An effective data processing flow for the acoustic reflection image logging

Recent studies have revealed the great potential of acoustic reflection logging in detecting near borehole fractures and vugs. The new design of acoustic reflection imaging tool with a closest spacing of 10.6m and a certain degree of phase steering makes it easier to extract the reflection signals from the borehole mode waves. For field applications of the tool, we had developed the corresponding processing software: Acoustic Reflection Imaging. In this paper, we have further developed an effective data processing flow by employing multi‐scale slowness‐time‐coherence for reflection wave extraction and incorporating reverse time migration for imaging complicated subtle structures with the strong effects of borehole environment. Applications of the processing flow to synthetic data of acoustic reflection logging in a fractured formation model and interface model with fluid filled borehole generated by 2D finite difference method, and to the physical modelling data from a laboratory water tank, as well as to the field data from two wells in a western Chinese oil field, demonstrate the validity and capability of our multi‐scale slowness‐time‐coherence and reverse time migration algorithms.     

声波测井仪器的等效理论及其应用(英文)

在处理实际声波测井模式波数据或用模式波的反演地层参数时,必须考虑测井仪器对频散模式波传播的影响。本文介绍了一种用具有等效弹性模量的圆柱体来模拟声波测井仪器的等效理论,并将该理论推广应用到电缆、随钻多极子声波测井。在波长大于仪器半径的前提下,将井中的多极子声场与该等效仪器模型进行声导纳/阻抗匹配,便可导出这一理论。通过数值模拟和现场资料对该理论的有效性和实用性进行了验证,验证结果证明该理论既简单又足够精确。利用该理论模型处理实际资料时,通过调整仪器等效弹性模量和半径在给定频段标定仪器的影响,而不必考虑仪器的具体材料和结构。本文以电缆偶极子声波测井现场资料的频散校正为例,进一步证明了该等效理论处理现场资料的准确性和高效性。     

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.     

随钻条件下井旁界面声电效应的辐射电磁波响应特征

孔隙地层中存在着动电耦合现象,弹性波作用在声阻抗或者电化学性质差异地层会产生辐射电磁波.本文探讨了随钻条件下,利用孔隙地层中的动电耦合效应探测井旁地质体的可行性.为此模拟了井外存在声阻抗差异和电化学差异界面时声波诱导的辐射电场响应特征.求出柱坐标下介质中声场和电场函数表达式,由此计算并比较了均匀介质和弹性差异界面情况下井中接收到的电场.发现随钻条件下,井外的弹性差异界面会产生以光速传播的辐射电磁波.该电磁波反映了井外地质信息,并先于井中直达声波的伴随电磁场到达接收器,因而可以直接观测到.此外,还发现界面辐射电磁波可以用来探测油、水等电化学性质差异大而弹性阻抗差异小的界面;声源频率以及界面两侧地层性质差异程度是辐射电磁波幅度的影响因素.     

倾斜地层中的井孔声场研究

研究声波在倾斜充液井孔中的传播对于声波测井数据处理和解释具有重要意义.应用三维交错网格有限差分方法模拟了处于倾斜各向同性分层地层中的井孔声场.首先,针对均匀地层中单极子声源在裸眼井中激发的声场,将有限差分的结果和实轴积分法的结果进行对比验证.然后,采用单极子和偶极子两种声源,针对地层分界面和井轴间的不同倾角,计算了相应的声场分布和井轴上的接收波形.数值计算的结果表明,当声源处于倾斜分界面以下,即处于快速（下方）地层,接收器处于倾斜分界面以上（慢速）地层时,随着地层倾斜角度的加大,测得的慢度值从接近上方慢速地层值逐渐减小直至接近下方快速地层的值.任何源距情况下测得的首波慢度均小于上方地层实际的纵波慢度.并且,慢度与源距的关系曲线随源距的加大逐渐平缓.用偶极子声源激发得到的横波慢度与纵波结果相同,并表现得比纵波对倾角的改变更敏感.上述结论在本文中用声场快照和利用合成接收波列的慢度计算得以清楚显示,并且用射线声学理论验证.     

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.     

