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。     

随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究*

针对随钻声波测井中钻铤波干扰以及刻槽后散射波问题，该文 利用时域有限差分法模拟钻铤波在随钻隔声体中的传播规律，首先考察在无限大流体中钻铤波在凹槽分界面处的散射特征，利用波场快照直观显示了钻铤波会有一部分能量在刻槽的固液界面转化为斯通利波。同时在有地层时分别对比了均匀内刻槽和外刻槽对钻铤波的衰减效果，发现在选择均匀内刻槽还是外刻槽时结果不仅与频率范围有关，而且与刻槽的深度也有关系。最后对比了槽宽较大的均匀凹槽隔声体和槽宽较小的渐变凹槽隔声体。可以得出结论，在设计随钻隔声体时，在10 kHz以下选择均匀外刻槽方式相对于内刻槽隔声效果会更好。随着刻槽槽深增加，外刻槽在10 kHz以下相比于内刻槽隔声性能优势更加明显。渐变刻槽在满足衰减钻铤波幅度要求的同时，散射波对后续地层波和斯通利波影响也更小。     

随钻声波测井圆弧状压电阵子的有限元分析*

圆弧状压电阵子是随钻声波测井仪发射换能器的核心部件。利用有限元法对圆弧状压电阵子进行了设计分析,结果表明20 kHz以下频率范围内主要存在弯曲振动模态及径向振动模态,且径向振动模态能够满足随钻声波单极测量模式的工作频率要求。针对径向振动模态,数值模拟了几何尺寸对压电阵子声学性能参数的影响。圆弧状压电阵子的谐振频率随着陶瓷片厚度的增大而升高;随着陶瓷片高度、半径及张开角的增大而降低。圆弧状压电阵子的最大发射电压级幅值随着陶瓷片厚度、张开角的增大而降低;随着半径的增大而升高;随着陶瓷片高度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。以外径为6.75 in的钻铤为例,最优化设计了圆弧状压电阵子的尺寸,使其满足钻铤模式波隔声阻带中心频率的要求,同时保证了压电阵子具有最大发射电压级。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪发射换能器设计起到良好的指导作用。     

钻具遇卡声波检测理论与实验研究*

石油钻探过程中,钻具经常发生陷入泥沙中不能自由活动进而卡在井下的事故。本文提出使用单发双收声系来检测钻具遇卡的方法,首先使用有限差分模拟了钻具外为自由流体和泥沙两种介质时的钻铤波响应,通过对比远近接收器的钻铤波衰减,发现泥沙卡钻情况下的钻铤波衰减要明显大于自由钻具情况。随后建立了实验模型对理论结果进行了验证。理论模拟与实验结果均表明声波方法可用以检测钻具遇卡事故,从而确定卡钻的深度位置,为解卡钻作业提供解释依据。     

随钻新型隔声体的声学性能研究*

近年来,随钻声波测井成为了一种新兴的勘探方式,但是在勘探过程中产生的钻铤波会影响地层信号的提取。如何能够更有效的提取地层信号,成为学者研究的重点课题。本文基于声子晶体理论设计了一种新型隔声体,相对于传统刻槽结构能够更好的压制钻铤波。首先基于周期结构理论,利用有限元软件COMSOL MUTIPHYSICS计算了不同刻槽结构的能带图,相比于传统刻槽结构,新型隔声体有更宽的带隙,说明新型刻槽结构可以更有效的阻隔钻铤波。接着在测井模型中对刻槽结构进行频响函数曲线的计算,验证了新型刻槽结构隔声效果在所计算频率范围内优于传统刻槽结构。然后分析了在能带计算和频响曲线计算下隔声效果最好的声源频率(17kHz和22kHz)时新型刻槽结构的STC(时间慢度相关法)处理对比,最后对比声源频率17kHz下新型刻槽结构和传统刻槽结构的STC信号处理,发现此声源频率时新型刻槽结构可以更好的提取地层折射纵波和横波。     

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。      

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。     

周期性轴对称凹槽结构隔声特性数值模拟

提出一种在钻铤上切割周期性轴对称凹槽方式构建隔声体,消除钻铤模式波的方法.结果表明,其隔声效果与凹槽深度H、长度L、凹槽数目N、凹槽截面形状以及钻铤壁厚有关.选择矩形截面凹槽、减小钻铤壁厚、增加凹槽深度都可有效提高隔声体的隔声效果,该结构最高可获得约36 dB的声衰减,基本满足随钻声波测井仪器对隔声效果要求.     

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。     

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。      

随钻单极子声波测井模式优化及远探测

针对非均匀性地层地质力学评价和地质导向钻井的需要,研究了随钻单极子声波的方位特性和反射声场特征,并研制了随钻声波测量装置.建立了不同方向速度模型井和反射声场模型,数值模拟了两个模型的单极子声波传播特征,使用单极子声源发射和偏极子接收器接收的测量模式,分别获得了波速周向变化图和反射波的方位特征.模拟结果表明,纵波对地层方...     

