套管井应力集中下正交偶极声测井的声弹理论、数值分析与实例

油田受异常地应力作用而损坏的油井绝大部分都是套管井,针对这一实际情况,通过求解套管井应力集中情况下各层介质中应力场的分布,应用摄动积分方法,将裸眼井声弹性方程发展为适用于套管井井孔体系的情况.数值考察了井外无限远单轴水平压应力作用下,声弹方程中各层介质敏感系数和速度-应力系数随频率的变化,及二相互垂直偏振的偶极弯曲波相速度的频散曲线.结果表明,套管井声弹方程中的速度-应力系数主要由地层参数决定,内层介质的贡献较小,其中与三阶弹性模量相对应的项又起决定作用;井孔周围应力集中将引起平行和垂直单轴压应力方向偏振的二弯曲波发生速度分裂,同时随频率的增大两条频散曲线产生交叉,说明这种交叉仍然可用作判断套管井情况下地层各向异性是本征的还是由异常应力诱导的判据,用正交偶极声波测井技术在套管井中无损检测异常地应力仍然可行;但低速地层交叉点将明显向高频区移动,这又是与裸眼井情况重要的不同之处.本文还给出现场实测数据的处理实例,理论结果得到验证.     

横向各向同性地层(VTI)井孔声弹效应对弯曲波的影响

本文发展了建立在地层参考状态为各向同性介质假定下的现行井孔声弹性理论,就井外为横向各向同性面与井轴垂直的、具有9个独立三阶弹性模量的横向各向同性介质(VTI井况),水平面内受双轴应力作用下给出了一个简洁的与井内压力、应力差、应力和以及多极源偏振方位角有关的井孔弯曲波声弹公式,并且导出了平面纵、横波速度的声弹公式.数值考察了弯曲波速度之改变量的灵敏系数随频率的变化、受井外水平双轴应力作用时两种偏振的偶极弯曲波频散曲线以及对应不同方位径向偏振的横波速度.研究结果表明弯曲波声弹公式与5个二阶弹性系数以及7个独立的三阶弹性模量有关;而且由内压引起的井孔弯曲波声弹性公式中的三阶弹性模量仅与6个独立的弹性模量有关.横向各向同性介质井孔弯曲波速度的交叉现象仍是判断地应力存在的标志;一个重要的认识是受双轴应力作用的弯曲波速度变化在低频区主要与c₁₄₄和c₁₅₅两个三阶弹性模量有关,而且此认识与径向偏振的平面横波一致.在缺乏足够实验条件情况下,对VTI情况,以c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃三个独立的量进行测量,然后可暂不考虑三阶弹性模量的各向异性,建立简化的应力反演公式.反之,如果已知地层的地应力信息,由简化的声弹公式可以反演三阶弹性模量c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S₂模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S₂模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S₂模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S₂模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.     

横向各向同性地层斜井中正交偶极子激发声场的数值模拟

本文采用三维应力-速度有限差分(SV-FD)方法,数值模拟了横向各向同性(TI)地层对称主轴与井轴斜交情况下正交偶极子声源激发的井孔声场.主要解决了与倾斜角有关的三维空间弹性模量矩阵的推导,柱坐标系下应力-速度有限差分方程组的建立,井轴上场点奇异性与内边界处理等几个关键问题,提高了计算精度.在横向各向同性地层对称主轴与井轴平行的情况下,与实轴积分法所得结果进行了对比,验证了本文方法的正确性.计算了不同倾角情况下xx和yy两分量的弯曲波,并用频域加权相似法提取了弯曲波频散曲线,结果显示了横向各向同性介质中不同方向偏振的弯曲波传播的分裂现象,其频散曲线在低频段分裂,随频率增大而逐渐重合.弯曲波低频截止频率处速度与理论公式得到的横波速度基本符合.     

HTI煤层介质槽波波场与频散特征初步研究

煤层内裂隙较为发育,具有明显的各向异性.目前槽波理论研究以各向同性介质为主,对HTI介质中槽波及其频散性质研究很少.本文以弱各向异性、含垂直裂隙HTI煤层介质为研究对象,研究了HTI煤层介质中的三维槽波波场,采用交错网格高阶有限差分法模拟槽波,推导了三层水平层状HTI煤层介质的Love型槽波理论频散公式和振幅深度分布,分析了HTI各弹性参数对频散曲线的影响.HTI介质和各向同性介质基阶Love槽波频散曲线差异较小,高阶较大;煤厚主要影响Airy相频率,而Airy相速度不变;煤层vs对Airy相速度影响很大;煤层γ对基阶Love槽波影响很小,高阶稍大.各波偏振方向不再与波的传播方向平行或垂直,而是呈一定夹角.利用基阶Love槽波频散曲线推测裂隙发育较为困难,可利用高阶频散曲线.     

