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...     

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.

     

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.     

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.     

基于电阻率敏感性函数的随钻电磁波测井探测特性研究

为研究地层电性变化时不同区域对电磁波测井响应的贡献分布,从响应信号对地层参数求偏导的角度,给出一种新的电阻率敏感性函数定义,引入模式匹配法对纵向成层、径向非均匀介质敏感性分布进行快速模拟;通过对敏感性函数纵、横向积分给出了单发双收线圈系纵、横向探测范围,研究了井眼、频率、背景地层电阻率等对探测特性的影响.结果表明：敏感性函数能够定量表征响应对地层纵向与径向微观与宏观敏感性,幅度比与相位差敏感性分布形态类似,幅度比较广较深,而相位差分辨率高,敏感范围小;敏感性函数进行径向积分后可表征仪器的探测深度,与伪几何因子对比达到了同样的效果;背景地层电阻率在1~100 Ωm变化时,工作频率2 MHz下幅度比探测深度约为0.6~2.3 m,相位差为0.3~0.8 m,幅度比50%纵向积分敏感性层厚约为0.3~1.6 m,相位差约为0.2~0.6 m;异常体与背景地层电阻率对比度在1~50变化时,引起的探测深度与敏感性层厚差异约为0.1~0.2 m,远小于地层电阻率的影响.

     

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.     

超深随钻方位电磁波测井探测特性及参数敏感性分析

本文给出超深随钻方位电磁波测井的仪器天线设计及探测模式信号定义;分析各探测模式的探测性能及对地层电阻率、倾角及各向异性的表征能力;定义方位角、井斜角及地层电阻率的敏感性函数,定性分析不同模式对地层参数的敏感性.研究结果表明,超深随钻方位电磁波测井各探测模式具有不同探测特性,探测模式Ⅰ利用对称设计识别地层边界,消除井斜角...     

三维随钻反射声波成像测井的数值模拟

采用有限差分方法对基于圆弧片状声源和接收器的三维随钻反射声波成像测井进行模拟, 研究了反射信号的幅度、相位等参数随方位和源距的变化规律, 着重分析了利用该方法在水平井中对地层界面进行探测的可行性.研究结果表明, 钻铤的存在使得圆弧片状声源能够向固定方位辐射声场, 其主瓣三分贝角宽窄, 旁瓣级低, 向目的方位辐射的纵波场的幅度约为传统环状声源的0.6倍, 适用于三维随钻反射声波成像测井;对于本文计算的井孔模型, 反射波信号约为井孔导波信号的1/100;随着源距的增加, 反射纵波幅度逐渐减小, 转换波(P-SV、SV-P)的幅度先增加后减小, 反射SV波的幅度增加, 建议在实际应用中, 选择合适源距的波形进行处理, 并对其他非目的波动进行压制, 以期获得更好的成像效果.本文模拟了在水平井中对地层上下界面进行探测的例子, 结果显示, 反射波纵波信号有较好的方位分辨率, 能够准确获得井外波阻抗不连续界面的方位, 而且对上、下界面的成像互不影响.     

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.     

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.     

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.     

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.

     

含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究

地层横波波速测量以及各向异性评价是目前随钻声波测井应用及方法研究的难题之一.针对这些问题,本文试图从钻铤上的偏心点声源在各向异性地层中的响应出发,寻求和探讨解决方案.我们基于三维有限差分模拟的随钻测井信号,研究了偏心点声源在水平横向各向同性（HTI）慢速地层井孔中激发声波传播规律,研究结果表明：在HTI地层中偏心点声源能够同时激发出快、慢两种波形,并且此两种波形中主要分别包含快、慢弯曲波,由于与钻铤波的耦合作用,其速度总是分别小于地层快、慢横波波速,所以无法直接用于地层横波波速的测量.但根据进一步的灵敏度分析可知当在3 kHz以上时,它们的相速度分别对地层参数水平和垂直剪切模量（c₆₆和c₄₄）最为敏感.基于此特性,本文提出一种基于解析近似解的最小二乘拟合法,能够通过快、慢波频散曲线反演地层横波波速,所测值误差小于3%,并且具有很好的容错率和稳定性;进而由横波速度反演值评价地层各向异性大小.最后,地层快横波偏振方位可以利用垂直于偏心声源方向的偶极采集的信号能量变化曲线来获取.

     

双声源激发随钻测井声电耦合波理论模拟

随钻单极源声波测井中,由于钻铤模式波的干扰而使地层纵波速度的测量变得困难.孔隙地层的声电转换物理效应给我们提供了通过测量转换电信号实现声学参数测量的可能性.针对随钻声电测井,采用Pride声电耦合方程组描述井外孔隙地层的声电耦合波场,考虑随钻环境条件下的边界条件,采用实轴积分法计算出了随钻声电测井瞬态响应的波场.计算结果表明,声电转换比与电缆声电测井量级相同,也说明随钻环境下声电效应是可应用的.但是,从得到的电场波形图中可以观察到,钻铤模式波成分虽有压制,但仍然存在.为了削弱钻铤模式波,鉴于钻铤的声波速度已知,我们尝试利用双发射源测井方法,通过控制源间距及合适的发射延迟时间对钻铤模式波进行进一步压制.结果表明,采用双源后的井内转换声场和电场波形中,钻铤模式波被有效地抑制,残余钻铤波的相对振幅明显减小,压制效果在电场波形中尤为明显,地层波的信噪比显著增强,有利于地层纵波速度的提取.