随钻电磁波测井地层产状因素响应特征三维数值模拟

随钻电磁波电阻率测井是目前国内实时评价地层含油性和地质导向的主要方法,其在地层界面附近的响应特征是判定实际地层产状、实施地质导向的根本依据.因此研究地层产状因素对随钻电磁波测井响应的影响特征和规律,对判定地层界面、调整地层模型有重要的意义.本文以哈利伯顿EWR—PHASE4单发双收仪器为例,利用ANSYS软件采用矢量有限元方法对不同地层条件下的响应特征进行了三维数值模拟.数值模拟过程中通过控制网格大小,在保证计算精度的前提下减小计算规模、提高计算速度.最终得出了目的层厚度、倾角以及与围岩电阻率比值等因素对随钻电磁波测井响应的影响特征和规律,指出了犄角信号出现的条件,为随钻测井过程中实时正确判识地层产状提供了理论依据.     

水平井随钻电阻率与双侧向响应差异影响因素分析

在大斜度井和水平井中,不同电阻率测井系列测量的结果并非完全一致,测量结果的差异性分析对于正确认识和评价地层非常重要.依据双侧向测井和随钻电磁波测井原理,采用三维有限元素法模拟双侧向在水平井中的测井响应特征,采用积分方程法模拟随钻电磁波电阻率在水平井中的测井响应特征,通过对比分析值模拟结果,造成大斜度井和水平井随钻电阻率与双侧向电阻率测井响应差异的主要因素有:井斜、各向异性、地层界面以及泥浆侵入.随钻电阻率一般受泥浆侵入影响小,但是它在水平井中容易产生极化现象,有助于地层界面识别,同时受各向异性影响明显;而双侧向电阻率在水平地层中对地层界面不敏感,且受各向异性影响相对较弱,但会受泥浆侵入影响严重;正确认识这些差异,可以有效指导水平井的合理解释.     

水平井随钻电磁波测井与双侧向测井响应差异及其解释应用（英文）

大斜度井/水平井中,随钻电磁波电阻率测井与双侧向测井由于测量原理不同,引起的测井响应特征有着较大差别。首先依据积分方程法模拟了随钻电磁波电阻率测井在大斜度井/水平井中的测井响应特征,采用三维有限元素法模拟了双侧向测井在大斜度井/水平井中的测井响应特征,然后对比分析了二者在水平地层中的测井响应差异和产生的原因。结果表明,水平井中随钻电磁波电阻率测井和双侧向测井响应差异的主要影响因素有:不同井斜角、地层各向异性、地层界面以及泥浆侵入等。随着相对井斜角的增大,随钻电磁波电阻率测井在地层界面处的测井响应异常大,而双侧向测井在地层界面附近受围岩影响逐渐变得平滑;随着相对井斜角的增加,各向异性的影响逐渐增大,但各向异性对双侧向测井的影响程度要小于对随钻电磁波电阻率的影响。这些差异如不能正确认识将导致水平井解释过程中出现偏差。最后根据实际资料,分析如何这些差异进行水平井测井解释。     

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.     

各向异性地层随钻方位电磁波测井探测特性分析（英文）

随钻方位电磁波测井仪器已广泛应用于大斜度井/水平井钻井,但地层各向异性使得地质导向及储层评价更为困难。为定量分析地层各向异性对随钻方位电磁波测井响应及资料处理影响,本文借助正反演技术,详细考察了测井响应对各向异性的敏感性及测井数据反演精度。首先,定义了敏感因子,定量分析了不同磁场分量、合成信号对各向异性的敏感性;然后,模拟了层状各向异性地层中的随钻方位电磁波测井仪器响应,对比分析了对称设计和非对称设计仪器的响应特征及对地层参数的敏感性;最后,探讨了反演模型的选取对各向异性地层界面反演精度的影响。数值模拟及反演结果表明:随钻方位电磁波测井响应受各向异性影响严重,通过对称补偿设计可降低地质信号对各向异性的敏感性,进而增强对地层界面的探测能力;各向异性地层中,视电阻率曲线出现分离及"犄角"等现象,界面附近方位信号则可能出现复杂非线性变化;反演中若不考虑各向异性的影响,难以获取准确的地层界面和电阻率信息,进而可能导致地质导向决策的失误。     

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.     

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.     

自适应hp-FEM在随钻电阻率测井仪器响应数值模拟中的应用

随钻电阻率测井仪器响应数值模拟在电法测井仪器研制和资料处理与解释中具有重要的意义.本文利用自适应hp有限元算法(hp-FEM)模拟和分析了地层各向异性以及相对倾斜对仪器接收信号幅值比和相位差的影响,并对仪器响应特性进行了评价;同时,利用HERMES有限元软件包与VC++开发平台相结合,可以对随钻电阻率测井仪器响应数值模...     

