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.     

裸眼井中弹性波传播的非对称模式的数值研究

本文从数值上研究了裸眼井中弹性波传播的非对称模式,给出了合成微地震图和导波（弯曲波）的频散曲线,发现在“硬”地层和“软”地层的井中,导波都是高度频散的,其最大相速度等于地层的横波速度,其截止频率低于对称模式的伪瑞利波的截止频率;在低频（2-3kHz）和长源距（3-4m）的条件下,由非对称的声源（如声偶极子）所产生的微地震图中,初至信号是以横波速度传播的,而以纵波速度传播的信号被抑制。本文的结果对研制横波速度测井仪是有意义的。     

双偶极源反相激励压制井中直达波的横波远探测方法研究

偶极横渡远探测测井仪器工作时,存在很强的井中直达信号干扰,严重影响了井外反射声波信号的测量.为解决这一问题,本文提出了一种双偶极源反相激励的声波远探测测井方法.与传统方法相比,这一方法采用两个具有相反相位的偶极声源,通过延时激励的方式,可以从数据采集环节压制直达信号,提高反射波的信噪比.理论模拟结果表明,双源反向延迟在不考虑井中偶极弯曲波的频散效应时,虽然直达波的信号大幅降低,但仍存在较强残余直达信号干扰;而考虑弯曲波的频散效应时,可以更好的压制因频散效应残余的直达波成分.对现场实测数据的处理分析表明,采用双偶极源反相激励的思路和方法,直达波信号的幅度可以被大幅度地压制,从而明显提升井外反射声波信号的信噪比.这一技术的可行,使得偶极横波远探测测井有了更广阔的应用空间.     

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.     

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...     

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.     

固体介质中孤立波的传播及演化特征

由于地球介质中广泛存在断裂、微裂缝等地质现象,实际地震资料中会出现形似孤立波的非线性地震现象。因此,对固体介质中孤立波的研究有利于解释这些非线性地震现象的形成机制。本文基于KdV方程,以雷克子波作为初始条件,采用伸缩子机理构建体力模型,利用有限差分的方法模拟了孤立波的演化过程。理论结果表明,非线性地震纵波可以从雷克子波逐渐演化成孤立波,而且地震波的初始振幅和频散系数对模拟结果也有重要影响。通过与实际资料的对比也能说明这种演化的可能性。同时根据方程系数矩阵中元素带状分布的特征,采用稀疏矩阵的存取方法,可以减小计算内存,提高计算效率。     

超短时线性台阵背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用

背景噪声地震成像方法已被广泛应用于探测壳幔深部结构;近些年来,该方法在浅地表结构成像中的应用研究也在蓬勃发展,然而近地表场源不均匀等因素导致高频面波信号往往难以准确恢复,以牺牲时间来提高信噪比的观测方式会极大限制其在工程勘查中的应用.本文尝试讨论超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用效果.笔者利用湖北应城地区超短时(1 h)线性台阵地震背景噪声记录,使用被动源面波多道分析法从虚拟炮集中提取相速度频散曲线,通过反演获取了浅地表二维横波速度结构.结果表明,利用本文方案可以恢复高信噪比面波信号、获取高信噪比的频散能量以及拾取高精度相速度;反演速度结构与实际测井数据吻合度好,成像结果有效揭示了测区150 m以浅的地层结构,证明了超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构调查中具有很大的应用潜力．     

利用井中低频偶极横波进行声波远探测的新方法

为了突破目前声波远探测技术存在的局限性,提出了一种新的偶极横波远探测方法,即利用井中偶极子产生的井中弯曲波存在低频截止频率的现象,在声源截止频率以下激发偶极声波.通过对比分析井中偶极声源分别在截止频率上、下激发时,井孔内外产生的辐射声场,明确了截止频率以下井中偶极声源的远场辐射特征和低频截止频率激发偶极横波的优势,结合数值模拟,进一步对其反射声场进行了分析.结果表明,该方法可以避免艾里相的巨大振幅对数据量化产生的"饱和"效应,相比传统的远探测测井方式更具优势,常规源距即可满足专门的远探测测井仪器需求.     

