偶极声源在裸眼井及套管井外的横波辐射特征

偶极横波远探测技术作为近年来发展起来的一门地球物理测井技术,一个重要应用前景就是在裸眼井和套管井测井时寻找井外地层中的油气构造.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近解出发,对裸眼井及套管井中偶极声源的辐射场进行了对比分析,首次得到了偶极声源在不同声源频率和不同地层类型下的辐射特征.并深入研究了套管井中偶极声源的SH横波远场辐射特性,给出了不同耦合情况下的SH横波远场辐射特性的变化规律,对比了套前套后SH横波远场辐射的异同.结果表明：井中偶极声源的远场辐射特性受声源频率和地层类型影响较大;在套管井中,偶极声源辐射到地层中的横波能量也可以进行远探测,尽管与裸眼井情况相比,辐射能量会有所降低.本文的结果为偶极横波远探测技术的应用提供了理论支持.     

随钻偶极远探测声场的辐射特性

本文对偶极横波远探测技术在随钻测井中的应用进行了探讨.对于随钻远探测而言,井中声源向井外地层中的辐射性能是它的主控因素.本文从井孔内外声场出发,考察了随钻和电缆测井中偶极声源的辐射效率,即声源产生的辐射波能流与沿井传播的导波能流之比;分析了声源的远场辐射指向性;基于声源辐射与接收之间的互易性,快速模拟和处理了随钻测井下SH和SV横波远探测波形.研究结果表明,随钻条件下SH和SV横波的最大辐射效率受钻铤的影响较电缆的情况降低了70%左右,且横波最大辐射效率对应的优势激发频率也从电缆的3.5kHz降为2.5kHz左右;虽然随钻偶极的横波辐射效率明显降低,但由理论模拟的随钻远探测数据的成像结果可知,声源辐射到地层中的横波能量仍足以探测井外反射体,表明随钻偶极远探测技术在理论上是可行的,本文结果为随钻偶极远探测测井提供了理论依据.     

用滑移界面理论模拟多裂缝体系的偶极横波远探测声场

偶极横波远探测已成为探测储层裂缝的重要测井技术,裂缝及其充填物质的弹性性质决定了其对远探测声场的响应特征.本文运用滑移界面理论来描述井外地层中裂缝对声场的响应特征,考察了SH横波的反射和透射系数随充填物的变化规律.建立了井外双裂缝远探测声场的几何模型,以双裂缝为例给出了偶极横波远探测声场的快速模拟方法,并将所得结论应用于现场远探测裂缝的识别和解释.本文的研究结果为偶极横波远探测数据的处理和解释提供了理论依据.     

利用井中低频偶极横波进行声波远探测的新方法

为了突破目前声波远探测技术存在的局限性,提出了一种新的偶极横波远探测方法,即利用井中偶极子产生的井中弯曲波存在低频截止频率的现象,在声源截止频率以下激发偶极声波.通过对比分析井中偶极声源分别在截止频率上、下激发时,井孔内外产生的辐射声场,明确了截止频率以下井中偶极声源的远场辐射特征和低频截止频率激发偶极横波的优势,结合数值模拟,进一步对其反射声场进行了分析.结果表明,该方法可以避免艾里相的巨大振幅对数据量化产生的"饱和"效应,相比传统的远探测测井方式更具优势,常规源距即可满足专门的远探测测井仪器需求.     

三维SH横波远探测测井理论研究

提出了一种新的井内相控圆弧阵相位控制方式,实现了对地层SH横波的定向发射和接收,在此基础上发展了一种利用反射SH横波对井外反射体进行远探测的测井方法,旨在突破目前发展的偶极子SH横波远探测方法在地质体方位确定方面的局限性.数值模拟结果表明,合理的相位控制方式可以使得圆弧阵接收(发射)器能够对SH横波进行定向接收(发射),且在目标接收(辐射)方位,不存在SV波场及纵波场的干扰;改变声源和接收器的相位控制方式,可以通过SH波场对井外波阻抗不连续界面的进行扫描,其反射波清晰,方位分辨率高.与传统的单极子纵波远探测方法相比,一方面该方法具有较好的方位分辨能力,能够准确确定反射体在三维空间中的位置,另一方面SH反射波在洞穴、裂缝成像方面更具有优势.与传统的偶极SH横波远探测方法相比,由于该方法引入了具有SH横波定向接收功能的圆弧阵接收器,能够消除反射体方位测量的多解性.     

