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.     

回线源瞬变电磁成像的理论分析及数值计算

进一步提高瞬变电磁法对地探测的解释精度,提出了回线源瞬变电磁成像原理及数值计算方法. 讨论了频率域中水平层状介质中瞬变电磁响应,得到一个以波阻抗为积分核的双重积分式;然后对水平层介质下电磁场的解进行上、下行波分离,得到含有以反射系数序列为未知的线性方程组,并给出了求取波阻抗和反射系数的数值解法：对实测磁场值进行域的变换,以均匀半空间下的等效波阻抗代替积分核函数,经过线性数字滤波后,在频率域求出等效波阻抗;把频率域中的波阻抗转换到时间域,以此为参数,构建方程组,在时间域用线性规划法求出反射系数序列. 最终以反射系数为参数进行成像. 对理论模型的数值计算结果表明,用本文提出的成像方法可以增强瞬变电磁法识别地下电性分界面的能力.     

波阻抗反演预测奥陶系灰岩顶部含隔水性

地震反演技术是岩性地震勘探的重要手段之一,其中地震井约束波阻抗反演技术是利用钻孔测井数据高的纵向分辨率,对井旁地震资料进行井约束反演,然后在此基础上对井间地震资料进行反演,推断地层岩性在空间上的变化情况.本文根据新驿煤矿首采区的三维地震和测井资料,利用波阻抗反演技术预测该区奥陶系灰岩顶部的含隔水性,并依据波阻抗值的大小圈定含水层中的可能富水区.     

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.     

伪波阻抗反演和频谱成像技术在琼东南盆地储层预测中的应用

我国琼东南盆地深水区勘探程度低,工区内只有一口刚打到研究层段黄流组顶部的探井,针对该情况,介绍了一种在无井或少井情况下利用速度谱资料进行地震反演的方法.该方法首先利用离工区较近的井进行有井反演,然后结合有井反演过程的认识,利用速度谱资料提取伪井信息进行伪波阻抗反演,并充分利用已有的地质信息来完善无井反演的结果,最后利用频谱成像技术对反演结果进行验证.结果表明,为了获取准确的伪波阻抗数据,需要准确的速度谱数据,且在构造比较平缓、能量集中、质量较好的道集提取伪井资料,并充分利用已知地震、地质信息和频谱成像分析结果,可以减小无井反演结果的多解性.     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

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.     

套管参数对瞬变电磁测井响应的影响

瞬变电磁测井是一种利用套管井内的瞬变响应获取套管外地层电导率的有效方法,但是该方法受套管参数(电导率、磁导率、厚度)的影响很大.本文用频谱法分别在一维和三维三层介质套管井模型中求得了套管井内瞬变电磁响应的精确解,研究了套管对瞬变电磁响应的影响.在一维模型中,套管内表面的反射系数随套管电导率和厚度增加而增大,随磁导率的增加而减小;套管外表面的透射系数随套管电导率和厚度的增加而快速减小,然而其受磁导率的影响较小.在三维模型中,套管内表面的反射系数随套管电导率的增加而减小,随磁导率和套管厚度的增加而增大;套管外表面的透射系数则随套管电导率、磁导率和厚度的增加而减小.依据Doll电磁感应原理,用两个相邻井内深度点测量的瞬变电磁响应相减可以有效消除与地层电导率无关的无用信号.响应相减后的幅度与不同地层电导率的差在400 Hz以下的频率范围内呈线性关系.而0～100 Hz频率范围是瞬变电磁信号各频率分量的主要分布范围,因此用井内瞬变电磁方法对地层电导率进行测量具有可行性.     

南海含天然气水合物地层地震反射特征及可能分布研究

天然气水合物是当前能源与环境领域的研究热点之一,南中国海是天然气水合物赋存的有利区域。天然气水合物的存在改变了沉积地层的声学特征,这一性质使多道地震勘探成为发现海洋天然气水合物的主要手段。本文首先根据地震成像结果定性分析南海可能含天然气水合物沉积地层的地震反射特征,初步确定天然气水合物存在的可能性并指出地震成像关键技术。在无井条件下,构建虚拟井进行波阻抗反演得到定量的地层速度参数进一步证实这一可能性,最后将反演获得的速度场与ODP184 航次在此区域获得的地球物理、地球化学信息综合分析,可以确定此区域天然气水合物的存在及其空间展布。     