基于Aki公式的主动源瑞雷波频散曲线提取方法研究

瑞雷波成像是一种有效探测近地表横波速度结构的方法,准确提取频散曲线是该方法的关键。本文提出了利用噪声理论中的Aki公式提取主动源瑞雷波频散曲线的方法,在频率域中,两道记录互相关后的频谱能够被贝塞尔函数所描述,利用频谱实部的零点与贝塞尔函数根的对应关系,即可以获得离散频点处的相速度值,进而提取出频散曲线。首先介绍了Aki法应用于主动源瑞雷波数据的理论基础与计算流程;然后,利用该方法对三组理论模型数值模拟记录进行了计算,得到了与理论频散曲线一致的结果;最后,对一组实际采集的瑞雷波数据进行处理得到相速度剖面,并与多道面波分析方法得到的剖面结果对比,验证了Aki法在主动源数据处理中的有效性与适用性。与多道面波处理技术相比,Aki法的优势在于仅利用单炮记录中的两道数据进行相速度的计算,当某炮记录的采集道数不足或存在坏道时,可以保证提取的频散曲线的质量。     

改进的等效半空间法及瑞雷波频散曲线反演

层状模型的理论频散曲线表明,层状模型表面瑞雷波同一频率对应的相速度具有多值特点,这就是所谓的瑞雷波多阶性. 面波的多阶性导致了实测频散曲线的复杂性,当地层中存在软弱夹层时这一问题尤为突出,从而给实测频散曲线的解释带来了困难. 本文从工程实用的角度出发,根据等效半空间理论,提出了一种计算理论频散曲线的新算法——改进的等效半空间法,避开了面波多阶性这一复杂问题. 由此方法计算得到的面波相速度并不同于某个具体阶数的面波,而是对多阶面波的综合反映. 按照改进的等效半空间法编制了拟合反演程序,并在工程中进行了运用,取得较好的效果.     

利用地脉动台阵观测推算Love波频散曲线

土层剪切波速结构是工程场地条件的重要的基本参数，许多研究者关注利用从地脉动台阵中推得的Rayleigh波或Love波的相速度频散曲线反演实际工程场地剪切波速度结构。探讨从地脉动台阵观测的记录中提取Love波相速度的频散曲线的方法，从厦门某工程场地的地脉动台阵观测三分量记录中提取了Love波相速度的频散曲线，将提取的结果与根据实际场地资料构成的水平成层介质模型计算的Love波相速度的频散曲线进行了对比，为下一步的反演奠定了基础。     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

VTI地层井孔模式波理论频散计算时伪极点的影响

波的频散特征在声波测井中有着十分关键的作用.VTI地层下井孔模式波的理论频散曲线可根据频散方程求解.本文首先采用常用的耦合位移势函数对应的频散方程进行了VTI地层斯通利波理论频散曲线的求解.结果发现,在一定各向异性强度范围内,会得到两种计算结果:一条常规斯通利波频散曲线和一条非频散曲线.这是频散矩阵行列式在该模型下存在两个零点导致的.进一步采用一种对称形式的位移势函数推导的对称频散矩阵时分析发现,非频散曲线对应的零点k~2-q~2_p=0为频率—波数响应函数的一个伪极点.经分析,在横波速度范围内,满足伪极点存在的Thomsen参数γ有一定范围,通常在弱各向异性地层中存在.且满足伪极点存在的Thomsen参数γ范围与地层泊松比成负相关,泊松比越小,满足伪极点存在的γ范围越大.在计算理论频散曲线时应消除k~2-q■这一公因式的影响,避免得到错误的计算结果,进而影响各向异性反演等计算结果.     