充液井中多极声源的辐射效率

利用反射声场探测井外地质构造的声波远探测方法已逐渐成为石油测井的一门重要应用技术.在远探测测井中声源常采用单极、偶极和四极等.为了考察各种声学辐射器的辐射性能,本文从辐射声场和井孔声场的能流密度出发,提出了一种利用辐射器向井外辐射的能量与沿井筒传播的能量比的大小来评价其辐射效率的方法,考察了不同声源激发的沿井传播的导波能流、地层辐射波能流及声源辐射效率随频率的变化规律.计算结果表明:不同声源的辐射效率和优势激发频段各不相同.单极声源在低频下的辐射效率很低,因为此时声源激发的能量几乎全部被斯通利波带走,相比之下,偶极声源在低频时的辐射效率远大于单极声源.本文的结果说明了偶极声源作为低频远探测声源要优于单极声源.     

声波远探测技术概述及发展

常规测井项目探测井外信息较浅,难以反映地质异常体距井外较远距离发育情况.声波远探测技术提出已近30年,商业化研究也有10余年,可以对井外数十米甚至上百米范围进行探测,该技术产生大大丰富了研究领域,已经发展成一种油气勘探行业中不可缺少的先进技术.声波远探测测井主要可以分为单极子反射纵波远探测和偶极子反射横波远探测,其中,单极子反射纵波远探测以斯伦贝谢为代表,偶极子反射横波由贝克休斯为代表,本文在描述了声波远探测基本概念的基础上,分别对两种远探测方法从国内外发展角度进行了概述,概述内容主要方面有:基本原理发展过程、仪器研发思路、处理方法改进及相关难点,对各科研院所及单位的研发现状进行总结,对偶极子反射横波远探测的优势进行了说明.通过油田应用情况进行分析,概括了远探测测井的主要作用,对偶极子远探测技术最新进展及相关应用实例进行了阐述,最后在分析远探测技术发展现状和趋势基础上,给出应用前景展望.     

双偶极源反相激励压制井中直达波的横波远探测方法研究

偶极横渡远探测测井仪器工作时,存在很强的井中直达信号干扰,严重影响了井外反射声波信号的测量.为解决这一问题,本文提出了一种双偶极源反相激励的声波远探测测井方法.与传统方法相比,这一方法采用两个具有相反相位的偶极声源,通过延时激励的方式,可以从数据采集环节压制直达信号,提高反射波的信噪比.理论模拟结果表明,双源反向延迟在不考虑井中偶极弯曲波的频散效应时,虽然直达波的信号大幅降低,但仍存在较强残余直达信号干扰;而考虑弯曲波的频散效应时,可以更好的压制因频散效应残余的直达波成分.对现场实测数据的处理分析表明,采用双偶极源反相激励的思路和方法,直达波信号的幅度可以被大幅度地压制,从而明显提升井外反射声波信号的信噪比.这一技术的可行,使得偶极横波远探测测井有了更广阔的应用空间.     

井孔与弹性波的相互作用:理论、方法和应用

本文概述了井孔与弹性波相互作用这一经典理论问题的求解方法以及近期的一些重要进展和应用.特别是,用球面波的柱面波展开式同时求解井孔的弹性波辐射和入射(及散射)问题,避免了后一问题常用的平面波入射假设,由此可正确描述远探测波场球面传播的物理实质.介绍了将远场渐近方法和互易性原理用于求解这一问题的快捷有效的分析方法.将这一方法用于井中的声波远探测技术,可以准确模拟和分析井中的声源辐射,波在地层中的反射,以及井对入射弹性波的散射和透射等复杂波动现象.对于指向性声源(如偶极声源),还可以模拟其接收声场的方位特征,进而通过四分量测量确定反射体的走向.分析结果不仅为远探测技术奠定了扎实的理论基础,而且在实际应用中取得了良好的效果.     

四分量偶极横波远探测在深海斜井井周构造成像中的应用（英文）

利用深海地层的声波测井数据进行远探测成像是海洋油气勘探的一个新的应用课题。声波远探测可以在一维井孔中对井周数十米范围内的复杂构造进行二维成像。本文基于偶极声源的指向发声特性和四分量数据,实现反射体的方位探测功能,从而对井周进行三维成像。我们首先对野外四分量数据进行矩阵旋转得到多方位数据;此基础上,对旋转后偶极数据采用一系列处理步骤得到反射体成像。根据以上横波成像原理,用中国南海深海斜井采集的正交偶极四分量数据对井周围50 m范围内构造进行反射横波成像,刻画了反射体的形态并确定反射体的走向。井旁地层和断层构造的横波成像结果与该井所在的正交地震剖面的产状相符,断层的产状也与区域应力和斜井应力分析一致。结合其他测井资料(井壁电成像),进一步确定了远探测成像中地层的倾向。本文的研究结果表明:将井中的声波远探测成像与地震成像相结合,可以精细刻画井旁构造的空间形态,并填补这两种测量尺度的空白。     

