含少量气泡流体饱和孔隙介质中的弹性波

考虑孔隙流体中含有少量气泡,且气泡在声波作用下线性振动,研究声波在这种孔隙介质中的传播特性.本文先由流体质量守恒方程和孔隙度微分与流体压力微分的关系推导出了含有气泡形式的渗流连续性方程;在处理渗流连续性方程中的气体体积分数时间导数时,应用Commander气泡线性振动理论导出气体体积分数时间导数与流体压强时间导数的关系,进而得到了修正的Biot形式的渗流连续性方程;最后结合Biot动力学方程求得了含气泡形式的位移场方程,便可得到两类纵波及一类横波的声学特性.通过对快、慢纵波的频散、衰减及两类波引起的流体位移与固体位移关系的考察,发现少量气泡的存在对快纵波和慢纵波的传播特性影响较大.     

非均匀饱含黏性流体孔隙介质中声波传播及井孔声场分析

声波在饱含流体孔隙介质中的传播特性与流体的黏滞性及孔隙介质的非均匀性密切相关.本文在Biot理论基础上,考虑了孔隙流体的剪切应力及孔隙结构的非均匀性,采用含黏性流体孔隙介质中的波动理论,研究了孔隙介质中四种体波的频散和衰减特性,分析了慢横波对快纵波转换散射的影响,进一步推导了孔隙地层井孔中的模式波及其声场的解析解,研究了非均匀孔隙介质中井孔模式波和波列的特征.研究结果表明,含黏性流体孔隙介质中存在慢横波,慢横波的频散很强,其传播特征受到介质孔隙度、渗透率及孔隙流体黏度的影响.在非均匀孔隙介质中,与慢横波相关的剪切应力平衡过程不仅导致快纵波的频散和衰减,还会影响井孔伪瑞利波及斯通利波的传播特征.本文的工作完善了孔隙介质中声波传播的物理机制,为孔隙地层井孔声波的解释与应用提供了理论指导.     

多孔介质BISQ模型中的慢纵波

着重研究了多孔介质BISQ模型中慢纵波的基本特性.给出了BISQ模型下慢纵波速度 和衰减的低频近似公式.与Biot理论对比，BISQ模型中慢纵波的衰减随频率降低急剧增大， 且随喷射流长度的减小而增加；相速度随喷射流长度的减小而增加，其低频极限值不是零； 孔隙流体位移与固相骨架位移之比的幅值随喷射流长度的增加而减小，其相位特点与Biot模 型预测的不同；在流体与孔隙介质的边界上可产生更大的渗流.为对比，同时也给出快纵波 的行为.依据BISQ模型可推断：非黏滞流体饱和孔隙介质中不存在喷射流机理；BISQ模型中 关键词： 多孔介质 喷射流 慢纵波 动力协调     

声波全波测井数字记录

一、前 言 常用的补偿声波测井仪只测量声波波列中纵波的首波,而其余大量有用的声波信息没有得到利用. 声波全波测井测量的是整个声波波列.它能提供地层纵波、地层横波和诱导波的数据.从而扩大了声波测井的应用范围,并为进一步利用声波波列的其它信息提供了原始资料. 声波全波测井是一种较新而重要的测井方     

孔隙介质中快纵波的衰减特性和动力协调现象

依据Biot理论并采用前人的骨架模量孔隙度关系,计算了弹性波在孔隙介质中的衰减曲线,发现快纵波存在零衰减点.为解释这种现象,分析了孔隙流体相对于骨架运动的特点.结果表明,存在快纵波动力协调介质,快纵波在这种介质中传播时,流体和骨架之间无宏观相对位移,因此无论频率多高,流体粘滞系数多大,快纵波都不衰减.一个引申的结论是,在动力协调的渗透性孔隙介质中,即使存在双电层,快纵波也不产生流动电势.     

