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.     

井孔声场的本征模及其在分层介质井孔声场计算中的应用

研究无穷大介质中的井孔本征模问题．从有限半径的波导出发,分析半径无限增大的极限情况,证明无穷大介质中的井孔有离散和连续两类本征模,组成正交完备基．进而应用它们分析计算分层介质中井孔的声场,算得孔外分层介质在孔内产生的反射波．     

井孔声场的本征模及其在分层介质井孔声场计算中的应用

研究无穷大介质中的井孔本征模问题．从有限半径的波导出发,分析半径无限增大的极限情况,证明无穷大介质中的井孔有离散和连续两类本征模,组成正交完备基．进而应用它们分析计算分层介质中井孔的声场,算得孔外分层介质在孔内产生的反射波．     

充液井孔中的相控线阵声波辐射器在地层中产生的声场

应用有限元法研究了充液井孔中的相控线阵声波辐射器在井外地层中产生的声场,探讨了增强声源向地层的某一特定方向辐射的声波能量的方法. 采用相控线阵声波辐射器并调节其参数可以控制由充液井孔向地层中辐射的声波能量的方向,使声源向地层中的某个特定方向辐射的纵波能量得到明显提高. 在井间地震勘探和反射声波成像测井等领域中应用相控线阵声波辐射器,将有利于增大探测深度、提高探测分辨率和接收信号的信噪比.     

利用高阶交错网格有限差分法模拟地震波在非均匀孔隙介质中的传播

烃类储集层是一种复合多相介质，在固体颗粒的空隙中含有气体或液体. 研究弹性波在该类地层中的传播规律对于油气勘探开发，特别对于全波列声波测井有重要意义. 为了提高孔隙弹性介质数值模拟的计算效率，本文采用改进显式交错网格有限差分算法取代常用的空间域四阶和时间域二阶的速度 - 应力有限差分算法，算法的空间域为八阶、时间域为二阶. 虽然计算的时间步长略小于空间域四阶的情形，但高阶有限差分算法可以选择较粗糙的网格，因此补偿了计算的低效；同时高阶交错网格有限差分算法的空间频散性比低阶算法小. 利用该算法计算了一个两层模型的波场，同时还模拟了等效弹性和孔隙弹性模型中波的传播. 结果表明慢波及其影响明显，尽管慢波衰减很快，但被某一界面反射后，转换形成的P波和S波仍以正常的方式传播，且比慢波衰减小.     

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.     

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.     

基于变换光学有限差分探地雷达数值模拟研究

在采用有限差分方法开展探地雷达复杂目标体精细结构模拟时,为了提高计算精度,常采用非均匀网格对目标区域划分小尺寸的网格,以压制离散网格频散现象和保证有限差分方法的稳定性.常规非均匀网格和自适应亚网格技术在网格剖分数量和粗细网格边界处理上难以达到计算效率和计算精度的均衡.本文根据隐形斗篷(invisible cloak)理论,将基于变换光学(Transformation optics)理论应用于有限差分探地雷达数值计算中.该理论的主要思想是基于目标参数变化而保持电磁场的传播不变性,在坐标变换后,Maxwell方程的形式可以维持不变,而使得相对介电常数与磁导率的表达式变得复杂.通过这种方式可以虚拟地扩大目标体所占的网格节点数,减少背景介质区域的网格数,不增加模型空间的网格总数.另外,这种网格划分方式不但提高了计算效率,同时也可以克服亚网格技术边界反射误差的影响.本文推导实现了基于变换光学的二维有限差分方法,通过典型探地雷达模型测试,对比分析了该方法与常规有限差分、变网格有限差分和自适应亚网格有限差分的优缺点.计算结果验证了基于变换光学的有限差分可用于探地雷达目标精细结构模拟,具有较高的计算精度和计算效率.     

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.     

