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.     

贴井壁声波测井仪的有限差分模拟研究

贴井壁声波测井仪在石油勘探开发中具有广泛的应用.它能够避开泥浆的影响而直接检测井壁附近的地层性质.但目前对此进行的数值模拟研究还仅局限于比较简单的模型.有限差分法可以模拟比较复杂的井眼模型,然而贴井壁声源的频率较高（80kHz左右）,使有限差分法计算量过大.本文应用局部加密交错网格有限差分方法解决了这类数值模拟中计算精度和计算量之间的矛盾.用这种算法模拟了井中有仪器时贴井壁声源激发的声场,并将其与无仪器时的声场作了比较.对模拟结果的验证和分析显示,该有限差分方法能够正确模拟贴井壁声源激发的声场.通过考察井中仪器本体对贴井壁声源激发声场的影响发现,测井仪器本体能够对直达波进行衰减而对环绕井壁传播的面波影响不大.     

深度均匀采样梯形网格有限差分地震波场模拟方法

由于重力引起的岩石压实效应,一般来说,地震波传播速度由浅入深整体逐渐增大.梯形坐标系设计可耦合速度由浅入深逐渐增大的变化,该坐标系中均匀网格采样所对应的物理直角坐标系网格由浅入深逐渐增大,也即浅部低速区对应细网格,深部高速区对应粗网格.在梯形坐标系表征波动方程后利用有限差分求解,本文实现一种深度均匀采样、横向采样间隔随深度增加逐渐线性增大的有限差分地震波模拟方法.梯形坐标系波动方程离散后,仍采用常规均匀网格有限差分算法对其求解.由于横向网格大小由浅入深线性增加,本方法可避免不同大小网格区域过渡所产生的虚假反射.梯形坐标系波场模拟浅层精度高,深层横向响应范围广,可有效减少有限差分网格数量.本文提出的方法是在更广义的坐标系下利用有限差分求解波动方程,正交坐标系仅为该梯形坐标系之特例.本文旨在为大速度动态范围深地高效高精度地震波场模拟提供一种思路.

     

基于变网格高阶有限差分的鬼波数值模拟研究

由于海洋地震资料采集过程中电缆和震源沉放于海面以下几米至十几米深度,同时,薄夹层厚度也从几米到几十米变化,要准确模拟沉放深度即薄夹层对地震波场的影响,差分网格剖分须小于最小变化深度和厚度,全模型小网格模拟将急剧加大有限差分模拟计算量.通过均匀模型大网格与小网格模拟波场对比表明二者存在微小的相位差异,小网格模拟结果对于小...     

基于PML边界条件的高倍可变网格有限差分数值模拟方法

非均匀介质一般为多尺度介质,对非均匀介质进行正演模拟需要多尺度的网格剖分.碳酸盐岩缝洞介质的尺度一般为厘米级甚至毫米级.使用有限差分方法对其进行精细模拟需要差分步长达到缝洞介质的尺度.为了提高有限差分数值模拟方法的精度和效率,使之可以应用于非均匀介质的正演模拟,本文推导了基于PML边界的空间和时间步长同时变化的高倍数可变网格差分格式,步长变化倍数可以达到百倍以上.并且在一般意义的变网格算法的基础上,改进了变网格算法的网格剖分方式,进一步减小了精细尺度模型数值模拟的内存消耗.数值试验表明,该方法可以精细描述毫米尺度的地质体,提高有限差分方法模拟精度,同时也节约了内存,提高了模拟效率.     

