倾斜地层中的井孔声场研究

研究声波在倾斜充液井孔中的传播对于声波测井数据处理和解释具有重要意义.应用三维交错网格有限差分方法模拟了处于倾斜各向同性分层地层中的井孔声场.首先,针对均匀地层中单极子声源在裸眼井中激发的声场,将有限差分的结果和实轴积分法的结果进行对比验证.然后,采用单极子和偶极子两种声源,针对地层分界面和井轴间的不同倾角,计算了相应的声场分布和井轴上的接收波形.数值计算的结果表明,当声源处于倾斜分界面以下,即处于快速（下方）地层,接收器处于倾斜分界面以上（慢速）地层时,随着地层倾斜角度的加大,测得的慢度值从接近上方慢速地层值逐渐减小直至接近下方快速地层的值.任何源距情况下测得的首波慢度均小于上方地层实际的纵波慢度.并且,慢度与源距的关系曲线随源距的加大逐渐平缓.用偶极子声源激发得到的横波慢度与纵波结果相同,并表现得比纵波对倾角的改变更敏感.上述结论在本文中用声场快照和利用合成接收波列的慢度计算得以清楚显示,并且用射线声学理论验证.     

含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场

应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20 μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.     

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.     

横向各向同性地层中倾斜线圈系响应特征的数值模拟

详细推导了模拟倾斜线圈系在横向各向同性地层中响应的垂向数值模式匹配方法,在轴对称模型下,该方法采用垂直本征模式描述三维激励源,使得三维问题可以在二维条件下快速解决,另外,本文引入的高阶基函数进一步提高了算法的计算速度.为了验证算法的可靠性与准确性,分别与均匀无限厚各向同性地层的解析解和横向各向同性地层的有限差分解进行对比,结果表明,模式匹配方法与它们吻合的较好.在此基础上,利用模式匹配方法模拟了倾斜线圈系和水平线圈系在横向各向同性地层的响应特征,计算结果表明:在横向各向同性地层中,倾斜线圈系的响应既受水平电导率的影响,也受垂直电导率的影响,而水平线圈系则只与水平电导率有关,由此,可以通过倾斜线圈系评价地层的各向异性特征.此外,本文还分析了钻铤对倾斜线圈系响应的影响,模拟结果表明,虽然钻铤没有改变相位值和幅度值的变化趋势,但对它们的绝对值有一定的影响,而且这种影响与不同法向角度也有关系,因此当组合不同倾斜线圈系进行地层评价时,需要对钻铤的影响进行校正.最后研究了不同法向角度线圈系在横向各向同性地层中的响应特征,得出不同法向角度线圈系的探测特性和对各向异性的敏感性都有较大的差异.本文的研究表明倾斜线圈系的响应与水平线圈系的响应不同,通过利用不同倾斜线圈系组合可以进行油气储层评价.     

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.

     

井中偶极声源在横向各向同性地层中的辐射波场

研究井中声源在地层中的辐射特性对发展井下探测技术具有重要的意义,而井孔周围地层的各向异性对弹性波激发的影响不容忽视.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近隐式解出发,借助相速度与群速度之间的转换关系,得到了井中偶极声源在各向异性地层中的辐射指向性与辐射波场,并深入研究了声源激发主频与各向异性对偶极辐射特性的影响.结果表明: 与各向同性情况相比,SH波在辐射波场中依然占据主导地位,但各向异性的存在导致其优势辐射频率向低频移动; qP波与qSV波的井外辐射波场均包括qp和qsv两种分量的贡献; 在特殊各向异性地层中,qP波与qSV波的qsv分量会呈现出三叉区与幅度奇异值.本文的结果可以为井外全波场的观测以及偶极声波远探测技术在各向异性地层中的应用提供理论支持.

     

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.     

横向各向同性介质中的地震定位

地震定位是地震学中最基本的问题之一.地震定位的精度和参考模型的准确性密切相关.目前无论是区域地震定位还是全球地震定位,所使用的参考地质模型几乎都是各向同性的,但大量的观测结果表明地球内部介质广泛存在着各向异性.     

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.     

慢速地层井孔瞬态声场的数值研究

文献给出了我们用实轴积分法计算的快速地层井孔中点声源产生的瞬态声场在不同时刻的空间分布,包括井内液体中的声波和井外地层中的弹性波.本文则用同样方法计算慢速地层的情况,并将两者结果作了比较.由于我们采用了宽频带、窄脉冲的理想声源,所得声场中各个波都很窄,互不干涉,因而能全面而清晰地反映整个声场的结构和发展过程.文内还介绍了计算中的几个具体问题.     