横向各向同性地层井孔伪瑞利波、弯曲波、螺旋波的低频极限速度

在多极源声测井中, 低频弯曲波或螺旋波被广泛应用于测量地层的横波速度. 前人的研究已证明在各向同性地层中井孔伪瑞利波、弯曲波及螺旋波的低频极限速度都等于地层横波速度. 大量的数值计算结果似乎表明此结论在横向各向同性（TI）地层情况下也能成立, 但缺乏理论证明. 本文在井孔平行于TI弹性地层对称轴的模型下, 考察了井内声源激发的波在流-固边界上的反射和透射情况, 阐述了非泄漏模式导波产生的必要条件并讨论了其速度上限值. 我们发现在各向异性参数满足一定条件的TI地层中,导波速度的低频极限值小于沿井孔方向上的横波速度. 通过对井孔导波的频散分析以及对时域全波列的数值模拟, 论证了在这类地层中进行多极源声测井时,不可能根据弯曲波或螺旋波的到达时间准确获取地层的横波速度值.     

裸眼井中弹性波传播的非对称模式的数值研究

本文从数值上研究了裸眼井中弹性波传播的非对称模式,给出了合成微地震图和导波（弯曲波）的频散曲线,发现在“硬”地层和“软”地层的井中,导波都是高度频散的,其最大相速度等于地层的横波速度,其截止频率低于对称模式的伪瑞利波的截止频率;在低频（2-3kHz）和长源距（3-4m）的条件下,由非对称的声源（如声偶极子）所产生的微地震图中,初至信号是以横波速度传播的,而以纵波速度传播的信号被抑制。本文的结果对研制横波速度测井仪是有意义的。     

声波测井中的相速度与群速度讨论(英文)

声波测井过程中获取的速度到底是相速度还是群速度,目前仍存在一些争议,本文从理论分析和数值模拟的角度,使用三种模型对这一问题进行了研究。首先,构造一个相速度与群速度可调的稳态声波传播模型——不同声速的两个平面波叠加模型,利用慢度时间相关(STC)方法提取声波波速,数值模拟结果表明,无论相速度较大或是群速度较大,STC方法提取出来的波速都是相速度;其次,通过频散分析和割线积分得到刚性壁圆柱流体模型中的频散曲线与分波波形,使用STC方法得到的速度与相速度的频散曲线吻合较好,而直接读取波至获得的速度与群速度的频散曲线趋势一致;最后,利用频散分析和实轴积分方法,获得偶极子在慢地层中激发的模式及全波波形,得到的结果再次验证了刚性壁圆柱流体模型中的结论。     

Wideband dipole logging based on segment linear frequency modulation excitation

A wideband dipole signal is required for dipole dispersion correction and near-borehole imaging. To obtain the broadband flexural wave dispersion, we use a nonlinear frequency modulation (NLFM) signal and propose a segment linear frequency modulation (SLFM) signal as the dipole excitation signal to compensate for the excitation intensity. The signal-to-noise ratio (SNR) of the signal over the entire frequency band is increased. The finite-difference method is used to simulate the responses from a Ricker wavelet, a linear frequency modulation (LFM) signal, an NLFM signal, and an SLFM signal in two borehole models of a homogeneously hard formation and a radially stratified formation. The dispersion and radial tomography results at low SNR of the sound source signals are compared. Numerical modeling suggests that the energy of the flexural waves excited by the Ricker wavelet source is concentrated near the Airy phase. In this case, the dispersion is incomplete and information regarding the formation near or far from the borehole cannot be obtained. The LFM signal yields dispersion information near the Airy phase and the high-frequency range but not in the low-frequency range. Moreover, the information regarding the formation far from the borehole is not accurate. The NLFM signal extends the frequency range of the flexural waves by compensating for the excitation intensity and yields information regarding the formation information, but it is not easy to obtain. The SLFM signal yields the same results as the NLFM signal and is easier to implement. Consequently, the dipole detection range expands and the S-wave velocity calculation accuracy improves.     

弯曲模式波在各向异性井孔中传播的实验研究

鉴于弯曲模式波在井孔中传播的基本原理，制作了用于模型井孔的单／偶极子换能器，在模拟硬、软地层的铝和有机玻璃的井孔模型中进行了测量，并与理论计算的频散特性作了对比．在声速各向异性的井孔模型中进行的测试表明．弯曲模式波在横向声速各向异性的井孔中，分裂为两种传播速度不同的快、慢弯曲模式波．实验结果表明，偶极子声波测井将能有效地探测地层的横向各向异性．     

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.