偶极子声波在疏松砂岩地层井孔中的传播特性研究

对偶极子声源在疏松砂岩井孔中的声波传播机制进行研究具有重要的理论和实际应用价值,可以指导实际测井过程中仪器工作参数的选择及提高资料的处理和解释水平。本文针对实际正交偶极子声波测井中遇到的疏松砂岩超软地层横波测量问题进行了理论分析与数值模拟,计算模拟了偶极子声源在一般软地层和疏松砂岩地层井孔中的传播情况,并对比分析了声场波形与井孔中激发的弯曲波和激发谱的特征之间的内在联系,还根据疏松砂岩地层井孔中的声波传播特点,提出了在这类地层条件下应用偶极子声波测井应注意的若干问题,并指出,在超软地层横波测量中,偶极子声源的中心频率应适当降低,但也不是越低越好,否则达不到预期的效果。本文的研究结果无疑对正交偶极子声波测井声源的设计具有指导作用。     

软地层随钻测井仪器偏心情况下低频四极子源 激发波场的数值分析*

为了探索测井仪器偏心对随钻低频四极子波场的影响,利用有限元法(多物理场耦合有限元软件包)对软地层井孔中随钻仪器偏心情况下低频四极子声源激发的波场进行了数值模拟。通过对随钻四极子测井波形的分析可知,当采用低频随钻四极子偏心声源激发时,测井波列中除传播速度与低速地层横波速度相当的地层四极子波模式外,还存在一个幅度非常低、传播速度略高于井孔流体中声速的模式波,该模式被对应钻铤弯曲波模式,且该模式波的幅度随着随钻四极子源偏离井孔中心距离的增大呈二次方规律增大,地层四极子模式波幅度呈三次方规律增加。     

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.     

横波速度径向层析成像方法及应用研究

近来三维声波成像技术的一个重要进展是利用偶极子弯曲波反演地层径向横波速度剖面。确定地层径向横波速度变化对评价井壁稳定性、估算地应力和优化油藏生产等有着重要的意义。偶极横波测井激发的弯曲波低频探测较深,高频探测较浅,本文根据偶极弯曲波的频散特征,采用约束反演的方法求取地层径向横波速度变化。在实际测井中,经常会遇到偶极子弯曲波的频散曲线在高频时缺失或者不准确的情况,这会使约束反演方法产生误差。针对这一现象,本文提出利用理论频散数据进行高频约束,并通过数值模拟验证了改进后约束反演方法的正确性。本文给出了一个致密气层的横波速度径向剖面综合应用实例,发现地层径向横波速度变化程度与岩石脆性有很好的对应关系,最终的压裂效果由压前、压后正交偶极横波各向异性的变化得到了印证,压裂后油气产量提高。     

横波远探测测井换能器研究

为提高偶极子横波远探测反射波的信噪比和增加其探测距离,根据偶极子井孔模式波的激发特性及反射波传播特征分析,研制了基于三叠片的低频大功率偶极子的横波远探测换能器,以降低模式波的相对能量和增加反射波的相对能量。为了得到满足要求的低频大功率偶极换能器,采用有限元方法对现有三叠片进行了优化改进,得到一种符合设计要求的换能器结构,最后制作了样机并对其进行了测试。样机测试结果跟仿真吻合得很好,低频性能得到了极大改善：换能器在谐振频率1.2 kHz附近具有极好的偶极子指向性,谐振频率处的响应比X-MAC同频率段大19 dB。该换能器的研发成功将为偶极子远探测测井仪器性能及成像质量的提高奠定了坚实的基础。     

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     

弯曲模式声波在充液井孔中的传播

本文由波动方程讨论了充液井孔中,弯曲模式声波在弹性和非弹性、无限大井壁介质以及有限大井壁介质情况下沿井轴方向的传播。数值计算了它们的相速度频散曲线和井孔的频率响应特性,计算了衰减正弦信号在井孔中激励的波形。利用PZT压电晶片的弯曲振动模式,制作了偶极子测井换能器,在混凝土浇注的人工模拟井中进行了测试,试验结果与理论计算结果作了对比。     

井旁溶洞的偶极反射声波测井响应研究*

反射声波成像测井是适应复杂地区勘探开发的一种测井新技术,能够对井旁几米至几十米内声阻抗不连续的地层界面、裂缝、溶洞、盐丘等不同地质构造进行探测评价。针对井旁存在一个不同尺度大小的溶洞时的偶极反射声波测井响应进行了数值模拟,得到了不同情况下的回波信号,探究了地层横波波长与井旁溶洞尺度之间的关系。研究结果表明,等源距阵列波形中,溶洞的回波波列有特殊的"抛物线"型形态,上提过程中距溶洞最近时,回波到时最早、幅度最大。当井旁溶洞直径逐渐增大时,回波信号幅度越强,反射横波偏移成像的结果越清晰。通过该研究,初步形成了一种反射声波测井评价井旁溶洞的方法。     

含气孔裂隙地层的声波测井响应特征

本文以径向分层的孔、裂隙地层多极子井孔声场理论为基础,利用孔、裂隙介质弹性波动统一理论,数值模拟了井壁上有侵入时,单极和偶极声源激发的井孔声场随原状地层含气饱和度变化的特征和规律。结果表明：当原状地层裂隙发育时,相较于饱含水,饱含气时纵波幅度衰减严重,横波波至提前,波幅增大,斯通利波幅度变化不明显,低频时弯曲波到时提前,幅度增大;当原状地层裂隙不发育时,单极子、偶极子波形都对流体性质没有明显响应。可见,原状地层中裂隙的存在加剧了含气对纵波、横波的幅度以及到时的影响,而侵入带的存在使得斯通利波和高频弯曲波对原状地层流体性质变化不敏感。数值计算结果为利用声波响应特征识别致密气层提供了参考。     

