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     

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.     

水平井和大斜度井中的感应测井响应计算

感应测井受井斜影响十分严重，在水平井和大斜度井中，感应测井曲线几乎面目全非．水平井和大斜度井中感应测井响应的正演计算是正确认识这种复杂环境中感应测井响应特征的重要手段，是进行井斜环境影响校正的必要准备，是研究用感应测井曲线探测水平井井眼离最近界面距离的基础，同时也是感应测井理论的新发展．本文将论述水平井和大斜度井中感应测井响应正演计算的理论和方法；分析水平井、大斜度井中感应测井的响应特征     

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.     

用柱状成层各向异性介质的并矢Green函数模拟偏心对多分量感应测井响应的影响

采用偏心状态下柱状成层各向异性(横向各向同性)介质中并矢Green函数的解析表达式高效模拟多分量感应测井仪器在井眼中偏心时的响应.为提高精度,在模拟时考虑到了金属心轴、绝缘保护层的存在以及各分量线圈系的具体形状.数值模拟结果表明,当井眼内钻井液电导率相对较高、地层电导率相对较低时,偏心对仪器响应的影响较大,尤其是对短线圈距线圈系的影响更为明显,必须进行偏心效应校正.当钻井液电导率相对较低时,偏心对线圈系响应的影响可忽略不计.对位于相对低电导率井眼中的线圈系而言仪器方位角的影响可忽略不计,而当线圈系位于相对高电导率井眼中时仪器方位角的影响极为明显.当仪器偏心率较小时线圈系的响应随仪器方位角的变化较小,仪器偏心率越大线圈系的响应随仪器方位角的变化越明显.     

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     

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征对地质导向和原状地层评价具有重要意义,但钻井轨迹的复杂性决定其响应特征是多重因素综合作用的结果,且较难直接给出统一显式表达式.本文根据仪器在地层内的运动特征,建立了基于敏感区域体积元的随钻核磁共振测井响应方程和离散化计算方法;通过正演、反演结合的数值模拟,研究了单、双界面水平层状地层中,不同井斜角度、天线长度和目标地层厚度等条件下的随钻核磁共振测井响应特征,对关键结果给出了成立条件和定量关系.随钻核磁共振测井在斜井段中的T₂分布和孔隙度响应与直井中差异明显;井斜角越大,视地层厚度越大,地层界面在T₂分布和孔隙度曲线上的过渡段越长,T₂分布过渡起始位置已不能确定界面深度;仪器的最高纵向分辨率与天线长度、井眼条件和仪器参数有关;受围岩作用影响,较薄目的层的测井响应特征上可能出现异常"夹层".基于分析结果,对随钻核磁共振测井资料解释提出了建议.     

双轴各向异性介质多分量感应测井响应快速计算

为研究双轴各向异性介质多分量感应测井响应特征,本文基于三重傅里叶变换,推导任意方向偶极子源的谱域电磁场解析式;采用围线积分方法,自适应截断积分区间,结合谱域电磁场周期特性,实现三重傅里叶变换的精确快速积分;进而,针对双轴各向异性倾斜地层,模拟研究不同纵横向各向异性条件多分量感应测井响应特征.结果表明:利用谱域内电磁场在周向的周期特性简化解析式,可将计算速度提高4倍;自适应截断积分区间方法保证了计算精度,并极大地减少了积分节点数.对于倾斜双轴各向异性介质,倾角较大时,共面分量可反映地层横向各向异性,同轴分量可反映地层纵向各向异性;倾角较小时,同轴分量可反映地层横向各向异性,共面分量可反映地层纵向各向异性.     

VTI地层随钻四极子声波测井数值研究

数值计算了四极子声源在含钻铤竖直向横向各向同性(VTI)地层井孔中产生的各种模式波的频散曲线、激发幅度以及对各地层、钻铤参数的灵敏度,合成了四极子阵列波形,研究了快、慢速地层井孔中地层各向异性的存在对四极子波场的影响.数值计算结果表明,地层各向异性对钻铤波的影响很小,对于地层波的影响较大,且影响因素非常复杂.仅在一些特殊的频率点处,地层模式波的控制因素相对较为简单,如螺旋波的截止频率处.在慢速地层井孔中,最低阶的地层四极子波对距离井壁约2个井孔半径内的地层有明显的响应,可以对该范围内的地层横波进行层析成像.在快速地层井孔条件下,可以考虑采用与横波到时相同的波包来评价地层横波信息.该波包包含了井孔折射横波、F1和F2模式与井孔折射横波速度相接近的部分;利用该波包获得的地层横波速度基本不受地层各向异性的影响.在慢速地层情况下,螺旋波受地层各向异性的影响较大,建议在实际数据处理时,考虑采用基于数据的处理方法进行频散校正.     

