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.     

随钻四极源声波测井多模式采集测量TTI地层各向异性的研究

本文应用三维柱坐标时域有限差分方法模拟了多极子随钻声波测井的波场,提出了在横向各向同性（TI）慢速地层倾斜井中,使用四极源激发、多模式采集进行各向异性参数反演的方法.模拟结果表明：在强各向异性地层大角度倾斜井中使用四极源能够激发出多极模式波,并且井孔内的声场会随着声源方向角β（声源方向和快横波偏振方向的夹角）的改变而发生变化.使用四极子采集方式记录时,可以发现波形会分裂成快慢两种波;并且在声源方向与地层快横波偏振方向成45°时,分裂的两种波形的速度更趋近于地层快慢横波波速,用此可反演地层各向异性值大小.使用单极子采集方式记录时,其波形能量与声源方向角β大致成cos²2β的关系,在声源方向角为45°时,其波形幅度最小,用此可判断与快横波偏振方向成45°角的方向.使用AC方向（与声源同方向）偶极子采集方式记录时,当声源方向与快横波偏振方向一致时,采集到的波形幅度最小;而与快横波偏振方向垂直时,波形幅度最大,所以通过偶极子采集方式记录的波形可以判断快横波偏振方向.因此,在强各向异性倾斜井中进行随钻四极子测量时,可以使用多模式采集方式来进行地层各向异性的反演.     

含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究

地层横波波速测量以及各向异性评价是目前随钻声波测井应用及方法研究的难题之一.针对这些问题,本文试图从钻铤上的偏心点声源在各向异性地层中的响应出发,寻求和探讨解决方案.我们基于三维有限差分模拟的随钻测井信号,研究了偏心点声源在水平横向各向同性(HTI)慢速地层井孔中激发声波传播规律,研究结果表明:在HTI地层中偏心点声源能够同时激发出快、慢两种波形,并且此两种波形中主要分别包含快、慢弯曲波,由于与钻铤波的耦合作用,其速度总是分别小于地层快、慢横波波速,所以无法直接用于地层横波波速的测量.但根据进一步的灵敏度分析可知当在3kHz以上时,它们的相速度分别对地层参数水平和垂直剪切模量(c66和c44)最为敏感.基于此特性,本文提出一种基于解析近似解的最小二乘拟合法,能够通过快、慢波频散曲线反演地层横波波速,所测值误差小于3%,并且具有很好的容错率和稳定性;进而由横波速度反演值评价地层各向异性大小.最后,地层快横波偏振方位可以利用垂直于偏心声源方向的偶极采集的信号能量变化曲线来获取.     

含偏心钻铤充液井孔中正交偶极子声波测井的数值模拟研究

采用三维有限差分方法模拟了正交偶极子声源在含偏心钻铤的充液井孔中激发的声场,研究了钻铤偏心对模式波的种类、激发幅度、以及频散特征的影响.研究结果表明,钻铤偏心导致偶极子声源激发的声场的模式不唯一,观察到了除偶极模式外的单极模式波和四极模式波;钻铤偏心导致偶极模式波出现分裂现象,尤其是快速地层F2模式和慢速地层弯曲波的稍高频率的部分,且快、慢波所对应的两个方位为偏心的方位和与偏心方位垂直的方向;井孔折射横波以及快速地层F2模式的低频部分的慢度基本未受到钻铤偏心的影响,仍然能够正确反映地层的横波慢度及各向异性;对于本文研究的慢速地层井孔模型,当偏心距离l小于等于0.01 m时,弯曲波的慢度和激发幅度受钻铤偏心的影响很小,从快、慢弯曲波中提取的快、慢横波慢度基本能够反映地层的各向异性特征.     

横向各向同性地层中随钻声波测井模式波分析

针对横向各向同性地层随钻声波测井模型,通过模式分析的方法,考察了快速地层和慢速地层井孔内随钻单极子、偶极子和四极子声源激发的斯通利波、弯曲波和螺旋波的相速度频散和激发强度特征,计算了这些模式波对于地层弹性常数的灵敏度,并与电缆测井中的情况进行了比较.结果表明:随钻斯通利波在低频时对地层弹性常数中c₆₆的灵敏度较电缆测井中有了很大提高,可用于反演地层水平向横波速度;随钻偶极子最低阶弯曲波在低频时不能用于直接获取地层横波信息,但在慢速地层中频率较高(例如6 kHz)时却可以间接得到地层垂直向横波速度;随钻四极子螺旋波的特征与电缆测井中的类似,可用于获取地层垂直向横波速度.     

径向分层TI孔隙介质井孔中激发的模式波的数值研究

横向各向同性介质是地层中普遍存在的一种各向异性介质.本文对径向分层TI孔隙介质包围井孔中激发的斯通利波和弯曲波的传播特性进行了理论计算,发现模式波在低频时更多的是反应原状地层的信息,而随着频率的增加侵入带参数逐渐起控制作用;Biot理论描述的地层衰减比速度更容易受井壁附近地层参数的影响.利用灵敏度曲线定量研究了不同频率下地层各个参数对相速度和衰减系数的贡献大小,主要结果显示模式波的衰减受水平渗透率影响明显,而垂直渗透率的变化对模式波几乎无影响;斯通利波对水平向传播的横波速度比弯曲波的灵敏度高.从单极子和偶极子声源在井孔中激发的全波波形也可发现,声波测井仪器较宽的声源频带和合适的源距设置有利于对不同径向深度上的地层声学参数进行成像.     

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.     

横波测井的原理和方法研究

充液井孔中的偶极子声源能在周围岩层和土层中激发弯曲模式声波，它们在截止频率附近，沿井轴传播的速度为井壁介质的横波速度．使用可调声功率源使偶极子声波测井系统能适应软、硬地层的现场井孔测试．相关法算出横波声速，野外测试的结果和理论计算值相符．计算动弹模量和剪切模量，确定破碎层位置，可用于工程地质勘察中     

非对称声源多极子随钻声波测井实验室测量研究

现有的随钻声波测井通常采用三种测量方式:单极子、偶极子及四极子测量模式.分别采用单极子源、偶极子源和四极子源激发单极子、偶极子和四极子信号对地层速度信息进行测量.由于随钻测井环境比较复杂,钻杆在井孔中占据大部分空间,钻杆速度高于地层速度,导致接收到的信号中仪器波能量占主导,无法有效地提取地层的纵横波速度信息.本文探讨一种采用非对称偏心的点声源,一次激发,利用方位分布的四个接收器接收,经过合成后同时分别得到单极子、偶极子和四极子模式波信号的测量方法,为建立同时利用多极模式波信号测量地层纵横波速度的随钻声波测井实用技术提供基础.本文利用1:12的缩比模型在实验室对该方法进行了考察,实验结果证明,可以通过非对称点声源得到有效的地层单极子、偶极子和四极子模式波信号.通过分析和对比实测数据和理论模拟的频散曲线,本文进一步提出利用三种模式波的频散曲线联合反演确定地层横波速度的方法.     

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.     

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.     

软地层横波速度的偶极随钻测井反演

在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井(LWD)中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟,研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律,着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明,钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场,其主瓣三分贝角宽窄,旁瓣级低,向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍,适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型,反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加,反射纵波幅度逐渐减小,转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小,反射SV波的幅度增加,建议在实际应用中,选择合适源距的波形进行处理,并对其他非目的波动进行压制,以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子,结果显示,反射波纵波信号有较好的方位分辨率,能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位,而且对上、下界面的成像互不影响.     

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.     

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．     

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.