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.

     

多极源随钻声波测井实验分析

本文针对随钻声波测井中钻铤波干扰地层声波测量的问题,设计了小尺寸随钻声波测井探头,在实验室内开展了多极源(单极源、偶极源和四极源)随钻声波测井实验研究. 先在水池中对裸露的探头进行了随钻测量,记录到了沿钻铤传播的直达钻铤波,并获得了不同声源激发的钻铤波速度. 之后在砂岩和有机玻璃模型中进行了随钻声波测井实验,观测到多极源随钻测井的全波波形,并通过与水池中实验结果的对比,分析了井中钻铤波的传播特性. 特别地,在偶极随钻测井实验中不仅记录到了偶极一阶钻铤波,还观测到对弯曲波干扰较大的偶极二阶钻铤波,进而研究了不同声源频率下该波群的响应特性及其对弯曲波测量的影响. 此外,基于单极源和偶极源随钻声波测井实验数据,本文发现:随着声源频率的增加,单极和偶极钻铤波的传播特性不同,但它们在测井全波中的相对幅度均降低,进而可从测井全波中较好地提取地层的声波速度. 本文实验结果对随钻声波测井仪器设计及测井数据解释具有重要意义.     

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽度、深度的关系.在此基础上,设计了一种随钻声波测井隔声体结构,给出了理论声衰减曲线和典型地层井孔中的响应特征.现场实验井测试结果表明,本文设计的隔声体结构有效地消除了钻铤直达波的干扰,能够测量到高质量地层纵波的波形和时差.     

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.     

一种利用双源反激的随钻声波测井方法

随钻单极子纵波测井时存在很强的钻铤波的干扰.针对这一问题,提出了一种双源反激随钻声波测井方法,从数据采集环节对钻铤波进行压制;在后续数据处理中结合声波干涉法,从而实现一种无需隔声装置的随钻声波测井方法.理论模拟表明双源反激方法可以有效压制钻铤波,地层波的信噪比也能得到相对增强.对钻铤波压制后的数据进一步用声波干涉法处理可以从中提取地层纵波信息.设计了实验样机,并在空气中进行了实验.结果表明不同工作频率下该方法对钻铤波均有明显的压制效果,即使在5 kHz低频情况下钻铤波也能压制到原来的25%.验证了该方法的可行性.应用该方法的好处是可以避免对钻铤强度的破坏,并能扩展现有随钻声波测井仪纵波测量的工作频带范围.     

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.     

随钻划眼采集模式的过套管声波测井数值模拟与实验研究

随钻测井在高温高压井和大斜度/水平井应用广泛,在起钻或下钻的划眼过程中采集套管井段的声波数据,开展水泥胶结评价和地层评价的需求增加,因此套管井中开展随钻声场机理研究愈发重要.本文基于套管井随钻声波的柱状分层模型,利用实轴积分法对不同水泥胶结和地层软硬情况的随钻波形进行数值模拟,并进行传播速度特征研究.通过理论分析给出了...     

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.     

环状刻槽钻铤中随钻方位电磁波响应的混合算法

为了提高随钻电磁波测井仪器的抗震能力,仪器传感器中所有发射与接收线圈均安装在柱状金属钻铤上的环状刻槽中,同时槽中充填高磁导率的铁氧体,以提高发射和接收效率.本文针对多环状刻槽钻铤中发射与接收线圈分布,研究建立一套随钻电磁响应的混合模拟算法.首先,根据环状刻槽几何尺寸以及轴向边界,将整个钻铤与外部的井眼和地层划分成多个不...     

单极源钻铤波传播机制的实验研究

为了研究随钻声波测井中单极源钻铤波的传播特性,本文在水池中进行了缩小尺寸的随钻声波测井实验.首先建立了实验室内高分辨的数据采集系统(24位分辨率/1.25 MS/s采样率)和高精度三维运动控制系统(最小移动步长0.5mm),并通过测量声源和接收换能器之间直达流体声波信号,验证了声源/接收探头和实验测量系统的有效性.之后对4种实验模型下单极源激发钻铤波的传播规律进行了实验分析,分别在钻铤内部和钻铤外流体中记录了钻铤波信号,重点分析了不同情况下钻铤内部直达钻铤波和钻铤外部泄漏钻铤波的幅值差异性及产生原因,讨论了泄漏钻铤波沿着井轴方向和直径方向的衰减规律.实验结果表明:钻铤波在声源和钻铤分离情况下依旧可以激发很强的钻铤波,但当钻铤被截断后两部分钻铤波同时消失,在截断位置转化成流体声波波群继续向前传播.此外,通过定量分析两部分钻铤波的幅值特性发现,泄漏钻铤波的幅值约为直达钻铤波幅值的1/4,两者处于同一量级,因此,泄漏钻铤波对测量纵横波的干扰是不可忽略的,进而本文提出一种随钻声波测井接收器的布置方法,以有效削弱测井全波中直达钻铤波和泄漏钻铤波信号的幅度.本文实验结果对认识单极源钻铤波的激发和传播机制具有重要意义.     

