多极子阵列声波测井数据的纵横波慢度联合反演方法

多极子阵列声波测井仪器采集的单极和偶极数据受到地层、井孔、仪器测量系统的影响.在处理实际声波测井数据时,必须考虑多极子模式波的频散效应,以及测井仪器在其中的影响.根据仪器等效理论和相位匹配方法,本文提出了一种从多极子阵列声波测井数据中同时获得纵、横波慢度的联合反演方法.这种方法的关键在于利用相同仪器-地层模型计算多极子模式波频散曲线,以此来匹配频域内纵波与横波数据的相位.相对于将泄漏纵波和弯曲波频散效应分开处理的其他方法,该方法不仅可以减少纵横波速度反演的不确定性,而且还避免了从声波数据中提取频散数据的繁琐过程.通过理论分析和现场数据处理证明了本文联合反演方法的准确性和有效性.     

非对称声源多极子随钻声波测井实验室测量研究

现有的随钻声波测井通常采用三种测量方式:单极子、偶极子及四极子测量模式.分别采用单极子源、偶极子源和四极子源激发单极子、偶极子和四极子信号对地层速度信息进行测量.由于随钻测井环境比较复杂,钻杆在井孔中占据大部分空间,钻杆速度高于地层速度,导致接收到的信号中仪器波能量占主导,无法有效地提取地层的纵横波速度信息.本文探讨一种采用非对称偏心的点声源,一次激发,利用方位分布的四个接收器接收,经过合成后同时分别得到单极子、偶极子和四极子模式波信号的测量方法,为建立同时利用多极模式波信号测量地层纵横波速度的随钻声波测井实用技术提供基础.本文利用1:12的缩比模型在实验室对该方法进行了考察,实验结果证明,可以通过非对称点声源得到有效的地层单极子、偶极子和四极子模式波信号.通过分析和对比实测数据和理论模拟的频散曲线,本文进一步提出利用三种模式波的频散曲线联合反演确定地层横波速度的方法.     

斯通利波和弯曲波联合反演地层VTI各向异性的阵列声波处理方法

利用声波测井获取地层各向异性已成为储层油气评价的一项重要的课题.本文提出了一种单极和偶极振型联合反演地层各向异性的阵列声波处理方法,采用VTI（vertical transversely isotropic）介质斯通利波和弯曲波频散特征,分频段联合求取各向同性面内剪切模量,反演精度相比于传统方法得到了提高;研究了一种同时适用于单极和偶极声波测井的仪器标定方法,消除了仪器对井孔声传播的影响.通过对数值模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.本文工作为利用阵列声波测井资料评价横观各向同性地层中横波速度的各向异性提供了有效的处理方法.     

多极子阵列声波测井资料在塔河油田酸压设计施工中的应用

由于塔河油田灰岩裂缝性储层非均质性强、横向连通性差，需要对其进行有效的酸化压裂改造以获得具有经济价值的油气产能.近几年来，多极子阵列声波测井仪（主要DSI和XMAC）已投入塔河油田测井现场服务，这些新的声波测井资料经合适的软件处理后可获的极为丰富的地层信息.本文讨论了我们编制的多极子阵列声波测井资料处理软件及其在塔河油田酸压设计施工中的应用.通过多极子阵列声波测井资料处理得到的岩石力学特性分析，确定了地层应力的大小和方向，计算出酸化压裂所需的压力以及压裂后压裂缝的高度.计算结果在实际施工中得到了很好验证.     

随钻四极子声波测井仪在充液圆槽中的波场研究

实验室建立随钻四极子声波测井仪测试规范,对仪器的研制具有重要意义．本文采用三维有限差分方法研究了随钻四极子仪器在闭合及开口充液圆管中的波场,分析了各种分波及其频散特征,提出了采用随钻四极子0阶模式管波进行仪器标定的方法．深入分析了随钻四极子声波测井仪器在开口圆槽不同方位的四极子阵列信号及合成信号的差异,认为圆槽的开口角越小,越有利于提高管波信号的幅度．根据理论模拟结果设计了随钻四极子测井仪器标定圆槽,并在充液圆槽中进行了实验研究．实验观测到了随钻四极子0阶模式管波信号,其慢度值约为1125μs/m,与理论计算结果有很好的一致性．该方法为随钻四极子声波测井仪实验室标定方法提供了思路．     