慢速地层井孔瞬态声场的数值研究

文献给出了我们用实轴积分法计算的快速地层井孔中点声源产生的瞬态声场在不同时刻的空间分布,包括井内液体中的声波和井外地层中的弹性波.本文则用同样方法计算慢速地层的情况,并将两者结果作了比较.由于我们采用了宽频带、窄脉冲的理想声源,所得声场中各个波都很窄,互不干涉,因而能全面而清晰地反映整个声场的结构和发展过程.文内还介绍了计算中的几个具体问题.     

横向各向同性多孔介质中的地震波传播

基于各向异性多孔介质中的广义Ｂｉｏｔ理论,导出了横向各向同性多孔介质中波传播的特征方程．指出在多孔介质中有４种类型的频散和耗散波传播：准纵波ＱＰ１（快纵波）、准纵波ＱＰ２（慢纵波）、准横波ＱＳＶ和横渡ＳＨ．文中给出了４种波速度的解析表达式．数值计算频率曲线和衰减曲线与Ｓｃｈｍｉｔｔ（１９８９）用均值处理得到的结果类似．还给出了波传播过程中３种类型准体波之间的耦合系数（或称转换系数）．     

横向各向同性多孔介质中的地震波传播

基于各向异性多孔介质中的广义Ｂｉｏｔ理论，导出了横向各向同性多孔介质中波传播的特征方程．指出在多孔介质中有４种类型的频散和耗散波传播：准纵波ＱＰ１（快纵波）、准纵波ＱＰ２（慢纵波）、准横波ＱＳＶ和横渡ＳＨ．文中给出了４种波速度的解析表达式．数值计算频率曲线和衰减曲线与Ｓｃｈｍｉｔｔ（１９８９）用均值处理得到的结果类似．还给出了波传播过程中３种类型准体波之间的耦合系数（或称转换系数）．     

Z—D横向各向同性介质中的地震波

在本文中,我们比较详尽地研究了二维横向各向同性介质中地震波势位解,发现:在二维条件下,似P波、似SV波与似SH波解耦。通过对质点振动的研究发现:似P波振动方向一般与波动传播方向不一致,似SV波引起的质点振动方向与波动传播方向不垂直,似SH波引起的质点振动方向与波动传播方向绝对垂直。     

非对称圆弧片状声源在井旁地层中产生的声场

提出了一种可用于随钻三维反射声波成像测井的圆弧片状声源,推导了该声源声学性质在波数-频率域内的数学描述,并利用实轴积分的方法对该声源在井旁地层中产生的声场进行求解,考察了声源的线度、频率等因素对该声源向地层中辐射的声场的影响.研究结果表明,特定尺寸和特定频率下的圆弧片状声源产生的纵波场的水平和垂直指向性图中仅具有一个明显的主瓣,且主瓣三分贝角宽较窄,方位分辨率较高,指向性良好,适用于随钻三维反射成像测井;SV波场和SH波场的指向性图中存在两个或者多个角瓣,SV波场在垂直于井轴方向上辐射的能量为0,另外在井中发射和接收的反射SH波场和SV波场会相互干扰,所以难以利用SV波场和SH波场进行三维反射声波成像;声源的线度和频率等因素对其辐射声场影响较大,考虑到激励效率和方位分辨率等因素,对于本文描述的井孔模型,选择圆周角在75°和90°之间, 主频为12 kHz左右的声源是合适的.     

利用伪谱法模拟横向各向同性介质中的波

介质的弹性常数为三维四阶张量的分量,共有８１个,由于应力张量和应变张量的对称性及能量密度是应变的二次函数,一般各向异常性介质的独立弹性常数可减为２１个,如果介质具有较高的对称性,独立弹性常数的数目会更少。 对于地壳和上地幔,具有５个独立弹性常数的横向各向同性介质是一个非常好的近似,本研究中横向各向同性介质的对称轴方向可以是任意的（即对称轴可以不平等于铅直方向）,在此情况下,需要进行坐标变换,如果已知介质在某一坐标系（其坐标轴平行或垂直于介质的对称轴）中的弹性常数,我们能够容易地利用变换公式得到变换后新坐标系中的弹性常数。 本文提出了一种方案,利用伪谱法既能模拟横向各向同性介质中的平面波,也能模拟点源激发的波场。在勘探地球物理和地震学中,模拟横向各向同性介拮中传播的平面波及区域源产生的波是最重要的研究课题之一。然而在一般各向异性介质中,很难或不可能确定弹性波的相速度和偏振方向,但在横向各向同性介质中,则可以通过坐标变换来实现,这里我们所提出的方法可以用于横向各向同性介质中弹性波的模拟。     

