基坑帷幕渗漏瞬变电磁检测方法研究

本文研究位于地层中的发射电极导通或关断瞬间激发的瞬变电磁场在基坑帷幕和地层中的响应.针对实际的帷幕构建了三层介质模型,利用索末菲积分将点源激发的球面场分解为平面和柱面场的叠加后用分离变量法求解,给出了每层介质中势函数响应的积分表达式和数值计算结果.展现了帷幕电导率不同时三层介质的响应.瞬变电磁能量在地层和帷幕中既衰减又相移地向外扩散(不同于地层或帷幕在电场中的极化响应),其中相移描述瞬变电磁能量在空间的移动,具有传播特征,在帷幕边界会引起反射和透射,并在电导率高的帷幕中耦合出斜直线形状的等势面,与电导率低的帷幕响应形状差异明显.在帷幕另一侧的地层中产生不同极性的响应.帷幕渗漏位置电导率增加,帷幕和地层中测量的响应出现异常.从测量波形中分离出这些渗漏引起的异常即可对渗漏位置进行识别.以此为基础本文提出了基坑帷幕渗漏的瞬变电磁检测方法,对钻孔中的发射电极采用导通、关断、反向导通和反向关断的激发方式,在基坑帷幕两侧同步记录各接收电极的响应波形.获得四种基坑帷幕渗漏的检测信号:稳定直流场电位、自然电位、导通和关断激发的瞬态响应．与直流电法勘探相比,在检测效率基本不变的情况下通过时域波形记录了瞬...     

海底表面磁源瞬变响应建模及海水影响分析

根据电磁场理论,推导了磁偶源和接收点均位于海水中时层状海底模型的频域电磁场响应一般表达式,并通过此式,得到了海水为均匀半空间和有限海水深度两种情况下,垂直磁偶极装置、中心回线和重叠回线分别置于均匀半空间海底表面时的瞬变电磁响应（磁场和感应电压）表达式. 这些表达式将瞬变响应和海底的电导率等参数有机联系在一起,为海底瞬变电磁法的正演计算和反演解释提供了理论基础. 仿真计算表明,海水的存在不仅使得瞬变响应曲线形态发生变化,而且影响其对海底电导率的分辨能力.     

海底油气藏地质模型的冲激响应

海洋可控源电磁法(mCSEM)的时间域冲激响应特征可以反映海底油气高阻薄层.本文计算了水平电偶极子源均匀大地半空间,海洋均匀双半空间和海洋四层模型的阶跃响应和冲激响应,提出了瞬变冲激时刻的概念.分析了水平电偶源瞬变冲激时刻与介质电导率的指示关系.对于海底油气高阻薄层宜采用多偏移距同时测量方式,由于在低电导率介质中电磁能量传播得要快,在适当的收发距瞬变冲激时刻会提前到达,提出的瞬变冲激时刻道间变化量可以明确指示高阻薄层的存在及埋深.文中还分析了海水深度对瞬变冲激时刻的影响.由于“天波”干扰,瞬变冲激响应受到一定收发距观测的限制.消除 “天波”影响是时间域和频率域mCSEM数据处理的研究热点.     

地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

矿井瞬变电磁法三维时域有限差分数值模拟

给出了矿井全空间瞬变电磁场的时域有限差分法(FDTD)算法,并推导了Mur吸收边界条件.利用Mur吸收边界条件,选用均匀全空间电偶极源作为初始激发源,模拟了均匀介质中巷道底板岩层内部和层状介质中三维低阻异常体的全空间响应特性,分析了瞬变电磁场在均匀介质中1.9μs和27.6μs两时刻的传播规律及在层状介质中1.2μs和0.023 ms两时刻的传播规律.结果表明:巷道对电场的影响在初期并不明显,在20μs后才表现出来;瞬变场能较好地分辨低阻层,对高阻层的穿透能力强,并且对低阻体反映灵敏;吸收边界条件只有在场域较大、网格节点较多时才能产生明显的效果.所研究成果为矿井瞬变电磁法资料的解释提供了理论依据.     

