声电效应测井电声比及其与地层渗透率的关系

基于流体饱和孔隙介质中声波-电磁场耦合效应的测井方法具有潜在的应用价值.本文从Pride动电耦合波方程组入手,推导了伴随斯通利波的井孔电场与声压比值(电声比)的频率域表达式.结果表明,在较低频率条件下,电声比幅角的正切值与渗透率呈反比.在此基础上,提出了利用低频的声电效应测井全波反演地层渗透率的方法.针对砂岩地层,从计...     

动电测井实验研究Ⅰ:渗透率的评价

本文针对流体饱和孔隙介质的动电效应,在砂岩模型井中开展了动电测井实验研究. 记录到渗透率不同模型中单极源动电测井的全波波形,清晰地观测到了伴随纵波、横波和斯通利波的动电转换信号,给出了本文实验条件下,动电测井全波中各分波的幅度,并通过电声比的大小说明了各分波的动电转换能力. 实验结果表明:孔隙介质动电效应与渗透率密切相关,动电信号的幅度随着地层渗透率的增大而增加,在高渗透率地层中记录动电信号的幅度较大,这一特性可用于地层渗透率的井下动电评估. 本文实验结果还验证了动电测井的可行性,同时指出:与声波测井相比,动电测井信号对地层渗透率更加敏感,这为渗透率等地层参数的井下动电测量奠定了实验基础.     

基于动电效应的岩芯渗透率实验测量

根据孔隙介质的动电耦合理论设计了一套岩芯渗透率测量系统.实验采用交流锁相放大技术,在低频12~42 Hz范围内完成了砂岩岩样流动电势和电渗实验,得到了流动电势系数KS和电渗压力系数KE,进而计算出岩样动电渗透率,对于中、高渗透率岩样,测量得出的动电渗透率与常规气测渗透率差异较小,两者具有很好的相关性.实验表明,动电测量可作为岩样渗透率测量的一种方法,同时揭示了利用地层动电测井信号反演地层参数的可能性,实验结果对于分析天然地震动电效应也有参考意义.     

孔隙岩样动电特性的实验研究

本文针对流体饱和孔隙介质的动电效应,在实验室内进行了小岩样的动电实验（流动电势实验）测量,获得了10块岩样在6种不同饱和浓度下的流动电势系数,进而分析了饱和溶液浓度、岩样渗透率和泥质含量对流动电势系数的影响,探讨了流动电势系数对上述参数的敏感性,并进一步给出了流动电势系数随这些参数的变化规律.实验结果表明：前人流动电势系数频响曲线中的凹点现象是由实验装置的共振引起,并非岩样动电效应的自身特性.实验还发现：孔隙介质的动电耦合能力与溶液浓度有关,流动电势系数随溶液浓度增大而减小,但在很高浓度溶液中,动电现象依然存在,流动电势系数趋于常数.此外,流动电势系数对地层参数（渗透率和泥质含量）的敏感性受溶液浓度影响较大,随着溶液浓度增大,敏感性降低.因此,可在低浓度饱和情况下（低于0.4 mol/L）,利用流动电势系数的幅度对地层渗透率进行直接评价.本文结果对动电测井的可行性及应用条件给出了实验说明.     

孔隙介质声学理论中的动态渗透率

解释了Johnson动态渗透率k(ω)的概念,指出k(ω)包含了Biot理论中质量耦合系数和粘滞修正系数的意义,对k(ω)与Biot理论中相应表达式kB(ω)进行了比较,当结构因子β≈64α∞/m时k(ω)与kB(ω)的差异很小.计算表明,当声源频率接近临界频率时声测井波形中导波的衰减随质量耦合系数增大而减小.     

孔隙介质声学理论中的动态渗透率

解释了Johnson动态渗透率k(ω)的概念，指出k(ω)包含了Biot理论中质量耦合系数和粘滞修正系数的意义，对k(ω)与Biot理论中相应表达式k_B(ω)进行了比较，当结构因子β≈64α_∞/m时k(ω)与k_B(ω)的差异很小.计算表明，当声源频率接近临界频率时声测井波形中导波的衰减随质量耦合系数增大而减小.     

