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.     

含孔隙、裂隙地层随钻多极子声波测井理论

储层岩石中普遍存在孔隙与裂隙,对钻井中的测井声波产生重要影响.基于孔、裂隙介质弹性波理论,导出了随钻声波测井的井孔声场表达式.据此考察了地层裂隙密度与含气饱和度的变化时井孔内随钻多极子模式波（斯通利波、弯曲波和螺旋波）的速度、衰减与灵敏度以及地层纵、横波的响应特征.裂隙密度与含气饱和度对模式波的速度频散与衰减都有影响,且两参数的值越大,影响越大.具体来说,速度对裂隙密度更敏感,而衰减对含气饱和度更敏感.具有"艾里相"特征的随钻偶极和四极子波在地层含气时产生强烈衰减,可以作为判断地层含气的一个明显指示.理论模拟与实际测井数据分析结果符合较好.     

利用二维谱分析井径变化对声波测井响应的影响

本文简要介绍了井孔声场二维谱的计算方法,实现了对不同井径井孔中的声场二维谱和声场模拟计算,得到了不同井径井孔声场二维谱的分布图以及声压波形图.通过对不同井径井孔中声场二维谱的特征分析,讨论了不同井孔中的声波场中的纵波、横波以及各种模式波的特征.通过对比二维谱可以明显地看出纵波、横波以及各种模式波均受井径变化的影响.实践证明井孔声场二维谱能够直观地显示出不同井径中声场传播的特征.     

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.     

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.     

多极子声波测井在低孔低渗气层中的数值研究

现有的天然气勘探中的测井技术,在评价低孔低渗气层时遇到诸多难题,本文引入了一种新的气藏评价方法,即利用多极源激发的模式波的幅度来识别气藏,并对此方法进行了数值验证.以Biot多孔介质理论为基础建立了低孔低渗含气储层计算模型,数值计算了多极子声源在充液井孔中激发的频散曲线、衰减曲线以及全波列波形.结果表明,挠曲波和螺旋波的衰减系数与相速度相比,对孔隙中的流体性质更敏感,且随着多极源级数的增加和工作主频的提高,挠曲波和螺旋波的衰减系数的变化程度明显增强;在偶极子和四极子激发的全波列波形中,可清晰的观测到对地层孔隙流体不敏感的地层横波,在这种情况下,可以通过对比波列中地层横波和频散的弯曲波(或螺旋波)幅度来识别气层.     

VTI地层随钻四极子声波测井数值研究

数值计算了四极子声源在含钻铤竖直向横向各向同性(VTI)地层井孔中产生的各种模式波的频散曲线、激发幅度以及对各地层、钻铤参数的灵敏度,合成了四极子阵列波形,研究了快、慢速地层井孔中地层各向异性的存在对四极子波场的影响.数值计算结果表明,地层各向异性对钻铤波的影响很小,对于地层波的影响较大,且影响因素非常复杂.仅在一些特殊的频率点处,地层模式波的控制因素相对较为简单,如螺旋波的截止频率处.在慢速地层井孔中,最低阶的地层四极子波对距离井壁约2个井孔半径内的地层有明显的响应,可以对该范围内的地层横波进行层析成像.在快速地层井孔条件下,可以考虑采用与横波到时相同的波包来评价地层横波信息.该波包包含了井孔折射横波、F1和F2模式与井孔折射横波速度相接近的部分;利用该波包获得的地层横波速度基本不受地层各向异性的影响.在慢速地层情况下,螺旋波受地层各向异性的影响较大,建议在实际数据处理时,考虑采用基于数据的处理方法进行频散校正.     

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.     

多极子阵列声波测井数据的纵横波慢度联合反演方法

多极子阵列声波测井仪器采集的单极和偶极数据受到地层、井孔、仪器测量系统的影响.在处理实际声波测井数据时,必须考虑多极子模式波的频散效应,以及测井仪器在其中的影响.根据仪器等效理论和相位匹配方法,本文提出了一种从多极子阵列声波测井数据中同时获得纵、横波慢度的联合反演方法.这种方法的关键在于利用相同仪器-地层模型计算多极子模式波频散曲线,以此来匹配频域内纵波与横波数据的相位.相对于将泄漏纵波和弯曲波频散效应分开处理的其他方法,该方法不仅可以减少纵横波速度反演的不确定性,而且还避免了从声波数据中提取频散数据的繁琐过程.通过理论分析和现场数据处理证明了本文联合反演方法的准确性和有效性.     

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.     

Simulation of full-waveform log in saturated cracked formations using Hudson's approach

We study the propagation of elastic waves that are generated in a fluid‐filled borehole surrounded by a cracked transversely isotropic medium. In the model studied the anisotropy and borehole axes coincide. To obtain the effective elastic moduli of a cracked medium we have applied Hudson's theory that enables the determination of the overall properties as a function of the crack orientation in relation to the symmetry axis of the anisotropic medium. This theory takes into account the hydrodynamic mechanism of the elastic‐wave attenuation caused by fluid filtration from the cracks into a porous matrix. We have simulated the full waveforms generated by an impulse source of finite length placed on the borehole axis. The kinematic and dynamic parameters of the compressional, shear and Stoneley waves as functions of the matrix permeability, crack orientation and porosity were studied. The modelling results demonstrated the influence of the crack‐system parameters (orientation and porosity) on the velocities and amplitudes of all wave types. The horizontally orientated cracks result in maximal decrease of the elastic‐wave parameters (velocities and amplitudes). Based on the fact that the shear‐ and Stoneley‐wave velocities in a transversely isotropic medium are determined by different shear moduli, we demonstrate the feasibility of the acoustic log to identify formations with close to horizontal crack orientations.     