Analysis and application of the response characteristics of DLL and LWD resistivity in horizontal well

There exist different response characteristics in the resistivity measurements of dual laterolog (DLL) and logging while drilling (LWD) electromagnetic wave propagation logging in highly deviated and horizontal wells due to the difference in their measuring principles. In this study, we first use the integral equation method simulated the response characteristics of LWD resistivity and use the three dimensional finite element method (3D-FEM) simulated the response characteristics of DLL resistivity in horizontal wells, and then analyzed the response differences between the DLL and LWD resistivity. The comparative analysis indicated that the response differences may be caused by different factors such as differences in the angle of instrument inclination, anisotropy, formation interface, and mud intrusion. In the interface, the curves of the LWD resistivity become sharp with increases in the deviation while those of the DLL resistivity gradually become smooth. Both curves are affected by the anisotropy although the effect on DLL resistivity is lower than the LWD resistivity. These differences aid in providing a reasonable explanation in the horizontal well. However, this can also simultaneously lead to false results. At the end of the study, we explain the effects of the differences in the interpretation of the horizontal well based on the results and actual data analysis.     

利用2.5维数值模式匹配算法高效高精度建立垂直井眼中多分量阵列感应井眼校正库

本文将应用2.5维数值模式匹配算法研究建立柱状横向同性地层中偏心条件下磁流源并矢Green函数的高效算法,并利用该算法高效计算多分量阵列感应井眼校正库.首先,通过Fourier展开技术将偏心条件下磁流源并矢Green函数的数值模拟转化为一系列的轴对称问题;然后利用模式匹配算法求解轴对称问题,得到柱状介质中偏心条件下磁流源并矢Green函数的半解析解;最后,结合中国石油集团测井有限公司开发的三维感应测井仪器(TDIT)的结构参数,推导出复合线圈系视电导率张量的计算公式.在此基础上,根据井场实际地层资料归纳出理论地层模型相应参数的变化范围,高效高精度建立一套直接应用于工业生产的多分量阵列感应井眼校正库,并利用井眼校正库详细地分析考察各模型参数对TDIT响应的影响.     

An effective data processing flow for the acoustic reflection image logging

Recent studies have revealed the great potential of acoustic reflection logging in detecting near borehole fractures and vugs. The new design of acoustic reflection imaging tool with a closest spacing of 10.6m and a certain degree of phase steering makes it easier to extract the reflection signals from the borehole mode waves. For field applications of the tool, we had developed the corresponding processing software: Acoustic Reflection Imaging. In this paper, we have further developed an effective data processing flow by employing multi‐scale slowness‐time‐coherence for reflection wave extraction and incorporating reverse time migration for imaging complicated subtle structures with the strong effects of borehole environment. Applications of the processing flow to synthetic data of acoustic reflection logging in a fractured formation model and interface model with fluid filled borehole generated by 2D finite difference method, and to the physical modelling data from a laboratory water tank, as well as to the field data from two wells in a western Chinese oil field, demonstrate the validity and capability of our multi‐scale slowness‐time‐coherence and reverse time migration algorithms.     

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.     

垂直井眼中三维阵列感应测井资料自适应井眼校正

三维感应测井受井眼环境影响很大,如何消除这些不利影响是有效获取各向异性地层电导率真值并提高资料处理和解释质量的一项重要工作.本文以一维柱状各向异性地层模型为基础,通过最小平方反演技术从实际测量资料中快速反演井径、偏心距、泥浆电导率、地层水平电导率和各向异性系数等模型参数,设法减小井眼环境对测量结果的影响.首先,利用仪器偏心情况下不同旋转角电导率张量的关系方程,建立旋转角提取与校正方法,获取无旋转角三维感应测井数据.在此基础上,根据事先计算好的井眼校正库并结合多维非线性有限元逼近技术,建立快速计算三维感应测井响应以及Jacobi导数矩阵的插值公式,并利用自适应正则化迭代反演技术不断修改模型参数,实现理论合成资料与输入资料的最佳拟合.最后,通过反演出的模型参数计算三维感应测井资料所有分量的校正量,实现三维感应资料的井眼校正.理论模型和实际资料的处理结果均证实,在低阻井眼泥浆情况下,一维柱状模型中的反演方法仍然可以提取出较可靠的地层水平和垂直电导率,且井眼环境校正对于受井眼环境影响相对较小的测井曲线具有非常好的校正效果.     