层状各向异性地层中三维感应测井响应快速计算及资料处理

本文采用广义反射系数法推导了水平层状各向异性地层中电磁场的积分解析解,并利用快速汉克尔变换技术实现了三维感应仪器测井响应的快速计算.三维感应测井响应与地层水平电导率、垂直电导率和井斜角及仪器方位角同时有关,单一分量的测井曲线不能满足资料解释的需要.通过对仪器测量分量响应特征的考察,本文提出了一种基于组合量测井曲线的资料直观解释方法.数值模拟显示,交叉分量相关组合量可准确划分地层纵向边界,并可直观识别各向异性层;与单独分量相比,主分量相关组合量提高了纵向分辨率、减弱了与地层电导率参数的非线性关系.     

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...     

井中声电转换波场辐射能量定量分析

井中声激发极化效应研究是实现声激发极化测井实用化的技术基础,实质上是声波在双相孔隙介质中向电磁波的转化,其结果就是形成井中声电转换波场,最终表现为井中声场辐射能向电磁场能的转化.通过对双相孔隙介质中声激发极化过程声电转换波场能量的理论分析,研究了井中声电转换波场能量的总体构成,提出了井中低频声激发极化电场电能体密度的概念,并推导出具体表达式.通过采用实际地层参数模型进行井中低频声激发极化电场的模拟计算得到了井中低频声激发极化过程中电能体密度与声波频率与地层参数的相关关系.     

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3.5kHz降为2.5kHz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.     

Fracture identification based on remote detection acoustic reflection logging

Fracture identification is important for the evaluation of carbonate reservoirs. However, conventional logging equipment has small depth of investigation and cannot detect rock fractures more than three meters away from the borehole. Remote acoustic logging uses phase-controlled array-transmitting and long sound probes that increase the depth of investigation. The interpretation of logging data with respect to fractures is typically guided by practical experience rather than theory and is often ambiguous. We use remote acoustic reflection logging data and high-order finite-difference approximations in the forward modeling and prestack reverse-time migration to image fractures. First, we perform forward modeling of the fracture responses as a function of the fracture–borehole wall distance, aperture, and dip angle. Second, we extract the energy intensity within the imaging area to determine whether the fracture can be identified as the formation velocity is varied. Finally, we evaluate the effect of the fracture–borehole distance, fracture aperture, and dip angle on fracture identification.     

逆时偏移在声反射成像测井中的应用方法研究

声反射成像测井中常用的基于射线理论的Kirchhoff积分偏移算法和基于单程波理论的F-K偏移算法均可实现井旁缝洞反射体的快速偏移成像,但其仅适用于地层垂向变化较弱的速度场和高陡角裂缝的偏移成像,无法实现低角度反射体的准确偏移归位,产生偏移假象误导测井解释.逆时偏移基于全波动方程,可适应强垂向变化速度场,实现近似水平反射体的偏移成像.本文详细分析了将逆时偏移应用于声反射成像测井时存在的数据准备、时间采样间隔匹配和成像条件改进等若干问题,通过设置多组理论模型来说明算法对井旁不同反射体的识别能力.模拟资料和实际资料处理结果证实,较F-K偏移算法,逆时偏移算法成像精度更高、收敛性更好,可有效实现近似水平构造偏移归位.改进的归一化互相关成像条件可解决深部地层的远井壁成像衰减问题,降低测井解释的多解性.逆时偏移将成为声反射成像测井高精度偏移技术的发展方向.     

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.     

Study on the simulation of acoustic logging measurements in horizontal and deviated wells