瞬变电磁快速成像解释系统研究

为了提高瞬变电磁测深法对地探测的垂向分辨能力,文中研究了磁偶源瞬变电磁法快速成像的方法.详细讨论了电磁波与地震波在介质中的传播规律,分析了磁偶源瞬变电磁场在远区的响应特性.根据磁偶源瞬变电磁场与反射地震波的传播规律的相似性,提出了TEM资料拟地震快速成像解释的思路.理论模型正、反演计算结果表明方法理论是可行的,野外实测资料处理结果进一步说明了该方法是有效的.     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

时间域瞬变电磁法全区视电阻率的平移算法

深入分析了均匀半空间中瞬变电磁场的解析表达式,发现瞬变响应曲线随地下电导率、发射回线边长与观测时间具有平移伸缩特性,并据此提出了一种新的直接计算全区视电阻率的方法.该法与现有计算全区视电阻率的方法的不同点在于：无需迭代和求解非线性方程,速度快,精度高,算法稳定,且只有惟一解.     

用磁流源并矢Green函数的递推矩阵方法计算层状各向异性地层中多分量感应测井响应

采用递推矩阵方法计算各向异性介质的磁流源并矢Green函数,并利用上述并矢Green函数对层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井的响应进行数值模拟,分析了线圈距、层厚、倾角和围岩对多分量感应测井响应的影响.计算发现,共面视电导率比共轴视电导率变化规律复杂,不能反映地层电导率的真实情况.各向异性地层共轴视电导率随井眼相对倾角的增加而减小,而共面视电导率随井眼相对倾角的增加而增加.仪器的垂向分辨率、围岩各向异性对目的层响应的影响程度取决于线圈距,围岩各向异性对高电导率目的层中测井响应的影响大于对高电阻率目的层中测井响应的影响.     

多孔径瞬变电磁场物理模拟

为了提高瞬变电磁法对地探测精度,提出了一种新颖的瞬变电磁装置一多孔径发射装置,并进行了多孔径瞬变电磁场物理模拟观测.分别使用四孔径发射装置和常规回线发射装置,进行不同收一发距情况下的一次场观测,并对铜板在不同埋藏深度情况下的二次响应进行观测,通过比较两种不同装置下的响应曲线和计算观测数据误差,最终发现使用四孔径发射装置可使一次场强度提高34%,可使二次场强度提高31%.结论表明,多孔径发射源可以改变电磁场的空间分布,认为瞬变电磁场存在类相干现象.研究成果对提高瞬变电磁的探测精度具有很重要的意义.     

过套管地层电阻率曲线环境影响校正方法研究

过套管电阻率测井是在金属套管井中测量地层电阻率的一种电法测井技术,其测量结果受套管、层厚/围岩、水泥环等井眼环境因素的影响,所以在进行过套管电阻率测井资料解释时必须进行测井环境影响因素校正.本文在论述过套管电阻率测井原理的基础上,针对大庆油田引进的俄罗斯过套管电阻率测井仪器ECOS,分别考察了层厚/围岩、水泥环对测量结果的响应规律,利用正演模拟方法研制完成了层厚/围岩影响校正图版以及水泥环影响校正图版.在计算机上实现了层厚/围岩、水泥环影响校正的算法,并利用模型算例和测井实例验证了本文方法的合理性.该方法能够减少水泥环的影响,提高层厚小于1.0 m薄层电阻率的测量精度,为过套管电阻率测井资料正确解释提供了保障.     

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.     

