滑移界面表征的套管井声场的理论计算

经典弹性波理论往往在套管与水泥环之间增加一层流体环来模拟套管与水泥环之间胶结差时的测井响应,但流体环的存在,使得套管与水泥环之间缺失了剪切耦合,即使几个微米的厚度,套管波幅度也会明显增大,接近甚至超过自由套管时的30%.因此经典弹性波理论常常无法解释现场测量数据中套管波幅度的渐变现象.实际套管井中胶结界面粗糙或不规则起伏使套管与水泥环界面两侧介质有所接触,往往存在剪切耦合,用剪切刚度和法向刚度表达的滑移界面理论应用到套管与水泥环或水泥环与地层界面的胶结响应,可模拟界面从完全胶结到完全不胶结的过渡状态.通过将滑移界面理论模拟的波结构与在套管与水泥环之间加一层软固体层时的经典弹性波理论模拟的波结构对比,验证了滑移界面理论在模拟水泥胶结时的适用性.滑移界面理论与经典弹性波理论结合分析了水泥不同胶结状态下井孔内外声场的辐射特征,随着界面水泥胶结质量的下降井内接收的套管波以及套管波泄漏到地层中的纵横波幅度逐渐增强,透过井壁辐射到地层中的纵波和横波逐渐降低.将滑移界面理论应用到套管井水泥胶结状况的模拟,弥补了经典弹性波理论在模拟水泥胶结测井响应时的局限性,也为定量刻画水泥环界面的耦合刚度提供了可能...     

随钻声波测井固井质量评价理论与数值模拟研究

大斜度井、水平井的固井质量评价需求,推动了基于随钻测井仪器的固井质量评价技术的发展.本文基于弹性波传播理论,建立柱状分层介质的套管井随钻测井模型,模拟了不同水泥胶结情况的随钻声场响应,特别是其波形特征.结果表明,套管井中随钻与电缆波形特征最大的区别在于随钻波列中存在隔声衰减后的钻铤波.特别是当水泥胶结较好时,钻铤波与套管波幅度大小相近,甚至钻铤波幅度更大,而时间域上两者波形重叠,该特点使得常规电缆声波(声幅/变密度)固井质量评价方法不适用于随钻测井环境.本文考察了不同水泥胶结程度下随钻波列中套管波幅度和衰减与胶结指数的关系,形成一种同时利用幅度和衰减的随钻声波胶结指数计算方法,为随钻声波固井质量评价提供理论指导.     

界面不规则性对套后超声波成像测井响应影响的模拟研究（英文）

超声泄漏兰姆波对多层介质缺陷及胶结缺失十分敏感,针对其在水泥胶结评价测井中的适用性问题,本文首次利用有限差分法数值模拟探讨了泄漏弯曲波在套管存在腐蚀缺陷和水泥-地层界面不规则起伏时的响应。结果表明,将超声倾斜定向入射时,可有效激发弯曲波模式。套管存在腐蚀时会影响首至弯曲波波幅,首至弯曲波波幅会随套管外壁的缺陷厚度的增加而逐渐减小,并在缺陷长度与波长尺寸相当时达到最弱,缺陷的存在增加了散射,导致直接泄漏回井内流体的首至弯曲波能量减弱。水泥-地层界面的不规则起伏时,首至弯曲波不变,后续弯曲波波幅由于不规则界面散射而减弱。     

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.     

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.     

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.     

用斜入射超声波评价水泥胶结质量的方法研究(英文)

超声波水泥胶结质量评价测井是目前较为广泛使用的固井质量评价方法。将传统的脉冲回波技术与超声波斜入射方法相结合,可以形成评价固井质量的新技术。本文使用有限差分方法模拟研究了超声波斜入射时所激发出的波形特征与水泥性质以及胶结状况之间的关系。通过对三种常用水泥的数值模拟,得到了AO模式和SO模式Lamb波在不同胶结水泥及胶结情况下的声衰减系数;通过对不同厚度胶结水泥的数值模拟,得到了次生AO模式Lamb波和AO模式Lamb波的到时差与水泥性质及厚度的关系,并理论推导了水泥层厚度与时间差之间的关系,且从有限差分时域波形中提取的时间差与由理论公式计算结果能够较好的吻合。因此利用AO模式Lamb波到时及衰减信息可以在一定程度上评价水泥胶结状况及水泥厚度。     

饱和土介质中地震波在水、气分界面上的反射与透射

基于修改的Biot模型,研究地震波在气饱和土中的传播特性以及地震波在饱和土中气、水界面上的反射和透射. 从理论上分析气饱和土与水饱和土的特性差异,根据界面连续条件推导了反射系数与透射系数的一般计算式;通过数值算例分析了气饱和土中波的传播特性,并分析了饱和土中P1波入射气、水界面时反射系数和透射系数与入射角及频率的关系. 结果表明,波在气饱和土中的传播与水饱和土中有较大差异; 频率和入射角度对反射系数与透射系数均有较大影响;并获得了波传播的某些新认识. 这对地震工程的波动勘测技术和场地反应分析具有理论及实际意义.      