对2-2型压电复合材料横波换能器产生的纵波特性的研究

在固体测量中，横波换能器所产生的波列中常伴随有纵波，认识纵波产生的原因可以解释横波测试中出现的现象，以及抑制纵波提供有效的方法，本文利用实验研究的方法，用一对纵波偶极子换能器的对比实验，分析了２－２型压电复合材料厚度切变换能器产生纵波的机理，发现这是一种伴随着晶片厚度切变振动而产生的“偶极子”纵波，并由此解释了这种纵波的伴随性，频率特性及其首波与横波首波位相相反等问题。     

反射声波成像测井的有限元模拟

应用有限元法对新兴的反射声波成像测井进行了数值模拟研究，计算了井旁附近存在不同倾角声阻抗不连续界面对声波的反射，使用的井内激励源为幅度加权相控线阵声波辐射器。从计算出的声全波波形上可以清楚地看到沿井壁传播的折射波和来自井旁界面的反射纵波。应用偏移叠加等数据处理技术对数值模拟波形进行了处理，从偏移剖面上反演出的反射界面的尺寸、位置和倾角等几何特性与数值模拟输入参数基本一致。     

孔隙内填充单一固体的固-固孔隙介质中的声波传播

连通孔隙空间被有别于骨架固体的另一种固相介质充填而形成的双组分连通固体孔隙介质,简称固-固孔隙介质.推导出了固-固孔隙介质的声波动力学方程和本构关系,利用平面波分析的方法研究了各种波的频散和衰减特性.在此基础上,提出了基于一阶速度-应力方程的时间分裂的高阶交错网格有限差分算法,对其中的声场演化特点进行了模拟计算,分析了各种波的产生机制和能量分布,并详细讨论了两种固体间的摩擦系数和声源频率对各种波传播特性的影响.数值模拟表明:固-固孔隙介质中存在两种纵波(P1和P2)和两种横波(S1和S2),其中P1和S1波能量主要在骨架固体中传播;P2和S2波是骨架固体和孔隙固体之间相对运动产生的慢波,能量主要在孔隙固体中传播.固体骨架和孔隙固体之间的摩擦主要影响慢波(P2和S2)的衰减,且低频时衰减大于高频.     

全波列声波测井数据处理方法通过部级评定

全波列数字声波测井技术是八十年代发展起来的一种测井新技术、它利用数字技术完整地记录了在井孔条件下激励的滑行纵波、滑行横渡、伪瑞利波和斯通利波等模式的声波.不仅可获取纵波参数,而且可提取井壁岩层的横波声速等参数.进而可计算出岩层的各种弹性参数,为石油、煤炭、水文地质勘探提供了一系列重要的参数. 为了使全波接收信号中的纵横波信号能在时域上较好地分离,须采用长源距测井声系,例如,斯伦贝谢     

充液圆槽中单极声波仪器响应数值模拟与分析

为了实现声波测井仪器工作状态的快速检测,工程人员通常将仪器水平放置在载液圆槽中进行发射和接收测试,然而对于这种非轴对称结构中的声波导传播规律尚缺乏数值模拟和理论分析,因此迄今仍难以形成有效的测试规范和标准。本文利用三维有限差分算法模拟了载液圆槽中的单极测井仪器声波响应,对比了不同的圆槽物理、几何参数以及液体性质条件下单极子声场首波的幅度和相慢度大小。分析结果表明,单极仪器激发的首波慢度仅由圆槽的物理特征所决定,与圆槽几何参数、声源频率及液体特性无关;而首波幅度大小则与圆槽几何尺寸、圆槽和液体弹性波速等诸因素具有明确的对应关系。本研究结果可为用于仪器测试或速度刻度的圆槽模型井优化设计提供理论依据。     

套管井中相控线阵声源激发声场的实验室物理模拟研究

为了探讨任意胶结状况下的套管井中均能直接并清晰的测量到地层信息的可行性,开展了套管井缩小模型的声波测井实验室物理模拟研究。实验测量了套管井不同胶结状况下相控线阵声源做发射器时的全波波形。通过对相控线阵声源不同偏转角时测量的全波波形分析表明,在Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时随着相控线阵阵元间激励延迟时间的增加,当相控线阵声源的声束偏转角先后等于地层第一临界角和第二临界角时可使井孔中接收的地层滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在套管井Ⅰ界面胶结差以及自由套管中,仍有效的探测到了地层的滑行纵波和横波信息。此实验结果验证了在任意胶结状况下的套管井中均能直接测量到地层信息的可行性,为开发新一代的套管井相控线阵声波测井仪奠定了实验基础。      

