多极源随钻声波测井实验分析

本文针对随钻声波测井中钻铤波干扰地层声波测量的问题,设计了小尺寸随钻声波测井探头,在实验室内开展了多极源(单极源、偶极源和四极源)随钻声波测井实验研究. 先在水池中对裸露的探头进行了随钻测量,记录到了沿钻铤传播的直达钻铤波,并获得了不同声源激发的钻铤波速度. 之后在砂岩和有机玻璃模型中进行了随钻声波测井实验,观测到多极源随钻测井的全波波形,并通过与水池中实验结果的对比,分析了井中钻铤波的传播特性. 特别地,在偶极随钻测井实验中不仅记录到了偶极一阶钻铤波,还观测到对弯曲波干扰较大的偶极二阶钻铤波,进而研究了不同声源频率下该波群的响应特性及其对弯曲波测量的影响. 此外,基于单极源和偶极源随钻声波测井实验数据,本文发现:随着声源频率的增加,单极和偶极钻铤波的传播特性不同,但它们在测井全波中的相对幅度均降低,进而可从测井全波中较好地提取地层的声波速度. 本文实验结果对随钻声波测井仪器设计及测井数据解释具有重要意义.     

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.     

随钻四极子声波测井仪在充液圆槽中的波场研究

实验室建立随钻四极子声波测井仪测试规范,对仪器的研制具有重要意义．本文采用三维有限差分方法研究了随钻四极子仪器在闭合及开口充液圆管中的波场,分析了各种分波及其频散特征,提出了采用随钻四极子0阶模式管波进行仪器标定的方法．深入分析了随钻四极子声波测井仪器在开口圆槽不同方位的四极子阵列信号及合成信号的差异,认为圆槽的开口角越小,越有利于提高管波信号的幅度．根据理论模拟结果设计了随钻四极子测井仪器标定圆槽,并在充液圆槽中进行了实验研究．实验观测到了随钻四极子0阶模式管波信号,其慢度值约为1125μs/m,与理论计算结果有很好的一致性．该方法为随钻四极子声波测井仪实验室标定方法提供了思路．     

横向各向同性地层随钻多极子测井声场的分波分析与特性研究

随钻声场在各向异性地层中的传播一直是随钻声波测井的重要课题.该问题中钻铤与井孔和地层的相互作用极大地影响着声场,特别是系统中的模式波的传播特征.因此,本文采用分波计算法来详细地研究在横向各向同性（VTI）地层中随钻多极子声波的传播规律,将声场全波分解成来自波数域中的奇异点（包括支点和极点）的分波的贡献,以此模拟分析了声场中各个分波的传播特征,包括模式波在频域中的频散、激发响应及时域中的分波波形.结果表明：在快速VTI地层中,钻铤的存在使得单极伪瑞利波和二阶四极地层螺旋波的频散大为降低,可以此来测量地层垂直向横波速度;慢速VTI地层中仅存在单一四极地层螺旋波,其低频速度为地层垂直向横波速度.值得注意的是,在各向异性参数满足δ>ε+c₄₄/2c₃₃的地层中,上述模式波的低频截止速度均小于地层的垂向横波速度,这一结果与已知的裸眼井情况一致.

     

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.     

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.     

多极源随钻动电测井波场特性实验研究

探索基于孔隙介质动电效应的随钻测井新方法是当前测井勘探领域的热点研究之一.本文针对随钻测井情况下的动（声）-电转换机理,在砂岩模型井中进行了多极源（单/偶/四极源）随钻动电测井实验研究,记录了井中声波激发动电转换波场的时域波形,给出了各分波的时间-速度图,并与多极源随钻声波测井数据进行对比,结果表明：钻铤波诱导的动电转换信号在随钻动电测井全波中的相对幅度显著降低,从而可准确提取到地层声波的传播速度,实现了利用随钻动电测井方法测量地层波速的目的,验证了随钻动电测井技术可有效抑制钻铤波的思想.本文还进一步分析了钻铤波的动电耦合特性,并结合有机玻璃模型井中随钻动电测井和无井孔模型下的随钻声波测量,研究了伴随钻铤波电场信号的传播特性和衰减规律,深入探讨了随钻动电测井全波中钻铤波被削弱的原因,并给出了定量的实验数据分析,为随钻动电测井理论模拟的解释提供有效实验数据支撑.

