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.     

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.     

横向各向同性地层中随钻声波测井模式波分析

针对横向各向同性地层随钻声波测井模型,通过模式分析的方法,考察了快速地层和慢速地层井孔内随钻单极子、偶极子和四极子声源激发的斯通利波、弯曲波和螺旋波的相速度频散和激发强度特征,计算了这些模式波对于地层弹性常数的灵敏度,并与电缆测井中的情况进行了比较.结果表明:随钻斯通利波在低频时对地层弹性常数中c66的灵敏度较电缆测井中有了很大提高,可用于反演地层水平向横波速度;随钻偶极子最低阶弯曲波在低频时不能用于直接获取地层横波信息,但在慢速地层中频率较高(例如6 kHz)时却可以间接得到地层垂直向横波速度;随钻四极子螺旋波的特征与电缆测井中的类似,可用于获取地层垂直向横波速度.     

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     

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     

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.     

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     

横向各向同性地层随钻多极子测井声场的分波分析与特性研究

随钻声场在各向异性地层中的传播一直是随钻声波测井的重要课题.该问题中钻铤与井孔和地层的相互作用极大地影响着声场,特别是系统中的模式波的传播特征.因此,本文采用分波计算法来详细地研究在横向各向同性（VTI）地层中随钻多极子声波的传播规律,将声场全波分解成来自波数域中的奇异点（包括支点和极点）的分波的贡献,以此模拟分析了声场中各个分波的传播特征,包括模式波在频域中的频散、激发响应及时域中的分波波形.结果表明：在快速VTI地层中,钻铤的存在使得单极伪瑞利波和二阶四极地层螺旋波的频散大为降低,可以此来测量地层垂直向横波速度;慢速VTI地层中仅存在单一四极地层螺旋波,其低频速度为地层垂直向横波速度.值得注意的是,在各向异性参数满足δ>ε+c₄₄/2c₃₃的地层中,上述模式波的低频截止速度均小于地层的垂向横波速度,这一结果与已知的裸眼井情况一致.

     

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...     

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.

     

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.

     

随钻四极横波测量的数据驱动频散处理方法

针对随钻四极横波测量中的频散效应,本文采用了一种数据驱动的频散处理方法.根据四极子声波频散数据计算慢度概率密度及其拟合函数,再对该函数寻边确定实际地层的横波慢度.该方法在对理论模拟数据及现场随钻测井数据处理中均取得了良好的应用效果,为随钻四极子横波测井提供了一种快速有效的处理方法.

     

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.     

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.

     

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.     

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3.5 kHz降为2.5 kHz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.     

智能导钻井下随钻单芯总线信道特征及接口驱动

随钻总线系统实时收集上传井下随钻测井数据与钻井工程参数以及下达地面控制命令,通过井地传输系统,实现地面与井下之间的数据与命令交换,形成钻井控制大闭环,是完成智能导钻的关键技术环节.本文从随钻单芯总线的信道特征、总线电路及其等效模型几方面介绍智能导钻井下随钻单芯总线系统,总结了总线的最佳工作频率及负载特征,分析了总线接口的简单可靠的驱动方法,通过电路测试,验证其可靠性.研究发现单芯总线信道的特征阻抗随分布参数变化很大,导致仪器横卧与竖立状态下,通信信道特性明显不同,本文根据信道特性变化规律,避开敏感频带,并将信道特征转换成等效电路模型,进一步明确了总线系统正常工作的参数设置方法.设计的总线系统已开展井下实钻试验连续工作3口井,累计工作时间超过270 h,累计钻进5300 m以上,未发现故障,系统工作稳定.