单极源钻铤波传播机制的实验研究2

随钻情况下准确测量地层的纵波速度是当前声波测井领域亟待解决的技术难点之一,本文则针对地层纵波速度的随钻测量问题,在实验室内进行了缩小模型的随钻声波测井实验研究.首先,针对无限大流体模型,记录不同声源频率下单极源钻铤波的时域波形,研究钻铤内外两区域钻铤波的传播规律,定量分析这两部分钻铤波的频率响应特性.结果表明,随着声源激励频率的逐渐提高,钻铤波幅度呈现出先增大后减小的趋势,且中心频率两侧钻铤波幅度的变化规律不同.之后,针对小尺寸砂岩井孔模型,进行单极源随钻声波测井实验测量,进而比较两种模型下钻铤波的幅值差异性.最后,基于随钻声波测井原理和钻铤波的能量分布规律,提出一种地层纵波速度的提取方法,并进一步利用实测数据验证方法的可行性.结果表明:即使在钻铤不刻槽的情况下,通过能量剔除的方式亦可极大削弱测井全波中钻铤波的幅度,从而实现对地层纵波速度的准确测量.     

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.     

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.     

双声源激发随钻测井声电耦合波理论模拟

随钻单极源声波测井中,由于钻铤模式波的干扰而使地层纵波速度的测量变得困难.孔隙地层的声电转换物理效应给我们提供了通过测量转换电信号实现声学参数测量的可能性.针对随钻声电测井,采用Pride声电耦合方程组描述井外孔隙地层的声电耦合波场,考虑随钻环境条件下的边界条件,采用实轴积分法计算出了随钻声电测井瞬态响应的波场.计算结果表明,声电转换比与电缆声电测井量级相同,也说明随钻环境下声电效应是可应用的.但是,从得到的电场波形图中可以观察到,钻铤模式波成分虽有压制,但仍然存在.为了削弱钻铤模式波,鉴于钻铤的声波速度已知,我们尝试利用双发射源测井方法,通过控制源间距及合适的发射延迟时间对钻铤模式波进行进一步压制.结果表明,采用双源后的井内转换声场和电场波形中,钻铤模式波被有效地抑制,残余钻铤波的相对振幅明显减小,压制效果在电场波形中尤为明显,地层波的信噪比显著增强,有利于地层纵波速度的提取.     

单极源钻铤波传播机制的实验研究

为了研究随钻声波测井中单极源钻铤波的传播特性,本文在水池中进行了缩小尺寸的随钻声波测井实验.首先建立了实验室内高分辨的数据采集系统(24位分辨率/1.25 MS/s采样率)和高精度三维运动控制系统(最小移动步长0.5mm),并通过测量声源和接收换能器之间直达流体声波信号,验证了声源/接收探头和实验测量系统的有效性.之后对4种实验模型下单极源激发钻铤波的传播规律进行了实验分析,分别在钻铤内部和钻铤外流体中记录了钻铤波信号,重点分析了不同情况下钻铤内部直达钻铤波和钻铤外部泄漏钻铤波的幅值差异性及产生原因,讨论了泄漏钻铤波沿着井轴方向和直径方向的衰减规律.实验结果表明:钻铤波在声源和钻铤分离情况下依旧可以激发很强的钻铤波,但当钻铤被截断后两部分钻铤波同时消失,在截断位置转化成流体声波波群继续向前传播.此外,通过定量分析两部分钻铤波的幅值特性发现,泄漏钻铤波的幅值约为直达钻铤波幅值的1/4,两者处于同一量级,因此,泄漏钻铤波对测量纵横波的干扰是不可忽略的,进而本文提出一种随钻声波测井接收器的布置方法,以有效削弱测井全波中直达钻铤波和泄漏钻铤波信号的幅度.本文实验结果对认识单极源钻铤波的激发和传播机制具有重要意义.     