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.     

Acoustic reverberation in a logging tool-borehole-saturated porous medium system

The influence of the elastic and hydrodynamic properties of a rock on the time attenuation coefficient of an acoustic wave, which is reflected from the borehole wall, is considered using the methods of the mechanics of saturated porous media. The calculations were performed for a system consisting of an acoustic logging tool of a finite with a finite diameter, a fluid-filled borehole, and a porous permeable rock. The performed simulation showed that in rocks with a low hydrodynamic permeability, the acoustic-reverberation time is determined by the acoustic impedance of the borehole wall (product of the rock density and the longitudinal-wave velocity in it). In the case of rocks with a permeability of about several hundred millidarcy, the time signal’s attenuation coefficient substantially depends on the rock’s permeability.     

偶极声源在裸眼井及套管井外的横波辐射特征

偶极横波远探测技术作为近年来发展起来的一门地球物理测井技术,一个重要应用前景就是在裸眼井和套管井测井时寻找井外地层中的油气构造.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近解出发,对裸眼井及套管井中偶极声源的辐射场进行了对比分析,首次得到了偶极声源在不同声源频率和不同地层类型下的辐射特征.并深入研究了套管井中偶极声源的SH横波远场辐射特性,给出了不同耦合情况下的SH横波远场辐射特性的变化规律,对比了套前套后SH横波远场辐射的异同.结果表明：井中偶极声源的远场辐射特性受声源频率和地层类型影响较大;在套管井中,偶极声源辐射到地层中的横波能量也可以进行远探测,尽管与裸眼井情况相比,辐射能量会有所降低.本文的结果为偶极横波远探测技术的应用提供了理论支持.     

基于横向各向同性BISQ方程的弹性波传播数值模拟

Biot流动和喷射流动是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制. 近年来，利用同时处理这两种力学机制的BISQ(Biot-Squirt)模型，弹性波衰减和频散的问题已被广泛研究；然而基于BISQ方程的波场数值模拟尚未见到公开的报道．本文从BISQ方程出发，利用交错网格方法对横向各向同性孔隙介质中不同频率和相界情况，以及双层介质中的弹性波传播进行数值模拟，研究了在同时考虑两种流动机制作用情况下地震波和声波的传播特性及传播过程中出现的各种波动现象．      

Numerical simulation of elastic wave propagation based on the transversely isotropic BISQ equation

Introduction More real models are being developed by the modern seismology. As we all know, the earth is not a simple elastic body. Oil and gas reservoir, ground surface, seashore zone, sea bottom layer, etc, are porous solid media with fluids. It has been confirmed that there are two main fluid flow mechanisms in these media (Dvorkin, Nur, 1993), i.e., the Biot flow mechanism (Biot, 1956, 1962) based on the macroscopic property and the Squirt-flow mechanism (Mavko, Nur, 1979) based on the …     

裂缝、裂隙介质衰减频散研究

为研究裂缝、裂隙介质中波致流引起的衰减,将裂缝看作背景孔隙岩石中非常薄且孔隙度非常高的层状介质,并等价成White周期层状模型.分别考虑不同类型的裂隙和孔隙之间的挤喷流影响,结合改进的Biot方程,推导得到裂缝裂隙介质的刚度与频率的关系.当缝隙中饱含流体时,介质的衰减和速度频散受裂缝、孔隙之间和裂隙、孔隙之间流体流动的显著影响.在低频极限下,裂缝裂隙介质的性质由各向异性Gassmann理论和挤喷流模型获得;而在非常高的频率时,由于缝隙中的压力来不及达到平衡,波致流的影响可忽略.分析表明,裂隙密度主要影响波的衰减,而裂隙纵横比主要控制优势衰减频率和速度显著变化的频率范围;由于不同裂隙的衰减机制不同,衰减和速度频散大小有所差异,但基本趋势相同.     

Propagation and attenuation of Rayleigh waves in a semi-infinite unsaturated poroelastic medium

An analytical model for describing the propagation and attenuation of Rayleigh waves along the free surface of an elastic porous medium containing two immiscible, viscous, compressible fluids is developed in the present study based on the poroelastic equations formulated by Lo et al. [Lo WC, Sposito G, Majer E. Wave propagation through elastic porous media containing two immiscible fluids. Water Resour Res 2005;41:W02025]. The dispersion equation obtained is complex-valued due to viscous dissipation resulting from the relative motion of the solid to the pore fluids. As an excitation frequency is stipulated, the dispersion equation that is a cubic polynomial is numerically solved to determine the phase speed and attenuation coefficient of Rayleigh waves in Columbia fine sandy loam permeated by an air–water mixture. Our numerical results show that, corresponding to three dilatational waves, there is also the existence of three different modes of Rayleigh wave in an unsaturated porous medium, which are designated as the R1, R2, and R3 waves in descending order of phase speed, respectively. The phase speed of the R1 wave is non-dispersive (frequency-independent) in the frequency range we examined (10 Hz–10 kHz) and decreases as water saturation increases, whose magnitude ranges from 20% to 49% of that of the first dilatational wave with respect to water content. However, it is revealed numerically that the R2 and R3 waves are functions of excitation frequency. Given the same water saturation and excitation frequency, the phase speeds of the R2 and R3 waves are found to be approximately 90% of those of the second and third dilatational waves, respectively. The R1 wave has the lowest attenuation coefficient whereas the R3 wave attenuates highest.