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.     

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。     

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。     

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.     

水泥密度和套管尺寸对油井套管波的影响

通过数值模拟结合实验测量,研究了第一、第二界面胶结良好情况下套管井内的声场,考察了水泥密度、套管直径及其壁厚对套管波幅度的影响,并将部分数值模拟结果与实验结果进行了对比.结果表明,套管波幅度随固井水泥密度增大而减小,低密度水泥和常规密度水泥固井时所得到的套管波幅度相差较大;因此,进行固井质量评价时对不同密度的水泥应采用不同的评价标准.当套管直径不变而壁厚增大时,套管波到时不变而幅度增大;当套管壁厚不变而直径增大时,套管波到时延后而其绝对幅度减小.对油田中常用的三种套管,在大型号套管中所得到的套管波的相对幅度也较大.另外,数值结果中套管波相对幅度随水泥密度的变化规律与实验测量结果基本一致.     

偶极子声波测井在套管井中的声场特征*

偶极子声波测井在套管井中的应用越来越多,本文重点研究了套管井不同胶结状况下偶极子声源在套管井中激发的声场特征,通过解析方法分析了水泥环第一界面和第二界面不同胶结状况下井孔模式波的频散和衰减。计算结果表明,在水泥环第一界面或第二界面胶结差时井孔声场中可观测地层弯曲波和套管弯曲波;与胶结良好时相比,地层弯曲波的频散曲线向低频偏移,水泥环第二界面胶结差时偏移较大;套管弯曲波对水泥界面存在的流体环厚度很敏感,随着流体环厚度的增加套管弯曲波的相速度逐渐增大,激发幅度也明显增强,这一特征为利用套管弯曲波的相速度估算流体环厚度提供了可能。本文的计算结果为利用套管井中越来越多的偶极子声波测井资料评价水泥胶结质量奠定了理论基础。     

套管井中相控线阵声源激发的声场研究

利用相控线阵声源的动态声束偏转技术可大大增强套管井孔中有用模式波的幅度。通过实轴积分方法计算了相控线阵声源在多种胶结状况下的充液套管井中的声场,计算结果表明在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,地层滑行纵波和滑行横波的幅度逐渐增强,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滑行纵波和滑行横波幅度分别加强到最大;在Ⅰ(或Ⅱ)界面存在微环时,单个点声源激发的套管井全波波形中观测不到地层信息,当采用相控线阵声源做发射器时,通过选择相邻阵元间合适的激励延迟时间,可有效地增强地层滑行纵横波的幅度,同时还可较好的抑制套管波的能量。     

裂隙介质中纵波地面地震记录模拟及特征

利用纵波检测地层中的裂隙是油气勘探、工程探测等领域中的主要方法，也是地球物理领域中的难点，在各向同性介质的背景上，因存在裂隙而形成的散射作用，使接收的波场复杂化，为了正确认识裂隙介质中地震波场特征，以声波方程为基础，为了提高计算精度，应用高阶(十阶)有限差分法求解数值解，给定裂隙介质地质模型和均匀层状介质地质模型，通过数值模拟得到地质模型的地面地震响应．在此基础上，进行分析对比，总结了裂隙介质中地震波场特征，在裂隙发育带顶、底，纵波地面地震记录波形特征均有明显的变化，这表明利用纵波动力学特征作裂隙检测是可行的。     

弹性波斜入射声子晶体的缺陷模及其转型

推导出弹性波斜入射固-固掺杂结构声子晶体的转移矩阵和透射系数公式.计算固-固掺杂结构声子晶体中弹性波的透射系数.得到当横波斜入射时,透射波中横波的缺陷模随着入射角的增大而减弱,横波向纵波的转型随着入射角的增大而增强.当纵波斜入射时,透射波中纵波的缺陷模随着入射角的增大而减弱,纵波向横波的转型随着入射角的增大而增强.     

国产的多极子阵列声波测井仪(MPAL)在油田开发生产中的应用

本文对国产的多极子阵列声波测井(MPAL)资料进行了分析,验证了仪器有较好的稳定性,测试结果表明:硬地层的纵波、横波、斯通利波波形清楚,幅度变化正常;通过其在岩性识别、裂缝识别、气层识别、岩石机械特性分析及各向异性的应用进行研究,能够较为准确地求取地层的纵波、横波、斯通利波的声波时差及幅度和衰减曲线,计算岩石力学参数,并进行地层各向异性评价。     

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.     

孔隙地层井壁上的声波首波及其诱导电磁场的原因

声波测井时孔隙地层中的声波首波平行于井轴沿井壁传播，它既有轴向位移分量，又有垂直于井壁的位移分量.这种以快纵波速度传播的波, 不仅含有由快、慢纵波势给出的梯度场,而且还含有由横波势给出的旋度场.慢纵波势的梯度是渗流位移首波的主要构成成分, 也是声电效应测井响应中存在伴随声波首波电场的主要原因.首波包含有旋度位移场，是存在伴随声波首波磁场的原因. 关键词： 孔隙介质 声波首波 诱导电磁场 测井     

各向异性渗流条件下弹性波的传播特征

研究了弹性波在非均匀裂纹孔隙介质中的传播特性,建立了各向异性喷射流模型.当弹性波通过裂纹孔隙介质时,由于波的扰动及裂纹和孔隙几何结构的不一致,导致在裂纹内部及裂纹与周边孔隙之间同时存在着流体压力梯度.此时的弹性波波动响应中包含着裂纹内连通性特征和背景孔隙渗透率信息.流体的动态流动过程使得介质的等效弹性参数为复数(非完全弹性),并且具有频率依赖性.当弹性波为低频和高频极限时,介质为完全弹性;当处于中间频段时,波有衰减和频率依赖.裂纹孔隙介质的各向异性连通性(渗透率)对应着各向异性特征频率(当渗流长度等于非均匀尺度时的弹性波频率),波的传播受到裂纹内连通性的影响.在一定频段内,随着裂纹厚度的增加,将出现第二峰值,峰值大小同时受到裂纹厚度和半径的影响.     