Electromagnetic fields in a steel-cased borehole

The development of an electromagnetic numerical modelling scheme for a magnetic dipole in an arbitrary casing segment in an inhomogeneous conductivity background has been difficult, due to the very high electrical conductivity and magnetic permeability contrasts between the steel casing and the background medium. To investigate the effect of steel casing efficiently, we have developed an accurate but simple finite‐element modelling scheme to simulate electromagnetic fields in a medium of cylindrically symmetric conductivity structures. In order to preserve the cylindrical symmetry in the resulting electromagnetic fields, a horizontal loop current source is used throughout. One of the main advantages of the approach is that the problem is scalar when formulated using the azimuthal electric field, even if the casing is both electrically conductive and magnetically permeable. Field calculations have been made inside the cased borehole as well as in another borehole which is not cased. Careful analyses of the numerical modelling results indicate that the anomaly observed in a cross‐borehole configuration is sensitive enough to be used for tomographic imaging.     

金属套管对多分量电磁感应测井信号的影响

研究金属套管对低频电磁场各分量透射信号和反射信号的影响规律对采用过套管电磁感应测井技术监测生产过程中的流体移动具有重要价值.采用柱状成层各向异性介质中的并矢Green函数模拟当发射源在套管内、接收器分别在套管内和套管外时多分量电磁感应的响应,并系统分析了金属套管对透射磁场和反射磁场各主分量的影响规律.计算结果表明,无论是透射场还是反射场,由于所采用的频率较低,金属套管对每个分量信号的影响可以与地层对该分量信号的影响分开.在低频段,磁性金属套管对磁场各分量仍存在稳定的反射,但不同分量被反射的程度不同,受套管磁屏蔽作用大的分量(如ρρ分量)被反射的程度高于受套管磁屏蔽作用小的分量(如zz分量).随着频率的升高,反射磁场的强度逐渐增大并最终达到饱和,信号被全反射.磁性金属套管的存在导致透射磁场各分量出现不同程度的幅度衰减和相位延迟,受套管磁屏蔽作用大的分量的幅度衰减程度大.在固定套管参数和频率的情况下,磁性套管对透射磁场不同分量的影响程度虽然不同但是恒定,其所导致的各分量的幅度衰减和相位延迟与线圈系位置和地层电参数无关.在低频段,套管外透射场的各分量处于准静态,其幅度和相位均不随频率而改变,受套管磁屏蔽作用大的分量的幅度随套管磁导率和厚度的不同而存在明显变化.当频率超过某一临界值后,套管的影响逐渐从以静态屏蔽为主转到以趋肤效应为主,导致透射场幅度的衰减和相位的延迟,套管的厚度越大、套管的电导率和相对磁导率值越大,所对应的频率临界值越小.     

实际井眼条件下过套管电阻率测井响应的传输线方程正演算法

过套管电阻率测井通过测量套管壁电势实现测量地层视电阻率，不同的地层模型对过套管电阻率测井会有不同的测井响应. 在传输线方程系数中本文考虑了径向含多个界面地层的影响，对轴向（井轴方向）呈层状、径向阶跃变化地层模型，给出了电势分布递推公式，计算了过套管电阻率测井响应，绘出了测井响应曲线. 算例表明，该方法有较强的轴向地层界面分辨能力；对径向均匀地层计算结果非常接近地层模型电导率，能较好地反映实际地层特征；对高电导地层，低电导水泥环有明显的测井响应；当径向存在多个地层界面时计算结果则为径向各层电导率的综合反映，不是某一径向层的电导率；算例显示该方法有较快（算例运行时间在1s内）的计算速度.     

偶极子声波测井在双层套管井中激发的声场特征

多层套管井中的套管-水泥以及水泥-地层在径向上的分布较单层套管井界面多且径向分布范围更深.目前还未有针对多层套管井固井质量评价的有效方法,偶极子阵列声波测井具有工作频率低径向探测深的优势,本文通过实轴积分和三维有限差分计算了偶极子声源在不同胶结状况的双层套管井中激发的声场,旨在探讨偶极子阵列声波在双层套管井中评价外层套管和地层之间胶结状况的可行性.计算结果表明,在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中可明显观测到地层弯曲波和套管弯曲波,若外层套管和地层之间充填水泥套管弯曲波的慢度明显高于充填泥浆时的慢度值;在外层套管和地层之间胶结的水泥出现缺失,套管弯曲波的频散曲线会处于完全胶结与完全无胶结之间,其变化量与水泥在外层环空的占比近似成线性关系,几乎不受水泥缺失的径向位置影响.由于偶极子声源的指向性,套管弯曲波的响应特征主要受与声源振动指向的方位扇区胶结状况的影响;在两层套管之间充填水泥时,若外层套管和地层之间充填泥浆,仍可观测到套管弯曲波,模拟波列提取的套管弯曲波的频散曲线与解析解计算的频散曲线吻合,两层套管通过水泥胶结在一起,其弯曲振动的传播速度稍有增加,类似单层套管厚度加厚的响应特征.两种模拟方法得到的结果均表明套管弯曲波对外层套管和地层之间的充填介质敏感,验证了偶极子阵列声波测井在双层套管井固井质量评价中应用的可行性.     

