套管井固井质量声学检测技术现状与展望

套管井的固井质量检测在保护油气层和环境保护等方面具有重要的意义。在固井质量评价方法中,声波测井技术作为现代测井方法之一,因其对介质声阻抗大小、水泥环内部缺失及层间粘接状况敏感等优点被广泛应用。井孔声场理论是声波测井技术的基础,本文阐述了单层以及多层套管井的声场理论研究现状;介绍了几种国内外传统的声波测井技术,概括了不同技术的原理及特点。同时介绍了人工智能方法在固井质量检测中的应用,强调了多种机器学习方法在处理测井资料提供更大的函数空间,以及帮助测井专业人员以非线性方式从高维空间发掘知识等方面的优势。从5个方面展望了声波测井技术未来可能的发展趋势,为固井质量检测提供进一步的发展建议。

多极子阵列声波成像测井技术研究

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。

京胡的声学

本文给出中国民族弦乐器京胡的基本声学特性,分析了京胡上共鸣器皮膜和琴筒的作用。直接从波在弦上传播的特点得出弦振动频谱的表示式,提出从拉弓弦振动的两种波来分析琴声的概念和用演奏七声音阶音得出琴声频谱的方法。

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。

反射声波测井波场分离方法研究

在反射声波测井数据处理中,用于偏移成像的反射信号相对于高幅度井中直达波较为微弱,只有利用波场分离技术将反射波从全波形中提取出来,才能对反射信号进行成像处理。在不改变仪器构造与测量模式情况下,对广泛应用于偶极反射声波测井技术中的线性预测滤波法进行改进,在滤波过程中考虑偶极测井弯曲波频散的影响,结合慢度—时间相干法对井中直达波进行估计,并从全波形中滤除。通过油田实测数据处理证实,结合了慢度—时间相干法与线性预测滤波法的波场分离方法,较常规方法而言,井中弯曲波得到较大程度的压制,进而提高了反射声波测井的有效性。

偶极源井孔声场中纵横波的计算及分析

在分析垂直割线和极点对偶极源井孔声场中分波和全波贡献的基础上,给出了数值计算纵横波部分的方法,即纵波是纵波垂直割线和复极点的综合贡献,而横波是横波垂直割线和实极点构成的传播模式的贡献。结合实际算例对该方法的正确性进行了验证,指出了以往应用垂直割线积分计算纵横波的局限性。对纵横波部分的频率激发谱和传播行为进行了分析,结果表明在泊松比较大的慢速地层中复极点对纵波头波的贡献较大;横波的幅度及横波垂直割线和实极点对横波的贡献大小随声源的激发频率发生变化。

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。

基于能量守恒框架下的波动力学理论研究

基于波动力学的基本概念,提出了在能量守恒框架下建立波动力学方程的新思路与方法.首先,回顾了用牛顿第二定律推导波动力学方程,同时回顾并分析了利用Hamilton变分原理,推导了在连续介质中的Lagrange方程、Hamilton正则方程,以及相应的波动力学方程;其次,在能量守恒的框架下,建立了连续介质的Lagrange方程、Hamilton正则方程和波动力学方程,并证明其结果与利用经典力学推导的结果的一致性,特别地,澄清了用Hamilton变分原理建立保守系统下连续介质的Lagrange方程和Hamilton正则方程时在边界条件应用时的一些模糊认识.在能量守恒框架下建立一系列动力学方程,为我们在不涉及泛函求极值的变分原理等基础上刻画和表述复杂介质中波动现象的演化规律提供了另一种途径,也深入探讨了最小作用原理的物理本质.最后,在能量守恒的框架下给出了建立黏弹性介质中的波动力学微分方程的应用.

