基于动电效应的震电测井方法研究进展*

与双电层和孔隙流体渗流有关的声波-电磁场耦合效应(动电耦合波)在油气储层勘探、地震电磁场等领域有着潜在应用价值。该文简述动电耦合波在理论模型以及井孔动电耦合波的实验测量、模拟计算方面的研究进展,并对油气储层测井领域进一步的动电耦合波研究进行了展望。基于动电信号的探测方法同时接收声波和电磁场两类信号,可避免单一类别信号方法的不足。实验获得了岩心的动电耦合系数,但其表征的孔隙岩石物理性质还有待进一步认识。基于耦合控制方程,开展了震电波场的计算和分析。结果表明,声源激发后,可接收到伴随声波的电磁信号和早于声波的电磁首波。这两类信号都既对影响声波特性的岩石模量、孔隙度和渗透率等参数敏感,又与电导率等岩石电学性质密切相关。非饱和岩石动电耦合波理论和基于动电耦合波的参数反演方法等问题有待进一步研究。     

改进的PV—FD方法与沿井孔传播声波通过层的精细描述

采用改进的声压一速度有限差分（ＰＶ－ＦＤ）数值模拟方法,着重研究水平薄层及裂缝对声波列井中全波列的影响。数值模拟了井外出现铆中非对称水平薄层情况下的阵列声波记录,并模拟计算和绘制了移动测井仪器记录的实测声波变密度图。通过（期能利波限幅）放大,各类波通过界面和层的传播都得到精细的描述。     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。      

声波在油管中的传播特性

随钻测井是七十年代末发展起来的新技术。由于它可以随时监测钻压、扭矩、泵压、井温、井压、泥浆性能,含油、气、水情况,使钻井人员能够及时而准确地了解井下参数,对钻井如何进行做出正确判断和决策。因此,随钻测井具有很大的经济效益,受到许多国家的重视。 随钻测井的关键问题是信号通道。与其它方法相比,声波随钻测井具有设备简单、费用低的优点,但低频干扰、传播距离等一些技术问题尚待解决。所以,该方法仍处于研究和试验阶段之中。 本文给出了声波在油管中传播时,油管的长度、接头、油管所在介质及发射频率对接收信号不同影响的测量结果。     

圆孔非线性声阻抗三维时域仿真与特性分析

为研究有限振幅声波作用下圆孔的非线性声学特性,提出了基于三维时域计算流体动力学(CFD)仿真的圆孔非线性声阻抗提取方法,通过求解层流方程来模拟声信号在圆孔及上下游的传播,以及采用横向周期性边界条件来考虑高穿孔率时圆孔之间相互作用的影响。研究了不同幅值声波作用下孔径、厚度和穿孔率对声阻抗的影响规律,通过对质点振速幅值、频率和板厚等组成的无量纲参量进行非线性回归分析,得到了圆孔非线性声阻抗的拟合公式,并将其转换为可考虑多频声波影响的时域模型。最后结合声阻抗时域模型和有限差分方法计算了直通穿孔管消声器在小振幅和有限振幅声波作用下的传递损失,通过与实验测量结果的比较,验证了拟合公式的准确性和实用性。     

输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究

为探究输气管道声波法泄漏检测技术的基本原理和研究方法,建立了输气管道泄漏仿真模型和实验模型。首先,研究输气管道发生泄漏时声波产生机理,从而明确声波法泄漏检测技术的工作原理;其次根据声波法泄漏检测的原理建立Fluent仿真模型,通过CFD软件模拟输气管道泄漏得到流场和声场,得到声波信号特征;再次根据声波法泄漏检测的原理搭建实验管道,设计完成声波信号数据采集终端,并在仿真结果指导下完成输气管道泄漏检测实验,采集得到实验数据并进行分析,得到泄漏时声波信号特征并对仿真结果进行验证;最后对比多工况条件下的实验结果和仿真结果,分析不同工况条件对压力波动值的影响规律,从而总结输气管道声波法泄漏检测的仿真与实验研究方法,为声波法泄漏检测的实际工程应用提供理论基础。研究结果表明:输气管道泄漏产生的声波来源于泄漏时气体不稳定流动产生的偶极子声源和四极子声源;仿真模拟和实验研究的方法都可以完成声波法泄漏检测技术的研究,可以对声波法泄漏检测技术的推广和工程应用提供强大的理论支持和可行性保证。结论是:声波法泄漏检测技术可以很好的检测输气管道泄漏,是一种灵敏度高,检测时间短,值得推广的方法。      

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

心脏磁场分布电流源重构及其精度分析

用测量到的心脏磁场信号重构其电流源是一种无创揭示心脏电活动的方法. 心脏电活动的时空信息可视化, 将有助于心脏功能的研究和心脏疾病诊断. 本文通过仿真实验研究了一种减时窗波束形成器对分布时变电流源的重构能力, 以及源重构结果与心室兴奋传播的关系. 采用元胞自动机模拟心室的兴奋传播, 产生分布随时间变化的电流源, 并用边界元法构建了一个心脏-躯干模型, 模拟体电导的作用. 仿真结果表明, 这种减时窗波束形成器能够重构分布时变电流源, 并达到较好的精度. 将该方法和无穷大均匀介质导联矩阵用于一例正常人的心脏磁场信号分析, 其结果可以反映心室兴奋传播的基本特征. 关键词： 心磁图 源重构 边界元 波束形成器     

