zhǎng)，對(duì)兩接收道之間較小的薄地層的分辨能力較差。減少間隔可以提高薄層的識(shí)別能力，但記錄精度受到影響，檢測(cè)深度也變淺。(3)噪聲干擾在碳酸鹽巖地層，與井液聲阻抗大不相同，聲波在孔內(nèi)反射強(qiáng)，多次反射形成混響聲場(chǎng)(噪聲)，不易分散，因此在第二次發(fā)射后收到的第一次波上重疊，第一次波的識(shí)別困難，特別是第一次波幅次波幅度小的層，如裂縫發(fā)育區(qū)、破碎帶等，對(duì)該區(qū)的聲波曲線的判斷有很大影響。

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，山勢(shì)陡峭，該區(qū)地層為砂巖，區(qū)內(nèi)破碎帶和節(jié)理發(fā)育，因此查明該區(qū)地層巖石風(fēng)化、破碎情況對(duì)隧道調(diào)查設(shè)計(jì)至關(guān)重要。圖6是該工程LZK5調(diào)查孔的波速測(cè)試成果。如圖所示，該鉆孔的縱波速度一般大于4000m/s，橫波速度一般大于1600m/s。在25~28m、43~46m、62~65m、80~85m的位置和100~125m之間，縱橫波的速度明顯下降，反映該地區(qū)有破碎帶或節(jié)理裂縫發(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)剪切模量也隨波速下降，變化幅度明顯的部分地區(qū)巖石的泊松比數(shù)值增大，部分地區(qū)沒有明顯變化，反映了深度、性質(zhì)不同的破碎帶和節(jié)理發(fā)育區(qū)的力學(xué)性質(zhì)差異。圖7是江西省某核電工程選址勘察中波速測(cè)試所得到的地質(zhì)——p柱狀圖，該區(qū)地層為玄武巖，全區(qū)巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，裂縫發(fā)育。從圖中可以看出，對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的地板，波速變化大，反映巖石風(fēng)化程度、破碎程度變化大，21.6m以上波速在2000~2756m/s之間，是強(qiáng)風(fēng)化、破碎的玄武巖地板的21.6~23.6m層速度為3397m/s，是中風(fēng)化玄武巖地板的23.6~35.8m層速度一般在4000m/s以上，是完整的玄武巖地板，其間偶爾有裂縫35.8~37m是明顯的裂縫發(fā)育區(qū)。從上述可以看出，波速測(cè)試結(jié)果反映了巖體內(nèi)部波速場(chǎng)的分布，波速-深度曲線也可以概括、直觀地反映巖體的完整性。

5結(jié)語

(1)通過超聲檢測(cè)技術(shù)測(cè)定巖體的縱波、橫波速度，可以評(píng)價(jià)測(cè)定的巖體的風(fēng)化程度和巖體的完整性指數(shù)，其成果可靠。(2)測(cè)試結(jié)果生成的深度波速圖可以直觀反映該地區(qū)地層的風(fēng)化程度和巖體破碎情況，為設(shè)計(jì)提供可靠的物性參數(shù)，是推進(jìn)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)可以為工程的調(diào)查設(shè)計(jì)提供更詳細(xì)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。傳統(tǒng)聲波全波列測(cè)井儀器僅用于石油勘探中深部(數(shù)千米)鉆孔測(cè)試，該儀器價(jià)格昂貴，設(shè)備重，源距長(zhǎng)(最長(zhǎng)可達(dá)十幾米)，不適用于工程調(diào)查領(lǐng)域，因此目前工程調(diào)查中聲波全波列中包含的各種波幅、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)廣泛應(yīng)用于交通、水電、鐵路、工業(yè)和民用建筑等領(lǐng)域，解決了各領(lǐng)域工程勘察中的相關(guān)問題。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，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)的需求進(jìn)一步加大，對(duì)該方法技術(shù)的研究也進(jìn)一步加深，發(fā)揮更廣泛、更重要的作用。