张量感应测井视值解释方法的改进

三轴张量感应测井可探测地层电导率各向异性,Zhdanov et al.利用在横向各向同性均匀介质中测井响应的低频渐近式给出了由张量感应测井响应提取地层各向异性电导率和井孔倾角与方位角信息的解析公式,为张量感应测井资料解释奠定了基础.但是,他们给出的井孔倾角公式存在双值解的不确定性,其各向异性电导率解也不是最佳近似解.本文以更为简洁的推导和分析方法,给出了单值的井孔倾角解以及近似程度更好的各向异性电导率解,并通过数值模拟实例加以说明.本文的结果可为张量感应测井资料的视值解释提供更好的选择.     

超深随钻方位电磁波测井探测特性及参数敏感性分析

本文给出超深随钻方位电磁波测井的仪器天线设计及探测模式信号定义;分析各探测模式的探测性能及对地层电阻率、倾角及各向异性的表征能力;定义方位角、井斜角及地层电阻率的敏感性函数,定性分析不同模式对地层参数的敏感性.研究结果表明,超深随钻方位电磁波测井各探测模式具有不同探测特性,探测模式I利用对称设计识别地层边界,消除井斜角及电阻率各向异性的影响,在不同电阻率条件下优选频率及源距,达到最大探测范围;探测模式II采用非对称设计,增强对倾角和电阻率各向异性的敏感性,在井斜角为60°时对电阻率变化尤为敏感;探测模式III在任意井斜角下均不具有方位敏感性,能够有效表征地层电阻率,在水平井条件下受地层各向异性影响最小;探测模式IV在高角度及水平井条件下,能够有效识别电阻率各向异性信息.     

电导率各向异性的海洋电磁三维有限单元法正演

本文提出了一种基于非结构化网格的海洋电磁有限单元正演算法.为了回避场源奇异性,文中选用二次场算法,将背景电阻率设置为水平层状且各向异性,场源在水平层状各向异性介质中所激发的一次场通过汉克尔积分得到.基于Coulomb规范得到二次矢量位和标量位所满足的Maxwell方程组,通过Galerkin加权余量法形成大型稀疏有限元方程,采用不完全LU分解(ILU)预条件因子的quasi-minimum residual(QMR)迭代解法对有限元方程进行求解得到二次矢量位和标量位;进而,利用滑动平均方法得到二次矢量位和标量位在空间的导数,由此得到二次电磁场;通过一维模型对算法的可靠性进行验证,与此同时,针对实际复杂海洋电磁模型,比较有限元模拟结果与积分方程模拟结果,进一步验证算法精度.若干计算结果均表明,文中算法具有良好的通用性,适用于井中电磁、航空电磁,环境地球物理等非均匀且各向异性介质中的电磁感应基础研究.     

Pseudo‐spectral method using rotated staggered grid for elastic wave propagation in 3D arbitrary anisotropic media

Staggering grid is a very effective way to reduce the Nyquist errors and to suppress the non‐causal ringing artefacts in the pseudo‐spectral solution of first‐order elastic wave equations. However, the straightforward use of a staggered‐grid pseudo‐spectral method is problematic for simulating wave propagation when the anisotropy level is greater than orthorhombic or when the anisotropic symmetries are not aligned with the computational grids. Inspired by the idea of rotated staggered‐grid finite‐difference method, we propose a modified pseudo‐spectral method for wave propagation in arbitrary anisotropic media. Compared with an existing remedy of staggered‐grid pseudo‐spectral method based on stiffness matrix decomposition and a possible alternative using the Lebedev grids, the rotated staggered‐grid‐based pseudo‐spectral method possesses the best balance between the mitigation of artefacts and efficiency. A 2D example on a transversely isotropic model with tilted symmetry axis verifies its effectiveness to suppress the ringing artefacts. Two 3D examples of increasing anisotropy levels demonstrate that the rotated staggered‐grid‐based pseudo‐spectral method can successfully simulate complex wavefields in such anisotropic formations.     

TTI介质的交错网格伪P波正演方法

研究了三维弱各向异性近似下,利用伪P波(伪纵波)模拟弹性波场P分量在倾斜对称轴的横向各向同性(TTI)介质中的传播过程,并对比了分别基于弹性Hooke定律、弹性波投影和运动学色散方程所建立的三种二阶差分伪P波方程的正演特点.目前这些伪P波方程数值计算主要采用规则网格差分,但是规则网格在TTI模拟中有低效率、低精度以及不稳定的缺点.为了提高计算的精度,本文构建出相应方程的交错网格有限差分格式.通过对比伪P波方程在三维TTI介质中不同的数值模拟的表达形式,本文认为基于色散方程所建立的伪P波方程在模拟弹性波中P波传播的过程中具有最小的噪声.本文分析不同的各向同性对称轴空间角度的频散特征,并引入适当的横波速度维持计算的稳定.二维模型算例表明,本文提出的交错网格正演算法可以得到稳定光滑的伪P波正演波场.使用本文交错网格算法对二维BP TTI模型的逆时偏移也具有较稳定的偏移结果.     

