利用井中偶极声源远场辐射特性的远探测测井

远探测声波测井技术近年来的一个重要进展是利用偶极声波探测仪器来发射和接收地层深部的反射信号.本文论述了这种偶极声波远探测技术的基本原理和方法,并结合数值模拟计算验证了该方法的可行性及灵敏度.具体来说,井中偶极声源向地层深部辐射出纵波、SH和SV型横波,其中SH型横波具有很宽的辐射覆盖及较高的反射灵敏度,是偶极横波远探测的重要依据.在慢速地层中,偶极辐射的纵波具有振幅强、灵敏度高的特征,也可以用于远探测测井.偶极远探测的另一个重要特征是其对反射体的方位灵敏度,这是由于声源为指向性发声的结果.采用四分量的数据采集方式便可以确定反射体走向的方位.在理论分析的基础上,我们用实际例子说明偶极声波远探测的重要特征及其有效性.     

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.结果表明: 与各向同性情况相比,SH波在辐射波场中依然占据主导地位,但各向异性的存在导致其优势辐射频率向低频移动; qP波与qSV波的井外辐射波场均包括qp和qsv两种分量的贡献; 在特殊各向异性地层中,qP波与qSV波的qsv分量会呈现出三叉区与幅度奇异值.本文的结果可以为井外全波场的观测以及偶极声波远探测技术在各向异性地层中的应用提供理论支持.

     

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.     

偶极声源在裸眼井及套管井外的横波辐射特征

偶极横波远探测技术作为近年来发展起来的一门地球物理测井技术,一个重要应用前景就是在裸眼井和套管井测井时寻找井外地层中的油气构造.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近解出发,对裸眼井及套管井中偶极声源的辐射场进行了对比分析,首次得到了偶极声源在不同声源频率和不同地层类型下的辐射特征.并深入研究了套管井中偶极声源的SH横波远场辐射特性,给出了不同耦合情况下的SH横波远场辐射特性的变化规律,对比了套前套后SH横波远场辐射的异同.结果表明：井中偶极声源的远场辐射特性受声源频率和地层类型影响较大;在套管井中,偶极声源辐射到地层中的横波能量也可以进行远探测,尽管与裸眼井情况相比,辐射能量会有所降低.本文的结果为偶极横波远探测技术的应用提供了理论支持.     

随钻偶极远探测声场的辐射特性

本文对偶极横波远探测技术在随钻测井中的应用进行了探讨.对于随钻远探测而言,井中声源向井外地层中的辐射性能是它的主控因素.本文从井孔内外声场出发,考察了随钻和电缆测井中偶极声源的辐射效率,即声源产生的辐射波能流与沿井传播的导波能流之比;分析了声源的远场辐射指向性;基于声源辐射与接收之间的互易性,快速模拟和处理了随钻测井下SH和SV横波远探测波形.研究结果表明,随钻条件下SH和SV横波的最大辐射效率受钻铤的影响较电缆的情况降低了70%左右,且横波最大辐射效率对应的优势激发频率也从电缆的3.5 kHz降为2.5 kHz左右;虽然随钻偶极的横波辐射效率明显降低,但由理论模拟的随钻远探测数据的成像结果可知,声源辐射到地层中的横波能量仍足以探测井外反射体,表明随钻偶极远探测技术在理论上是可行的,本文结果为随钻偶极远探测测井提供了理论依据.     

用滑移界面理论模拟多裂缝体系的偶极横波远探测声场

偶极横波远探测已成为探测储层裂缝的重要测井技术,裂缝及其充填物质的弹性性质决定了其对远探测声场的响应特征.本文运用滑移界面理论来描述井外地层中裂缝对声场的响应特征,考察了SH横波的反射和透射系数随充填物的变化规律.建立了井外双裂缝远探测声场的几何模型,以双裂缝为例给出了偶极横波远探测声场的快速模拟方法,并将所得结论应用于现场远探测裂缝的识别和解释.本文的研究结果为偶极横波远探测数据的处理和解释提供了理论依据.     

偶极横波远探测在裸眼井及套管井中接收波场的方位响应特征

偶极横波远探测技术的快速发展及其在裸眼和套管井中应用的需求增加使得研究井中远探测波场的方位特征和接收响应具有重要意义.将远探测声场看作是声源在反射体一侧的镜像点的辐射声场并对其做柱面波展开,得到了充液裸眼和套管井中偶极横波方位远探测接收声场的渐近解.据此对声场在井内流体中产生的径向位移和声压进行了模拟分析,深入研究了接收器偏心距、声源频率和地层类型对井中方位接收波场的影响,并对裸眼和套管井中的响应特征进行了对比,预示了快速和慢速地层条件下声场方位响应中的180°相位反转现象.渐近解析解与三维有限差分数值解的结果对比证实了这一现象,同时也验证了解析解的正确性和普适性.结果表明：接收器偏心距、声源频率和地层类型是井中接收声场方位响应特征的主要影响因素;SH横波入射引起的井内流体的径向位移和声压方位响应特征基本一致,而SV横波入射时二者特征却有较大差异;因此,接收信号中的SV分量有助于识别反射体方位;相对于裸眼井,套管井中接收声场的方位灵敏度更高,更有利于识别井外反射体的方位.本文的分析结果为偶极横波方位远探测技术的进一步发展和应用提供了理论支持.

