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.     

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.     

含偏心钻铤充液井孔中正交偶极子声波测井的数值模拟研究

采用三维有限差分方法模拟了正交偶极子声源在含偏心钻铤的充液井孔中激发的声场,研究了钻铤偏心对模式波的种类、激发幅度、以及频散特征的影响.研究结果表明,钻铤偏心导致偶极子声源激发的声场的模式不唯一,观察到了除偶极模式外的单极模式波和四极模式波;钻铤偏心导致偶极模式波出现分裂现象,尤其是快速地层F2模式和慢速地层弯曲波的稍高频率的部分,且快、慢波所对应的两个方位为偏心的方位和与偏心方位垂直的方向;井孔折射横波以及快速地层F2模式的低频部分的慢度基本未受到钻铤偏心的影响,仍然能够正确反映地层的横波慢度及各向异性;对于本文研究的慢速地层井孔模型,当偏心距离l小于等于0.01 m时,弯曲波的慢度和激发幅度受钻铤偏心的影响很小,从快、慢弯曲波中提取的快、慢横波慢度基本能够反映地层的各向异性特征.     

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.     

利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究

在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息;对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.     

弯曲模式波在各向异性井孔中传播的实验研究

鉴于弯曲模式波在井孔中传播的基本原理，制作了用于模型井孔的单／偶极子换能器，在模拟硬、软地层的铝和有机玻璃的井孔模型中进行了测量，并与理论计算的频散特性作了对比．在声速各向异性的井孔模型中进行的测试表明．弯曲模式波在横向声速各向异性的井孔中，分裂为两种传播速度不同的快、慢弯曲模式波．实验结果表明，偶极子声波测井将能有效地探测地层的横向各向异性．     

孔、裂隙并存地层中的声波测井理论及多极子声场特征

在油、气储层的勘探和开发中观察到的一个现象是储层岩石中普遍存在孔隙和裂隙.随着近年来孔、裂隙介质弹性波动理论的进展,我们可以将此理论应用于测井技术,以此来指导从声波测井中测量孔、裂隙地层的声学参数.本文计算了孔、裂隙地层里充流体井眼中的多极子声场,分析了声场随裂隙介质的两个主要参数(即裂隙密度和裂隙纵横比)的变化特征.井孔声场的数值计算表明裂隙密度可以大幅度地降低井中声波纵、横波的波速和振幅.随着裂隙密度的增加,在测井频段内也可以看到纵、横波速的频散现象(这种频散在孔隙地层中一般是观察不到的).本文还研究了多极子模式波 (即单极的Stoneley波、伪瑞利波以及偶极的弯曲波)随裂隙参数的变化特征.结果表明,这些模式波的振幅激发和速度频散都受裂隙密度的影响.裂隙密度越高影响越大.此外,裂隙还对模式波的传播造成较大的衰减.相对裂隙密度而言,裂隙纵横比是一个频率控制参数,它控制裂隙对声场影响的频率区间.本文的分析结果对裂缝、孔隙型地层的声波测井具有指导意义.     

含孔隙、裂隙地层随钻多极子声波测井理论

储层岩石中普遍存在孔隙与裂隙,对钻井中的测井声波产生重要影响.基于孔、裂隙介质弹性波理论,导出了随钻声波测井的井孔声场表达式.据此考察了地层裂隙密度与含气饱和度的变化时井孔内随钻多极子模式波（斯通利波、弯曲波和螺旋波）的速度、衰减与灵敏度以及地层纵、横波的响应特征.裂隙密度与含气饱和度对模式波的速度频散与衰减都有影响,且两参数的值越大,影响越大.具体来说,速度对裂隙密度更敏感,而衰减对含气饱和度更敏感.具有"艾里相"特征的随钻偶极和四极子波在地层含气时产生强烈衰减,可以作为判断地层含气的一个明显指示.理论模拟与实际测井数据分析结果符合较好.     

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.     

Dispersion and radial depth of investigation of borehole modes

Sonic techniques in geophysical prospecting involve elastic wave velocity measurements that are performed by placing acoustic transmitters and receivers in a fluid‐filled borehole. The signals recorded at the receivers are processed to obtain compressional‐ and shear‐wave velocities in the surrounding formation. These velocities are generally used in seismic surveys for the time‐to‐depth conversion and other formation parameters, such as porosity and lithology. Depending upon the type of transmitter used (e.g. monopole or dipole) and as a result of eccentering, it is possible to excite axisymmetric (n= 0) , flexural (n= 1) and quadrupole (n= 2) families of modes propagating along the borehole. We present a study of various propagating and leaky modes that includes their dispersion and attenuation characteristics caused by radiation into the surrounding formation. A knowledge of propagation characteristics of borehole modes helps in a proper selection of transmitter bandwidth for suppressing unwanted modes that create problems in the inversion for the compressional‐ and shear‐wave velocities from the dispersive arrivals. It also helps in the design of a transmitter for a preferential excitation of a given mode in order to reduce interference with drill‐collar or drilling noise for sonic measurements‐while‐drilling. Computational results for the axisymmetric family of modes in a fast formation with a shear‐wave velocity of 2032 m/s show the existence of Stoneley, pseudo‐Rayleigh and anharmonic cut‐off modes. In a slow formation with a shear‐wave velocity of 508 m/s, we find the existence of the Stoneley mode and the first leaky compressional mode which cuts in at approximately the same normalized frequency ωa/V_S= 2.5 (a is the borehole radius) as that of the fast formation. The corresponding modes among the flexural family include the lowest‐order flexural and anharmonic cut‐off modes. For both the fast and slow formations, the first anharmonic mode cuts in at a normalized frequency ωa/V_S= 1.5 approximately. Cut‐off frequencies of anharmonic modes are inversely proportional to the borehole radius in the absence of any tool. The borehole quadrupole mode can also be used for estimating formation shear slownesses. The radial depth of investigation with a quadrupole mode is marginally less than that of a flexural mode because of its higher frequency of excitation.     

