声波测井中的面波

声波测井方法主要有声速测井,声幅测井和全波列声波测井等方法。其他声波测井方法仍在继续研究和探索之中。目前声波测井的发展,面波的发现和受到重视是值得注意的。今试就声波测井中的面波问题给以阐述。 在裸眼井中,当入射声波对井壁的入射角达到第一临界角时,井壁地层中产生滑行纵波。此时,有无面波产生?这样的滑行纵波是否纯是纵波?这是个值得分析的问题。     

平面声波在平行分界面上反射和折射的理论计算

建立了平面声波在平行界面上反射和折射的理论模型，推导了该理论模型下的反射系数表达式，对反射系数随入射角的变化规律作了分析和探讨。对在第一临界角和第二临界角附近的反射系数大小的讨论，有助于研究声波全波列中的滑行纵波、滑行横波和伪瑞利波的幅度特征。     

平面声波在平行分界面上反射和折射的理论计算

建立了平面声波在平行界面上反射和折射的理论模型,推导了该理论模型下的反射系数表达式,对反射系数随入射角的变化规律作了分析和探讨.对在第一临界角和第二临界角附近的反射系数大小的讨论,有助于研究声波全波列中的滑行纵波、滑行横波和伪瑞利波的幅度特征.     

Rayleigh波环形传播测井方案

目前的声波测井方法主要是声速测井,声幅测井和全波列声波测井(变密度声波测井)。这三种方法所利用的是地层滑行纵波、套管波(可能有Lamb波)和沿井壁传播的地层Rayleigh波。这些声波的传播方向都平行并轴。利用平行井轴的声波进行测井,是目前声波测井的传统方式。本文试图突破这一传统,设法利用垂直井轴的声波进行测井,使Rayleigh波沿井壁作环形传播,其路径近似正园,园心在井轴上。Rayleigh波是面波,具有沿曲面传播的性能。这种利用Rayleigh波沿井壁作环形传播的测井方法,在国内外资料中尚未见到,本文哲称之为Rayleigh波环形传播测井。     

横波未能沿井壁滑行的理论解释

声波测井中,在第二临界角下获得的沿井壁滑行的滑行波不是横波,而是类瑞利波。横波属于畸变波,是畸变波的特例,由各向同性均匀固体介质中的畸变波所需满足的条件,可知沿该固体以真空为界的表面滑行传播的畸变波位移振幅,要依负指数函数关系随深度而减弱。依此滑行畸变波的位移表达式和该固体表面处的边界条件,可以分析出横波作为畸变波的特例,不能存在于该固体表面附近,不能沿该固体表面滑行。由于这个论断可以近似地适用于裸眼井中井壁附近的情况,从而能够得出横波未能沿井壁滑行的理论解释。横波声速与类瑞利波声速在数值上的差别是明显的,不容忽视,不宜混淆。     

滑行畸变波的理论探讨

本文认为,在第二临界角下,固体表面附近存在的应是滑行畸变波,而不是横波。滑行畸变波有负指数滑行畸变波和正指数滑行畸变波。两种滑行畸变波必须并存,单独一种不能存在。滑行畸变波系由第二临界角下离开固体表面稍远的、沿平行表面方向传播的横波声来转化而来,此横波声束并不受边界条件的制约。两种滑行畸变波的声速相同,其值略小于横波声速。总之,在第二临界角下,入射纵波会转化出固体中的横波声束、负指数滑行畸变波和正指数滑行畸变波。在传播中,滑行畸变波被相应的横波声束抛落在后。但此横波声束不断向固体表面扩散,在固体表面附近转化出新生的滑行畸变波。所以,实测所得的声速应该等于或非常接近横渡声速。这种分析对于井下情况也能近似适用。     

向井外地层中扫描辐射声场的数值模拟

应用实轴积分方法研究了实现由充液井孔中的相控线阵声波辐射器向井外地层中扫描辐射声场的方法. 研究表明, 通过改变井孔中的相控线阵声波辐射器的阵元个数、相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和入射于井壁的入射角. 当辐射器产生的声束以小于第一临界角的偏转角入射到井壁上后, 在井外地层中产生的纵波的偏转角近似满足平面波入射于平面界面时的折射定律. 当井孔中的相控线阵的辐射声束角宽较小, 且声束偏转角小于第一临界角时, 可以假设将相控线阵置于无井孔的均匀固体中, 利用固体中相控线阵的指向性函数直接计算井外声场的空间分布. 向井外地层中扫描辐射声场技术可以用于提高反射声波测井和井间声波勘探的空间分辨率和信噪比.     