横向各向同性地层中随钻声波测井模式波分析

针对横向各向同性地层随钻声波测井模型,通过模式分析的方法,考察了快速地层和慢速地层井孔内随钻单极子、偶极子和四极子声源激发的斯通利波、弯曲波和螺旋波的相速度频散和激发强度特征,计算了这些模式波对于地层弹性常数的灵敏度,并与电缆测井中的情况进行了比较.结果表明:随钻斯通利波在低频时对地层弹性常数中c66的灵敏度较电缆测井中有了很大提高,可用于反演地层水平向横波速度;随钻偶极子最低阶弯曲波在低频时不能用于直接获取地层横波信息,但在慢速地层中频率较高(例如6kHz)时却可以间接得到地层垂直向横波速度;随钻四极子螺旋波的特征与电缆测井中的类似,可用于获取地层垂直向横波速度.

金属纤维多孔材料在高声强下的吸声性能预测

以烧结金属纤维多孔材料为对象,研究了材料的非线性静流阻特性,以及在高声强下的吸声特性。提出了通过线化的奥森方程,推导Forchheimer关系中非线性系数的方法,得到半经验的非线性流阻模型,并给出了相关的实验对比;结合非线性流阻模型和Umnova-Attenborough的声学模型,进而预测金属纤维材料在高声强下的非线性吸声性能,并与实验做了比较,结果比较一致。同时,也对纤维多孔材料非线性吸声机理做了一些简要阐述。所提的预测方法对纤维吸声材料的设计和优化有一定指导意义,尤其是在高声强环境中。

用于井下超声石油流量计的互相关方法

介绍井下超声波石油流量计的互相关处理方法以及实现方案。该方案采用倾斜式换能器布放方式,提高了井下超声石油流量计的测量灵敏度;采用数值化互相关求取时差的方法处理超声回波,对相关法与阈值法计算时差的可靠性与稳定性进行了比较,说明了相关法在时差计算方面相对于阈值法的优越性。同时介绍了相关法井下流量计的电路实现方法。结果表明:简化了超声流量计的电路设计,提高了系统的稳定性和测量精度,该方案对于井下流量计及相似的检测问题具有实际的参考价值。

基于Biot-Stoll理论的充液管-海底沉积物导波的传播特性

研究海底沉积物的声学特性对海洋国防和经济开发具有重要的意义。该文基于Biot-Stoll理论对充液管-海底沉积物中激发产生的模式波的传播特性进行了分析,并数值仿真了海底沉积物声学参数测量的应用。首先,对该模型下的声场进行了求解,建立了模式波的频散方程,研究了管中纵向轴对称模式的传播特性。其次,在纵向L(0,1)模式波传播特性的研究中,数值模拟了接收波形,构建并求解了目标函数,论证了该模式波反演沉积物孔隙参数的可行性。研究结果表明:充液管-海底沉积物模型中的L(0,1)模式波的传播特性对沉积物孔隙参数变化敏感,数值仿真证实了可以利用L(0,1)模式波来反演沉积物孔隙参数。

有限元感应测井模拟的背景场选择方法研究

在感应测井的有限元模拟中,为了消除源的奇异性,一般将总场分解为背景场和散射场.本文定量研究了不同背景场选择方法对计算精度的影响.首先,分析了在均匀和径向分层介质中不同背景电导率对长短源距线圈系有限元模拟结果的影响;其次,利用三层介质模型对比了选择源点附近和线圈系中点附近地层电导率作为背景电导率的结果.研究结果表明,如果在选择背景场时,只考虑源附近的散射场梯度而不同时考虑源和接收器附近的散射场梯度,计算误差明显增大.在此基础上提出一种利用Gianzero几何因子计算的视电导率作为背景电导率的新的背景场方法.该方法综合考虑了围岩、井眼、线圈距等因素,特别是在介质分界面处,可有效减小计算误差,并取得了满意的精度.本研究为复杂环境下的感应测井模拟的背景场选择提供了指导和依据.