偶极横波远探测典型地质体解释模型研究及应用

偶极横波远探测技术是近年来发展起来的一门重要的地球物理测井技术,它把常规测井技术的测量范围从井周1 m左右提高到几十米,在井旁裂缝和孔洞等地质体的探测中取得了较好的应用效果。本文根据偶极横波辐射声场和接收声场的互易性,提出了一种快速计算井旁地质体反射声场的解析方法——远场渐近解,实现井旁孔洞、裂缝等典型地质体反射声场的快速计算,分析了不同地质体的远探测成像特征,在此基础之上,与已有实际井资料结合建立了偶极横波远探测的解释模型,并将其应用于海上实际井旁地质体评价。应用结果表明,偶极横波远探测解释模型可用于海上缝洞型地层识别、井旁断层或断裂带判断等,效果明显。     

圆弧片状声源向地层中辐射声场的有限差分模拟

提出了一种可用于随钻声波测井的非对称的圆弧片状声源,旨在发展一种能够在钻井过程中精确确定反射体位置的三维反射声波远探测方法。研究了在复杂的井孔条件(钻铤偏心、各向异性和不规则井孔形状)下,该声源向地层中辐射的声场的特征,进一步分析了不同井况条件对三维随钻远探测声波测井的影响。数值模拟结果表明,在圆形井孔、钻铤居中条件下,无论快速地层还是慢速地层,圆弧片状声源均能够向地层中定向辐射声波信号,其辐射指向性图主瓣3 dB角宽窄,旁瓣级低,方位分辨率较高,适用于随钻三维反射成像测井;井壁粗糙程度、地层各向异性等因素对声场特征影响不大,说明该方法适用于粗糙井壁和各向异性地层情况;钻铤偏心和井壁一侧的破坏对辐射声场的影响较大。对本文的模型而言,在破坏深度小于3 cm或者偏心距离小于2 cm时,声场仍有较好的方位特征,该方法仍然适用。而当破坏深度大于6 cm,声场指向性图出现多个幅值较大的角瓣,可能无法利用其确定反射体的方位。本文的研究结果为三维随钻反射声波仪的设计和研发提供了必备的理论基础。      

柱面分层流体饱和孔隙地层中的声波测井波场模拟

因钻井作业时泥浆侵入等因素,井外介质沿径向常呈现非均匀性。本文将地层视为柱面分层孔隙介质,采用传递矩阵法模拟声波测井波场。注意到慢纵波波数的实部和虚部都很大,当井外含大厚度层且频率较高时,易因计算大自变量的Hankel函数而溢出,我们在波场表达式中引入了归一化的Hankel函数。论文将前人模拟关于柱面分层固体弹性介质声波测井的广义反射/透射系数计算方法推广到了分层孔隙介质情况,导出了波幅系数的计算公式,并针对含侵入带的柱面分层孔隙地层,计算了声波测井全波波形。      

偶极随钻声波测井声压和径向位移响应的差异*

声波测井仪接收到的电信号通常是多个压电片响应的叠加,它主要是由声压还是径向位移响应转化而来,或是两种响应兼有目前未有定论。该文通过实轴积分法和复变函数法计算并对比分析随钻声波测井的声压和径向位移场,发现这两种响应特性有着显著的差异。首先,软地层的偶极随钻测井时,声压信号包含钻铤波和舒尔特波两个波群,而径向位移信号仅有钻铤波波群;其次,单极声源情况下,声压和径向位移信号的钻铤波能量分别集中在钻铤内、外壁,而偶极情况恰好相反,可见,钻铤按照单极情况的分析结果进行刻槽后,高频时的拖尾现象会影响偶极信号中舒尔特波对横波速度的反演。因此,阐明两类信号的差异对横波速度的反演和钻铤波的压制都具有重要意义。     

Acoustic mode waves and individual arrivals excited by a dipole source in fluid-filled boreholes