基于Biot-Rosenbaum理论及动态渗透率的井中声场计算

井孔声场的二维谱是井孔声场在频率-波数域内与地层性质和井眼条件有关的地层滤波函数在频率和波数域内的分布,它可以直观的表现声波场在地层中的传播特征.利用二维谱可以直观的考察声波在地层井孔中的传播特征.为了研究孔隙介质中的井孔声场的传播,考察孔隙介质中的井孔声场传播特征,在Biot-Rosenbaum理论模型基础上引入了J...     

声电效应测井的有限差分模拟

本文研究声电效应测井波场的有限差分模拟算法.忽略井外地层中诱导电磁场对孔隙弹性波的影响,将求解动电耦合波方程组的问题解耦,先计算孔隙弹性波,再计算其诱导电磁场.基于轴对称柱坐标系下的速度-应力交错网格,采用时域有限差分计算井孔流体声波和井外地层孔隙弹性波.将电磁场近似看作似稳场,基于轴对称柱坐标系下的5点式有限差分网格,求解不同时刻的电位Poisson方程,计算诱导电场.结果表明：本文算法可准确模拟频率6.0 kHz的声电效应测井全波;在声波测井频率范围内,电导率、动电耦合系数和动态渗透率的低频近似对伴随电磁场的计算影响不大;地层水平界面导致伴随反射斯通利波的电场和显著的界面电磁波,后者对于探测地层界面具有潜在的应用价值.

     

矿化度界面对震电测井波场的影响

震电测井的现场试验中测得电磁首波幅值大于伴随电场幅值,这种情况在前人的理论模拟和模型井测量中从未出现.本文研究矿化度界面对震电测井波场的影响,基于Pride方程和边界连续条件模拟了震电测井波场,其中井外孔隙地层可以视为均匀的或者是径向分层的.计算结果表明：对于均匀孔隙地层,当井内流体矿化度大于井外地层孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;井内流体矿化度与井外地层孔隙流体矿化度的比值越大,电磁首波相对伴随斯通利波的电场的幅值越大.对于径向分层地层,当井内流体矿化度大于内层地层的孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;当外层地层矿化度小于内层地层矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;增加内层地层厚度,电场全波幅值减小,电磁首波相对伴随电场的幅值减小.本文的模拟结果表明,震电测井中确实会出现电磁首波幅值比伴随电场幅值还大的情况,这对于解释震电测井的测量结果具有指导意义.

     

动电测井实验研究Ⅱ:伴随动电场和界面动电场

动电效应指孔隙介质中与固/液界面的双电层和孔隙流体渗流有关的弹性-电磁耦合现象,探索基于动电效应的勘探和测井新方法则是石油工业重点关注的研究方向之一.本文对流体饱和孔隙介质中的动电效应进行了实验测量研究,记录到了不同模型井中伴随声波的动电转换信号和界面动电转换信号,对比分析了这两种动电信号的产生条件及传播特性,验证了理论分析结果,并进一步研究了动电信号的分波成分及其与声波信号的关系,探讨了声源激发模式、电极接收方式及数据处理方法对动电信号的影响,为动电测井仪器设计奠定实验基础.     

流体-孔隙介质界面震电反射和透射系数的简化表达式

震电测井和海洋地震勘探中均遇到流体-孔隙介质界面.对于平面声波入射平面界面模型, 本文利用前人给出的震电反射和透射电磁波的电场式, 导出了震电反射和透射系数的表达式, 其中声波与电磁波的物理参数是解耦的.在给定介质参数和入射角且已知三类弹性体波的透射系数时, 就能通过该表达式计算震电反射和透射系数.该表达式对于所有入射角都是成立的, 当入射角为复数时对应非均匀平面波入射的情况.利用电磁波数远小于界面切向波数的前提条件, 将震电反射和透射系数的表达式化简为了简化表达式.简化式中与快纵波、慢纵波和横波有关的量均以透射系数与渗-固位移比的乘积形式出现, 而动电耦合系数、电导率和渗透率以乘积形式作为一个整体出现.简化式表明, 孔隙介质中的快纵波、慢纵波和横波通过渗流位移势影响震电反射和透射系数.数值算例表明, 当平面声波入射角不是极其小时, 震电反射和透射系数的简化式是适用的; 快纵波对震电反射和透射系数的影响可以忽略.震电反射和透射系数的简化表达式不仅简化了震电波场的计算, 而且明确表达了三类弹性体波引起反射和透射电磁信号的物理因素, 为地下和海底储层的参数反演提供了思路.