基于广义正交多项式褶积微分算子的地震波场数值模拟方法

地震波场模拟方法研究对于与波动现象有关的地震学问题的重要性是不言而喻的.就目前现有的各种正演算法来说,精度较高的算法（如有限元法、谱元法、高阶有限差分法等）,其计算速度较慢;计算速度较快的算法（如低阶有限差分法、付氏伪谱法等）计算精度却比较低.为了兼顾地震波场模拟的精度与速度,本文推出了一种快速的、高精度地震波场模拟方法（基于Forsyte广义正交多项式的褶积微分算子法）,该方法是以计算数学中的Forsyte广义正交多项式插值函数为基础,构建一个新的褶积微分算子,并将该算子引入到地震波动方程的一阶速度-应力方程的空间微分运算中去,采用时间交错网格有限差分算子替代普通的差分算子以匹配高精度的褶积微分算子,从而构造一种全新的地震波场数值模拟方法.该方法同时具有广义正交多项式方法的高精度和短算子低阶有限差分算法的高速度.通过对算子长度的调节及算子系数的优化,可同时兼顾波场解的全局信息与局部信息.复杂非均匀介质模型中的波场数值模拟实验证实了该方法的可行性及优越性.     

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.     

Study on 3D simulation of wave fields in acoustic reflection image logging

The borehole acoustic reflection imaging logging is a newly developed acoustic logging method that has attracted many interests. These converted and reflected waves for imaging are usually mixed up with borehole guided waves and therefore difficult to be clearly identified. To improve the downhole tool design and develop more sophisticate data processing and interpretation algorithms,studies on precisely numerical modeling of the wave fields in the acoustic reflection imaging logging are neces-sary and critical. This paper developed a parallelized scheme of 3D finite difference (3DFD) with non-uniform staggered grid and PML absorbing boundary to simulate the acoustic wave fields in isotropic and anisotropic formations. Applications of this scheme to the typical cases of isotropic and anisot-ropic formations and comparison with the results from published analytical solutions have demon-strated the validation and efficiency of the scheme. Higher accuracy and lower computation cost (3.5 times faster than the conventional schemes) have been achieved with this scheme for modeling such a complex wave fields of 60 dB dynamic range with higher frequency (10 kHz). This simulating program provides a quantitative analytical means for studying acoustic reflection imaging tool and development of the data processing and interpretation methods.     

低渗砂泥岩地层的声波测井波形特征

用于低渗砂岩油气开发的压裂需要地层的纵横波时差参数;压裂形成的人工裂缝或砂泥岩中的自然裂缝是油气流入井中的主要通道.声波测井是测量地层的纵横波时差、探测连通裂缝的有效方法.本文给出了新设计的偶极子组合声波测井仪器在低渗砂泥岩地层所测量的波形.新仪器利用声波在井内传播的固有频率设计探头,利用探头阻抗随频率的变化曲线设计匹配电路,有效地提高了声发射功率,在井下采用16位A/D转换器提高了原始波形的采样精度.测量的波形比通常的声波测井波形所含的地层信息丰富.单极子长源距声波测井波形中除了通常的纵、横波和Stoneley波外,还发现了起始于纵波首波的反射波以及随深度改变其到达时间的后续波.通过与其它测井曲线综合对比发现:其反射波与井眼扩径有关,使测量的声波时差加大;后续波在显示地层特征的同时,与横波混叠在一起,使横波时差的提取变得困难.另外,在偶极子所测量的低频波形中也发现了明显的反映地层连通裂缝的反射波,该反射波可以用于指示低渗砂岩地层中的连通裂缝.     

Experimental study of ultralong wave band for electro－magnetic signals and acoustic emission during rock fracture

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｌｏｎｇ　ｗａｖｅ　ｂａｎｄ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｎｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｆｒａｃｔｕｒｅ（曹惠馨）（钱书清）（吕...     

Shear dispersion in a fracture with porous walls

We present an analytical expression for the shear dispersion during solute transport in a coupled fracture–matrix system. The dispersion coefficient is obtained in a fracture with porous walls by taking into account an accurate boundary condition at the interface between the matrix and fracture, and the results were compared with those in a non-coupled system. The analysis presented identifies three regimes: diffusion-dominated, transition, and advection-dominated. The results showed that it is important to consider the exchange of solute between the fracture and matrix in development of the shear dispersion coefficient for the transition and advection-dominated regimes. The new dispersion coefficient is obtained by imposing the continuity of concentrations and mass fluxes along the porous walls. The resulting equivalent transport equation revealed that the effective velocity in a fracture increases while the dispersion coefficient decreases due to mass transfer between the matrix and fracture. A larger effective advection term leads to greater storage of mass in the matrix as compared with the classical double-porosity model with a non-coupled dispersion coefficient. The findings of this study can be used for modeling of tracer tests as well as fate, transport, and remediation of groundwater contaminants in fractured rocks.     

