套管井贴壁声源激发的非轴对称声场的有限差分模拟及结果分析

套管井贴壁声波测井仪器在固井质量评价中的应用越来越广泛.本文利用三维交错网格高阶有限差分方法首次研究了贴壁声源在套管井中激发的非轴对称声场特征,给出了测井声源在贴壁固体弹性介质中激发时的数值模拟方法,模拟的全波波形与测井仪器在实际井中记录的波形吻合较好,这为利用数值模拟方式开发贴壁声波仪器的潜在应用奠定了基础.通过对套管井不同胶结状况下的数值模拟,得到了贴壁声源在套管井中激发的声场特征和传播规律,模拟结果显示加载声源的贴壁滑板的存在大大压制了套管中弯曲型Lamb波的幅度;套管中传播的拉伸波的幅度相对较强,其泄漏到水泥中的声波传播到水泥和地层界面时发生反射,反射波的幅度和相位特征携带了水泥环第二界面的胶结信息.数值计算结果为利用贴壁声源激发接收的波形实现水泥环第二界面井周不同角度上的胶结评价奠定了理论基础.     

套后介质声学性质对套管中三种模式波影响的对比分析

由于套管的厚度小于目前声波测井仪器工作频率下的波长,声波仪器工作时可在套管中激发Lamb波或SH模式波.目前评价水泥胶结质量的声波测井仪器主要是利用套管中的对称Lamb波(拉伸波,S0模式)或反对称Lamb波(泄漏弯曲波,A0模式)的相对幅度或衰减评价套管与水泥之间的胶结程度.Lamb波可看作是纵波和横波在套管边界的耦合形成的,在套管中还存在另一种非耦合的SH横波,偏振方向与套管轴向平行沿着周向传播.本文基于定向声源辐射技术,实现了对称Lamb波、反对称Lamb波的分波模拟技术,数值研究了套管后耦合不同声阻抗介质时,对称Lamb波、反对称Lamb波以及SH横波的测井响应,通过频散衰减曲线以及模式波的波形响应幅度的直观显示表明,由于套管中的SH波仅向固体水泥中辐射剪切波,这一传播特征与套管中的Lamb波相比可以极大提高套管-水泥界面胶结状况的测量灵敏度.Lamb波的固有缺陷是套管与两侧介质的较大声阻抗反差使得在井中测量套管后面水泥界面的灵敏度受到相当大的限制.     

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.     

双层套管井中单极子声波测井的响应特征

目前,在深井中采用多层套管实现层间封隔的方法已非常普遍,对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切,目前还未有针对外层套管与地层之间水泥胶结评价的有效手段.本文利用三维有限差分仿真了单极声波测井在双层套管井中的响应特征,探讨了利用套管波幅度和斯通利波频散特征识别外层套管与地层之间环空是否胶结水泥的可行性.数值计算结果显示在两层套管之间胶结水泥时,套管波的幅度或衰减对外层套管和地层之间是否胶结水泥非常敏感,外层环空若充填水泥则全波中的套管波幅度降低明显;在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中首先到达的套管波幅度较大,其对外层套管的胶结状况不再敏感,通过对接收的阵列波形做频率-慢度相关分析发现,在外层套管和地层之间胶结水泥后,井孔内接收到的低于10 kHz的外斯通利波慢度明显增大,仿真波形的处理结果与解析计算的斯通利波的频散曲线吻合较好,进一步验证了可尝试利用内层环空激发的外斯通利波判断外层套管与地层之间是否胶结水泥.     

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.     

套管井声波全波列中地层波的幅度特性

套管井声全渡中的地层波可以检测固井第二界面的水泥胶结质量状况.地层波不仅受地层衰减、套管波干扰等因素影响,更主要受第二界面两侧的声阻抗差值的影响.为此,基于固体介质的声势函数和界面的边界条件,推导了固-固界面纵横波的反射系数和透射系数,以及第一临界角入射情况下反射系数和透射系数的近似公式,并且分析了透射系数与声阻抗之间的关系.数值计算结果发现,地层波幅度随第二界面两侧声阻抗差增大而减小,且这种关系是非线性的.基于临界入射的透射系数,对经过衰减校正和干扰校正的地层波进行声阻抗校正,消除地层声阻抗对地层波幅度影响.使用地层波幅度评价第二界面的水泥胶结状况,并在实际资料处理中见到了好的效果.     

