横向各向同性地层(VTI)井孔声弹效应对弯曲波的影响

本文发展了建立在地层参考状态为各向同性介质假定下的现行井孔声弹性理论,就井外为横向各向同性面与井轴垂直的、具有9个独立三阶弹性模量的横向各向同性介质(VTI井况),水平面内受双轴应力作用下给出了一个简洁的与井内压力、应力差、应力和以及多极源偏振方位角有关的井孔弯曲波声弹公式,并且导出了平面纵、横波速度的声弹公式.数值考察了弯曲波速度之改变量的灵敏系数随频率的变化、受井外水平双轴应力作用时两种偏振的偶极弯曲波频散曲线以及对应不同方位径向偏振的横波速度.研究结果表明弯曲波声弹公式与5个二阶弹性系数以及7个独立的三阶弹性模量有关;而且由内压引起的井孔弯曲波声弹性公式中的三阶弹性模量仅与6个独立的弹性模量有关.横向各向同性介质井孔弯曲波速度的交叉现象仍是判断地应力存在的标志;一个重要的认识是受双轴应力作用的弯曲波速度变化在低频区主要与c₁₄₄和c₁₅₅两个三阶弹性模量有关,而且此认识与径向偏振的平面横波一致.在缺乏足够实验条件情况下,对VTI情况,以c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃三个独立的量进行测量,然后可暂不考虑三阶弹性模量的各向异性,建立简化的应力反演公式.反之,如果已知地层的地应力信息,由简化的声弹公式可以反演三阶弹性模量c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃.     

利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究

在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息;对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.     

非均匀TI介质P-SV波传播交错网格高阶有限差分数值模拟

给出了在非均匀横向各向同性(TI)介质情况下,四阶时间精度、高阶空间精度的一阶速度-应力P-SV波的波动方程交错网格有限差分解法.首先根据一阶速度(应力)波动方程把速度(应力)对时间的一阶和三阶导数转换为应力(速度)对空间的导数,从而在使用四阶时间精度有限差分格式计算某一时刻的波场时只需要前面两个时间步的波场值;然后在空间上采用高阶有限差分格式以提高数值模拟的精度.数值模拟结果和实测垂直地震剖面(VSP)记录符合得很好,说明该方法是可行的.     

横向各向同性地层井孔伪瑞利波、弯曲波、螺旋波的低频极限速度

在多极源声测井中, 低频弯曲波或螺旋波被广泛应用于测量地层的横波速度. 前人的研究已证明在各向同性地层中井孔伪瑞利波、弯曲波及螺旋波的低频极限速度都等于地层横波速度. 大量的数值计算结果似乎表明此结论在横向各向同性（TI）地层情况下也能成立, 但缺乏理论证明. 本文在井孔平行于TI弹性地层对称轴的模型下, 考察了井内声源激发的波在流-固边界上的反射和透射情况, 阐述了非泄漏模式导波产生的必要条件并讨论了其速度上限值. 我们发现在各向异性参数满足一定条件的TI地层中,导波速度的低频极限值小于沿井孔方向上的横波速度. 通过对井孔导波的频散分析以及对时域全波列的数值模拟, 论证了在这类地层中进行多极源声测井时,不可能根据弯曲波或螺旋波的到达时间准确获取地层的横波速度值.     

黏弹性与弹性介质中Rayleigh面波特性对比研究

Rayleigh面波的频散特性可以用来研究地表浅层结构. 本文使用时域有限差分法来模拟复杂黏弹性介质中的Rayleigh面波,研究了Q值对面波频散特性的影响.文中采用旋转交错网格有限差分,以非分裂卷积形式的完全匹配层为吸收边界,推出了求解二阶位移-应力各向同性黏弹性波动方程的数值方法.为了检验数值解的精度,首先将简单模型的正演结果与解析解对比,验证了方法的正确性;然后模拟了横向缓变层状介质和含有洞穴的介质中的面波,对弹性和黏弹性介质中的面波的频散特性进行对比分析.模拟结果表明浅层Q值对面波的频散特性有显著的影响;强吸收情况下,高阶面波的能量相对低阶面波能量显著增强.     