一种刻槽式随钻声波测井隔声体的理论与实验研究

隔声体的设计与效果评价对随钻声波测井仪器的研发至关重要.针对刻槽式隔声体结构,利用数值模拟的方法分析了钻铤波在其传播过程中隔声阻带形成、拓宽并达到稳定的物理过程.在此基础上优化设计并加工了一种可用于随钻声波测井实验样机的刻槽式隔声体.在实验室内利用声波频率扫描方法测量了该隔声体的钻铤波声衰减,并进一步在实验井中测试验证了隔声体在井孔中工作时的隔声效果.最后,开展了随钻测井环境下的现场实验,测到了高质量的地层波信号和对应的纵波时差.理论分析和实验对比研究结果表明,刻槽隔声体有效地降低了钻铤直达波的干扰.本文的工作为随钻声波测井刻槽式隔声体的设计及评价测试提供了一套系统的理论及实验方法.     

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.     

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.     

随钻动电测井中声诱导电场的理论模拟

为防止沿钻铤传播的声信号掩盖来自地层的声信号,目前需在钻铤上刻槽以实现对地层纵、横波速度的测量.但刻槽不仅占用钻铤空间,且降低了钻铤的强度和刚度.本文探讨在不刻槽条件下,利用动电效应获得地层纵横波速度的可行性.为此,模拟了随钻声波测井信号及由岩石动电效应产生的电场信号.先视地层为黏弹性介质,模拟随钻声波测井信号,再利用围压与孔隙流体压强的关系获得了声波在地层中引起的孔隙压强,然后计算由孔隙地层动电效应产生的声诱导电磁场.对多极声源激发的声场波形及其诱导电场的波形进行比较,发现随钻声诱导电场中钻铤波的相对幅度明显小于随钻声场中钻铤波的相对幅度.此外,发现在慢速地层条件下,偶极声源激发的电场中出现了比较明显的地层横波信号.     

多极源随钻动电测井波场特性实验研究

探索基于孔隙介质动电效应的随钻测井新方法是当前测井勘探领域的热点研究之一.本文针对随钻测井情况下的动(声)-电转换机理,在砂岩模型井中进行了多极源(单/偶/四极源)随钻动电测井实验研究,记录了井中声波激发动电转换波场的时域波形,给出了各分波的时间-速度图,并与多极源随钻声波测井数据进行对比,结果表明:钻铤波诱导的动电转换信号在随钻动电测井全波中的相对幅度显著降低,从而可准确提取到地层声波的传播速度,实现了利用随钻动电测井方法测量地层波速的目的,验证了随钻动电测井技术可有效抑制钻铤波的思想.本文还进一步分析了钻铤波的动电耦合特性,并结合有机玻璃模型井中随钻动电测井和无井孔模型下的随钻声波测量,研究了伴随钻铤波电场信号的传播特性和衰减规律,深入探讨了随钻动电测井全波中钻铤波被削弱的原因,并给出了定量的实验数据分析,为随钻动电测井理论模拟的解释提供有效实验数据支撑.     

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽...     

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.     

一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵随钻声波测井辐射器

随钻三维反射声波成像测井技术可以实时地对井周围的地层构造和地质体进行成像,为地质导向钻井提供必要的信息,是下一代声波测井技术的发展方向.针对该项技术,提出了一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵声波测井辐射器,推导了该辐射器的声学性能在波数-频率域的数学描述,并采用了实轴积分的方法对该辐射器在无限大液体、井旁地层中产生的波场进行了求解.研究结果显示,无论在无限大液体中还是在充液井孔内,该声源均可以向任意方位定向辐射能量,其水平指向性图主瓣明显,旁瓣级低,具有较高的方位分辨率;相控阵技术能够使得即使在较低的频率下,该声源辐射的声场仍具有较好的方位特征;与传统的单极子反射成像技术相比,有希望利用该声源发展一种具有较好的方位分辨能力和更深径向探测深度的随钻反射成像测井方法;与偶极子反射成像技术相比,采用该声源可以在周向上360°范围内确定反射体的方位,能够消除井旁地层界面方位测量的多解性.     

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.     

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.