相控圆弧阵声源在TI地层井孔中产生的声场

研究了相控圆弧阵声源在各向异性地层井孔中产生的声场的特征,重点分析了该声源对于地层横波各向异性的方位敏感性,旨在探索一种新的地层声学各向异性测量方法。结果显示:相控圆弧阵声源在地层中可激发多种方位阶数的声场,主要成分为单极子波场和偶极子波场;在HTI地层竖直井中,方位角不同的圆弧阵声源激发的波动的速度不同,相控圆弧阵声源对于地层横波速度的方位各向异性的敏感性主要是它所激发的弯曲波的贡献。相比于传统的正交偶极子声波测井而言,采用相控圆弧阵声源可以评价井附近地层的周向非均质性,可以提高井周测量覆盖次数,提高反演结果的可靠性。另外,相控圆弧阵声源兼具备多极子声源的功能,优化的相位控制方式可以实现方位各向异性的最佳测量。      

高频沟槽叉指体声波换能器

本文介绍了一种由压电晶体沟槽表面上的叉指换能器构成的新型体声波换能器。制作在X切LiNbO_3,表面的横波换能器在213MHz时的一次换能损耗为3.8dB.     

声波测井技术的重要进展——偶极横波远探测测井

近年来单井反射声波远探测技术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。本文首先介绍了单井反射声波成像技术的研究进展。然后,从偶极横波成像原理、充液井孔中偶极远场辐射指向性、偶极声源激励下的井外声场分布、反射横波幅度和反射系数、偶极横波数据中的反射波分析和现场资料处理实例分析等方面详细论述了偶极声波远探测技术。最后,讨论了这门技术今后改进和发展的方向,通过本文读者可以了解偶极横波远探测技术的原理、方法、效果和应用前景。     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

模式转换弯曲振动超声换能器的研究

本文研制了一种由纵向振动夹心式压电换能器和弯曲振动细棒组成的纵一弯模式转换弯曲振动超声换能器，从理论上分析了此类换能器的两种振动模式，井推出了其共振条件．实验表明，换能器共振频率的测量值与理论值符合很好，弯曲振动换能器的能量转换效率较高，性能稳定，在实际生产中具有广泛的应用．     

偶极声波换能器振动特性计算

利用ANSYS有限元软件计算了声波测井中使用的偶极子换能器在不同机械边界条件下的振动模态和频率响应。计算结果显示,偶极子换能器在一定的频率范围内有多个振动模态,不同的机械边界条件不仅影响振动模态的个数而且还影响同一振动模态的谐振频率;从频率响应曲线上还可以看出此结构的偶极子换能器在做弯曲振动时的频带较窄,这对在不同地层井眼中进行的偶极子声波测井非常不利。通过多个不同主频的偶极子换能器组合工作可以从根本上拓宽偶极声波换能器的频带宽度。     

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。      

有效测量套管井泄漏Lamb波衰减的实验研究

低密度水泥在油气井中的广泛应用使得常规的声阻抗类测井方法难以准确、有效地评价固井质量,而声波倾斜入射在套管中激发的弯曲型Lamb波对水泥的性质及胶结情况具有很高的分辨能力,能够很好地解决低密度水泥的固井质量评价问题。弯曲型Lamb波对套管后介质声学信息的响应反映在声波衰减中,因此该文通过实验研究了激发弯曲型Lamb波的有效方式,分析了声波入射和接收角度对Lamb波衰减的影响。实验结果表明,入射和接收角度在一定范围内变化时,虽然激发出的Lamb波模式均为弯曲型Lamb波,但在同一套管模型下测量的声波衰减值会有差异,选择激发弯曲型Lamb波的最有效方式,计算得到的Lamb波衰减对套管后介质的灵敏度才会最高。     

相控声波测井的模拟实验研究

自行设计和制作了两个小型的四阵元相控线阵并进行了指向性测量,通过调节施加于相邻阵元的激励信号的延迟时间,既可以改变相控线阵声波辐射器辐射能量的方向,又可以改变辐射声束主瓣的角宽,测量结果与理论计算结果的一致性良好。分别把自行制作的小型相控线阵声波辐射器和水听器置于充液微型铝质和混凝土模型井中进行了声波测井模型实验。实验结果表明,随着相邻阵元的激励信号的延迟时间的增加,相控线阵的辐射声束指向角不断变大,先后满足滑行纵波临界折射和滑行横渡临界折射条件,先后使充液井孔中的滑行纵波、滑行横波和斯通利波分别得到加强。通过恰当选择相控线阵的阵元间距和声波频率,可以明显增大相控线阵辐射声束的角宽,使其覆盖所有地层的第一临界角的范围,从而无须在井下不断调整辐射声束方向即可实现相控声波连续测井。     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

基于邻井反射的偶极横波远探测验证方法

偶极横波远探测技术已成为探测井外地质构造的一种重要测井技术,需要针对偶极横波远探测的验证迫在眉睫。本文利用三维有限差分数值模拟方法,对比和分析了地层界面和相邻充液邻井产生的反射横波幅值的差别,结合现场实例,提出了偶极横波远探测成像测井的验证方法。在此基础之上,进一步分析了不同反射邻井结构时,反射横波幅度的变化情况,结果表明,采用多井联合方式可以有效的增加反射波的幅值,减小非共面产生的散射效应影响。最后,初步建立了两口试验井,测试数据处理结果与理论分析结果吻合,为下一步实验井方案的优选和完善提供了理论和数据支持。