扩展成像条件下的最小二乘逆时偏移

逆时偏移(RTM)是复杂介质条件下地震成像的重要手段.因受观测系统限制、上覆地层影响以及波场带宽有限等因素的影响,现行的常规RTM所采用的互相关成像条件通常对地下构造进行模糊成像.最小二乘逆时偏移(LSRTM)通过最小化线性Born近似正演数据和采集数据之间的波形差异,采用梯度类反演算法优化反射系数模型,获得的成像结果具有更高的分辨率和更可靠的振幅保真度.然而,基于波形拟合的LSRTM对背景速度模型的依赖性很强.误差太大的速度模型容易产生周波跳跃现象,导致LSRTM难以获得全局最优解.为了克服这一问题,本文基于扩展模型的思想,在线性Born近似下,推导得到RTM扩展成像条件.并基于最小二乘反演理论,提出扩展成像条件下的LSRTM方法.理论模型试算表明,本文方法不仅可以提供分辨率更高、振幅属性更为可靠的成像结果,而且能够在一定程度上消除速度误差对反演成像的影响.     

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.     

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.     

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.     

基于波干涉原理的套管井阵列声波处理方法及其应用

在套管井测井中,沿着钢管产生的拉伸波(即管波)在声波数据中产生很强的干扰,使得地层声速的提取十分困难.基于管波与地层声波的干涉原理,本文提出了一种声波处理方法.管波的传播特征是已知的,且管波和地层波都由同一声源激发,因此,可以用管波来改造测井声波数据.对改造后数据采用希尔伯特变换作进一步处理,得到与地层信息相关的解析信号,从该信号中即可提取出地层声速.通过对理论模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.     

低渗砂泥岩地层的声波测井波形特征

用于低渗砂岩油气开发的压裂需要地层的纵横波时差参数;压裂形成的人工裂缝或砂泥岩中的自然裂缝是油气流入井中的主要通道.声波测井是测量地层的纵横波时差、探测连通裂缝的有效方法.本文给出了新设计的偶极子组合声波测井仪器在低渗砂泥岩地层所测量的波形.新仪器利用声波在井内传播的固有频率设计探头,利用探头阻抗随频率的变化曲线设计匹配电路,有效地提高了声发射功率,在井下采用16位A/D转换器提高了原始波形的采样精度.测量的波形比通常的声波测井波形所含的地层信息丰富.单极子长源距声波测井波形中除了通常的纵、横波和Stoneley波外,还发现了起始于纵波首波的反射波以及随深度改变其到达时间的后续波.通过与其它测井曲线综合对比发现:其反射波与井眼扩径有关,使测量的声波时差加大;后续波在显示地层特征的同时,与横波混叠在一起,使横波时差的提取变得困难.另外,在偶极子所测量的低频波形中也发现了明显的反映地层连通裂缝的反射波,该反射波可以用于指示低渗砂岩地层中的连通裂缝.     

随钻动电测井中声诱导电场的理论模拟

为防止沿钻铤传播的声信号掩盖来自地层的声信号,目前需在钻铤上刻槽以实现对地层纵、横波速度的测量.但刻槽不仅占用钻铤空间,且降低了钻铤的强度和刚度.本文探讨在不刻槽条件下,利用动电效应获得地层纵横波速度的可行性.为此,模拟了随钻声波测井信号及由岩石动电效应产生的电场信号.先视地层为黏弹性介质,模拟随钻声波测井信号,再利用围压与孔隙流体压强的关系获得了声波在地层中引起的孔隙压强,然后计算由孔隙地层动电效应产生的声诱导电磁场.对多极声源激发的声场波形及其诱导电场的波形进行比较,发现随钻声诱导电场中钻铤波的相对幅度明显小于随钻声场中钻铤波的相对幅度.此外,发现在慢速地层条件下,偶极声源激发的电场中出现了比较明显的地层横波信号.     

New imaging method for seismic reflection wave and its theoretical basis

Some new imaging formulas for seismic reflection wave and their theoretical basis are given. Phenomena of wave propagation should be characterized by instantaneous spectrum and expressed by complex function of three variables (time, space and frequency) in mathematics. Various physical parameters of medium are also complex functions of two variables (space and frequency). The relationship between reflection coefficient of medium and spectrum of reflected wave is given. Multi-reflection and filter of formations are considered in inversion formulas. Problems in classical convolution model and wave equation are illustrated. All these inversion formulas can be used to image underground medium by wavelet transform and method of “3-basic colors”. Different colors mean different media.