界面不规则性对套后超声波成像测井响应影响的模拟研究（英文）

超声泄漏兰姆波对多层介质缺陷及胶结缺失十分敏感,针对其在水泥胶结评价测井中的适用性问题,本文首次利用有限差分法数值模拟探讨了泄漏弯曲波在套管存在腐蚀缺陷和水泥-地层界面不规则起伏时的响应。结果表明,将超声倾斜定向入射时,可有效激发弯曲波模式。套管存在腐蚀时会影响首至弯曲波波幅,首至弯曲波波幅会随套管外壁的缺陷厚度的增加而逐渐减小,并在缺陷长度与波长尺寸相当时达到最弱,缺陷的存在增加了散射,导致直接泄漏回井内流体的首至弯曲波能量减弱。水泥-地层界面的不规则起伏时,首至弯曲波不变,后续弯曲波波幅由于不规则界面散射而减弱。     

基于相控圆弧阵的方位声波固井质量评价:数值模拟与现场测试（英文）

我们研制了一种基于相控圆弧阵声波辐射器的新型方位声波固井质量仪器(AABT),并结合数值模拟及现场测量实例对仪器进行了验证。研究了周向不同角宽的窜槽和窜槽尺寸固定但相控圆弧阵声波辐射器的辐射声束主瓣方向改变时对套管波的影响。数值模拟结果显示,套管波幅度最大的那一道波形所对应的圆弧阵子阵辐射脉冲主瓣方向恰好是条状窜槽的方位角位置。随着水泥窜槽的周向角宽的增大,周向不同辐射方位激励时产生的套管波幅度的差异更明显。对基于相控圆弧阵声波辐射器的AABT仪器在中国的北部和西部油田进行了现场测试,现场测量结果表明,AABT可以评价套管接箍的位置以及套管一水泥界面周向方位胶结质量,直观地显示窜槽大小、位置及方位;在套管一水泥界面胶结质量好的情况下,通过地层波幅度和速度成像,可以对水泥-地层界面的周向方位胶结质量进行评价。     

非轴对称套管井中声场的并行有限差分模拟

本文提出了一种用于模拟非轴对称套管井中扇区水泥胶结测井100 kHz 3维瞬态声场的并行算法.采用时域有限差分方法,以及非裂化的完全匹配层吸收边界条件,基于信息传递接口(MPI)并行环境,在计算机集群上实现并行计算.对内边界上的差分方程进行参数平均处理,提高了计算稳定性.通过在轴对称情况下将有限差分模拟结果与实轴积分法计算结果对比,验证了方法的正确性.使用并行有限差分算法,模拟了水泥环有不同大小和在不同方位缺失时非轴对称套管井中8扇区的扇区水泥胶结测井仪的测井波形,并分析了套管波幅度随水泥缺失-换能器夹角的变化.根据模拟和分析结果,得到了非轴对称套管井中新的声场传播规律,并建议了一种用于反演水泥缺失大小和方位的方法.     

岩石样品中超声波传播数值模拟及分析

为了深入研究超声波速度测试中超声波在岩石样品中的传播规律,对岩石超声波速度实验采用交错网格有限差分算法进行了数值模拟.选取了适合于超声波震源的差分精度、稳定性条件和吸收边界.通过模拟波形与实验记录波形的对比分析,结果表明:激发器和接收器直接位于岩心与探头接触面时,接收到的波形中干扰波较少,合成记录波形特征明显,易于分析;使用雷克子波作为超声波数值模拟的震源子波,计算得到实际首波初至时间为21.55μs,而波形图中首波初至时间为23.90μs,这是由于子波自身的长度使得波初至时间比实际波初至的时间晚;相对于岩心与探头接触面的反射波,岩心柱体与空气接触面的反射波对有效波形信号的影响更大.     

利用Lamb波进行深水隔水管气侵早期监测（英文）

深水钻井隔水管气侵早期监测,对及时发现井中气体渗流,减少深水钻井中井喷事故,具有重要的意义。在本文中,我们对在深水隔水管内为水基钻井液的情况下,通过改变钻井液的含气率,利用三维柱坐标系有限差分方法数值模拟了声源在隔水管外表面激发的声场,分析了隔水管内AO模式和SO模式LAMB波的幅度和衰减与管内流体性质以及段塞流顶底界面位置之间的关系。模拟结果表明,LAMB波的幅度和衰减对低含气量非常敏感,能够反映隔水管内气体的含量,同时,有效地反映段塞流顶底界面的位置。     

