井孔压力与地层应力集中诱导的偶极弯曲波的分裂

利用在大形变基础上叠加小扰动的非线性波动理论——声弹性理论，数值考察了井外均匀各向同性固体介质同时受井孔静压力和井外单轴水平压力作用时，Stoneley波和两种偏振的偶极弯曲波的相速度频散曲线，并研究了计算中用到的灵敏系数随频率的变化. 数值结果表明，模式波相速度频散曲线的变化主要受灵敏系数中对应的3个三阶弹性常数的项控制；由井孔周围应力集中引起的沿单轴压力方向和垂直于该方向偏振的弯曲波发生分裂，同时随频率的增大，两条频散曲线产生交叉；井孔静压力的作用使两条频散曲线交叉点的位置发生变化，交叉点相速度值随井孔压力的增加而增大，但对应的频率值不变.     

套管井应力集中下正交偶极声测井的声弹理论、数值分析与实例

油田受异常地应力作用而损坏的油井绝大部分都是套管井,针对这一实际情况,通过求解套管井应力集中情况下各层介质中应力场的分布,应用摄动积分方法,将裸眼井声弹性方程发展为适用于套管井井孔体系的情况.数值考察了井外无限远单轴水平压应力作用下,声弹方程中各层介质敏感系数和速度-应力系数随频率的变化,及二相互垂直偏振的偶极弯曲波相速度的频散曲线.结果表明,套管井声弹方程中的速度-应力系数主要由地层参数决定,内层介质的贡献较小,其中与三阶弹性模量相对应的项又起决定作用;井孔周围应力集中将引起平行和垂直单轴压应力方向偏振的二弯曲波发生速度分裂,同时随频率的增大两条频散曲线产生交叉,说明这种交叉仍然可用作判断套管井情况下地层各向异性是本征的还是由异常应力诱导的判据,用正交偶极声波测井技术在套管井中无损检测异常地应力仍然可行;但低速地层交叉点将明显向高频区移动,这又是与裸眼井情况重要的不同之处.本文还给出现场实测数据的处理实例,理论结果得到验证.     

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.     

孔隙地层轻质水泥套管井中偶极弯曲波的激发与传播特性

针对软地层套管井中弯曲波频散移向高频,以致超出了现行偶极声波测井仪器的激发频带的问题,本文在井外为孔隙地层时,采用Biot模型对套管井多极源激发的声波场进行了理论推导,对套管井偶极弯曲波的频散特性进行了数值模拟,考察了高密度水泥(或快速水泥)和低密度水泥(或轻质水泥)情况下的弯曲波频散,分析了不同水泥环对弯曲波主频散区和激发谱偏移的影响,重点对轻质水泥套管井中偶极源激发的模式波频散与激发谱及临界折射P、S波激发特性进行了研究,并考察了渗透率、孔隙度对弯曲波频散及衰减的影响,利用实轴积分法计算了偶极声源激发的时域全波波形.分析对比结果表明,在快速水泥情况下弯曲波频散曲线随着地层特征横波速度的减小会迅速向高频移动,随着快速水泥向轻质水泥变化,弯曲波频散曲线向高频移动将会减缓,对于特征横波速度低于1400m·s~(-1)的软地层,偶极弯曲波基础模式主频散区(或截止频率)可以由原来13kHz向低频移动至4kHz;在轻质水泥套管井中,无论是硬地层还是软地层,在目前偶极声波测井仪器声源主频激发下,接收波形中弯曲波均占主导地位.     