An approach of separating individual wave arrivals for a dipole logging is presented. The branch points are treated as a type of logarithm and the Riemann surface structure of the multivalued function is studied, that is, the displacement potential within the borehole. Based on the theoretical analysis, the complex poles contributing to the wave field on various Riemann sheets are investigated in detail for the case of a fast formation. It is shown that poles on Riemann sheet (0,0) are real and form branches of modes with dispersion. Mathematically, it is demonstrated that the flexural mode has no cutoff frequency, which is different from the traditional point of view. Poles on other relevant Riemann sheets are complex and form many branches on the complex frequency-wavenumber plane. Further investigation on the pole and branch cut contributions indicates that the vertical branch cut integration method has limitations in separating wave arrivals. By properly taking into account the complex poles on various Riemann sheets together with branch cut integrations, wave arrivals are separated from the full waveforms effectively for both the fast and slow formation models. Specially, there are complex poles on Riemann sheet (0,−1) in the vicinity of the compressional branch cut for a slow formation with a large Poisson’s ratio, which have small imaginary parts and contribute a lot to the p-wave arrival. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10534040)     

Viscoelastic shear properties of in vivo breast lesions measured by MR elastography

Elastography is a technique to assess the viscoelastic properties of tissue by measuring an acoustic wave propagating though the object. Here, the technique is applied in the course of standard MR mammography to 15 patients with different pathologies (six breast cancer cases, six fibroadenoma cases and three mastopathy cases). Low-frequency mechanical waves are coupled longitudinally into the tissue in order to obtain sufficient wave amplitude throughout the entire breast. This leads to the presence of a substantial fraction of compressional waves, which contribute to the total displacement field. It is shown theoretically that the correct evaluation of these contributions from the compressional wave is rather difficult due to the almost incompressible nature of tissue. To overcome this problem, it is proposed to apply the curl-operator to the measured displacement field in order to completely remove contributions from the compressional wave. Results from simulations and a breast phantom demonstrate the feasibility of the technique. The in vivo results show a good separation between breast cancer and benign fibroadenoma utilizing the shear modulus. Breast cancer appears on average 2.2 (P<.001) times stiffer. All breast cancer cases showed a good delineation to the surrounding breast tissue with an average elevation of a factor of 3.3 (P< 1.4 x 10(-6)). The results as obtained for the shear viscosity do not indicate to be useful for separating benign from malignant lesions.     

孔隙地层震电测井波场分波分析

由于孔道的双电层结构和流体-固体耦合运动, 弹性波在孔隙地层中传播时会引起电磁场. 前人提出了基于这种耦合效应的震电测井方法, 但对井中震电波的特性缺少细致的分析. 本文对孔隙地层充流体井孔中点声源激发的震电耦合波的分波进行分析, 证明了井孔流体电磁波波数不是井内震电波场支点, 计算了地层电磁波支点、横波支点和快纵波支点对应的侧面波. 在利用辐角原理求出震电波场函数的复极点之后, 针对典型砂岩地层计算了震电波场模式波(包括泄漏模式)的频散曲线和声压、电场激发曲线. 计算了各个侧面波和模式波的电场激发强度与声压激发强度的比值(电声激发比), 发现纵波的电声激发比相对于横波和模式波更高, 而Stoneley波电声激发比的辐角对渗透率敏感, 其敏感性会随频率增大而增加, 随孔隙度增大而降低.     

Fast compressional wave attenuation and dispersion due to conversion scattering into slow shear waves in randomly heterogeneous porous media

Within the viscosity-extended Biot framework of wave propagation in porous media, the existence of a slow shear wave mode with non-vanishing velocity is predicted. It is a highly diffusive shear mode wherein the two constituent phases essentially undergo out-of-phase shear motions (slow shear wave). In order to elucidate the interaction of this wave mode with propagating wave fields in an inhomogeneous medium the process of conversion scattering from fast compressional waves into slow shear waves is analyzed using the method of statistical smoothing in randomly heterogeneous poroelastic media. The result is a complex wave number of a coherent plane compressional wave propagating in a dynamic-equivalent homogeneous medium. Analysis of the results shows that the conversion scattering process draws energy from the propagating wave and therefore leads to attenuation and phase velocity dispersion. Attenuation and dispersion characteristics are typical for a relaxation process, in this case shear stress relaxation. The mechanism of conversion scattering into the slow shear wave is associated with the development of viscous boundary layers in the transition from the viscosity-dominated to inertial regime in a macroscopically homogeneous poroelastic solid.