横向各向同性地层(VTI)井孔声弹效应对弯曲波的影响

本文发展了建立在地层参考状态为各向同性介质假定下的现行井孔声弹性理论,就井外为横向各向同性面与井轴垂直的、具有9个独立三阶弹性模量的横向各向同性介质(VTI井况),水平面内受双轴应力作用下给出了一个简洁的与井内压力、应力差、应力和以及多极源偏振方位角有关的井孔弯曲波声弹公式,并且导出了平面纵、横波速度的声弹公式.数值考察了弯曲波速度之改变量的灵敏系数随频率的变化、受井外水平双轴应力作用时两种偏振的偶极弯曲波频散曲线以及对应不同方位径向偏振的横波速度.研究结果表明弯曲波声弹公式与5个二阶弹性系数以及7个独立的三阶弹性模量有关;而且由内压引起的井孔弯曲波声弹性公式中的三阶弹性模量仅与6个独立的弹性模量有关.横向各向同性介质井孔弯曲波速度的交叉现象仍是判断地应力存在的标志;一个重要的认识是受双轴应力作用的弯曲波速度变化在低频区主要与c₁₄₄和c₁₅₅两个三阶弹性模量有关,而且此认识与径向偏振的平面横波一致.在缺乏足够实验条件情况下,对VTI情况,以c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃三个独立的量进行测量,然后可暂不考虑三阶弹性模量的各向异性,建立简化的应力反演公式.反之,如果已知地层的地应力信息,由简化的声弹公式可以反演三阶弹性模量c₁₄₄,c₁₅₅和c₁₂₃.     

横向各向同性介质中地震波走时模拟

横向各向同性介质是地球内部广泛分布的一种各向异性介质.针对这种介质,我们对各向同性介质的最小走时树走时模拟方法进行了推广,推广后的方法可适用于非均匀、对称轴任意倾斜的横向各向同性介质模型.为保证计算效率,最小走时树的构建采用了一种子波传播区域随地震波传播动态变化的改进算法.对于弱各向异性介质,我们使用了一种新的地震波群速度近似表示方法,该方法基于用射线角近似表示相角的思想,对3种地震波（qP, qSV和qSH）均有较好的精度.应用本文地震波走时模拟方法对均匀介质、横向非均匀介质模型进行了计算,并将后者结果与弹性波方程有限元方法的模拟结果进行了对比,结果表明两者符合得很好.本文方法可用于横向各向同性介质的深度偏移及地震层析成像的深入研究.     

层状横向各向同性介质反问题初探

用偏微分方程组特征理论研究层状并以垂直轴为对称轴的横向各向同性（TIV）介质的参数反演问题，首先从弹性波运动方程与TIV介质的应力－应变关系导出了平面波耦合方程组的特征型．根据奇性分析与特征积分法给出了连续情形下的特征线边界条件，连续清形下的波场延拓方程即平面波耦合方程组的特征型与特征线边界条件组成了层状TIV平滑介质、弱间断介质参数反演问题的基本方程组．并导出了间断情形下的波场延拓方程与特征线边界条件，这些方程组可用于层状介质（间断情况）的参数反演．基于这些基本方程组，探讨了利用地面多分量地震资料反演层状TIV介质多个弹性参数的问题．     

层状横向各向同性介质反问题初探

用偏微分方程组特征理论研究层状并以垂直轴为对称轴的横向各向同性（TIV）介质的参数反演问题,首先从弹性波运动方程与TIV介质的应力－应变关系导出了平面波耦合方程组的特征型．根据奇性分析与特征积分法给出了连续情形下的特征线边界条件,连续清形下的波场延拓方程即平面波耦合方程组的特征型与特征线边界条件组成了层状TIV平滑介质、弱间断介质参数反演问题的基本方程组．并导出了间断情形下的波场延拓方程与特征线边界条件,这些方程组可用于层状介质（间断情况）的参数反演．基于这些基本方程组,探讨了利用地面多分量地震资料反演层状TIV介质多个弹性参数的问题．