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。     

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。     

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论：激光斜入射角度在0~60范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在35的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45时,横波主瓣的范围变得较宽。     

套管井中偏心对声场的影响分析*

目前在油田的实际应用中,声幅-变密度水泥胶结测井(CBL/VDL)在套管井的水泥胶结质量评价中发挥重要作用。但是,在一些大斜度井或者水平井中,往往由于仪器或者套管的重量等原因导致套管井中出现偏心现象,这给利用声波测井资料进行水泥胶结质量评价带来一些难题。为此,本文建立了套管偏心和仪器偏心两种情况下的三维声学模型,利用柱坐标系下的三维交错网格有限差分算法数值模拟了两种偏心情况下的声波传播情况,并着重研究了偏心率的变化对套管井中声场波形特征,尤其是套管波及地层波特征的影响。另外,模拟了具有不同外径尺寸的套管和偏心率的组合情况下的声场传播情况,在此基础上研究了偏心率的大小对声场特征的影响规律。本文的研究结果表明,套管偏心和仪器偏心均会给声场波形特征带来影响,且随着偏心率的增加而增大;相比较而言,仪器偏心对套管波的影响更大。     

斜入射激光超声体波声场的实验研究

为研究微烧蚀状态下圆形光斑斜入射时激光超声声场的指向性,使用脉冲激光辐照半圆柱形铝质工件表面,并使用压电探头和电磁超声探头分别接收纵波和横波信号。根据速度参数确定了超声信号的类型,提取了信号的峰-峰值,并绘制出声场指向性曲线。通过分析获得以下结论:激光斜入射角度在0~60°范围内变化时,纵波声场的声束轴线方向保持不变,且与工件内法线平行;另外,横波声场的峰-峰值仍然在±35°的方向上取最大值,但是横波指向图形的主瓣易受激光入射方向的影响,当倾斜角度大于等于45°时,横波主瓣的范围变得较宽。     

套管中泄漏弯曲型Lamb波的传播特征

低阻抗水泥固井质量检测是油气田生产亟需解决的问题。套管中传播的最低阶泄漏弯曲型Lamb波(以下简称为A0弯曲型Lamb波)对套管后介质尤其是低阻抗水泥的声学参数和胶结状况具有很高的敏感性。通过建立多层介质模型,从理论上计算了其频散和衰减与套管后介质属性及水泥环第Ⅰ界面胶结状况的关系,并数值模拟了有限尺寸定向辐射探头激发和接收的全波波形。结果表明,在套管后耦合慢速水泥时,A0弯曲型Lamb波的频散曲线存在断点,曲线分为两个分支;A0弯曲型Lamb波的衰减在套管后耦合慢速水泥时最大并且对水泥环第Ⅰ界面胶结差时流体环厚度有很高的灵敏度,利用其衰减可以实现对套管后介质类型、水泥环第Ⅰ界面胶结状况及窜槽厚度的有效判别。     

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。     

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.     

圆管内的偏心声源在圆管内外激发的声场

为了分析环形声波测井、扇区水泥胶结测井以及声波成像测井仪器在套管井内测量的波形,识别套管外界面的腐蚀或串槽情况,研究了偏心声源在圆管内、外激发的二维声场,给出了不同时刻的声场分布图和不同方位角的波形图,分析了不同回管厚度和声速时环绕圆管传播的波,并给出了实验结果。     

Numerical study on scanning radiation acoustic field in formations generated from a borehole

The directivity of acoustic transducers used in conventional acoustic logging tools is uncontrollable[1,2], which inevitably affects investigation depth and resolution. At present, deep and wide range of investigation in petroleum exploration is urgently re- quired. It is important to improve the exploration capability to find more complex and fine reservoirs[3], for which the direction of the radiated acoustic energy is a direct factor. Acoustic field in the formations generated by the source…     

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。     

套管井体胶结状态对井孔中声传播的影响

从波动方程出发,利用匹配边界条件,木文推导出套管井中由单极子和多极子声源激发的井内声场定解表达式及相应的导波色散方程.利用实轴积分法和快速傅里叶交换数值方法,具体计算了套管井中不同胶结情况时由单极子声源和偶极子声源激发的井轴上不同源距处的全波列波形。结合套管井中的轴对称导波模式,分析了胶结状况对套管井中单极子和偶极子声源激发的声场的影响.研究结果表明:仅利用普通单极子声源或偶极子声源进行套管井测井,难以区分出套管胶结良好、套管与水泥为滑移胶结和自由套管情况三种不同的胶结情况;只有把普通单极子声源测井与偶极子声源测井结合起来,才有可能准确评价套管的胶结情况。     

套管井声场合成波形及其时频特征分析

数值计算了点声源激励下套管井声场的声压波形。计算模型包括了实际中所有的三类岩石及两个界面的各种胶结情况,声源频率采用实际的测井频率。对合成波形进行了基于Wigner-Ville分布的时频分析。计算和分析结果说明,波列中的套管波、伪瑞利波在一、二界面不同的胶结情况下有明显的变化规律。二界面未胶结时,套管波模式的时频分布随管外水泥层厚度的变化而变化。它们与地层体波成分的特征可作为管外水泥胶结质量评价的重要依据;而中速地层时地层体波能量最强,有利于胶结质量评价。     

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。     

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。     

Electroseismic waves excited by vertical magnetic dipole in borenole

Acoustic and electromagnetic fields are coupled in a fluid saturated porous medium due to seismoelectric effect. Seismoelectric well logging method has been proposed to detect deep target formation utilizing such effect. Because of uncoupling of SH waves with P-SV waves, a simple and forthright way to get shear waves information is possible, especially for soft or slow formation whose shear wave velocity is lower than the velocity of borehole fluid. We consider the wave fields excited by a vertical magnetic dipole (VMD) source. Two methods are used to simulate, one is the coupled method based on Pride model and the other is the uncoupled method. For two methods, the frequency wavenumber domain representations of the acoustic field and associated seismoelectric field are formulated. The full waveforms of acoustic waves and electromagnetic wave induced SH waves excited by VMD source in the time domain propagation in borehole are simulated and analyzed.