充液井孔中的相控线阵声波辐射器在地层中产生的声场

应用有限元法研究了充液井孔中的相控线阵声波辐射器在井外地层中产生的声场,探讨了增强声源向地层的某一特定方向辐射的声波能量的方法. 采用相控线阵声波辐射器并调节其参数可以控制由充液井孔向地层中辐射的声波能量的方向,使声源向地层中的某个特定方向辐射的纵波能量得到明显提高. 在井间地震勘探和反射声波成像测井等领域中应用相控线阵声波辐射器,将有利于增大探测深度、提高探测分辨率和接收信号的信噪比.     

加权频谱相干法在识别地层各向异性类型中的应用

利用交叉偶极声波数据可以提取出快慢弯曲波曲线,在此基础上利用加权频谱相干法可以稳定的提取出快慢弯曲波频散曲线.利用快慢弯曲波频散曲线的形态能够区分各向异性的类型.若产生交叉现象,则证明应力作用明显.若两者重合,则证明该点地层属于各向同性地层.当地层中存在页岩、裂缝等地层固有的各向异性特征时,快慢弯曲波曲线在整个频段分开,并在低频处逼近地层真实慢度.     

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.     

大容量气枪震源广角地震数据的高频成分分析

大容量气枪震源由于能量集中在低频段、子波一致性好、绿色环保等优点,广泛应用于广角地震探测中,极大地推进了人们对地壳结构和地球动力学过程的认识.气枪信号的有效频带是地震数据质量评价和精细处理一个重要基础参数,以往研究由于数据源和研究方法的局限,认为最高有效频率在10 Hz以下.本文基于福建省地震局采集的大容量气枪源广角地震数据,根据地震道褶积模型分析了有效频带及其影响因素,对不同类型、不同台基条件的地震接收仪器记录的大容量气枪信号数据进行了分频扫描,结果显示台基条件较好的台站数据,在10～20 Hz频段仍有较高的信噪比,说明大容量气枪激发的地震波在经过深部地层衰减后,仍存在相当可观的高于10 Hz的成分.这些高频成分可以显著提升地震信号的倍频程,减少频带过窄带来的旁瓣效应等不利影响,是准确提取走时的必要条件.值得注意的是大容量气枪源数据中PmP震相的主频可达10～12 Hz,显著高于震源子波的主频,据此推断Moho面的广角反射系数有显著的蓝谱特征,因此10 Hz以上成分对准确提取走时、获取更为精细的地壳结构非常重要.本研究对大容量气枪源广角地震探测的野外采集和数据处理提供了关键质量指标,同时提出从构造反演向岩性反演推进是广角地震探测一个重要的研究方向.     

数字岩心宽频带动态应力应变模拟方法及其对含裂隙致密岩石频散和衰减特征的表征

利用数字岩石物理技术表征复杂非均质多孔岩石跨频段的频散和衰减特征对于综合利用多尺度的地球物理数据进行地层非均质性的刻画具有重要的意义.现有的描述波致流体流动引起的频散和衰减效应的数字岩心动态应力应变模拟方法主要为单频率模拟方法,需要在不同的频率进行多次模拟才能刻画频散和衰减特征.本文提出了宽频带动态应力应变模拟方法,通过给数字岩心加载一个快速趋于恒定的宏观应变,采用波场正演技术求解数字岩心内部流固耦合的应变场和应力场,模拟数字岩心内部的应力松弛过程,从而通过一次模拟计算目标频段范围内连续的频散和衰减曲线.该方法可以成功地用于刻画含裂隙致密岩石挤喷流效应引起的速度频散和衰减特征,并通过数值模拟较为系统地揭示致密地层中控制挤喷流效应的主控物理因素,这些认识也与现有挤喷流效应的理论模型有较好的吻合.     

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.     

井震频散校正及其应用:以西非深水砂岩为例

储层是一种包含固体骨架和流体的孔隙介质,所以在探测频率变化时,储层表具有明显的频散现象.这种现象在地震探测频带(100 Hz)和测井探测频带(1000 Hz)之间表现的愈发明显,且不可忽视.这就对储层预测中地震和测井资料的联合应用造成影响,使一些细小的烃类异常被井震频散引起的差异所掩盖.针对这种现象,本文提出了一种消除井震频散差异的技术和应用流程:在孔隙介质理论的基础上,利用测井数据计算目标区速度随频率变化的曲线,进而估算井震频散差异,并应用于地震反演解释的一系列流程.该技术在西非尼日利亚地区进行了应用,并取得了较好的效果.     