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。     

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.     

Acoustic evaluation of cementing quality using obliquely incident ultrasonic signals

Ultrasonic cement bond logging is a widely used method for evaluating cementing quality. Conventional ultrasonic cement bond logging uses vertical incidence and cannot accurately evaluate lightweight cement bonding. Oblique incidence is a new technology for evaluating cement quality with improved accuracy for lightweight cements. In this study, we simulated models of acoustic impedance of cement and cementing quality using ultrasonic oblique incidence, and we obtained the relation between cementing quality, acoustic impedance of cement, and the acoustic attenuation coefficient of the A0-mode and S0-mode Lamb waves. Then, we simulated models of different cement thickness and we obtained the relation between cement thickness and the time difference of the arrival between the A0 and A0′ modes.     

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.     

Simulated various characteristic waves in acoustic full waveform relating to cement bond on the secondary interface

Bad cement bond with water channeling or low strength cement is usually generated on the first and/or secondary interfaces which lie between the cement and casing, and the cement and formation, respectively. It is an inherently complicated problem to evaluate cement bond on the secondary interface (SICB) in a cased borehole. So we need to find a useful wave for evaluating SICB and provide its propagation features. To achieve this, we simulated the acoustic full waveform, 2-D spectrum and dispersion curves in cased boreholes based on the real axis integration method, and a propagator matrix. Simulation results indicated that “casing-cement mode” wave can be utilized to evaluate SICB, as it is most sensitive to water channeling on the secondary interface. Velocity of this mode wave is in between that of the casing wave and the formation wave, so that it is easy to extract it in time. The dispersion curves showed that the casing-cement wave is a dispersion wave, but not a pseudo-Rayleigh wave. Its velocity is obviously larger than v_s of cement. Simulation results further indicated that the amplitude of casing-cement wave is decreasing with increasing cement sheath thickness, but not water channeling thickness, and its travel time is influenced by casing and cement together. Moreover, we investigated factors influencing the casing–cement wave and found that casing diameter and peak frequency are major factors influencing the amplitude and the travel time, while other factors, such as P-wave velocities of cement and wall thickness of casing, are minor factors. But none of these factors greatly influence bond index which is computed from the amplitude. So the bond index has an advantage over the amplitude during evaluating SICB. Formation wave is a helpful signal to evaluate low strength cement without water channeling, and its amplitude is mainly related to the velocities (or impedances) of both cement and formation except for formation attenuation and disturbance wave. Experimental data in calibration pits and field data detecting channeling demonstrated the simulation results.     

薄油层时移地震差异波形特征探讨

开发导致的时移地震差异代表了油藏的岩石物理性质变化,本文从差异波形角度出发,明确了声波阻抗界面的反射系数与油层声波阻抗变化之间的函数关系,进而分析薄油层时移地震差异波形特征.通过分析得出,开发前后油层阻抗变化越大,时移地震的差异振幅幅度越大;薄油层的差异波形特征仅与油层的声波阻抗变化有关,油层声波阻抗增大导致与地震子波微分形式相同的差异波形,油层声波阻抗减小产生的差异波形与180°相位的地震子波微分形式相同;油层声波阻抗变化方向导致差异波形振幅幅度变化的快慢.     

Acoustic parameters inversion and sediment properties in the Yellow River reservoir

The physical properties of silt in river reservoirs are important to river dynamics. Unfortunately, traditional techniques yield insufficient data. Based on porous media acoustic theory, we invert the acoustic parameters for the top river-bottom sediments. An explicit form of the acoustic reflection coefficient at the water–sediment interface is derived based on Biot’s theory. The choice of parameters in the Biot model is discussed and the relation between acoustic and geological parameters is studied, including that between the reflection coefficient and porosity and the attenuation coefficient and permeability. The attenuation coefficient of the sound wave in the sediments is obtained by analyzing the shift of the signal frequency. The acoustic reflection coefficient at the water–sediment interface is extracted from the sonar signal. Thus, an inversion method of the physical parameters of the riverbottom surface sediments is proposed. The results of an experiment at the Sanmenxia reservoir suggest that the estimated grain size is close to the actual data. This demonstrates the ability of the proposed method to determine the physical parameters of sediments and estimate the grain size.     

非均匀P\|偏振电磁波在导电界面的反射系数曲线

基于非均匀电磁波在导电媒质中传播时其相移常数和振幅衰减常数方向的不一致性，利用电磁波在导电媒质界面的边界条件，导出了非均匀P\|偏振电磁波的反射系数. 反射系数随入射角的变化曲线显示：当电磁波由电导率大的介质射向电导率小的介质时，在相移常数临界角和衰减常数临界角附近存在峰值，且反射系数的数值小于1，这一结果与全反射光的结果有明显的差异.