基于四分量偶极横波远探测的井周构造走向快速反演方法研究

偶极声源的辐射特性及仪器的四分量正交采集系统使得偶极横波远探测可在一维井筒中对井外构造进行方位探测.基于反射横波幅度随声源偏振方向呈余弦平方变化这一特征,本文提出一种利用函数拟合快速反演井周构造走向的方法.根据这一规律,该方法仅用4个方位剖面数据即可准确反演井周构造走向,同时得到井周构造的离井距离和倾角.数值模拟和物理实验模拟均验证了幅度随方位的变化以及反演方法的可行性.根据这一方法做的现场实例也进一步证明了该方法的适用性.本文工作为利用四分量偶极数据进行井周构造的反射横波成像提供了实用而有效的处理方法.     

非对称圆弧片状声源在井旁地层中产生的声场

提出了一种可用于随钻三维反射声波成像测井的圆弧片状声源,推导了该声源声学性质在波数-频率域内的数学描述,并利用实轴积分的方法对该声源在井旁地层中产生的声场进行求解,考察了声源的线度、频率等因素对该声源向地层中辐射的声场的影响.研究结果表明,特定尺寸和特定频率下的圆弧片状声源产生的纵波场的水平和垂直指向性图中仅具有一个明显的主瓣,且主瓣三分贝角宽较窄,方位分辨率较高,指向性良好,适用于随钻三维反射成像测井;SV波场和SH波场的指向性图中存在两个或者多个角瓣,SV波场在垂直于井轴方向上辐射的能量为0,另外在井中发射和接收的反射SH波场和SV波场会相互干扰,所以难以利用SV波场和SH波场进行三维反射声波成像;声源的线度和频率等因素对其辐射声场影响较大,考虑到激励效率和方位分辨率等因素,对于本文描述的井孔模型,选择圆周角在75°和90°之间, 主频为12 kHz左右的声源是合适的.     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟,研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律,着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明,钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场,其主瓣三分贝角宽窄,旁瓣级低,向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍,适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型,反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加,反射纵波幅度逐渐减小,转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小,反射SV波的幅度增加,建议在实际应用中,选择合适源距的波形进行处理,并对其他非目的波动进行压制,以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子,结果显示,反射波纵波信号有较好的方位分辨率,能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位,而且对上、下界面的成像互不影响.     

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.     

套后介质声学性质对套管中三种模式波影响的对比分析

由于套管的厚度小于目前声波测井仪器工作频率下的波长,声波仪器工作时可在套管中激发Lamb波或SH模式波.目前评价水泥胶结质量的声波测井仪器主要是利用套管中的对称Lamb波(拉伸波,S0模式)或反对称Lamb波(泄漏弯曲波,A0模式)的相对幅度或衰减评价套管与水泥之间的胶结程度.Lamb波可看作是纵波和横波在套管边界的耦合形成的,在套管中还存在另一种非耦合的SH横波,偏振方向与套管轴向平行沿着周向传播.本文基于定向声源辐射技术,实现了对称Lamb波、反对称Lamb波的分波模拟技术,数值研究了套管后耦合不同声阻抗介质时,对称Lamb波、反对称Lamb波以及SH横波的测井响应,通过频散衰减曲线以及模式波的波形响应幅度的直观显示表明,由于套管中的SH波仅向固体水泥中辐射剪切波,这一传播特征与套管中的Lamb波相比可以极大提高套管-水泥界面胶结状况的测量灵敏度.Lamb波的固有缺陷是套管与两侧介质的较大声阻抗反差使得在井中测量套管后面水泥界面的灵敏度受到相当大的限制.     

多极源随钻声波测井实验分析

本文针对随钻声波测井中钻铤波干扰地层声波测量的问题,设计了小尺寸随钻声波测井探头,在实验室内开展了多极源(单极源、偶极源和四极源)随钻声波测井实验研究.先在水池中对裸露的探头进行了随钻测量,记录到了沿钻铤传播的直达钻铤波,并获得了不同声源激发的钻铤波速度.之后在砂岩和有机玻璃模型中进行了随钻声波测井实验,观测到多极源随钻测井的全波波形,并通过与水池中实验结果的对比,分析了井中钻铤波的传播特性.特别地,在偶极随钻测井实验中不仅记录到了偶极一阶钻铤波,还观测到对弯曲波干扰较大的偶极二阶钻铤波,进而研究了不同声源频率下该波群的响应特性及其对弯曲波测量的影响.此外,基于单极源和偶极源随钻声波测井实验数据,本文发现:随着声源频率的增加,单极和偶极钻铤波的传播特性不同,但它们在测井全波中的相对幅度均降低,进而可从测井全波中较好地提取地层的声波速度.本文实验结果对随钻声波测井仪器设计及测井数据解释具有重要意义.