二维各向异性介质中地震波场的高阶同位网格有限差分模拟

本文将DRP/opt MacCormack有限差分格式用于模拟二维各向异性介质中的地震波传播.DRP/opt MacCormack是一种同位网格下的差分格式,避免了传统的交错网格在计算各向异性问题时由于变量插值而导致的误差.而且相对于低阶同位网格差分格式,它具有低色散、低耗散的优点.此格式将中心差分算子分成前向和后向两个空间单边差分,然后在4-6步Runge-Kutta时间积分中使用单边差分组合.在具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）模型下,通过对比DRP/opt MacCormack有限差分和谱元方法的模拟结果,验证了前者具有很高的精度和稳定性.由于实际地质条件下TI介质的对称轴通常是倾斜的(TTI),本文在二维三分量框架下模拟TTI介质中的地震波场.结果显示横波分裂和切平面/反平面运动耦合的特征.数值实验表明DRP/opt MacCormack是一种有效的研究各向异性介质中地震波传播规律的差分格式.     

任意各向异性介质中三维可控源音频大地电磁正演模拟

在一些地层层理发育的地区,地下介质存在显著的电各向异性,此时基于各向同性模型解释含各向异性效应的可控源音频大地电磁（CSAMT）测深观测数据会导致错误的结果.本文通过引入3×3的对称正定张量表征电导率各向异性,采用非结构四面体网格和矢量有限元方法离散电场满足的矢量Helmholtz方程,并将电磁场源等效为系列电偶极子,实现任意各向异性介质中CSAMT高效数值模拟.本文首先通过层状各向异性模型检验三维有限元算法的精度和有效性,进一步建立三维地电模型研究异常体各向异性和围岩各向异性对CSAMT响应的影响,最后使用视电阻率极性图来识别各向异性电导率主轴方向.数值模拟结果表明,各向异性电导率对CSAMT视电阻率幅值及分布规律都有很大影响,视电阻率极性图能够很好地识别各向异性主轴方向.     

Simulating the hydraulic characteristics of the lower Yellow River by the finite‐volume technique

The finite‐volume technique is used to solve the two‐dimensional shallow‐water equations on unstructured mesh consisting of quadrilateral elements. In this paper the algorithm of the finite‐volume method is discussed in detail and particular attention is paid to accurately representing the complex irregular computational domain. The lower Yellow River reach from Huayuankou to Jiahetan is a typical meandering river. The generation of the computational mesh, which is used to simulate the flood, is affected by the distribution of water works in the river channel. The spatial information about the two Yellow River levee, the protecting dykes, and those roads that are obviously higher than the ground, need to be used to generate the computational mesh. As a result these dykes and roads locate the element interfaces of the computational mesh. In the model the finite‐volume method is used to solve the shallow‐wave equations, and the Osher scheme of the empirical function is used to calculate the flux through the interface between the neighbouring elements. The finite‐volume method has the advantage of using computational domain with complex geometry, and the Osher scheme is a method based on characteristic theory and is a monotone upwind numerical scheme with high resolution. The flood event with peak discharge of 15 300 m³/s, occurring in the period from 30 July to 10 August 1982, is simulated. The estimated result indicates that the simulation method is good for routing the flood in a region with complex geometry. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.     

多测线变偏移距VSP地震各向异性反演

本文从一般弱各向异性介质参数反演中得到了使用两条相互正交的变偏VSP测线计算弱各向异性(WA)参数的反演公式. 如果仅仅使用qP波, 则可以确定9个独立的WA参数, 这9个WA参数可以完全地描述井中接收点在两个剖面内介质的各向异性性质. 通过对走时曲线进行最小二乘条件下的三次样条光滑, 可以获得慢度矢量的垂直分量和水平分量. 如果介质是横向非均匀介质, 则水平分量仅仅被用作反演时的约束条件. 为了获得偏振矢量, 本文引入质心计算方法, 该方法计算简单、 稳定, 而且不存在解的奇异问题. 在寻找与一般各向异性介质最接近的高对称性正交各向异性介质和TTI各向异性介质时, 使用qP波各向异性坐标变换方法和最小二乘求解方法, 得到了与一般各向异性介质最接近的正交各向异性和TTI各向异性参数及其对称轴方向参数的计算公式. 使用这些方法, 对瓜哇海地区布设的两条相互正交的变偏VSP测线数据进行各向异性反演, 获得了井中10个接收点处介质的WA参数. 数值计算和实际资料反演表明, 本文所使用的反演方法能够准确地得到VSP井中接收点处介质的WA参数, 这是地震勘探中研究地壳介质各向异性性质最直接和最可靠的方法.      

A residual flow procedure and application for free surface flow in porous media

A finite element procedure based on the extension of the saturated flow domain into the partially saturated zone above the free surface is proposed. The finite element equations are derived by using a pseudo variational principle which results into a residual or correction load vector. The steady or transient free surface is corrected by using the residual load in an iterative scheme. The proposed procedure uses only one (initial) mesh and does not require modification of the mesh during iterations. It is compared (qualitatively) with other procedures such as variable mesh and variational inequalities. The procedure provides satisfactory comparisons with a number of closed-form solutions and laboratory test results; two applications involving the latter are described in the paper.