     

考虑动态克林伯格系数的煤储层渗透率预测模型

随着储层压力的降低,克林伯格效应对渗透率的影响越来越大.现有的煤储层渗透率预测模型大都忽略了克林伯格系数的变化,其预测结果与实际生产存在一定的差异,尤其是在低储层压力阶段.本文以体积不变假设为基础,基于火柴棍模型给出在储层压力降低过程中动态克林伯格系数的计算公式,并建立考虑动态克林伯格系数的渗透率预测模型;深入分析在煤储层压力降低过程中,煤储层渗透率和克林伯格系数的变化规律.研究结果表明：随着储层压力的降低,克林伯格系数呈先增大后减小的变化趋势;在相同储层压力下,克林伯格系数随渗透率增加呈指数减小趋势,随温度增加呈线性增大趋势.本文建立的渗透率模型参数简单易获取,预测结果与实际煤储层渗透率变化规律符合性较好,尤其是在低储层压力阶段,能准确预测煤储层渗透率变化.

     

基于简化的Pride理论模拟声电效应测井响应

针对声电效应测井问题，提出了一种全波列数值模拟方法.该方法忽略声电效应测井 时转换电场对声场的影响,并将电场视为似稳场.采用点声源模型，依据Biot理论得出了井外 孔隙介质声场的表达式，运用这些表达式和似稳电场近似方法，导出了声电效应测井时转换 电场的计算公式.在计算出的转换电场波形中，有伴随斯通利波的电场、伴随纵波和横波的 电场、和临界折射电磁波场.在25kHz以下的频率范围内，依据这种方法计算出来的声电转换 波波形与依据完整Pride理论计算的波形一致.     

低频交变压差作用下岩心流动电流和zeta电势实验测量

实验测量岩样zeta电势,对于认识地震诱导的电磁场现象以及探索利用动电效应的测井方法具有重要意义.本文介绍了专门设计的岩样流动电流和流动电势实验测量系统及一种获得岩样zeta电势的测量方法——流动电势和流动电流综合测量法.实验采用交流锁相放大技术,测量了3~100 Hz频率范围内交变压差作用下岩样的流动电势系数和流动电流系数,实验表明,这两个系数均随溶液浓度增大而减小,随pH值增大而增大.实验通过对不同浓度饱和岩样的流动电势和流动电流测量,获得了岩样的有效面积-长度比,进而计算出岩样的zeta电势和表面电导. 实验还论证了忽略表面电导是导致常规流动电势测量法获得zeta电势低于实际值的原因.     

Static and dynamic conceptual model of a complexly fractured crystalline rock aquifer

A conceptual model of anisotropic and dynamic permeability is developed from hydrogeologic and hydromechanical characterization of a foliated, complexly fractured, crystalline rock aquifer at Gates Pond, Berlin, Massachusetts. Methods of investigation include aquifer‐pumping tests, long‐term hydrologic monitoring, fracture characterization, downhole heat‐pulse flow meter measurements, in situ extensometer testing, and earth tide analysis. A static conceptual model is developed from observations of depth‐dependent and anisotropic permeability that effectively compartmentalizes the aquifer as a function of foliation intensity. Superimposed on the static model is dynamic permeability as a function of hydraulic head in which transient bulk aquifer transmissivity is proportional to changes in hydraulic head due to hydromechanical coupling. The dynamic permeability concept is built on observations that fracture aperture changes as a function of hydraulic head, as measured during in situ extensometer testing of individual fractures, and observed changes in bulk aquifer transmissivity as determined from earth tides during seasonal changes in hydraulic head, with higher transmissivity during periods of high hydraulic head, and lower transmissivity during periods of relatively lower hydraulic head. A final conceptual model is presented that captures both the static and dynamic properties of the aquifer. The workflow presented here demonstrates development of a conceptual framework for building numerical models of complexly fractured, foliated, crystalline rock aquifers that includes both a static model to describe the spatial distribution of permeability as a function of fracture type and foliation intensity and a dynamic model that describes how hydromechanical coupling impacts permeability magnitude as a function of hydraulic head fluctuation. This model captures important geologic controls on permeability magnitude, anisotropy, and transience and therefor offers potentially more reliable history matching and forecasts of different water management strategies, such as resource evaluation, well placement, permeability prediction, and evaluating remediation strategies.