横向各向同性介质地震波场数值模拟研究

地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点,帮助解释观测数据的有效手段,而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method,FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium,TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明,本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比,在压制网格数值频散方面有明显的优势,计算精度提高,而且可以利用较大的空间步长,提高计算效率.     

三维VTI介质qP波方程频率空间域有限差分高阶加权算子

波动方程有限差分法是波场模拟的一个重要方法,为解决常规有限差分法存在着数值频散的问题,本文从具有垂直对称轴的三维横向各向同性(VTI)介质频率-空间域qP波动方程出发,在常规差分算子的基础上构造了适合三维VTI介质的频率空间域有限差分优化算子,然后利用最优化理论中的Gauss-Newton法求解了优化算子的系数,使差分方程的相速度与波动方程的相速度尽量吻合,从而在理论上使网格数值频散达到极小,精度对比分析及数值测试表明,有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效地压制了数值频散现象,为三维VTI介质频率一空间域qP波正演模拟研究提供了理论基础.     

弯曲模式波在各向异性井孔中传播的实验研究

鉴于弯曲模式波在井孔中传播的基本原理，制作了用于模型井孔的单／偶极子换能器，在模拟硬、软地层的铝和有机玻璃的井孔模型中进行了测量，并与理论计算的频散特性作了对比．在声速各向异性的井孔模型中进行的测试表明．弯曲模式波在横向声速各向异性的井孔中，分裂为两种传播速度不同的快、慢弯曲模式波．实验结果表明，偶极子声波测井将能有效地探测地层的横向各向异性．     

各向异性双相介质中多极源声波测井理论研究

将各向异性地层模拟为横向各向同性双相介质 ,使其对称主轴与井孔中心轴线相垂直 .本文针对井孔模型下的多极源声波测井问题提出了一种解析的摄动方法 .将各向异性双相介质看作是由对应的各向同性双相介质加上摄动部分而组成 ,并引入 5个关于弹性模量偏离各向同性时的摄动量 ,对对称主轴与井轴垂直的各向异性双相介质的多极源声波测井问题进行了系统的理论研究和分析 ,严格求解了井孔内外的零级和一级近似声波场 .发现在n级多极源激发下 ,井孔中不仅出现n级多极声场 ,而且还能激发出与各向同性地层时不相同的高于和低于n级的多极声波场     

各向异性双相介质中多极源声波测井理论研究

将各向异性地层模拟为横向各向同性双相介质 ,使其对称主轴与井孔中心轴线相垂直 .本文针对井孔模型下的多极源声波测井问题提出了一种解析的摄动方法 .将各向异性双相介质看作是由对应的各向同性双相介质加上摄动部分而组成 ,并引入 5个关于弹性模量偏离各向同性时的摄动量 ,对对称主轴与井轴垂直的各向异性双相介质的多极源声波测井问题进行了系统的理论研究和分析 ,严格求解了井孔内外的零级和一级近似声波场 .发现在n级多极源激发下 ,井孔中不仅出现n级多极声场 ,而且还能激发出与各向同性地层时不相同的高于和低于n级的多极声波场     

不同偏振方向的偶极子声源在HTI地层井孔中激发声场的实验研究

本文首先制作了TI地层模型井,对模型井的速度、密度等物理参数进行了测量,通过快速模拟退火算法得到了该介质的五个TI刚性系数,然后采用缩尺的偶极子探头在HTI地层井孔内进行超声测量实验模拟了实际的偶极子声波测井,并结合数值模拟的结果,研究了不同偏振方向的声源在HTI地层井孔中进行偶极子声波测井的响应特征.模拟结果表明,弯曲波的幅度和速度随声源的偏振方向不同而不同.正交分量的波形幅度在声源偏振方向平行或垂直于快横波面方位时最小,在与快横波面方位呈一定夹角时较大;同向分量波形幅度随声源的偏振方向的变化规律同正交分量相反.弯曲波速度在声源的偏振方向与快横波面方位的夹角小于30°或者大于60°时,分别接近于快弯曲波和慢弯曲波的速度,对于夹角的变化不敏感;当夹角在30°和60°之间时,弯曲波的速度对该夹角变化非常敏感,由接近快弯曲波速度快速变化到接近慢弯曲波速度.     