裂缝性地层方位侧向测井响应数值模拟

为研究井周裂缝发育特征,本文提出一种新型方位侧向测井方法,利用三维有限元法,模拟裂缝的方位侧向测井响应.结果显示,深浅侧向电阻率幅度差异受裂缝倾角的控制,低角度缝为负差异,高角度缝为正差异;倾斜裂缝张开度的增大使测井响应值减小,方位电阻率差异增大;井周方位电阻率可反映裂缝方位产状,单一缝或裂缝密度较小时,沿裂缝走向的方位电阻率小,沿裂缝倾向的方位电阻率大;裂缝发育地层的测井响应显示宏观各向异性特征,但方位电阻率的差异显示发生反转现象,即沿裂缝走向/层理方向的方位电阻率大,沿裂缝倾向/垂直层理方向的方位电阻率小;对方位电阻率测井响应进行井周成像,直观显示了裂缝的产状和发育特征.     

用矢量有限元方法模拟随钻测井仪在倾斜各向异性地层中的电磁响应

用矢量有限元法模拟和分析了电各向异性倾斜沉积岩层的随钻测井电磁响应,为很好地模拟钻铤、井眼和激励线圈等,采用了基于圆柱坐标下的六面体剖分;同时采用了高阶叠层矢量基函数来描述每个剖分单元内的场,有利于减少剖分单元数和未知量.三维有限元程序采用数值模式匹配(当处于简单地层时)以及时域有限差分法计算的结果进行了验证,显示吻合非常好.最后仿真了不同各向异性系数和不同倾角的各向异性地层的随钻电阻率测井响应,有助于对各向异性及地层倾角的校正,以及对储层作出正确评价.     

Study on 3D simulation of wave fields in acoustic reflection image logging

The borehole acoustic reflection imaging logging is a newly developed acoustic logging method that has attracted many interests. These converted and reflected waves for imaging are usually mixed up with borehole guided waves and therefore difficult to be clearly identified. To improve the downhole tool design and develop more sophisticate data processing and interpretation algorithms,studies on precisely numerical modeling of the wave fields in the acoustic reflection imaging logging are neces-sary and critical. This paper developed a parallelized scheme of 3D finite difference (3DFD) with non-uniform staggered grid and PML absorbing boundary to simulate the acoustic wave fields in isotropic and anisotropic formations. Applications of this scheme to the typical cases of isotropic and anisot-ropic formations and comparison with the results from published analytical solutions have demon-strated the validation and efficiency of the scheme. Higher accuracy and lower computation cost (3.5 times faster than the conventional schemes) have been achieved with this scheme for modeling such a complex wave fields of 60 dB dynamic range with higher frequency (10 kHz). This simulating program provides a quantitative analytical means for studying acoustic reflection imaging tool and development of the data processing and interpretation methods.     

盐水泥浆条件下定向井双侧向测井环境校正方法研究

在定向井中,双侧向测井数据由于受井眼、围岩、井斜、径向侵入等环境因素的影响,难以准确地估算储层的电阻率和更准确地识别储层流体.本文拟提出图版法和反演法相结合的思路来研究地层视电阻率的校正问题.首先,针对研究区的测井环境和钻井液电阻率,计算了不同尺寸井眼的双侧向测井响应,绘制了井眼校正图版;然后,针对斜度井地层模型,采用三维有限元方法计算了不同井斜、不同厚度地层的测井响应,构建了井斜-围岩/层厚图版,利用该图版实现了井眼校正和井斜-围岩/层厚的电阻率快速校正.最后,针对钻井液侵入的影响,采用反演方法计算了侵入半径和地层真电阻率,最终实现了双侧向测井的环境校正.利用上述理论与方法对海洋中定向井的双侧向测井资料进行了环境校正,提高了储层流体定性识别和定量评价的精度.     

横波测井的原理和方法研究

充液井孔中的偶极子声源能在周围岩层和土层中激发弯曲模式声波，它们在截止频率附近，沿井轴传播的速度为井壁介质的横波速度．使用可调声功率源使偶极子声波测井系统能适应软、硬地层的现场井孔测试．相关法算出横波声速，野外测试的结果和理论计算值相符．计算动弹模量和剪切模量，确定破碎层位置，可用于工程地质勘察中     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.