套管井偶极弯曲波频散向高频偏移的特性

对套管井偶极弯曲模式波的频散特性进行了系统的数值考察、实例对比和分析.发现套管井弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低,特别是地层横波速度小于2000 m·s^-1以下,会迅速移向高频区,偶极弯曲波基础模式主频散区（或截止频率）可出现在13 kHz以上,以致超出了现行低频偶极子声波测井仪的激发与接收频带,这是一过去没有被研究者注意到的现象,并进一步被现场实例所证实.研究表明控制套管井弯曲波频散曲线主频散区位置的主要是钢套管的厚度和地层横波速度.对地层横波速度大于井孔流体声速的快速地层,在钢套管壁厚一定（8 mm）的情况下,频散曲线主频散区可移至11 kHz以上,可能出现的最大可能频域位置是同一井孔内径,井外全钢时的频散曲线上等于、小于地层横波速度那一段,这对各种地层和套管参数都是适用的.对地层横波速度小于等于井孔流体声速（1500 m·s^-1）的慢速地层,弯曲波频散曲线随地层横波速度的降低移向高频区的特点更为明显,可能移至16 kHz以上;而套管厚度的影响,也比快速地层大的多,对地层横波速度小于1380 m·s^-1的慢速地层,无论用多高的频率激发,都不能在现行使用的各类套管井（壁厚6~12 mm）中用偶极声波测井仪测到弯曲模式波.     

HTI煤层介质槽波波场与频散特征初步研究

煤层内裂隙较为发育,具有明显的各向异性.目前槽波理论研究以各向同性介质为主,对HTI介质中槽波及其频散性质研究很少.本文以弱各向异性、含垂直裂隙HTI煤层介质为研究对象,研究了HTI煤层介质中的三维槽波波场,采用交错网格高阶有限差分法模拟槽波,推导了三层水平层状HTI煤层介质的Love型槽波理论频散公式和振幅深度分布,分析了HTI各弹性参数对频散曲线的影响.HTI介质和各向同性介质基阶Love槽波频散曲线差异较小,高阶较大;煤厚主要影响Airy相频率,而Airy相速度不变;煤层vs对Airy相速度影响很大;煤层γ对基阶Love槽波影响很小,高阶稍大.各波偏振方向不再与波的传播方向平行或垂直,而是呈一定夹角.利用基阶Love槽波频散曲线推测裂隙发育较为困难,可利用高阶频散曲线.     

三种阵列声波测井数据频散分析方法的应用与比较

针对正交偶极声波测井检测地层各向异性和确定构造应力中频散分析的必要性，本文利用合成和实测阵列声波测井数据分析和比较了三种频散分析方法：Prony方法、同态处理方法和谱域加权相似法. 这三种频率域处理方法提取得到了合理的、一致的慢度结果. 谱域加权相似法只能用于每一频率下单一波模式的慢度估计；同态处理方法还可以同时估计单一波模式的衰减、幅度和初相位；利用SVD_TLS算法确定波模式的阶数后，Prony方法可以有效地估计每一频率下多个模式的上述参数. 另外，通过谱域加权相似法对正交偶极声波测井阵列数据进行频散分析，观察到了弯曲波频散曲线的交叉现象，从而确定出了对应地层所受最大水平主应力的方向.     

不同胶结情况下套管井偶极弯曲波的频散特征研究（英文）

在声波测井领域,交叉偶极声波测井主要用于测量地层横波,判断地层的各向异性和裂缝。本文基于套管井中的偶极弯曲波传播特性,针对水泥胶结良好、I界面窜槽和II界面窜槽三种胶结情况下的基阶地层弯曲波的声场特性,计算了弯曲波的频散曲线并考察了水泥参数（弹性参数和几何尺寸）对弯曲波频散曲线的影响,利用实轴积分法计算了常规水泥或超轻水泥固井情况下软地层套管井的偶极全波,并采用谱域加权相似法对全波进行了频散分析。结果表明：在软地层常规水泥胶结良好的套管井中,弯曲波的截止频率高于常规偶极源的激发频带,但采用超轻水泥固井时,截止频率会向低频移动,超轻水泥固井有利于在软地层中测得弯曲波。当I界面窜槽时,弯曲波的截止频率向低频移动,在软地层中比较明显,超轻水泥固井情况比常规水泥固井向低频移动更为显著。如果II界面窜槽,无论何种水泥固井弯曲波的截止频率均低于2k Hz。不同胶结情况下的全波分析进一步验证和说明了弯曲波的频散特性对套管井水泥胶结质量比较敏感。     