含孔隙、裂隙致密介质中多极子声波的传播特征

非常规油气藏（如致密性地层及蕴藏油气的页岩地层）的重要特征是低孔、低渗,但裂隙或裂缝比较发育.为满足非常规勘探的需求,本文将孔、裂隙介质弹性波传播理论应用于多极子声波测井的井孔声场模拟,重点研究了致密介质中裂隙发育时多极子声波的传播机理以及衰减特征.井孔声场的数值计算结果表明裂隙的存在明显改变了弹性波和井孔模式波的频散、衰减和激发强度,尤其是井壁临界折射纵波的激发谱的峰值随着频率的增加逐渐降低,这与应用经典的Biot理论下的计算结果相反,且裂隙的存在也使得饱含水和饱含气时临界折射纵波激发强度的差异变大.井孔模式波的衰减与地层横波衰减和井壁流体交换有关,井壁开孔边界下致密地层裂隙发育还使得井孔斯通利波和艾里相附近的弯曲波对孔隙流体的敏感性增强,在井壁闭孔边界条件下引起井孔模式波衰减的主要因素是裂隙引起的地层横波衰减造成的,且在截止频率附近弯曲波的衰减与地层的横波衰减一致.数值计算结果为解释非常规油气地层的声学响应特征提供了参考.     

临潭-宕昌断裂3次中强地震活动与兰州钻孔倾斜观测趋势性变化特征分析

通过分析2001年10月~2015年5月兰州钻孔倾斜观测资料的变化趋势,发现由于仪器安装时未安装底座托盘而造成观测资料存在长期的趋势性漂移。利用抛物线函数对兰州钻孔倾斜观测资料进行趋势拟合后发现,临潭-宕昌断裂3次中强地震发生前兰州钻孔倾斜观测资料的拟合残差存在着一定的异常变化,因此认为兰州钻孔倾斜观测有可能较好地反映临潭-宕昌断裂的中强地震活动。     

非轴对称套管井中声场的并行有限差分模拟

本文提出了一种用于模拟非轴对称套管井中扇区水泥胶结测井100 kHz 3维瞬态声场的并行算法.采用时域有限差分方法,以及非裂化的完全匹配层吸收边界条件,基于信息传递接口(MPI)并行环境,在计算机集群上实现并行计算.对内边界上的差分方程进行参数平均处理,提高了计算稳定性.通过在轴对称情况下将有限差分模拟结果与实轴积分法计算结果对比,验证了方法的正确性.使用并行有限差分算法,模拟了水泥环有不同大小和在不同方位缺失时非轴对称套管井中8扇区的扇区水泥胶结测井仪的测井波形,并分析了套管波幅度随水泥缺失-换能器夹角的变化.根据模拟和分析结果,得到了非轴对称套管井中新的声场传播规律,并建议了一种用于反演水泥缺失大小和方位的方法.     

套管井声波全波列中地层波的幅度特性

套管井声全渡中的地层波可以检测固井第二界面的水泥胶结质量状况.地层波不仅受地层衰减、套管波干扰等因素影响,更主要受第二界面两侧的声阻抗差值的影响.为此,基于固体介质的声势函数和界面的边界条件,推导了固-固界面纵横波的反射系数和透射系数,以及第一临界角入射情况下反射系数和透射系数的近似公式,并且分析了透射系数与声阻抗之间的关系.数值计算结果发现,地层波幅度随第二界面两侧声阻抗差增大而减小,且这种关系是非线性的.基于临界入射的透射系数,对经过衰减校正和干扰校正的地层波进行声阻抗校正,消除地层声阻抗对地层波幅度影响.使用地层波幅度评价第二界面的水泥胶结状况,并在实际资料处理中见到了好的效果.