旋转时空双变网格有限差分地震波场正演模拟

在交错网格有限差分算法中,模型网格剖分原则与正演计算效率密切相关.当模型存在小型非均质体或者低降速层等情况,为保证精度,满足稳定性条件,需缩小网格步长,导致局部过采样,计算效率低下.为保证模拟精度的同时保持高计算效率,通常采用变化的空间网格与时间步长相结合的高阶有限差分模拟方法对波场进行模拟.然而,时空双变算法存在着交错网格固有缺点,在模拟非均匀性较强的复杂介质波场传播时,需对介质参数进行平均或内插.同时,该算法在空间与时间上的变网格实现极为复杂.为压制变网格引起的虚假反射,提升模拟精度和计算效率,本文在时空双变网格算法的基础上,采用旋转差分角度的方式,提出了旋转时空双变交错网格算法.该方法既保留了旋转网格和双变网格的优势,又简化了时空双变算法流程,更利于推广和应用.

     

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.

     

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.     

一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵随钻声波测井辐射器

随钻三维反射声波成像测井技术可以实时地对井周围的地层构造和地质体进行成像,为地质导向钻井提供必要的信息,是下一代声波测井技术的发展方向.针对该项技术,提出了一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵声波测井辐射器,推导了该辐射器的声学性能在波数-频率域的数学描述,并采用了实轴积分的方法对该辐射器在无限大液体、井旁地层中产生的波场进行了求解.研究结果显示,无论在无限大液体中还是在充液井孔内,该声源均可以向任意方位定向辐射能量,其水平指向性图主瓣明显,旁瓣级低,具有较高的方位分辨率;相控阵技术能够使得即使在较低的频率下,该声源辐射的声场仍具有较好的方位特征;与传统的单极子反射成像技术相比,有希望利用该声源发展一种具有较好的方位分辨能力和更深径向探测深度的随钻反射成像测井方法;与偶极子反射成像技术相比,采用该声源可以在周向上360°范围内确定反射体的方位,能够消除井旁地层界面方位测量的多解性.     

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...     

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.     

一种刻槽式随钻声波测井隔声体的理论与实验研究

隔声体的设计与效果评价对随钻声波测井仪器的研发至关重要.针对刻槽式隔声体结构,利用数值模拟的方法分析了钻铤波在其传播过程中隔声阻带形成、拓宽并达到稳定的物理过程.在此基础上优化设计并加工了一种可用于随钻声波测井实验样机的刻槽式隔声体.在实验室内利用声波频率扫描方法测量了该隔声体的钻铤波声衰减,并进一步在实验井中测试验证了隔声体在井孔中工作时的隔声效果.最后,开展了随钻测井环境下的现场实验,测到了高质量的地层波信号和对应的纵波时差.理论分析和实验对比研究结果表明,刻槽隔声体有效地降低了钻铤直达波的干扰.本文的工作为随钻声波测井刻槽式隔声体的设计及评价测试提供了一套系统的理论及实验方法.     

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.     

随钻四极子声波测井仪在充液圆槽中的波场研究

实验室建立随钻四极子声波测井仪测试规范,对仪器的研制具有重要意义．本文采用三维有限差分方法研究了随钻四极子仪器在闭合及开口充液圆管中的波场,分析了各种分波及其频散特征,提出了采用随钻四极子0阶模式管波进行仪器标定的方法．深入分析了随钻四极子声波测井仪器在开口圆槽不同方位的四极子阵列信号及合成信号的差异,认为圆槽的开口角越小,越有利于提高管波信号的幅度．根据理论模拟结果设计了随钻四极子测井仪器标定圆槽,并在充液圆槽中进行了实验研究．实验观测到了随钻四极子0阶模式管波信号,其慢度值约为1125μs/m,与理论计算结果有很好的一致性．该方法为随钻四极子声波测井仪实验室标定方法提供了思路．     

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.     