用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场

采用二维谱技术对充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性及其产生的声场进行了数值研究. 结果表明， 在频率波数域中可以清楚地把在时间空间域中难以分开的模式分辨开来. 相控线阵声波辐射器的阵元个数、阵元高度以及相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和辐射声束的偏转角. 增大井孔中的相控线阵声波辐射器的相邻阵元间的激励信号的延迟时间，可以使相控线阵辐射的声束入射于井壁上的指向角不断变大，先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波临界折射条件，从而使充液井孔中的滑行纵波和滑行横波分别得到加强. 在井孔中采用相控阵声波辐射器可以提高声波勘探的空间分辨率和信噪比.     

滑行纵波的理论分析

声波测井中的滑行纵波与地层内部的纵波不同。纵波不能在固体表面存在,在固体表面存在的是相应的滑行集散波。滑行集散波有两种,一种是负指数滑行集散波,另一种是正指数滑行集散波。两种滑行集散波有相同的声速,此声速略低于纵波声速。两种滑行集散波必须并存,才能满足边界条件,单独一种滑行集散波是不能存在的。离开固体表面稍远的区域,可以有平行于表面传播的纵波声束存在,但是需要与相应的滑行集散波相互衔接。滑行纵波系由纵波声束、负指数滑行集散波和正指数滑行集散波三种成份所组成。滑行集散波传播略慢,被纵波声束抛落在后。但前进中的纵波声束不断向表面扩散而产生出新生的滑行集散波。因此,实测所得的滑行纵波声速等于或非常接近纵波声速。这种分析对于井下情况也能近似适用。激发出泥浆纵波而使接收器获得讯号的是滑行集散波,纵波声束并不直接激发泥浆纵波。滑行集散波由于激发泥浆纵波而受到的损耗,要由纵波声束给以补充。滑行集散波的振幅,由于服从指数规律,因而数值上小于纵波声束的振幅,这是滑行纵波讯号并不很强的原因之一。     

氮化硅陶瓷弹性模量的空气耦合超声检测

针对在恶劣条件下氮化硅陶瓷材料弹性模量无法直接测量的问题,建立了非接触空气耦合超声第一、第二临界角与该材料弹性模量之间的关系.基于声波在氮化硅陶瓷中传播机理,从波动方程入手,利用传递矩阵法及声波气固边界条件获得了声波在不同入射角度下透射系数的物理模型及其分布规律.仿真结果表明,由Snell定律计算的第一、第二临界角与透射系数分布规律获得的临界角相比二者误差小于3%,弹性模量的误差小于2%.实验结果表明,不同入射角下透射系数发生了畸变处的角度分别为第一临界角3.5°和第二临界角6.3°,弹性模量为43.24GPa.该方法也为利用空气耦合超声波测量其它材料弹性模量提供了一定的理论依据.     

固井后获得低声速地层信号的理论探索

在裸眼井中,不论地层声速高低,大都可以获得地层信号,这是由于地层声速一般高于泥浆声速,从而可能在地层中产生滑行波的缘故。但固井后的情况和裸眼井不同,有些地层的横波声速低于套管横波声速,因而不可能在地层中产生滑行横波和Rayleigh波。声测资料[1]证实,并非对所有地层都能获得Rayleigh波信号。如果个别地层的纵波声速也低于套管横渡声速,那就也不能获得地层纵波信号。本文试图从理论上探索,寻求措施,以便在固井后仍然能够获得低声速地层的地层信号。     

充液井孔内电脉冲仪声场的有限元模拟

利用有限元软件ANSYS对充液井孔内电脉冲仪声场的分布进行了数值模拟 ,计算出了井壁上不同位置以及孔眼内邻近地层处的声波波形 ,利用声波信号的幅度 (声压幅度 ) ,绘出了充液井孔内电脉冲仪的声场分布图 ,研究了电脉冲仪放电位置与射孔孔眼内邻近地层处的声波幅度间的关系。结果表明 ,沿井轴方向和井径方向上的声压幅度随着距离的增加而指数减小 ;当声源沿井轴上下移动时 ,离孔眼位置的垂直距离越大 ,孔眼内邻近地层处的声压幅度越小。这为提高电脉冲仪处理油井的效果提供了参考依据。     

充液井孔内电脉冲仪声场的有限元模拟

利用有限元软件ANSYS对充液井孔内电脉冲仪声场的分布进行了数值模拟，计算出了井壁上不同位置以及孔眼内邻近地层处的声波波形，利用声波信号的幅度(声压幅度)，绘出了充液井孔内电脉冲仪的声场分布图，研究了电脉冲仪放电位置与射孔孔眼内邻近地层处的声波幅度间的关系。结果表明，沿井轴方向和井径方向上的声压幅度随着距离的增加而指数减小；当声源沿井轴上下移动时，离孔眼位置的垂直距离越大，孔眼内邻近地层处的声压幅度越小。这为提高电脉冲仪处理油井的效果提供了参考依据。     

斯通利波在测井应用中的研究进展和现状

斯通利波是一种沿井壁传播的声波,当声波脉冲与井壁和井内流体的界面相遇时就会产生斯通利波。近十几年来,由于长源距和偶极子阵列声波仪在测井中的广泛应用和全波形阵列声波测井资料中各组分波的处理分析方法的进步,可将斯通利波分离出来单独研究并应用于测井资料分析。斯通利波技术是评价裂缝及其渗透性的有效方法。     