双层套管井中单极子声波测井的响应特征

目前,在深井中采用多层套管实现层间封隔的方法已非常普遍,对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切,目前还未有针对外层套管与地层之间水泥胶结评价的有效手段.本文利用三维有限差分仿真了单极声波测井在双层套管井中的响应特征,探讨了利用套管波幅度和斯通利波频散特征识别外层套管与地层之间环空是否胶结水泥的可行性.数值计算结果显示在两层套管之间胶结水泥时,套管波的幅度或衰减对外层套管和地层之间是否胶结水泥非常敏感,外层环空若充填水泥则全波中的套管波幅度降低明显;在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中首先到达的套管波幅度较大,其对外层套管的胶结状况不再敏感,通过对接收的阵列波形做频率-慢度相关分析发现,在外层套管和地层之间胶结水泥后,井孔内接收到的低于10 kHz的外斯通利波慢度明显增大,仿真波形的处理结果与解析计算的斯通利波的频散曲线吻合较好,进一步验证了可尝试利用内层环空激发的外斯通利波判断外层套管与地层之间是否胶结水泥.     

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.     

瞬变电磁波测井边界远探测方法研究

随钻地质导向钻井的关键在于对边界的探测,为提高仪器探测深度,时谐源激励的电磁波测井方法通常采用降低频率、增大源距的方式.瞬变电磁波测井信号源的突然关断产生会产生感应涡流,涡流随时间向地层深部扩散,与时谐源激励方式相比,其探测深度更大且测量过程不受信号源的干扰.因此,本文提出一种时间域瞬变电磁波测井边界远探测方法,采用余弦变换的数值滤波算法,模拟层状地层同轴发射接收线圈的瞬变电磁波测井响应,结果显示,地层电导率越大,电磁波传播速度越慢,测量晚期感应电动势与地层电导率线性相关;通过定义层状介质总场与线圈系所在当前层背景场的差值可方便提取界面信息,对界面的探测距离可达数十米;瞬变电磁波测井响应受源距的影响很小,为利用短源距实现远探测提供了可能.瞬变电磁波测井与时谐源电磁波测井相比优势明显,在电磁波测井领域中应用前景广阔.     

小井径双源距碳氧比C/O测井的影响因素及处理

研究各种地层和井眼环境因素对碳氧比C/O测井长、短源距探测器的影响规律，可以为C/O测井仪器的刻度方法提供指导，为解释模型的建立和数据处理提供依据.本文用Monte Carlo方法，计算了C/O值随井眼直径、水泥环厚度、套管直径、孔隙度、含油饱和度、地层岩性和油密度的变化规律.从中看出，当井内流体为油时，井径或套管直径增大，C/O值增大，井眼影响增大；当井内流体为水时，井径或套管直径的增大，C/O值减小；水泥环厚度增加时C/O值减小；当井眼条件不变时，地层孔隙度越大，含油饱和度越大，C/O值越大，对测井越有利；反之，地层孔隙度越小，含油饱和度越小，C/O值越小，对测井不利；地层岩性对C/O值的影响显著，相同条件下，碳酸盐岩比砂岩的C/O值高；油密度越大，C/O值越大.文中还提出了一种消除这些因素影响的数据处理方法