     

随钻声波测井固井质量评价理论与数值模拟研究

大斜度井、水平井的固井质量评价需求,推动了基于随钻测井仪器的固井质量评价技术的发展.本文基于弹性波传播理论,建立柱状分层介质的套管井随钻测井模型,模拟了不同水泥胶结情况的随钻声场响应,特别是其波形特征.结果表明,套管井中随钻与电缆波形特征最大的区别在于随钻波列中存在隔声衰减后的钻铤波.特别是当水泥胶结较好时,钻铤波与套管波幅度大小相近,甚至钻铤波幅度更大,而时间域上两者波形重叠,该特点使得常规电缆声波（声幅/变密度）固井质量评价方法不适用于随钻测井环境.本文考察了不同水泥胶结程度下随钻波列中套管波幅度和衰减与胶结指数的关系,形成一种同时利用幅度和衰减的随钻声波胶结指数计算方法,为随钻声波固井质量评价提供理论指导.

     

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.     

波场模拟中的数值频散分析与校正策略

波动方程有限差分法正演模拟,对认识地震波传播规律、进行地震属性研究、地震资料地质解释、储层评价等,均具有重要的理论和实际意义.但有限差分法本身固有存在着数值频散问题,数值频散在正演模拟中是一种严重的干扰,会降低波场模拟的精度与分辨率.针对TI介质波场模拟的交错网格有限差分方法,本文从空间网格离散、时间网格离散和算子近似等三个方面对其产生的数值频散进行了分析,并结合其他学者的研究成果给出了TI介质波场模拟中压制数值频散的方法与策略：在已知介质频散关系时,对差分算子可实施算子校正;通过提高差分方程的阶数来提高波场模拟精度;采用流体力学中守恒式方程的通量校正传输方法来压制波场模拟中的数值频散;在实际正演模拟时,采用交错网格高阶有限差分方程,不仅在空间上采用高阶差分,而且在时间上也要采用高阶差分,否则只在单一方向上（空间或时间）提高方程的阶数对压制数值频散也不会取得理想的效果.     

一种优化的频率域三维声波有限差分模拟方法

为提高频率域有限差分（FD,finite-difference）正演模拟技术的计算精度和效率,基于旋转坐标系统的优化差分格式被广泛应用,但是只应用于正方形网格的情况.基于平均导数法（ADM）的优化差分格式,应用于正方形和长方形网格模拟.这些频率域有限差分算子,各自具有不同的差分格式和对应的优化系数求解表达式.本文基于三维声波方程发展了一种新的优化方法,只要给定FD模板形式,可直接构造频散方程,求取FD模板上各节点的优化系数.此方法的优点在于频率域FD算子的优化系数对应各个节点,可扩展优化其他格式.运用此优化方法,计算得到了不同空间采样间距比情况下27点和7点格式的优化系数.数值实验表明,优化27点格式与ADM 27点格式具有相同的精度,优化7点格式比经典的7点格式具有更小的数值频散.

     

用于声波方程数值模拟的时间-空间域有限差分系数确定新方法

声波方程数值模拟已广泛应用于理论地震计算,同时构成了地震逆时偏移成像技术的基础.对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应.如何有效地缓解或压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在.为精确求解空间偏导数,相继发展了高阶差分格式优化方法和伪谱方法.近期,为更好地缓解数值频散,提出了时间-空间域有限差分方法,该方法采用了泰勒展开近似方法来确定有限差分格式系数,因而只能保证在一定的小范围内很好的拟合波场传播规律.为进一步压制数值频散效应,本文引入了时间-空间域特定波数点满足频散关系的方法,根据震源、波速和网格间距确定波数范围,同时考虑了多个传播角度,然后建立方程确定了相应的有限差分格式系数,使得差分系数能在更大范围符合波场传播规律.通过频散分析和正演模拟,验证了本文方法的有效性.     

各向异性介质弹性波传播的三维不规则网格有限差分方法

提出一种新的三维空间不规则网格有限差分方法,模拟具有地形构造的非均匀各向异性介质中弹性波传播过程. 该方法通过具有二阶时间精度和四阶空间精度的不规则交错网格差分算子来近似一阶弹性波动方程,与多重网格不同,无需在精细网格和粗糙网格间进行插值,所有网格点上的计算在同一次空间迭代中完成. 针对具有复杂物性参数和复杂几何特征的地层结构,使用精细不规则网格处理粗糙界面、断层和空间界面等复杂几何构造, 理论分析和数值算例表明,该方法不但节省了大量计算机内存和计算时间,而且具有令人满意的稳定性和精度.     

求解弹性波方程的辛RKN格式

将弹性波方程变换至Hamilton体系, 构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nyström (RKN)格式, 运用根数理论得到此格式的阶条件方程组. 通过给定系数的限定条件, 得到方程的对称解. 为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式. 对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式. 发现此两种格式为同一格式. 新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散. 在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势, 数值实验进一步证实了理论分析的正确性.     

