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.     

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.     

利用井中偶极声源远场辐射特性的远探测测井

远探测声波测井技术近年来的一个重要进展是利用偶极声波探测仪器来发射和接收地层深部的反射信号.本文论述了这种偶极声波远探测技术的基本原理和方法,并结合数值模拟计算验证了该方法的可行性及灵敏度.具体来说,井中偶极声源向地层深部辐射出纵波、SH和SV型横波,其中SH型横波具有很宽的辐射覆盖及较高的反射灵敏度,是偶极横波远探测...     

井旁裂缝对偶极横波反射波幅度影响分析（英文）

在利用偶极横波反射波测井技术进行井旁裂缝识别中,横波反射波幅度受仪器声源辐射、井孔条件以及地层中偶极横波反射波衰减等因素的影响。在本文中,为了分析不同类型地层中井旁裂缝对横波反射波幅度的影响,我们首先利用偶极声场积分的远场渐进解和偶极声源辐射指向公式研究了快速、中速以及慢速地层中偶极声源的横波远场辐射性能和辐射指向;然后采用三维有限差分算法研究了横波反射波绝对幅度和相对幅度比值(反射波幅度与直达波幅度比值,RA)随裂缝参数变化的响应特征;最后利用RA分析了仪器在不同类型地层中的裂缝识别能力。结果表明:慢速地层中SH波的覆盖特性和辐射波幅均弱于快速和中速地层,其反射波绝对幅度也相应较低,但其RA与快速和中速地层较为接近甚至更高,表明偶极横波测井仪器在慢速地层具有与快速和中速地层相同甚至更好的裂缝识别能力。此外,当RA较小时,不同类型地层中RA与各项裂缝参数之间均具有较好的相关性,可以作为确定反射波测井识别裂缝参数下限的依据。     

井中偶极声源在横向各向同性地层中的辐射波场

研究井中声源在地层中的辐射特性对发展井下探测技术具有重要的意义,而井孔周围地层的各向异性对弹性波激发的影响不容忽视.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近隐式解出发,借助相速度与群速度之间的转换关系,得到了井中偶极声源在各向异性地层中的辐射指向性与辐射波场,并深入研究了声源激发主频与各向异性对偶极辐射特性的影响.结果表...     

套管井应力集中诱导井周波速各向异性的研究

针对在套管井中应用正交偶极声测井检测地层各向异性和确定异常构造应力的需要, 本文通过求解水平构造应力作用下套管井的应力场分布,应用声弹性理论说明应力集中对套管井井周弹性波速空间分布的影响,分析了波速空间分布对加套管后的正交偶极各向异性声测量的影响.井孔、套管、水泥环和地层系统的复杂性改变了原裸眼井情况地层中的应力场分布,使应力集中的范围明显缩小到井眼附近.对应不同方位径向偏振横波的交叉点向井孔附近移动.横波波速空间分布的方位极值规律发生变化,但纵波波速空间分布的方位极值规律不变,仍能提供最大远场构造应力施加的方向.     

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.     

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.     

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.     

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.     

Cased borehole effects on downhole seismic measurements1

Both approximate and exact formulations for the interaction of an incident elastic wave with a cased borehole are presented. In the approximate method, simple and explicit formulae are derived for the pressure in fluid at low frequencies. In the exact method, elastic potentials in each annulus are represented as a superposition of fundamental solutions to the Helmholtz equations. Continuity of displacements and stresses across layer boundaries are used to determine unknown coefficients. A global matrix algorithm is employed to compute simultaneously these coefficients in individual layers. Calculations show that, in cased boreholes, the borehole effects on downhole seismic measurements are more significant than in open boreholes. A strong resonance occurs in the fluid for SV-wave incidence from a soft formation. This resonance is prominent even at very high frequencies because the tube-wave velocity is raised well above the formation shear velocity by the steel pipe. At a particular angle of incidence of a plane P-wave, the pressure in the fluid is near zero at low frequencies (the cased borehole screening phenomenon). For hard formations and frequencies above 1 kHz, the cased borehole influence on a downhole geophone measurement is significant, especially at grazing incidence. For soft formations, both the pressure in the fluid and the solid displacement on the borehole wall show strong dependence on frequency and angle of incidence, even at low frequencies.     

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.     

Acoustic reflection logging for open and cased holes

In the present work, the waveforms of reflected wave sonic log for open and cased boreholes are calculated. Calculations are performed for a borehole containing an acoustic multipole source (monopole, dipole, or quadrupole). A reflected wave is more efficiently excited at resonant frequencies. These frequencies for all source types are close to the frequencies of oscillations of a fluid column located in an absolutely rigid hollow cylinder. It is shown that the acoustic reverberation is controlled by the acoustic impedance of the rock Z = V_p ρ_s for fixed parameters of the borehole fluid, where V_p is the compressional wave velocity in the rock, and ρ_s is the rock density. This result is correct for all types of acoustic sources (monopole, dipole, or quadrupole). Methods of the waveform processing for determining parameters characterizing the reflected wave are discussed.     

含孔隙、裂隙致密介质中多极子声波的传播特征

非常规油气藏（如致密性地层及蕴藏油气的页岩地层）的重要特征是低孔、低渗,但裂隙或裂缝比较发育.为满足非常规勘探的需求,本文将孔、裂隙介质弹性波传播理论应用于多极子声波测井的井孔声场模拟,重点研究了致密介质中裂隙发育时多极子声波的传播机理以及衰减特征.井孔声场的数值计算结果表明裂隙的存在明显改变了弹性波和井孔模式波的频散、衰减和激发强度,尤其是井壁临界折射纵波的激发谱的峰值随着频率的增加逐渐降低,这与应用经典的Biot理论下的计算结果相反,且裂隙的存在也使得饱含水和饱含气时临界折射纵波激发强度的差异变大.井孔模式波的衰减与地层横波衰减和井壁流体交换有关,井壁开孔边界下致密地层裂隙发育还使得井孔斯通利波和艾里相附近的弯曲波对孔隙流体的敏感性增强,在井壁闭孔边界条件下引起井孔模式波衰减的主要因素是裂隙引起的地层横波衰减造成的,且在截止频率附近弯曲波的衰减与地层的横波衰减一致.数值计算结果为解释非常规油气地层的声学响应特征提供了参考.