多极子随钻声波测井波场模拟与采集模式分析

应用三维非均匀交错网格有限差分程序模拟了多极子随钻声波测井的波场,考察了硬地层中单极子随钻声波测井响应及软地层中声源频率对多极子随钻声波测井的影响;计算了接收阵列波形的时域相干谱及频散特征,结果表明随钻测井仪器居中时,在硬地层中可以直接利用单极子声系得到地层横波速度,但地层纵波受到钻铤波的极大干扰.而在软地层中可以利用单极子声系直接测得地层纵波速度,但地层横波速度则需要使用工作在较低频率下的四极子随钻声波仪来测得,此时测井频段又会落入钻井噪声频带而受到影响.为此本文提出数值模拟手段结合物理实验的方法得到钻铤波的影响,在实际测井中通过信号处理方法而不是用在仪器本体上刻槽的方式来更完全地消除钻铤的影响.为了避免钻井噪声的影响,本文提出六极子随钻声波仪更适合软地层的横波测量.本文用数值实验结果来说明这些方法的可行性.     

孔隙地层轻质水泥套管井中偶极弯曲波的激发与传播特性

针对软地层套管井中弯曲波频散移向高频,以致超出了现行偶极声波测井仪器的激发频带的问题,本文在井外为孔隙地层时,采用Biot模型对套管井多极源激发的声波场进行了理论推导,对套管井偶极弯曲波的频散特性进行了数值模拟,考察了高密度水泥(或快速水泥)和低密度水泥(或轻质水泥)情况下的弯曲波频散,分析了不同水泥环对弯曲波主频散区和激发谱偏移的影响,重点对轻质水泥套管井中偶极源激发的模式波频散与激发谱及临界折射P、S波激发特性进行了研究,并考察了渗透率、孔隙度对弯曲波频散及衰减的影响,利用实轴积分法计算了偶极声源激发的时域全波波形.分析对比结果表明,在快速水泥情况下弯曲波频散曲线随着地层特征横波速度的减小会迅速向高频移动,随着快速水泥向轻质水泥变化,弯曲波频散曲线向高频移动将会减缓,对于特征横波速度低于1400m·s~(-1)的软地层,偶极弯曲波基础模式主频散区(或截止频率)可以由原来13kHz向低频移动至4kHz;在轻质水泥套管井中,无论是硬地层还是软地层,在目前偶极声波测井仪器声源主频激发下,接收波形中弯曲波均占主导地位.     

随钻斯通利波测井反演地层渗透率的理论、方法及应用

针对孔隙渗透地层的随钻声波测井问题,用Biot-Rosenbaum孔隙弹性波测井理论推导了孔隙地层的随钻井孔声场表达式.据此考察了随钻条件下井中斯通利波的波形、相速度频散、衰减以及相速度对渗透率的灵敏度,并与电缆测井中的情况进行了对比.数值模拟结果表明,随钻条件下斯通利波对地层渗透率的灵敏度相对于电缆测井有明显增加,更有利于用来反演地层渗透率.为快捷有效地处理现场测井数据和反演计算,采用简化Biot-Rosenbaum理论和钻铤的等效模型,对随钻斯通利波的频移和时滞进行联合反演.结果表明,随钻斯通利波反演的渗透率与核磁渗透率和岩心覆压测试渗透率符合较好,并且与常规测井曲线所反映的储层性质具有较好的一致性,证明了利用随钻斯通利波评价地层渗透率的有效性.     

含孔隙、裂隙地层随钻多极子声波测井理论

储层岩石中普遍存在孔隙与裂隙,对钻井中的测井声波产生重要影响.基于孔、裂隙介质弹性波理论,导出了随钻声波测井的井孔声场表达式.据此考察了地层裂隙密度与含气饱和度的变化时井孔内随钻多极子模式波（斯通利波、弯曲波和螺旋波）的速度、衰减与灵敏度以及地层纵、横波的响应特征.裂隙密度与含气饱和度对模式波的速度频散与衰减都有影响,且两参数的值越大,影响越大.具体来说,速度对裂隙密度更敏感,而衰减对含气饱和度更敏感.具有"艾里相"特征的随钻偶极和四极子波在地层含气时产生强烈衰减,可以作为判断地层含气的一个明显指示.理论模拟与实际测井数据分析结果符合较好.     

