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(wú)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(guó)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(yǔ)

(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(guó)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。