非线性对大气介质中阵列聚焦声场分布影响的研究

基于时域有限差分算法将大气中近似到二阶微小项的非线性声波波动方程进行离散化,得到了模拟采用的差分波动方程.在此基础上,数值模拟了初始声压强弱不同的5个点声源组成的线阵列垂直或斜向辐射的连续正弦波在大气中传播时二维声场的分布情况.将线性条件下的模拟结果与非线性条件下的模拟结果进行比较后发现:弱非线性会对声场的分布和阵列聚焦增益产生一定的影响,使声场分布波形比线性条件下的声场分布波形更加靠近阵列,聚焦效果变差;强非线性会使波形发生更严重畸变,这是由于产生了基频以外的其他频率声波引起的;非线性对斜向传播时声场分布的影响与垂直传播时的影响效果基本相同,但由于斜向辐射时的声波几何扩展造成的轴向声压衰减要大于垂直辐射时的轴向声压衰减,因此聚焦增益和强非线性的影响都将小于垂直辐射时的情况.     

Generalized collar waves in acoustic logging while drilling

Tool waves, also named collar waves, propagating along the drill collars in acoustic logging while drilling(ALWD),strongly interfere with the needed P- and S-waves of a penetrated formation, which is a key issue in picking up formation P- and S-wave velocities. Previous studies on physical insulation for the collar waves designed on the collar between the source and the receiver sections did not bring to a satisfactory solution. In this paper, we investigate the propagation features of collar waves in different models. It is confirmed that there exists an indirect collar wave in the synthetic full waves due to the coupling between the drill collar and the borehole, even there is a perfect isolator between the source and the receiver.The direct collar waves propagating all along the tool and the indirect ones produced by echoes from the borehole wall are summarized as the generalized collar waves. Further analyses show that the indirect collar waves could be relatively strong in the full wave data. This is why the collar waves cannot be eliminated with satisfactory effect in many cases by designing the physical isolators carved on the tool.     

Acoustic radiation from shear deformable stiffened laminated cylindrical shells

An analytical model of acoustic radiation from shear deformable laminated cylindrical shells with initial axial loadings and doubly periodic rings is presented. The shear deformation and rotary inertia of the rings are taken into account and the rings interact with the cylindrical shell only through the normal forces. The far-field sound pressure is found by using the Fourier wavenumber transform and stationary phase method. High frequency limitation issues of the first-order shear deformation theory are discussed and the effects of the second set of rings, axial initial loadings and multiple external loadings on the far-field acoustic radiation are explored. Further, the helical wave spectra of the radial displacement and sound pressure are used to study the vibrational and acoustic characteristics of the laminated shells. Above the ring frequency, the profile of the helical wave spectra of the far-field sound pressure induced by the cylindrical shell is an ellipse and the patterns of the helical wave spectra of the far-field sound pressure keep unchanged. Moreover, the ellipse distinguishes the supersonic wavenumbers and subsonic wavenumbers from the helical wave spectra of the radial displacement and surface sound pressure in the wavenumber domain. The bright spots and highlights of the helical wave spectra show that the corresponding waves are dominant.     

反射波测井的菲涅尔带效应

基于反射波的单井远探测是声波测井发展的一个重要里程碑,可以有效探测距离井数米到数十米的异常反射体如裂缝,极大提升了声波测井的径向探测距离,在碳酸盐岩缝洞储层勘探开发有重要的作用。本文系统考察了有限尺寸裂缝的反射强度与声源频率和反射体距离的变化特征。模拟结果表明,无论是单极子还是偶极子,反射波的幅度都呈现出菲涅尔带效应。在一定距离内,反射波幅度随裂缝某一方向如宽度增大而增大,当宽带增加一定尺寸后,反射波幅度有一定的程度下降,然后小幅震荡。总之,反射波幅度与反射体尺寸不是简单的正相关,因此,基于反射波能量来评价反射体体积和储量是有条件的。     

Effect of the spectrum of a high-intensity sound source on the sound-absorbing properties of a resonance-type acoustic lining

Experimental results are presented on the effect of both the sound pressure level and the type of spectrum of a sound source on the impedance of an acoustic lining. The spectra under study include those of white noise, a narrow-band signal, and a signal with a preset waveform. It is found that, to obtain reliable data on the impedance of an acoustic lining from the results of interferometric measurements, the total sound pressure level of white noise or the maximal sound pressure level of a pure tone (at every oscillation frequency) needs to be identical to the total sound pressure level of the actual source at the site of acoustic lining on the channel wall.