LFM信号检测混凝土缺陷研究

针对超声混凝土缺陷检测信噪比低、穿透深度浅的问题,提出利用线性调频（LFM）信号检测混凝土缺陷。通过在发射端发射时宽和带宽的积大于1的LFM信号,在接收端将回波脉冲压缩,得到主瓣较窄,信噪比较高的压缩信号。理论分析了换能器带宽对压缩效果的影响。数值计算结果表明,在一定幅度的噪声存在条件下,回波信号经过脉冲压缩后仍能够得到好的压缩效果。实际检测结果表明,压缩后的LFM信号较压缩前检测信号明显提高了信噪比。     

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.     

含孔隙、裂隙致密介质中多极子声波的传播特征

非常规油气藏（如致密性地层及蕴藏油气的页岩地层）的重要特征是低孔、低渗,但裂隙或裂缝比较发育.为满足非常规勘探的需求,本文将孔、裂隙介质弹性波传播理论应用于多极子声波测井的井孔声场模拟,重点研究了致密介质中裂隙发育时多极子声波的传播机理以及衰减特征.井孔声场的数值计算结果表明裂隙的存在明显改变了弹性波和井孔模式波的频散、衰减和激发强度,尤其是井壁临界折射纵波的激发谱的峰值随着频率的增加逐渐降低,这与应用经典的Biot理论下的计算结果相反,且裂隙的存在也使得饱含水和饱含气时临界折射纵波激发强度的差异变大.井孔模式波的衰减与地层横波衰减和井壁流体交换有关,井壁开孔边界下致密地层裂隙发育还使得井孔斯通利波和艾里相附近的弯曲波对孔隙流体的敏感性增强,在井壁闭孔边界条件下引起井孔模式波衰减的主要因素是裂隙引起的地层横波衰减造成的,且在截止频率附近弯曲波的衰减与地层的横波衰减一致.数值计算结果为解释非常规油气地层的声学响应特征提供了参考.     

充液井中多极声源的辐射效率

利用反射声场探测井外地质构造的声波远探测方法已逐渐成为石油测井的一门重要应用技术.在远探测测井中声源常采用单极、偶极和四极等.为了考察各种声学辐射器的辐射性能,本文从辐射声场和井孔声场的能流密度出发,提出了一种利用辐射器向井外辐射的能量与沿井筒传播的能量比的大小来评价其辐射效率的方法,考察了不同声源激发的沿井传播的导波能流、地层辐射波能流及声源辐射效率随频率的变化规律.计算结果表明:不同声源的辐射效率和优势激发频段各不相同.单极声源在低频下的辐射效率很低,因为此时声源激发的能量几乎全部被斯通利波带走,相比之下,偶极声源在低频时的辐射效率远大于单极声源.本文的结果说明了偶极声源作为低频远探测声源要优于单极声源.     

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.     

Multipole borehole acoustic theory: Source imbalances and the effects of an elastic logging tool

In recent years the emphasis in acoustic logging has been shifting from the wireline to the Logging While Drilling (LWD) environment, the latter being far different from the former in that both tool rigidity and tool radius are considerably greater. In this paper we present a generic mathematical formulation for the multipole borehole acoustic measurement (alternate and equal polarity case), including a detailed analysis on the effects of multipole source amplitude imbalances. It is shown that source imbalance induced mode contaminants have excitation amplitudes that are scaled by the sum of the relative source imbalances between diametrically opposed sources. Furthermore it is shown that for mode contaminants with odd modal number there can be a significant offset in the associated directivity pattern, even at low levels of source imbalance. However, it is also shown that source imbalance induced mode contaminants can be completely eliminated if the multipole source is accompanied with a ‘vertically’ (but not azimuthally) offset multipole receiver. Mathematically, it is demonstrated (for a centered tool) that a polarity weighted stack of these multipole receivers completely eliminates the source imbalance induced mode contaminants. Excitation amplitudes and phase slowness of borehole guided modes are presented for the most common excitation regimes, i.e., monopole, dipole, quadrupole and the hexapole excitation, the latter one showing to have the advantage of a higher formation shear cut-off frequency than the quadrupole mode. Special emphasis will be on the analysis of the dipole excitation and the differences that occur due to variations in tool rigidity, tool diameter and (isotropic) formation properties with the resulting conclusion that a formation flexural mode is not observable as a result of a LWD dipole excitation (this opposed to its dipole wireline counterpart). The guided mode excitation amplitudes are calculated as residues using a Laurent series expansion. This (unconventional) way of calculating the residue has the advantage that it is independent of the pole order, does not require the numerical evaluation of derivatives with respect to the vertical wavenumber and allows for an accurate and efficient FFT implementation.     

Acoustic log simulation in a viscoelastic formation: Cole–Cole model

It is known that sedimentary rocks demonstrate velocity dispersion in the acoustic log frequency range. In this paper we have calculated the waveforms of sonic log for a borehole located in a viscoelastic medium. The acoustic field in the borehole has been obtained for acoustic multipole sources. To describe the viscoelastic properties of a rock we used the Cole–Cole model. This model describes the dispersion of acoustic wave velocities and quality factors in a wide frequency range. To solve the acoustic log direct problem we have applied the double integral Fourier transform (RAI method). The results obtained have shown the feasibility of S-wave velocity dispersion estimation from acoustic dipole waveform processing.     

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.     

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.