随钻四极子横波测井钻铤尺寸优化设计的理论研究

随钻声波测井主要是采用四极子技术来测量软地层的横波速度,但在超软地层的横波测量方面仍然面临挑战.随钻四极子声源会分别激发出沿着钻铤和地层传播的螺旋模式导波,其中四极子钻铤波存在截止频率,即只有在该频率以上才能激发出钻铤波.当钻铤波截止频率降低到与地层波测量频段接近时,会干扰地层波信号的测量,尤其是在疏松的软地层这一干扰现象相当严重.数值模拟和现场实测数据分析结果表明:四极子钻铤波的截止频率主要取决于仪器接收器阵列位置的钻铤壁厚,而对声源与接收器之间的刻槽隔声体以及钻铤外地层介质不敏感.在此基础上,本文利用一种等效的随钻声波测井简化模型来分析与设计钻铤波截止频率与钻铤尺寸关系的理论图版.该理论图版可用于指导随钻四极子横波测井仪器钻铤尺寸的优化设计和数据处理,进而获得高质量的地层波信号以及准确的横波速度.     

孔、裂隙并存地层中的声波测井理论及多极子声场特征

在油、气储层的勘探和开发中观察到的一个现象是储层岩石中普遍存在孔隙和裂隙.随着近年来孔、裂隙介质弹性波动理论的进展,我们可以将此理论应用于测井技术,以此来指导从声波测井中测量孔、裂隙地层的声学参数.本文计算了孔、裂隙地层里充流体井眼中的多极子声场,分析了声场随裂隙介质的两个主要参数(即裂隙密度和裂隙纵横比)的变化特征.井孔声场的数值计算表明裂隙密度可以大幅度地降低井中声波纵、横波的波速和振幅.随着裂隙密度的增加,在测井频段内也可以看到纵、横波速的频散现象(这种频散在孔隙地层中一般是观察不到的).本文还研究了多极子模式波 (即单极的Stoneley波、伪瑞利波以及偶极的弯曲波)随裂隙参数的变化特征.结果表明,这些模式波的振幅激发和速度频散都受裂隙密度的影响.裂隙密度越高影响越大.此外,裂隙还对模式波的传播造成较大的衰减.相对裂隙密度而言,裂隙纵横比是一个频率控制参数,它控制裂隙对声场影响的频率区间.本文的分析结果对裂缝、孔隙型地层的声波测井具有指导意义.     

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.     

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     

Multipole borehole acoustic theory: Source imbalances and the effects of an elastic logging tool

In recent years the emphasis in acoustic logging has been shifting from the wireline to the Logging While Drilling (LWD) environment, the latter being far different from the former in that both tool rigidity and tool radius are considerably greater. In this paper we present a generic mathematical formulation for the multipole borehole acoustic measurement (alternate and equal polarity case), including a detailed analysis on the effects of multipole source amplitude imbalances. It is shown that source imbalance induced mode contaminants have excitation amplitudes that are scaled by the sum of the relative source imbalances between diametrically opposed sources. Furthermore it is shown that for mode contaminants with odd modal number there can be a significant offset in the associated directivity pattern, even at low levels of source imbalance. However, it is also shown that source imbalance induced mode contaminants can be completely eliminated if the multipole source is accompanied with a ‘vertically’ (but not azimuthally) offset multipole receiver. Mathematically, it is demonstrated (for a centered tool) that a polarity weighted stack of these multipole receivers completely eliminates the source imbalance induced mode contaminants. Excitation amplitudes and phase slowness of borehole guided modes are presented for the most common excitation regimes, i.e., monopole, dipole, quadrupole and the hexapole excitation, the latter one showing to have the advantage of a higher formation shear cut-off frequency than the quadrupole mode. Special emphasis will be on the analysis of the dipole excitation and the differences that occur due to variations in tool rigidity, tool diameter and (isotropic) formation properties with the resulting conclusion that a formation flexural mode is not observable as a result of a LWD dipole excitation (this opposed to its dipole wireline counterpart). The guided mode excitation amplitudes are calculated as residues using a Laurent series expansion. This (unconventional) way of calculating the residue has the advantage that it is independent of the pole order, does not require the numerical evaluation of derivatives with respect to the vertical wavenumber and allows for an accurate and efficient FFT implementation.     

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     

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.     

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.