套管井贴壁声源激发的非轴对称声场的有限差分模拟及结果分析

套管井贴壁声波测井仪器在固井质量评价中的应用越来越广泛.本文利用三维交错网格高阶有限差分方法首次研究了贴壁声源在套管井中激发的非轴对称声场特征,给出了测井声源在贴壁固体弹性介质中激发时的数值模拟方法,模拟的全波波形与测井仪器在实际井中记录的波形吻合较好,这为利用数值模拟方式开发贴壁声波仪器的潜在应用奠定了基础.通过对套管井不同胶结状况下的数值模拟,得到了贴壁声源在套管井中激发的声场特征和传播规律,模拟结果显示加载声源的贴壁滑板的存在大大压制了套管中弯曲型Lamb波的幅度;套管中传播的拉伸波的幅度相对较强,其泄漏到水泥中的声波传播到水泥和地层界面时发生反射,反射波的幅度和相位特征携带了水泥环第二界面的胶结信息.数值计算结果为利用贴壁声源激发接收的波形实现水泥环第二界面井周不同角度上的胶结评价奠定了理论基础.     

套管井应力集中下正交偶极声测井的声弹理论、数值分析与实例

油田受异常地应力作用而损坏的油井绝大部分都是套管井,针对这一实际情况,通过求解套管井应力集中情况下各层介质中应力场的分布,应用摄动积分方法,将裸眼井声弹性方程发展为适用于套管井井孔体系的情况.数值考察了井外无限远单轴水平压应力作用下,声弹方程中各层介质敏感系数和速度-应力系数随频率的变化,及二相互垂直偏振的偶极弯曲波相速度的频散曲线.结果表明,套管井声弹方程中的速度-应力系数主要由地层参数决定,内层介质的贡献较小,其中与三阶弹性模量相对应的项又起决定作用;井孔周围应力集中将引起平行和垂直单轴压应力方向偏振的二弯曲波发生速度分裂,同时随频率的增大两条频散曲线产生交叉,说明这种交叉仍然可用作判断套管井情况下地层各向异性是本征的还是由异常应力诱导的判据,用正交偶极声波测井技术在套管井中无损检测异常地应力仍然可行;但低速地层交叉点将明显向高频区移动,这又是与裸眼井情况重要的不同之处.本文还给出现场实测数据的处理实例,理论结果得到验证.     

井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂

利用在大形变基础上叠加小扰动的非线性波动理论——声弹性理论，数值考察了井外均匀各向同性固体介质同时受井孔静压力和井外单轴水平压力作用时，Stoneley波和两种偏振的偶极弯曲波的相速度频散曲线，并研究了计算中用到的灵敏系数随频率的变化. 数值结果表明，模式波相速度频散曲线的变化主要受灵敏系数中对应的3个三阶弹性常数的项控制；由井孔周围应力集中引起的沿单轴压力方向和垂直于该方向偏振的弯曲波发生分裂，同时随频率的增大，两条频散曲线产生交叉；井孔静压力的作用使两条频散曲线交叉点的位置发生变化，交叉点相速度值随井孔压力的增加而增大，但对应的频率值不变.     

倾斜地层中的井孔声场研究

研究声波在倾斜充液井孔中的传播对于声波测井数据处理和解释具有重要意义.应用三维交错网格有限差分方法模拟了处于倾斜各向同性分层地层中的井孔声场.首先,针对均匀地层中单极子声源在裸眼井中激发的声场,将有限差分的结果和实轴积分法的结果进行对比验证.然后,采用单极子和偶极子两种声源,针对地层分界面和井轴间的不同倾角,计算了相应的声场分布和井轴上的接收波形.数值计算的结果表明,当声源处于倾斜分界面以下,即处于快速（下方）地层,接收器处于倾斜分界面以上（慢速）地层时,随着地层倾斜角度的加大,测得的慢度值从接近上方慢速地层值逐渐减小直至接近下方快速地层的值.任何源距情况下测得的首波慢度均小于上方地层实际的纵波慢度.并且,慢度与源距的关系曲线随源距的加大逐渐平缓.用偶极子声源激发得到的横波慢度与纵波结果相同,并表现得比纵波对倾角的改变更敏感.上述结论在本文中用声场快照和利用合成接收波列的慢度计算得以清楚显示,并且用射线声学理论验证.