流体饱和孔隙材料的Biot弹性常数的声学测量

本文研究用声学方法测量流体饱和孔隙介质的Biot4个弹性常数，4个弹性常数主要是通过测量水饱和的孔隙样品中的3种体波速度去计算的（流体压缩系数已知）。为了讨论和验证测量结果，我们还进行了两个实验，一是测量空气饱和样品的切变波速度和纵波速度，并求得框架的体积模量和切变模量；二是测量空气饱和样品中的慢纵波速度，并验证样品曲折度的大小。     

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。      

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.     

Transformation of seismic velocity data to extract porosity and saturation values for rocks

For wave propagation at low frequencies in a porous medium, the Gassmann-Domenico relations are well-established for homogeneous partial saturation by a liquid. They provide the correct relations for seismic velocities in terms of constituent bulk and shear moduli, solid and fluid densities, porosity and saturation. It has not been possible, however, to invert these relations easily to determine porosity and saturation when the seismic velocities are known. Also, the state (or distribution) of saturation, i.e., whether or not liquid and gas are homogeneously mixed in the pore space, is another important variable for reservoir evaluation. A reliable ability to determine the state of saturation from velocity data continues to be problematic. It is shown how transforming compressional and shear wave velocity data to the (rho/lambda, mu/lambda)-plane (where lambda and mu are the Lame parameters and rho is the total density) results in a set of quasi-orthogonal coordinates for porosity and liquid saturation that greatly aids in the interpretation of seismic data for the physical parameters of most interest. A second transformation of the same data then permits isolation of the liquid saturation value, and also provides some direct information about the state of saturation. By thus replotting the data in the (lambda/mu, rho/mu)-plane, inferences can be made concerning the degree of patchy (inhomogeneous) versus homogeneous saturation that is present in the region of the medium sampled by the data. Our examples include igneous and sedimentary rocks, as well as man-made porous materials. These results have potential applications in various areas of interest, including petroleum exploration and reservoir characterization, geothermal resource evaluation, environmental restoration monitoring, and geotechnical site characterization.     

Effective medium method of slightly compressible elastic media permeated with air-filled bubbles

An effective medium method is developed for the slightly compressible elastic media permeated with air-filled bubbles, according to the nonlinear oscillation of the bubble, which happens when compressional wave travels through the porous media. The effective Lame coefficients of the porous medium and the nonlinear elastic wave equation are deduced, based on the fact that the micro-unit of the effective medium should have the same stress and strain as the micro-unit of the porous media. The linearized properties obtained by this method are in good agreement with the results of Gaunaurd’s classic theory [Gaunaurd G.C. and überall H., J. Acoust. Soc. Am., 1978, 63: 1699–1711]. Furthermore, the nonlinear coefficient, which is an important property of the porous media, can also be acquired by this method. __________ Translated from Acta Acustica, 2006 (in Chinese) (in press)     

Amplitude wave in one-dimensional complex Ginzburgben Landau equation

The wave propagation in the one-dimensional complex Ginzburg-Landau equation (CGLE) is studied by considering a wave source at the system boundary. A special propagation region, which is an island-shaped zone surrounded by the defect turbulence in the system parameter space, is observed in our numerical experiment. The wave signal spreads in the whole space with a novel amplitude wave pattern in the area. The relevant factors of the pattern formation, such as the wave speed, the maximum propagating distance and the oscillatory frequency, are studied in detail. The stability and the generality of the region are testified by adopting various initial conditions. This finding of the amplitude pattern extends the wave propagation region in the parameter space and presents a new signal transmission mode, and is therefore expected to be of much importance.     

用非饱和三相孔弹模型研究浅层土壤中地震波的传播特性

研究浅层土壤中声波耦合的地震波的传播特性, 用于声波探雷技术的机理分析. 根据浅层土壤具有孔隙度和可压缩性的特点, 利用非饱和三相孔隙介质中的地震波模型, 研究了土壤孔隙度、含水饱和度等参数对地震波传播特性的影响. 计算结果显示: 在给定的参数条件下, 地震波的传播速度和衰减系数均随频率的增加而增加; 纵波的传播速度随孔隙度的增加而减小, 横波的传播速度随孔隙度的增加而增加; 地震波的传播特性随含水饱和度的增加变化比较复杂. 通过对计算结果与已发表实验结果的比较分析, 讨论了解析方法的可行性, 为声-地震耦合机理及其在声波探雷研究中的应用提供了一定的理论基础. 关键词： 声-地震耦合 地震波 孔隙度 声波探雷