岩屑声波法地层压力监测技术研究与应用

提出了通过岩屑提取地层信息、为钻井井壁稳定性计算提供必要参数的方法,即通过测量地面岩屑的声波时差,反演得到地层岩石的声波时差,利用岩石的声学性质与力学参数的关系得到地层岩石的力学参数,结合地应力参数,得到井壁周围岩石的应力分布,计算地层的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力.对于预探井,在没有测井资料的情况下,利用该方法可以有效地进行地层压力监测.在两口预探井中进行了随钻监测地层压力的现场试验,证明该方法是有效的.虽然该方法在声波测量过程中还有一定的局限性,对最终计算结果的精确度会产生一定影响,但与单纯的地震资料相比,其精确度已大大提高.     

岩屑声波法地层压力监测技术研究与应用

提出了通过岩屑提取地层信息、为钻井井壁稳定性计算提供必要参数的方法，即通过测量地面岩屑的声波时差，反演得到地层岩石的声波时差，利用岩石的声学性质与力学参数的关系得到地层岩石的力学参数，结合地应力参数，得到井壁周围岩石的应力分布，计算地层的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力。对于预探井，在没有测井资料的情况下，利用该方法可以有效地进行地层压力监测。在两口预探井中进行了随钻监测地层压力的现场试验，证明该方法是有效的。虽然该方法在声波测量过程中还有一定的局限性，对最终计算结果的精确度会产生一定影响，但与单纯的地震资料相比，其精确度已大大提高。     

南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,本文基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示：层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。     

相控线阵声波测井辐射器物理模拟实验波形分析

以声波波形的两个最基本的特征振幅和频率为研究对象,分析了相控线阵声波测井辐射器做发射器时在模型井内测量的全波列波形,并考察了相控线阵的相邻阵元间激励信号的延迟时间、阵元个数等因素对测井波形的影响.实验结果表明,随着相邻阵元间激励信号延迟时间的增加,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波临界折射条件,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.随着相邻阵元间激励延迟时间的增加,纵、横波的主频值发生漂移,当满足滑行纵(横)波临界折射条件时,纵(横)波波包的主频值最高,幅度值最大.随着相控线阵工作阵元个数的增加,在近似满足同相位叠加时,纵、横波振幅得到明显的加强.     

孔隙含气压力对不同孔隙结构砂岩声学属性的影响

为研究孔隙含气压力对不同孔隙结构砂岩声学属性的影响,以大港油田3块不同孔隙结构砂岩为研究对象,利用自研的实验装置在多个含水饱和度点测量了砂岩纵波波形、幅度和速度随孔隙含气压力的变化。定义了1个声波幅度衰减变量I来表征首波幅度的衰减。结果表明:随着孔隙含气压力的增加,声波幅度下降,波形后移,中高孔渗砂岩在低含水饱和度下的声波波形甚至发生一定程度的畸变。变量I与含气压力呈线性负相关,且孔隙结构越好,含水饱和度越低,线性负相关关系越好,随着孔隙结构变差,含气压力降低,声波幅度的衰减减弱。砂岩的纵波速度随孔隙含气压力的增加而降低,在含气压力小于5 MPa时,纵波速度随含气压力的增加缓慢下降,含气压力大于5 MPa后,纵波速度随含气压力的增加而快速下降。岩心孔隙含气压力增大后,与声波幅度衰减相比,纵波速度变化不明显,纵波幅度的衰减对含气压力更敏感。砂岩孔隙含气压力增大所造成的声波衰减主要由黏滞性吸收衰减所引起,含气压力的增加对岩石体积模量和体积密度影响较小,纵波速度的变化主要是由有效应力减小造成岩石孔裂隙张开和颗粒接触刚度减小所引起。实验结果可为砂岩地层的含气性评价和孔隙含气压力预测提供借鉴。     

疏松砂岩油藏注水开发声波速度的影响因素

由于疏松砂岩声波纵、横波速度的影响因素较多,因此有必要对各影响因素进行定量研究。在模拟地层条件下直接对岩心进行饱和、驱替试验,建立不同的油、水饱和度,并在驱替过程中进行了纵、横波速度的连续测试。结果表明：水驱至含水饱和度极限时,岩心纵波速度平均增加7．4％左右,横波速度基本不变;在水驱过程中,由于岩石骨架发生变化,岩石变得疏松,致使岩心纵波速度降低3．1％左右,因此水驱至含水饱和度极限时,最终的岩心纵波速度只增加4．3％左朽;埘于注水效果好的稀油油藏,温度及压力对声波速度的影响较弱,但是对于地层能量补充不充分的区块及稠油油藏,温度及压力埘声波速度的影响不能忽略。