随钻四极子横波测井钻铤尺寸优化设计的理论研究

随钻声波测井主要是采用四极子技术来测量软地层的横波速度,但在超软地层的横波测量方面仍然面临挑战.随钻四极子声源会分别激发出沿着钻铤和地层传播的螺旋模式导波,其中四极子钻铤波存在截止频率,即只有在该频率以上才能激发出钻铤波.当钻铤波截止频率降低到与地层波测量频段接近时,会干扰地层波信号的测量,尤其是在疏松的软地层这一干扰现象相当严重.数值模拟和现场实测数据分析结果表明：四极子钻铤波的截止频率主要取决于仪器接收器阵列位置的钻铤壁厚,而对声源与接收器之间的刻槽隔声体以及钻铤外地层介质不敏感.在此基础上,本文利用一种等效的随钻声波测井简化模型来分析与设计钻铤波截止频率与钻铤尺寸关系的理论图版.该理论图版可用于指导随钻四极子横波测井仪器钻铤尺寸的优化设计和数据处理,进而获得高质量的地层波信号以及准确的横波速度.

     

单极源钻铤波传播机制的实验研究2

随钻情况下准确测量地层的纵波速度是当前声波测井领域亟待解决的技术难点之一,本文则针对地层纵波速度的随钻测量问题,在实验室内进行了缩小模型的随钻声波测井实验研究.首先,针对无限大流体模型,记录不同声源频率下单极源钻铤波的时域波形,研究钻铤内外两区域钻铤波的传播规律,定量分析这两部分钻铤波的频率响应特性.结果表明,随着声源...     

多极子随钻声波测井波场模拟与采集模式分析

应用三维非均匀交错网格有限差分程序模拟了多极子随钻声波测井的波场,考察了硬地层中单极子随钻声波测井响应及软地层中声源频率对多极子随钻声波测井的影响;计算了接收阵列波形的时域相干谱及频散特征,结果表明随钻测井仪器居中时,在硬地层中可以直接利用单极子声系得到地层横波速度,但地层纵波受到钻铤波的极大干扰.而在软地层中可以利用单极子声系直接测得地层纵波速度,但地层横波速度则需要使用工作在较低频率下的四极子随钻声波仪来测得,此时测井频段又会落入钻井噪声频带而受到影响.为此本文提出数值模拟手段结合物理实验的方法得到钻铤波的影响,在实际测井中通过信号处理方法而不是用在仪器本体上刻槽的方式来更完全地消除钻铤的影响.为了避免钻井噪声的影响,本文提出六极子随钻声波仪更适合软地层的横波测量.本文用数值实验结果来说明这些方法的可行性.     

Scour countermeasures for cylindrical piers using riprap and combination of collar and riprap

Various methods are proposed to control scouring around bridge piers. In the present study application of riprap alone and combinations of riprap and collar were examined experimentally for scour control around cylindrical bridge piers. Tests were conducted with seven riprap sizes and with two different sizes of collars. Empirical equations were developed for stable riprap diameter for two cases of piers with and without collar protection. Extent of riprap layer is also presented for these two cases. The results showed that in the range of b/dR≤7.5 (where b is pier diameter and dR is riprap size) using a collar reduced the stable riprap size. It was also concluded that using collar reduced the riprap layer extension in front and sides of the pier.     

Experimental study on the performance of an azimuthal acoustic receiver sonde for a downhole tool

A new azimuthal acoustic receiver sonde with a body and corresponding circuits was designed for a downhole tool. The 64‐sensor receiver sonde holds eight receiver stations that can be combined into at least 64 three‐sensor receiver subarrays. As a result, the receiver sonde can use different sensor combinations instead of different transducer types to produce multiple modes, including a phased azimuthal reception mode and conventional monopole, dipole, and quadruple modes. Laboratory measurements were conducted to study the performance of the azimuthal acoustic receiver sonde for a downhole tool, and the experimental results indicate that the receiver sonde provides a consistent reception performance. Individual sensors receive similar time‐domain waveforms, and their corresponding frequency bands and sensitivities are consistent within the measurement errors of around 5%. The direction of the reception main lobe is approximately parallel to its exterior normal direction. In addition, a receiver subarray with three sensors receives waveforms that have higher energy and narrower beamwidths. For individual sensors, the angular width of the dominant reception lobe is 191.3^° on average, whereas that of the individual receiver subarrays is approximately 52.1^° on average. The amplitude of the first arrival received by the receiver subarray centred at the primary sensor directly pointing to the source is approximately 2.2 times the average amplitude of the first arrivals received by the other receiver subarrays in the same receiver station. Thus, the maximum amplitude of the waveforms received by the receiver subarrays can be used to determine the direction of the incident waves. This approach represents a promising method for determining the reflector azimuth for acoustic reflection logging and three‐dimensional acoustic logging.