三叠片型偶极声波测井换能器的有限元设计

三叠片型偶极声波测井换能器可以用来测量快速地层和慢速地层的横波速度。基于有限元方法,对三叠片型偶极发射声波换能器进行结构仿真与设计。系统探讨了换能器尺寸和结构各参量的改动对换能器频率特性和辐射特性的影响。当压电陶瓷片的厚度增加、金属基片的厚度增加,或者压电陶瓷片的长度增加时,换能器的谐振频率升高;当金属基片的长度增加时,换能器的谐振频率降低。换能器的声辐射效率随压电陶瓷片或者金属基片长度的增加而增加,随它们厚度的增加而降低。

液体薄层中的超声空化

液体薄层中的超声空化,因其边界及所处空间的特殊性,而呈现出非常独特的空化结构和演化行为,在超声清洗、超声钎焊、表面处理、近场声悬浮、超声化学等领域都有所应用。该文梳理了近几年该课题组在液体薄层中的超声空化研究中的一些成果,力图揭示液体薄层内空泡、空化云、空化场的运动和分布规律,及其产生、发展和演化过程,以期对液体薄层中的超声空化行为有一个相对清晰和完整的认识。

正交偶极声波测井换能器有限元分析

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。

井下前视声波成像系统及电路设计

介绍了一种用于检测油井套管变形和落物等状态的前视声波扫描成像实验系统。系统采用相控阵超声波扫描技术和一维线阵声波换能器。系统由井下系统和地面系统两部分组成,详细阐述了井下系统中电子电路的实现方法。系统将FPGA+DSP+AD的数字电路框架应用于套管井检测,完成了对超声回波的高速采样以及数字信号处理。用该系统进行了一系列模拟实验,结果表明:该系统在模拟井下环境的实验条件下,能够得到套管井的前视声波图像,从而检测出套管井变形、井内落物等状态。

各向异性联合反演的数值研究

目前正交偶极子声波测井中广泛应用的各向异性反演方法为多参数联合反演的方法。该方法的目标函数由两部分构成:一是基于四分量旋转得到的快慢横波的波形匹配函数(简称主函数),二是主函数对方位求导后得到的辅助函数。该文深入研究了主函数与辅助函数以及二者的和(简称综合函数)随各向异性参数的变化特性与规律。数值模拟表明,主函数的最小值总是出现在各向异性大小为0、方位与快慢横波方位成45?的方位处,且在快横波方位上的地层各向异性大小附近存在极小值,该极值小于慢横波方位上的极小值;辅助函数在快慢横波方位上的值非常小,但在这两个方位上随各向异性大小变化不明显;综合函数可以反演出各向异性参数,但对方位的特性被弱化。

三维超声地震模型实时成像系统

室内水槽实验是研究地质沉积过程及其演化规律的重要手段,高精度获取沉积过程中的地质体的变化是这类模拟实验非常关键的环节。文章介绍了新研制的三维超声地震模型实时成像系统的主要组成及关键技术。该系统用于模拟海上地震,可以在沉积实验后通过快速测量及对数据的实时偏移处理与成像可以获取变化的多层复杂地质模型动态图像,极大地提高了实验效率和成像精度。该系统具有良好的实时性、成像质量以及探测范围,在对研究地质沉积、海洋地质以及三维地震模型研究等方面有着广泛应用前景。

用于固体矿床多分量感应测井响应模拟的矢量有限元法

本文开发了基于非结构化四面体网格的三维矢量有限元法,实现了固体矿床井眼中多分量感应测井响应的数值模拟,并分析了多分量感应测井仪器在复杂矿床模型中的响应特征.本文通过采用几何因子背景场,有效地避免了源的奇异性问题;同时,在井眼边界采用非均质网格并用Gauss-Legendre积分计算四面体单元的等效电导率.利用LU分解求解线性方程组,实现了一次网格划分多点的数值计算,提高了计算效率,从而实现快速连续的多分量感应测井模拟.非结构化的四面体网格确保了该方法可以模拟实际问题中所能遇到的复杂的矿体模型.基于水平三层分层和径向分层模型,验证了算法在各向同性和各向异性介质中的可靠性.我们还以三个不同的矿床模型为例,研究了多分量感应测井仪的不同分量的探测特性,结果表明,结合九个分量的信息,可以探测矿体的深度,也可以识别矿体的方位和走向,为精确地描述矿体的三维分布特征打下了基础.