应力诱导各向异性介质中地震波的传播

主要讨论了应力变化如何影响各向异性介质中波速度的问题。推导了一般各向异性介质在初始应力下的Christoffel方程,得到介质中3种波的相速度和初始应力的关系表达式;通过实验数据验证了单轴应力能够诱导各向异性,当施加单轴应力时,速度在沿应力的方向增加最大,在垂直应力的方向增加最小,实验结果与理论推导一致;用Christoffel方程的数值解模拟在3种对称情况下的弹性各向异性介质中初始应力对波速度的影响。数值结果表明:初始应力对各向异性介质中波传播速度的影响,随着各向异性强度的增加而增大,而且速度越慢,影响越大。     

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...     

套管井应力集中诱导井周波速各向异性的研究

针对在套管井中应用正交偶极声测井检测地层各向异性和确定异常构造应力的需要, 本文通过求解水平构造应力作用下套管井的应力场分布,应用声弹性理论说明应力集中对套管井井周弹性波速空间分布的影响,分析了波速空间分布对加套管后的正交偶极各向异性声测量的影响.井孔、套管、水泥环和地层系统的复杂性改变了原裸眼井情况地层中的应力场分布,使应力集中的范围明显缩小到井眼附近.对应不同方位径向偏振横波的交叉点向井孔附近移动.横波波速空间分布的方位极值规律发生变化,但纵波波速空间分布的方位极值规律不变,仍能提供最大远场构造应力施加的方向.     

粘弹各向异性介质中地震波场模拟与特征

通过引入记忆变量,可以避免粘弹性应力-应变关系中的褶积运算,使波场数值模拟易于实现.通过伪谱法对粘弹各向异性介质中的qP波、qS波数值模拟,结合理论分析,研究了粘弹各向异性介质中速度各向异性和衰减各向异性.衰减各向异性要比速度各向异性更为显著,并且qS波比qP波的衰减各向异性明显.粘弹各向异性介质中,粘弹性对波的影响主要在于波的衰减,各向异性主要影响波前面形状.     

Rayleigh波频散曲线“交叉”及多模式耦合作用研究

Rayleigh波可以用来反演近地表结构,在工程物探、石油物探、地球内部结构探测中均有重要意义.数值计算得到的含低速层的层状介质对应的Rayleigh波频散曲线会出现看似“交叉”的现象,但是对于这种现象目前还没有进行系统的研究.事实上可以验证,有些看似交叉的频散曲线实际上不相交.改变低速层的厚度和横波速度发现低速层越明显（即低速层速度越低或层厚越厚）频散曲线越不容易相交.凡友华等在2007年提出频散曲线对应着四种基本模式,在频散曲线发生“交叉”现象的区域实际上存在两个以上模式的频散曲线.本文主要研究了存在R模和S₂模的区域内频散曲线的“交叉”现象.首先利用竖直本征振动曲线研究R模和S2模Rayleigh 波的振动特点,发现R模对应的本征振动主要集中在地表,随着深度变化能量快速衰减,S₂模对应的本征振动主要集中在第2层.研究“交叉点”附近频散点对应的本征振动曲线发现这一区域有些Rayleigh波同时具有R模和S₂模的振动特点,对应着一种耦合模式.通过对实例的研究发现,在“交叉点”附近,若两条频散曲线不发生交叉,则每条曲线对应的模式会发生R模和S₂模之间经由耦合模式的转变,本文称这种现象为两种模式发生耦合;若两条频散曲线相交,则同一条频散曲线上的Rayleigh波模式几乎相同,只是在离交点很近的区域会存在一些耦合模式,本文称此时两种模式不发生耦合.本文研究结果主要供Rayleigh波对低速层结构的反演研究参考.     