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。     

流化床燃烧声发射与气固两相流特性研究

１引言燃烧流化床声发射是一个极其复杂的过程,它是气因流态化两相流运动,气体湍动和燃烧化学反应复合作用的结果,其发射声谱中包含了上述运动过程的丰富信息山,对其发射声谱进行系统深入的研究,对寻求流态化两相流的运动规律有重要意义。本文试图以大量的实验研究为基础,以声波数字计算技术和现代分析理论手段,对气因流态化两相流运动规律进行了研究。２实验简介实验装置主要有燃煤流化床燃烧实验台和声波测量系统组成。燃煤流化床燃烧实验台如图１所示,声波测量系统见图２,从燃烧室不同位置测得的声波信号,一路送声波数字化处理…     

声波测井新理论和方法进展

在对声波测井的应用背景、基础方法的推出和理论发展过程进行综述的基础上,着重介绍了近10多年声波测井理论和方法的新进展.结合偶极声波测井技术的兴起和地层各向异性的探测,就相关的基础理论新成果和典型新方法的应用分别进行了评述,也对井孔倏逝波机制和声(震)电效应这类更着眼于进一步应用的物理问题做了概述.文章每一部分都对存在的问题和值得开展的工作提出了建议,并提供了较详细的参考文献,供有兴趣的读者方便查阅.     

声波测井中的物理问题

文章从声波测井的基本概念入手,介绍了什么是声波测井,其基本原理是什么,声波测井中的主要物理问题是什么,还从几个侧面介绍了声波测井的基本应用和未来的发展趋势,包括传统的电缆测井、目前国外流行的随钻声波测井以及具有应用前景但是尚处于研究阶段的震电测井.文章向从事物理研究的工作者概述了声波测井相关的物理问题和研究的发展现状,为打算涉入声波测井领域研究或者对相关领域研究感兴趣的读者提供了一些基本素材和知识.     

Numerical Simulation of Shear-Horizontal-Wave-Induced Electromagnetic Field in Borehole Surrounded by Porous Formation

Seismoelectric fieM excited by purely torsional loading applied directly to the borehole wall is considered. A brief formulation and some computed waveforms show the advantage of using shear-horizontal （SH） transverseelectric （TE） seismoelectric waves logging to measure shear velocity in a fluid-saturated porous formation. By assuming that the acoustic field is not influenced by its induced electromagnetic field due to seismoeleetric effect, the coupling governing equations for electromagnetic field are reduced to Maxwell equations with a propagation current source. It is shown that this simplification is valid and the borehole seismoelectric conversion efficient is mainly dependent on the electrokinetic coupling coefficient. The receivers to detect the conversion electromagnetic field and to obtain shear velocity can be set in the borehole fluid in the SH-TE seismoelectric wave log.     

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.     

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.     

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。     

声诱导电磁场的赫兹矢量表示与多极声电测井模拟

在假设声场不受电磁场影响的前提下，将Pride声电耦合方程组化为具有电流源的麦克斯韦方程组.与空间位置固定的电流源产生的电磁场不同，孔隙地层中声波诱导的电磁场是由空间波动的电流源产生的.通过引入赫兹矢量，将求解麦克斯韦方程组问题转化为求解关于赫兹矢量的非齐次矢量赫姆霍兹方程组.通过求解该方程组，得出电磁场表达式.利用此方法，针对声电效应测井，分别计算了由单极声源、偶极声源、四极声源激发的井内声场及其诱导电磁场的全波波形. 关键词： 孔隙介质 诱导电磁场 测井 多极声源     

Acousto-electric well logging by eccentric source and extraction of shear wave

The nonaxisymmetric acousto-electric field excited by an eccentric acoustic source in the borehole based on Pride seismoelectric theory is considered. It is shown that the acoustic field inside the borehole, converted electric and magnetic fields and coupled fields outside the borehole are composed of an infinitude of multipole fields with different orders. The numerical results show that both the electromagnetic waves and the seismoelectric field in the borehole, and the three components of both electric field and magnetic field can be detected. Measurements on the borehole axis will be of advantage to determining shear velocity information. The components of the symmetric and nonsymmetric acoustic and electromagnetic fields can be strengthened or weakened by adding or subtracting the two full waveforms logged in some azimuths. It may be a new method of directly measuring the shear wave velocity by using the borehole seismoelectric effect.     

Acoustic field outside a cylindrical region excited from inside

We present the results of numerical calculation of the acoustic field distribution in a structure consisting of three cylindrically symmetrical, infinitely long coaxial regions with identical constant density. The media in the inner and outer regions have the same sound velocity which is different from that in the intermediate region. In the inner region, a harmonic pressure source is located. Expressions for the acoustic fields in each region are derived and the field distribution in the outer region is determined. The numerical analysis is performed at the distances corresponding to the near field of the source. Characteristic features of the field structure as a function of the source frequency, the sizes of the system, and the acoustic parameters of the medium are determined. The results obtained can be used in geophysical prospecting for characterization of boreholes, in acoustic logging of wells, and in the problems of noise control near industrial and power plants.     

Optimization Design for the Sandwich Piezoelectric Transmitters in Acoustic Logging

An optimized transducer prototype with a sandwich structure vibrated longitudinally is proposed for a transmitter in acoustic logging,especially in acoustic logging while drilling,by taking account of drilling environments with high temperature and pressure,as well as strong collar drilling vibration during the drilling process.Aimed to improve the transmitting performance,numerical and experimental studies for the transducer optimization are conducted.The impact of location and length of the piezoelectric stack on resonance characteristics and effective electromechanical coupling coefficient is calculated and analyzed.Admittance and transmitting performance of the proposed transducer are measured in laboratory experiments,and the results are compared with simulated ones.It is shown that the newly proposed transducer has higher transmitting performance with lower resonance frequencies.This work provides theoretical and experimental bases for transducer designing and acoustic wave measurements in acoustic logging,especially in acoustic logging while drilling.