滑移界面表征的套管井声场的理论计算

经典弹性波理论往往在套管与水泥环之间增加一层流体环来模拟套管与水泥环之间胶结差时的测井响应,但流体环的存在,使得套管与水泥环之间缺失了剪切耦合,即使几个微米的厚度,套管波幅度也会明显增大,接近甚至超过自由套管时的30%.因此经典弹性波理论常常无法解释现场测量数据中套管波幅度的渐变现象.实际套管井中胶结界面粗糙或不规则起伏使套管与水泥环界面两侧介质有所接触,往往存在剪切耦合,用剪切刚度和法向刚度表达的滑移界面理论应用到套管与水泥环或水泥环与地层界面的胶结响应,可模拟界面从完全胶结到完全不胶结的过渡状态.通过将滑移界面理论模拟的波结构与在套管与水泥环之间加一层软固体层时的经典弹性波理论模拟的波结构对比,验证了滑移界面理论在模拟水泥胶结时的适用性.滑移界面理论与经典弹性波理论结合分析了水泥不同胶结状态下井孔内外声场的辐射特征,随着界面水泥胶结质量的下降井内接收的套管波以及套管波泄漏到地层中的纵横波幅度逐渐增强,透过井壁辐射到地层中的纵波和横波逐渐降低.将滑移界面理论应用到套管井水泥胶结状况的模拟,弥补了经典弹性波理论在模拟水泥胶结测井响应时的局限性,也为定量刻画水泥环界面的耦合刚度提供了可能...     

基于黏弹滑移界面理论揭示套管中模式波的传播特征

目前固井质量评价主要是利用套管中模式波的幅度或衰减变化判断套管与水泥间的胶结状况.在超声测量频段（70~500 kHz）,现有声波测井仪器工作时在套管中激发的模式波类似薄板中的对称兰姆波（拉伸波）或反对称兰姆波（弯曲型兰姆波）.本文将黏弹滑移界面理论应用到套管和水泥的耦合界面,探讨了套管中的准兰姆波（包括拉伸波和弯曲型兰姆波）与套管后物质的耦合方式,拉伸波与套后物质主要以剪切刚度耦合,即便是0.01 mm的微环也会使得拉伸波的衰减明显降低,接近套后是流体时的响应特征;而弯曲型兰姆波与套管后物质主要以法向刚度耦合,这使得在套后胶结轻质水泥时弯曲型兰姆波对微环不敏感,在套后耦合常规水泥时微环的存在又会使得弯曲型兰姆波的衰减明显增强,衰减的增加说明其与套后物质的声耦合更紧密,也表明微环与常规水泥的等效声阻抗适当降低,更有利于弯曲型兰姆波传播时与套后介质实现法向刚度的匹配.拉伸波和弯曲型兰姆波对同一胶结状况的不同响应特征也为固井质量综合评价时区分不同的水泥胶结状况提供了可能.     

基于黏弹滑移界面理论揭示套管中模式波的传播特征

目前固井质量评价主要是利用套管中模式波的幅度或衰减变化判断套管与水泥间的胶结状况.在超声测量频段(70～500 kHz),现有声波测井仪器工作时在套管中激发的模式波类似薄板中的对称兰姆波(拉伸波)或反对称兰姆波(弯曲型兰姆波).本文将黏弹滑移界面理论应用到套管和水泥的耦合界面,探讨了套管中的准兰姆波(包括拉伸波和弯曲型兰姆波)与套管后物质的耦合方式,拉伸波与套后物质主要以剪切刚度耦合,即便是0.01 mm的微环也会使得拉伸波的衰减明显降低,接近套后是流体时的响应特征;而弯曲型兰姆波与套管后物质主要以法向刚度耦合,这使得在套后胶结轻质水泥时弯曲型兰姆波对微环不敏感,在套后耦合常规水泥时微环的存在又会使得弯曲型兰姆波的衰减明显增强,衰减的增加说明其与套后物质的声耦合更紧密,也表明微环与常规水泥的等效声阻抗适当降低,更有利于弯曲型兰姆波传播时与套后介质实现法向刚度的匹配.拉伸波和弯曲型兰姆波对同一胶结状况的不同响应特征也为固井质量综合评价时区分不同的水泥胶结状况提供了可能.     

利用阵列声波进行固井质量定量评价的方法及其应用

声波法固井质量测井技术一般采用短源距测量方式测量套管波的幅度、衰减或套后声阻抗来进行固井质量评价,然而在油气田开发生产期间,用户往往提出地层声波信息和固井质量同时评价的要求,此时短源距测量方式已不能满足用户需求.在固井质量好的情况下,阵列声波测井能够得到地层声波信息,但对固井质量评价涉及较少.为满足客户需求,充分利用阵列波形中的信息,降低测井成本,本文基于阵列声波测井资料,开展了固井质量定量评价方法研究,首先数值模拟研究了不同固井质量情况下的阵列声波声场响应特征,然后利用阵列仪器多接收器的特点,引入了一种定量计算套管波衰减的方法,并结合常规固井质量CBL/VDL测井资料,建立了新的固井质量评价标准,实现了阵列声波固井质量的定量评价.通过处理现场测井资料,验证了该方法的正确性和有效性.     