三维交错网格有限差分地震波模拟的GPU集群实现

有限差分实现简单、速度快,作为地震波场模拟一种有效数值方法,被广泛用于正演计算密集的波形反演和逆时偏移中.三维地震波正演模拟计算量大,一直以来制约着三维叠前逆时偏移和反演的工业化应用,GPU通用计算技术的产生及其内在的数据并行性有望改变这一现状.本文通过分析三维交错网格有限差分方法在GPU上的实施,利用片内共享存储器实现了三维地震波数值模拟的高效算法,取得了较单核CPU快79x～108x的加速比;通过区域分解技术将单GPU上不能计算的地质体模型沿Z轴方向进行粗粒度分解,采用消息传递接口交换边界数据,运用MPI+CUDA的方式实现了大尺度三维地震波场模拟,并着重分析了影响GPU并行计算效率的一些关键因素.大尺度三维地震波场模拟的加速实现,为促进叠前逆时偏移和波形反演技术的工业化转化提供了可能,因此具有重要的研究意义.     

交错网格有限差分和随机过程模拟强震地面运动比较

利用三维交错网格有限差分技术和随机过程两种方法,对同一场地模拟强震地面运动, 比较和分析两者得到的加速度时程曲线及反应谱之间的差异. 结果表明, 前者模拟的地震波低频成分比较多,后者高频成分较多;而且三维交错网格有限差分的模拟结果,能够较好地反映盆地放大效应.      

各向异性介质弹性波传播的三维不规则网格有限差分方法

提出一种新的三维空间不规则网格有限差分方法,模拟具有地形构造的非均匀各向异性介质中弹性波传播过程. 该方法通过具有二阶时间精度和四阶空间精度的不规则交错网格差分算子来近似一阶弹性波动方程,与多重网格不同,无需在精细网格和粗糙网格间进行插值,所有网格点上的计算在同一次空间迭代中完成. 针对具有复杂物性参数和复杂几何特征的地层结构,使用精细不规则网格处理粗糙界面、断层和空间界面等复杂几何构造, 理论分析和数值算例表明,该方法不但节省了大量计算机内存和计算时间,而且具有令人满意的稳定性和精度.     

随钻四极源声波测井多模式采集测量TTI地层各向异性的研究

本文应用三维柱坐标时域有限差分方法模拟了多极子随钻声波测井的波场,提出了在横向各向同性（TI）慢速地层倾斜井中,使用四极源激发、多模式采集进行各向异性参数反演的方法.模拟结果表明：在强各向异性地层大角度倾斜井中使用四极源能够激发出多极模式波,并且井孔内的声场会随着声源方向角β（声源方向和快横波偏振方向的夹角）的改变而发生变化.使用四极子采集方式记录时,可以发现波形会分裂成快慢两种波;并且在声源方向与地层快横波偏振方向成45°时,分裂的两种波形的速度更趋近于地层快慢横波波速,用此可反演地层各向异性值大小.使用单极子采集方式记录时,其波形能量与声源方向角β大致成cos²2β的关系,在声源方向角为45°时,其波形幅度最小,用此可判断与快横波偏振方向成45°角的方向.使用AC方向（与声源同方向）偶极子采集方式记录时,当声源方向与快横波偏振方向一致时,采集到的波形幅度最小;而与快横波偏振方向垂直时,波形幅度最大,所以通过偶极子采集方式记录的波形可以判断快横波偏振方向.因此,在强各向异性倾斜井中进行随钻四极子测量时,可以使用多模式采集方式来进行地层各向异性的反演.     

用矢量有限元方法模拟随钻测井仪在倾斜各向异性地层中的电磁响应

用矢量有限元法模拟和分析了电各向异性倾斜沉积岩层的随钻测井电磁响应,为很好地模拟钻铤、井眼和激励线圈等,采用了基于圆柱坐标下的六面体剖分;同时采用了高阶叠层矢量基函数来描述每个剖分单元内的场,有利于减少剖分单元数和未知量.三维有限元程序采用数值模式匹配(当处于简单地层时)以及时域有限差分法计算的结果进行了验证,显示吻合非常好.最后仿真了不同各向异性系数和不同倾角的各向异性地层的随钻电阻率测井响应,有助于对各向异性及地层倾角的校正,以及对储层作出正确评价.