套管井井壁附近地层横波速度径向分布反演

套管外地层受异常地应力、油气开采的影响,在径向上表现出非均质性;采用声波测井可以对该非均质性进行探测,利用偶极子横波测井数据可以对横波速度的径向分布进行反演.本文建立了套管井外地层横波速度径向分层参考模型,采用修正的微扰法计算了该模型的偶极弯曲波频散曲线,建立了横波速度径向分布反演目标函数,采用高斯牛顿法和快速模拟退火法对目标函数进行了求解,得到了套管井外地层横波速度的径向分布.分析了偶极弯曲波频段、套管横波速度对反演结果的影响,对比了高斯牛顿法和快速模拟退火法对反演过程的影响.分析对比结果表明,采用偶极弯曲波激发强度较高的频段与采用全频段的反演结果相近;套管的横波速度准确度越高,反演结果越准确;高斯牛顿法和快速模拟退火法计算精度相同,都可以得到高精度的横波速度径向分布;快速模拟退火法的计算效率略低于高斯牛顿法,但其收敛性对初始值依赖更小,实际处理中应选择快速模拟退火法.     

天然源面波勘探台阵对比试验

为了对比天然源面波勘探不同台阵布局的探测效果, 筛选出探测成果可靠、 效率高和便于野外施工的天然源面波勘探台阵阵形, 在天水市黄土覆盖区的同一场地分别用4种常见的阵形进行数据采集试验, 并对各种阵形数据使用空间自相关法或扩展空间自相关法提取相应的频散曲线, 通过反演得到了试验点地下的浅层速度结构模型. 分析对比试验结果表明: 4种台阵提取的频散曲线数值很相近; 频散谱能量集中度较高的是嵌套式等边三角形和圆形台阵, L形和直线形台阵相对分散; L形台阵低频段(4—8 Hz)比直线形台阵差, 其高频段(8—40 Hz)比直线形台阵好. 针对直线形台阵在高频段信噪比较低的情况, 在确保探测成果可靠性的前提下, 为了提高探测效率, 提出了在同一直线形台阵开展天然源与人工源面波联合勘探的数据采集方法. 实验结果证实, 这种联合勘探方法不仅可弥补直线形台阵高频段的不足, 确保探测精度和结果的可靠性, 而且还能实现“高低”频兼顾, 即“深浅”兼顾.      

低频可控震源激发信号特征及高精度动态监测应用

通过实验测试了国产KZ28LF低频可控震源在线性升频、伪随机编码和单频3种激发模式下的信号特征及在地下介质高精度动态监测中的应用效果。结果表明:(1)线性升频和伪随机编码激发模式可稳定激发1.5～12 Hz的低频信号,近场信号互相关系数大于0.95的分别占81%和63%,信号能量在9～12 Hz较强、在1.5～9 Hz较弱,低频外传能量较弱,而单频激发时高次谐波能量较强,信号重复性较差。(2)相干法和反褶积法均能压缩震源子波,恢复介质真实响应,相干法的结果重复性和信噪比最高,反褶积法保幅和保相效果最好。(3)叠加后探测距离可达20 km,波速变化探测精度达10~(-4)。     

几种时频分析方法比较

地震信号由于各种原因,往往是一种非线性、非平稳信号,基于平稳信号理论的常规傅立叶变化方法不能刻画任一时刻的频率成分.时频分析能同时保留时间与频率信息,目前已经出现了很多时频分析方法.本文介绍了Hilbert变换、Hilbert-Huang变换、正弦曲线拟合、雷克子波匹配、短时傅立叶变换、小波变换、S变换以及Cohen类这八种方法,并从时间分辨率、频率分辨率,以及对多频率成份信号适应能力等各方面阐述了各种方法的优缺点,对其中的一些方法结合了理论记录进行了试算,进一步阐述了这些方法的长处和不足之处.