Study on 3D simulation of wave fields in acoustic reflection image logging

The borehole acoustic reflection imaging logging is a newly developed acoustic logging method that has attracted many interests. These converted and reflected waves for imaging are usually mixed up with borehole guided waves and therefore difficult to be clearly identified. To improve the downhole tool design and develop more sophisticate data processing and interpretation algorithms,studies on precisely numerical modeling of the wave fields in the acoustic reflection imaging logging are neces-sary and critical. This paper developed a parallelized scheme of 3D finite difference (3DFD) with non-uniform staggered grid and PML absorbing boundary to simulate the acoustic wave fields in isotropic and anisotropic formations. Applications of this scheme to the typical cases of isotropic and anisot-ropic formations and comparison with the results from published analytical solutions have demon-strated the validation and efficiency of the scheme. Higher accuracy and lower computation cost (3.5 times faster than the conventional schemes) have been achieved with this scheme for modeling such a complex wave fields of 60 dB dynamic range with higher frequency (10 kHz). This simulating program provides a quantitative analytical means for studying acoustic reflection imaging tool and development of the data processing and interpretation methods.     

基于起伏地形平化策略的弹性波逆时偏移成像方法

随着能源和资源勘查开采工作的深入,地形强烈起伏的盆山耦合地区的地震资料处理解释技术正日益成为山地地震勘探面临的重要挑战.逆时偏移方法作为精确的地震偏移成像方法之一,能对地下结构进行高精度成像.逆时偏移的核心是地震波场延拓,由于传统的地震波场延拓技术往往基于水平地表条件,相应的方法在直接处理强地形起伏条件下的地震资料时往往存在一定的精度损失.本文引入一种精度无损的处理起伏边界的模型参数化方法：基于贴体网格的地形\"平化\"策略发展了与地形有关的地震波波动方程数值模拟方法,采用零延迟归一化互相关成像条件实现了起伏地表条件下的弹性波场逆时偏移成像.对工业界的标准Marmousi模型和盐丘模型进行改造,获得了相应起伏地形条件下的复杂几何模型,开展了起伏地表下的地震偏移成像数值试验.结果表明基于贴体网格\"平化\"策略的逆时偏移成像方法具有较高的灵活性,可适应不同类型起伏地表采集的地震资料,显示出该方法在地震勘探领域的良好应用前景.     

四种典型地层的瑞雷波“之”字型频散曲线数值模拟研究

虽然MASW技术已经广泛地应用于地基检测中,但由于缺少大量理论指导,特别是数值模拟方面的研究,其应用受到限制.本文基于有限元软件LS-DYNA,通过数值模拟研究了四种典型地层（递增型地层、含软弱下伏层地层、含软弱夹层地层和硬夹层地层）由MASW方法提取的瑞雷波频散曲线的“之”字型特征.发现对于递增型地层,频散曲线不会出现“之”字型,对于其他三种地层,频散曲线则会出现不同类型的“之”字型,其中含软弱夹层地层“之”字型的位置和尺寸与软夹层的位置和层厚有较好的对应关系.本文的研究结果为实际工程中利用瑞雷波频散曲线的形状判定地层类型和软弱夹层位置提供了重要参考.     

井眼条件下弹性波传播问题的三维有限差分数值模拟

推导了二阶改进Higdon吸收边界条件．利用空间上具有四阶精度、时间上具有二阶精度的中心差分方法。数值模拟了几种复杂井眼条件下的波场．给出了正交各向异性介质地层条件和椭圆井眼条件下波场模拟的结果．考查并分析了单极子源和偶极子源条件下的波场特性,所得结论与弹性波传播理论一致．通过计算表明,利用改进的Higdon吸收边界条件,声波测井三维模拟程序可用于复杂井眼各向异性地层条件的波场传播模拟．     

基于三维数字岩心的介观尺度流弹性响应数值模拟

复杂介质油气藏的地震波频散和衰减是地球物理勘探中油气特征反演与解释的重要属性.介观尺度处于微观孔隙尺度与宏观地震波场尺度之间,地震波穿过饱和流体岩石时激励流体发生频散和衰减,导致地震波能量损耗,被称为介观波致流.其形成机理、特征和规律一直是勘探地球物理学和岩石物理学等领域共同关心的科学问题,也是研究的前沿和难点之一.本文首先选取印第安纳灰岩（Indiana）作为研究对象,通过排水方式饱和样品,使用CT方法研究介观流体分布特征和规律;为研究其机理,引入Biot孔弹性理论构建三维（3D）数值模型,模拟部分饱和岩石的纵波速度频散和衰减特征.经对比,数值模拟结果与实验结果匹配,表明Biot孔弹性理论可以用来描述介观波致流的物理机理.本文发展的岩石物理实验结合数值模拟的研究手段为今后研究介观流衰减和频散的特征和规律提供了理论和方法借鉴.