关于声速测井中Rayleigh波时差的理论基础

前言 声速测井中最常利用的是沿井壁的地层滑行纵波。但是,沿井壁传播的声波不只是地层滑行纵波。声波由泥浆进入地层,当入射角达到第二临界角时,可能产生滑行横渡,而滑行横波迅速转化为沿井壁的Rayleigh波。第二临界角θ_1″的公式是     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

声波测井套管胶结质量模拟检测

根据固井质量刻度实验井群的设计要求，介绍了在实验室内制作不同密度、不同声速下地层模拟试块的制作方法，在室内对套管水泥界面质量进行了模拟检测实验，并进行了Ｌａｍｂ波和纵波的测试试验。结果表明，用Ｌａｍｂ波可以检测套管外有无阻尼介质，纵波可以检测套管与水泥环的胶结效果。     

关于声波测井中声波的滑行和波型转化问题

声波测井是测井的主要方法之一。声速测井可以判断气层的位置,确定油气接触面和油水接触面,划分地层,和估计岩石孔隙度。声幅测井主要用于检查固井质量,所以有时称为水泥胶结测井;但是声幅测井并不只限于水泥胶结测井,例如用于在裸眼井中划分裂缝带。变密度测井(全波列测井——下同)可以同时测量套管信号和地层信号的幅度,并且把全波列都记录下来,因此可以比较详细地判断套管胶结情况和地层耦合情况以及串槽情况。     

裸眼时差与变密度测井地层波能量相结合改进固井Ⅱ界面评价

固井Ⅱ界面胶结情况直接影响生产井中油、水层的窜通,是固井质量检测的重要环节.利用裸眼井声波时差资料计算出变密度波列中的地层波波至,结合现场变密度资料在频域内对地层波能量进行了准确求取,并对固井Ⅱ界面进行了评价.结果表明,固井Ⅰ、Ⅱ界面水泥完全胶结时,地层波能量和声波时差存在一定的指数关系.在此基础上考虑地层声速参数对地层波能量的影响,特别是快、慢地层对Ⅱ界面评价的影响,给出了一种新的主要反映水泥胶结质量的Ⅱ界面胶结指数的定义.评价结果表明,新的胶结指数曲线在固井Ⅱ界面胶结良好井段相对较平滑且数值接近于1,基本能够消除地层声速对Ⅱ界面胶结质量的影响,进而改进了固井Ⅱ界面的评价质量.     

裸眼时差与变密度测井地层波能量相结合改进固井Ⅱ界面评价

固井Ⅱ界面胶结情况直接影响生产井中油、水层的窜通，是固井质量检测的重要环节。利用裸眼井声波时差资料计算出变密度波列中的地层波波至，结合现场变密度资料在频域内对地层波能量进行了准确求取，并对固井Ⅱ界面进行了评价。结果表明，固井Ⅰ、Ⅱ界面水泥完全胶结时，地层波能量和声波时差存在一定的指数关系。在此基础上考虑地层声速参数对地层波能量的影响，特别是快、慢地层对Ⅱ界面评价的影响，给出了一种新的主要反映水泥胶结质量的Ⅱ界面胶结指数的定义。评价结果表明，新的胶结指数曲线在固井Ⅱ界面胶结良好井段相对较平滑且数值接近于1，基本能够消除地层声速对Ⅱ界面胶结质量的影响，进而改进了固井Ⅱ界面的评价质量。     

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.     

过套管偶极横波远探测理论与应用

着眼于全球各地油田中大量的套管井和过套管远探测技术的应用前景,从理论分析和现场应用角度研究套管井中偶极横波远探测方法的可行性和实际应用中的有效性。与裸眼井相比,套管的存在会改变偶极声源的辐射特征和效率,使其有效频带向高频移动,但其辐射的声能未有量级上的改变,从理论上证明套管井中的偶极横波远探测,可以像裸眼井中的情况那样有效应用。为此对同一井段套前、套后的四分量偶极横波测井数据进行远探测成像处理和结果的对比分析。结果表明:即使是在两次测井时仪器方位完全不同的条件下,二者在地层反射体(实例中为裂缝体系)走向方位上的成像具有相当好的可重复性,验证该技术在实际应用中的可靠性。     

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、横渡的主频值发生漂移，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。     

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.     

提取全波列声波测井信号波前的一种新方法

把平滑过渡信号作为全波列声波测井信号中的各种波的数学模型,研究了其连续子波变换的波形特点,提出了一种提取其起始点的新方法.利用此方法可以精确地提取全波列声波测井信号的滑行纵波、滑行横波及斯通利波的波前.     

流体-流体模型裸眼井的声场理论分析与数值计算

对流体-流体模型的裸眼井中可能存在的声场进行理论分析与数值计算,得出井内全波是由滑行p波、简正波和漏模式波组成的.证实了简正波的存在,澄清有关流-固模型慢地层情况下不存在简正波的结论,得出广义上的慢地层概念及发现漏模式存在的范围和规律.     

声波测井套管胶结质量模拟检测

根据固井质量刻度实验井群的设计要求，介绍了在实验室内制作不同密度、不同声速下地导模拟试块的制作方法，在室内对套管水泥界面质量进行了模拟检验实验，并进行了Ｌａｍｂ波和纵波的测试试验。     

声波测井中共振弹性波的位相差分析

本文在文献[2]的基础上,进一步详细分析了裸眼井中点声源激发的弹性波的两种共振模式。分析表明:共振纵波与共振横波的振幅属同一数量级。同时论证了共振纵波与共振横波到达井轴上同一点的位相差等于零。本文的这两个结果为在实际声波测井工作中区别共振纵波与共振横波及进一步提取横波信息提供了依据。     

三维双相各向异性介质弹性波方程交错网格高阶有限差分法模拟

基于Biot理论,给出了三维双相各向异性介质应力-速度弹性波方程交错网格任意偶阶精度有限差分解法,并对三维双相各向异性(TIH)介质中弹性波场进行了模拟.结果表明,弹性波在三维双相各向异性介质中传播时存在快纵波qP1、快横波qS1、慢横波qS2和慢纵波qP2,并清楚地观测到了横波分裂、横波分裂盲点、波面三分叉等特殊现象.快纵波在固相和流相中的相位相同;而慢纵波在固相和流相中的相位相反,即慢纵波在流相中振幅大,而在固相中的振幅较小.另外,三维双相各向异性介质中弹性波场的快纵波和快横波的耦合关系、波的类型、能量分布和相位等都是在三维空间中变化的.     

三维双相各向异性介质弹性波方程交错网格高阶有限差分法模拟

基于Biot理论，给出了三维双相各向异性介质应力一速度弹性波方程交错网格任意偶阶精度有限差分解法，并对三维双相各向异性（TIH）介质中弹性波场进行了模拟。结果表明，弹性波在三维双相各向异性介质中传播时存在快纵波qP1、快横波qS1、慢横波qS2和慢纵波qP2，并清楚地观测到。T横波分裂、横波分裂盲点、波面三分叉等特殊现象。快纵波在固相和流相中的相位相同；而慢纵波在固相和流相中的相位相反，即慢纵波在流相中振幅大，而在固相中的振幅较小。另外，三维双相各向异性介质中弹性波场的快纵波和快横波的耦合关系、波的类型、能量分布和相位等都是在三维空间中变化的。