The conventional acoustic logging interpretation method, which is based on vertical wells that penetrate isotropic formations, is not suitable for horizontal and deviated wells penetrating anisotropic formations. This unsuitability is because during horizontal and deviated well drilling, cuttings will splash on the well wall or fall into the borehole bottom and form a thin bed of cuttings. In addition, the high velocity layers at different depths and intrinsic anisotropy may affect acoustic logging measurements. In this study, we examine how these factors affect the acoustic wave slowness measured in horizontal and deviated wells that are surrounded by an anisotropic medium using numerical simulation. We use the staggered-grid finite difference method in time domain (FDTD) combined with hybrid-PML. First, we acquire the acoustic slowness using a simulated array logging system, and then, we analyze how various factors affect acoustic slowness measurements and the differences between the effects of these factors. The factors considered are high-velocity layers, thin beds of cuttings, dipping angle, formation thickness, and anisotropy. The simulation results show that these factors affect acoustic wave slowness measurements differently. We observe that when the wavelength is much smaller than the distance between the borehole wall and high velocity layer, the true slowness of the formation could be acquired. When the wavelengths are of the same order (i.e., in the near-field scenarios), the geometrical acoustics theory is no longer applicable. Furthermore, when a thin bed of cuttings exists at the bottom of the borehole, Fermat's principle is still applicable, and true slowness can be acquired. In anisotropic formations, the measured slowness changes with increments in the dipping angle. Finally, for a measurement system with specific spacing, the slowness of a thin target layer can be acquired when the distance covered by the logging tool is sufficiently long. Based on systematical simulations with different dipping angles and anisotropy in homogenous TI media, slowness estimation charts are established to quantitatively determine the slowness at any dipping angle and for any value of the anisotropic ratio. Synthetic examples with different acoustic logging tools and different elastic parameters demonstrate that the acoustic slowness estimation method can be conveniently applied to horizontal and deviated wells in TI formations with high accuracy.     

各向异性双相介质中多极源声波测井理论研究

将各向异性地层模拟为横向各向同性双相介质 ,使其对称主轴与井孔中心轴线相垂直 .本文针对井孔模型下的多极源声波测井问题提出了一种解析的摄动方法 .将各向异性双相介质看作是由对应的各向同性双相介质加上摄动部分而组成 ,并引入 5个关于弹性模量偏离各向同性时的摄动量 ,对对称主轴与井轴垂直的各向异性双相介质的多极源声波测井问题进行了系统的理论研究和分析 ,严格求解了井孔内外的零级和一级近似声波场 .发现在n级多极源激发下 ,井孔中不仅出现n级多极声场 ,而且还能激发出与各向同性地层时不相同的高于和低于n级的多极声波场     

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.     

斯通利波和弯曲波联合反演地层VTI各向异性的阵列声波处理方法

利用声波测井获取地层各向异性已成为储层油气评价的一项重要的课题.本文提出了一种单极和偶极振型联合反演地层各向异性的阵列声波处理方法,采用VTI（vertical transversely isotropic）介质斯通利波和弯曲波频散特征,分频段联合求取各向同性面内剪切模量,反演精度相比于传统方法得到了提高;研究了一种同时适用于单极和偶极声波测井的仪器标定方法,消除了仪器对井孔声传播的影响.通过对数值模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.本文工作为利用阵列声波测井资料评价横观各向同性地层中横波速度的各向异性提供了有效的处理方法.     

径向分层TI孔隙介质井孔中激发的模式波的数值研究

横向各向同性介质是地层中普遍存在的一种各向异性介质.本文对径向分层TI孔隙介质包围井孔中激发的斯通利波和弯曲波的传播特性进行了理论计算,发现模式波在低频时更多的是反应原状地层的信息,而随着频率的增加侵入带参数逐渐起控制作用;Biot理论描述的地层衰减比速度更容易受井壁附近地层参数的影响.利用灵敏度曲线定量研究了不同频率下地层各个参数对相速度和衰减系数的贡献大小,主要结果显示模式波的衰减受水平渗透率影响明显,而垂直渗透率的变化对模式波几乎无影响;斯通利波对水平向传播的横波速度比弯曲波的灵敏度高.从单极子和偶极子声源在井孔中激发的全波波形也可发现,声波测井仪器较宽的声源频带和合适的源距设置有利于对不同径向深度上的地层声学参数进行成像.     

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.     

各向异性双相介质中多极源声波测井理论研究

将各向异性地层模拟为横向各向同性双相介质 ,使其对称主轴与井孔中心轴线相垂直 .本文针对井孔模型下的多极源声波测井问题提出了一种解析的摄动方法 .将各向异性双相介质看作是由对应的各向同性双相介质加上摄动部分而组成 ,并引入 5个关于弹性模量偏离各向同性时的摄动量 ,对对称主轴与井轴垂直的各向异性双相介质的多极源声波测井问题进行了系统的理论研究和分析 ,严格求解了井孔内外的零级和一级近似声波场 .发现在n级多极源激发下 ,井孔中不仅出现n级多极声场 ,而且还能激发出与各向同性地层时不相同的高于和低于n级的多极声波场