小江断裂带北段地壳浅层P波速度各向 异性观测的原理与数值试验

以二维情形下观测速度场为各向同性场和各向异性场的叠加为前提, 提出了一种利用走时残差估算地震波速度各向异性的方法, 即剩余慢度矢量法. 利用小江断裂带北段巧家流动地震台阵24个台站记录的3181次地震事件的P波走时残差, 采用剩余慢度矢量法计算了各观测台站周围水平方向上尺度为0.5°×0.5°, 震源深度为0—5 km的剩余慢度矢量, 由此得到了P波快波和慢波方向. 计算结果表明, 大部分观测台站周围的P波速度方向性较为一致, 快波方向为ESE向, 慢波方向为NNE向. 快波方向与小江断裂带北段应力场P轴方向较为一致, 而慢波方向与应力场T轴方向一致, 表明应力的长期作用可能是导致P波速度各向异性的重要原因.      

软地层横波速度的偶极随钻测井反演

在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井(LWD)中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.     

应力诱导饱和流体岩石弹性波各向异性

各向同性岩石中裂隙随机分布,施加单轴方向的压应力后,与压应力方向垂直的缝隙会优先闭合.应力作用下裂隙的闭合导致岩石呈现出横向各向异性的特征,进而影响弹性波的传播特征.前人对干燥岩石中应力引起的弹性波速度各向异性开展了大量研究,但未考虑充填流体对于应力诱导各向异性和弹性波传播的影响.弹性波通过应力作用的岩石时会诱导微孔隙结构上的"挤喷流"效应,从而造成弹性波显著的频散和衰减.在本文中,我们分析应力诱导各向异性岩石中挤喷流对弹性波传播的影响.利用硬币型裂隙模型,同时考虑挤喷流和应力诱导各向异性的影响,我们建立了应力作用下含流体岩石各向异性模型.基于本文的模型,我们研究了裂隙介质中单轴应力和充填流体对弹性波传播的影响.我们的模型成功预测了弹性波速度随应力的增加,同时表明了挤喷流造成纵波的各向异性频散更显著.     

VTI地层井孔模式波理论频散计算时伪极点的影响

波的频散特征在声波测井中有着十分关键的作用.VTI地层下井孔模式波的理论频散曲线可根据频散方程求解.本文首先采用常用的耦合位移势函数对应的频散方程进行了VTI地层斯通利波理论频散曲线的求解.结果发现,在一定各向异性强度范围内,会得到两种计算结果:一条常规斯通利波频散曲线和一条非频散曲线.这是频散矩阵行列式在该模型下存在两个零点导致的.进一步采用一种对称形式的位移势函数推导的对称频散矩阵时分析发现,非频散曲线对应的零点k~2-q~2_p=0为频率—波数响应函数的一个伪极点.经分析,在横波速度范围内,满足伪极点存在的Thomsen参数γ有一定范围,通常在弱各向异性地层中存在.且满足伪极点存在的Thomsen参数γ范围与地层泊松比成负相关,泊松比越小,满足伪极点存在的γ范围越大.在计算理论频散曲线时应消除k~2-q■这一公因式的影响,避免得到错误的计算结果,进而影响各向异性反演等计算结果.     

基于图像分析的双台面波相速度频散曲线快速提取方法

双台波形的互相关方法是面波相速度频散曲线提取的一种常用方法。传统的方法精度不高,效率较低。本文提出了一种基于图像分析的频散曲线快速提取方法,采用图像显示互相关振幅矩阵,且提出了快速追踪整条频散曲线的算法,并用Matlab编写了交互式的处理软件。基于这种方法编写的资料处理软件提高了双台相速度频散曲线提取的速度和精度,为大批量处理地震数据资料提供了坚实的软件基础。基于图像分析的方法可以更为清晰地展现出双台问的面波频散曲线的特征,对频散曲线的识别和分析也提供了更为有效的研究工具。     

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.     

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.