求解弹性波动方程的频率域近似解析离散化波场模拟方法

为提高频率域弹性波动方程数值求解的计算效率,本文引入近似解析离散化(NAD)方法将其进行数值离散并得到大型线性代数方程组.在详细分析了相应系数矩阵的稀疏分块结构与数学性质之后,本文提出采用不精确旋转分块三角预处理子加速Krylov子空间迭代方法来快速求解该线性方程组,并利用数值试验证实这种方法在弹性波场模拟方面的数值效率.通过与另外两种经典数值方法(常规有限差分方法和交错网格有限差分方法)对多种介质模型进行波场模拟、数值频散分析以及与解析解的波形对比,NAD方法显示了其在压制数值频散和提高计算效率方面的优势以及对复杂介质模型弹性波场数值模拟的有效性.     

用黏弹滑移界面表征的固井声波测井理论

在地球介质弹性波传播问题中,常采用滑移界面来描述介质分层对波的影响.文章利用这一方法来求解油井固井质量检测中的声传播问题.将套管与地层之间的水泥环表征为具有复数耦合刚度的黏弹性滑移界面,不仅可以简化原有的经典弹性波理论对此问题的复杂描述,还能够有效模拟原有理论难以解释的各种复杂测井声波传播特征.具体而言,这一固井声波测井新理论很好地描述了套管与地层之间(水泥)胶结状态的变化以及这种变化发生的位置(即套管-水泥间的一界面,或水泥-地层间的二界面)对声波传播的影响,具有较强的模拟和预测功能.对实际声波测井数据的模拟和对比表明,这一新理论较好地解释了套管井中的声传播特征,为油田固井质量检测提供了一个行之有效的基础理论.     

基于变网格高阶有限差分的鬼波数值模拟研究

由于海洋地震资料采集过程中电缆和震源沉放于海面以下几米至十几米深度,同时,薄夹层厚度也从几米到几十米变化,要准确模拟沉放深度即薄夹层对地震波场的影响,差分网格剖分须小于最小变化深度和厚度,全模型小网格模拟将急剧加大有限差分模拟计算量.通过均匀模型大网格与小网格模拟波场对比表明二者存在微小的相位差异,小网格模拟结果对于小尺度的波场变化模拟更加精确.针对上述问题,本文研究了变网格有限差分模拟方法,针对海面附近及目的层采用小网格模拟,其他区域采用大网格模拟,结果表明此策略可以较为准确模拟鬼波,同时保持较高的计算效率.文中还提出了一种与实际海洋气枪阵列子波波形近似的弱旁瓣Ricker子波,实现了鬼波波形波动方程精确模拟,模拟地震子波形态与理论及实际地震记录子波形态高度一致.     

波场模拟有限差分参数优化选取

有限差分方法(Finite-difference Method, FD)广泛用于地震波场数值模拟，但其存在固有的数值频散问题，影响模拟的计算效率和数值精度.本文主要研究了有限差分方法的空间数值频散误差和网格划分精度以及差分算子的关系，基于计算量最小准则，提出了最优化有限差分参数选取流程，为有限差分数值模拟参数选取提供理论指导.本文主要工作包括：(1)提出了空间数值频散正变换过程(Forward Space Dispersion Transform, FSDT)方法，该方法可以高效模拟出不同网格划分精度(波长采样点数)的带有空间数值频散的波场；(2)提出了波场空间数值频散误差衡量准则，可以定量地判断出数值模拟导致的波形频散程度，选取合适的频散误差阈值；(3)研究了给定空间数值频散误差阈值下，差分算子系数、差分算子阶数、网格划分精度与计算量之间的关系.文中基于雷米兹交换方法(Remez Exchange Method, RE)和泰勒级数展开方法(Taylor-series Expansion Method, TE)的差分系数，在空间数值频散误差阈值0.01时，数值模拟了不同差分算子阶数、网...     

VTI介质qP波方程高精度有限差分算子

波动方程有限差分法是一种使用广泛的地震波数值模拟方法.但是有限差分法本身固有存在着数值频散问题,会降低地震波场模拟的精度与分辨率.为了克服常规有限差分算子的数值频散,本文针对VTI介质地震波数值模拟问题,构造了频率-空间域qP波波动方程高精度有限差分优化算子,根据最优化理论中高斯-牛顿法确定了高精度有限差分算子的优化系数.利用常规差分算子和高精度优化差分算子对归一化相速度的频散关系精度进行了对比分析,并对均匀各向同性介质和均匀VTI介质中的qP波地震波场进行了有限差分数值模拟,通过频散关系精度分析和波场数值模拟结果表明：有限差分优化算子具有较高的波场数值模拟精度,有效压制了传统有限差分算子数值模拟中的数值频散现象,提高了有限差分算子精度,为VTI介质频率-空间域qP波正演模拟奠定了基础.