     

声波远探测中偏心声源的辐射以及接收波场研究

通过最速下降积分法获得了充液井孔中偏心点声源激发的井外波场的远场渐近解;利用互易性获得井外存在反射体时井内偏心接收的波场渐近解,渐近解结果与有限差分的结果吻合;分析了声源频率、偏心距离以及方位角对波场辐射与接收的影响.计算发现：声源频率是影响井外波场的主导因素,声源频率较低时,偏心点声源激发的远场波场与偏心距离无关,可以将偏心点声源视为中心声源;声源频率较高时,偏心点声源激发的远场波场与中心声源之间存在不可忽略的差异,且频率越高、偏心距离越大,差异越大.计算还发现：采用偏心声源与偏心接收时,辐射波场与接收波场的幅度都具有方位角依赖性.最后我们给出利用反射波幅度变化来消除反射体方位角180°不确定性的算例.

     

声波远探测中偏心声源的辐射以及接收波场研究

通过最速下降积分法获得了充液井孔中偏心点声源激发的井外波场的远场渐近解;利用互易性获得井外存在反射体时井内偏心接收的波场渐近解,渐近解结果与有限差分的结果吻合;分析了声源频率、偏心距离以及方位角对波场辐射与接收的影响.计算发现：声源频率是影响井外波场的主导因素,声源频率较低时,偏心点声源激发的远场波场与偏心距离无关,可以将偏心点声源视为中心声源;声源频率较高时,偏心点声源激发的远场波场与中心声源之间存在不可忽略的差异,且频率越高、偏心距离越大,差异越大.计算还发现：采用偏心声源与偏心接收时,辐射波场与接收波场的幅度都具有方位角依赖性.最后我们给出利用反射波幅度变化来消除反射体方位角180°不确定性的算例.     

双偶极源反相激励压制井中直达波的横波远探测方法研究

偶极横渡远探测测井仪器工作时,存在很强的井中直达信号干扰,严重影响了井外反射声波信号的测量.为解决这一问题,本文提出了一种双偶极源反相激励的声波远探测测井方法.与传统方法相比,这一方法采用两个具有相反相位的偶极声源,通过延时激励的方式,可以从数据采集环节压制直达信号,提高反射波的信噪比.理论模拟结果表明,双源反向延迟在不考虑井中偶极弯曲波的频散效应时,虽然直达波的信号大幅降低,但仍存在较强残余直达信号干扰;而考虑弯曲波的频散效应时,可以更好的压制因频散效应残余的直达波成分.对现场实测数据的处理分析表明,采用双偶极源反相激励的思路和方法,直达波信号的幅度可以被大幅度地压制,从而明显提升井外反射声波信号的信噪比.这一技术的可行,使得偶极横波远探测测井有了更广阔的应用空间.     

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.     

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.

     

Energy of acoustic signals in a borehole

In the present article, the dependencies of the acoustic signal total energy and the energies of the wave packets of different types of the waves on the elastic parameters and permeability of rocks have been studied. We have considered traditional logging tools containing acoustical monopole source. Calculations were performed in a frequency range of dozens of kilohertz, typical for acoustic well logging. It was shown that in a typical high-velocity formation (v_s > v_f, where v_s and v_f are the velocities of the shear wave in the rock and of the compressional wave in the borehole fluid, respectively), the pseudo-Rayleigh waves, whose elastic properties depend mainly on the shear modulus of the rock, contributed significant energy to the total signal energy in the borehole. The energies of different wave packets depend on the permeability in different ways. The greatest sensitivity to permeability change has been shown by the acoustic signal total energy and the energy of the low-velocity part of the pseudo-Rayleigh wave packet. The theoretical analysis was illustrated by real sonic log data.     

基于四分量偶极横波远探测的井周构造走向快速反演方法研究

偶极声源的辐射特性及仪器的四分量正交采集系统使得偶极横波远探测可在一维井筒中对井外构造进行方位探测.基于反射横波幅度随声源偏振方向呈余弦平方变化这一特征,本文提出一种利用函数拟合快速反演井周构造走向的方法.根据这一规律,该方法仅用4个方位剖面数据即可准确反演井周构造走向,同时得到井周构造的离井距离和倾角.数值模拟和物理实验模拟均验证了幅度随方位的变化以及反演方法的可行性.根据这一方法做的现场实例也进一步证明了该方法的适用性.本文工作为利用四分量偶极数据进行井周构造的反射横波成像提供了实用而有效的处理方法.