超声共振谱法岩石弹性参数测量研究进展

岩石弹性参数的准确测量对于地下资源的可靠评价和勘探开发具有重要意义。超声共振谱法基于共振频率与岩石弹性性质相关的原理,较传统方法如超声脉冲穿透法、应力应变法等,具有可重复测量、测量精度高、一次测量可获得全部弹性参数的优点,并且可用于不规则样品的测量,因此在岩石弹性参数测量方面拥有广阔的应用前景。该文主要综述了20世纪60年代以来超声共振谱方法的测量、正演方法和反演方法的发展历程,并分析了样品制备、测量方式和计算方法等因素对测量结果的影响,最后对近些年来该方法在测量方法、正演方法、反演方法、非线性测量及极端环境下的测量等方面的进展进行了总结及展望,对未来应重点关注的方向给出了建议,以期对于常规岩石以及页岩和海底矿物等非常规岩石的弹性参数测量方法的发展提供帮助。

样品尺寸对脉冲穿透法声速测量误差的影响

岩心的声速测量能够提供关键的储层地质信息,对储层评价和地质模型构建具有实际应用价值。脉冲穿透法是一种常用的声速测量方法,但它要求样品尺寸远大于波长(约10倍)。当特殊场景如需在测井信号主频8~20 kHz下测量样品声速时,被测样品长达数米,不仅制备困难,还存在声波信号衰减大的问题。关于试样尺寸能否缩小或能缩小到什么程度的定量研究很少见到公开报道。该文将数值模拟和实验测量相结合,系统定量地研究了圆柱状样品长度及直径与波长之间的比值对脉冲穿透法声速测量精度的影响。研究表明:为确保脉冲穿透法声速测量的准确性,建议样品沿传播方向上的长度不低于4倍声波波长,横向尺寸不低于2倍波长。研究结果突破了传统脉冲穿透法要求样品尺寸远大于波长的限制,为优化声速测量方法和提高测量精度提供了理论支持。

微地震监测技术研究进展——震源成像的相对定位法

微地震监测技术是利用岩石破裂位置的时空分布对地下裂缝进行成像和分析,因此,震源定位是微地震资料处理中最基础和最重要的内容。该文首先介绍了微地震定位方法的研究现状,特别是近年来相对定位法在微地震定位应用中的研究进展。然后,详细阐述了两种波形叠加类相对定位方法的原理,并结合实际矿山微地震数据分析了两种方法的成像分辨率特征、计算效率和定位结果,验证了该文研究方法的可行性。最后,对波形叠加类定位方法及微地震监测技术的发展方向进行了讨论和展望。

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.

发展储层声学理论，创新深部钻测技术——“储层声学论文专栏”主编序言

“储层声学”属于多相孔隙固体介质声学的研究范畴,它是研究声波在储层中的产生、传播、接收及声波与储层相互作用及应用等的一门学问。储层声学从提出到现在有十多年的发展历史,它虽是一个年轻的声学分支,但它是在面向地震勘探和地震储层预测等基础问题上发展起来的,且在实际需求的驱动下发展迅速。储层声学要回答以下问题:声波是如何在孔隙性、裂缝性及各向异性的多相储层介质中传播的,组成储层的各组分及特性等对声波的传播是如何影响的,如何利用这些声学特征来描述储层的组分和特性以及声波引起的各种物理效应与储层是如何相互作用的。

周期性管柱信道的声波通信技术研究综述

井下声波通信技术利用周期性管柱信道实时传输声波数据,相比于其他通信方式,具有适应性好、复杂度低、传输效率高等优点,在随钻地质导向、油水井监测等方面有广阔的应用前景,是发展智能油田的关键技术之一。该文主要综述20世纪90年代以来关于周期性管柱信道物理模型、信道容量、声信号调制与接收方法等关键问题的研究历程和主要结论,并对通信系统的设计要点与国内外相关产品的现场应用进行梳理,为后续的技术改进提供依据。

基于有限差分的部分饱和双重孔隙介质弹性波模拟与分析

双重孔隙介质模型考虑了岩石非均质性诱发的介观流对弹性波频散和衰减的影响,在非均质储层地震资料定量解释中取得良好的应用效果.基于双重孔隙介质理论模型,利用数值算法开展弹性波模拟工作不仅可以直观显示波的传播特征,同时也为后期地震反演成像工作奠定基础.本文基于Santos-Rayleigh部分饱和双重孔隙介质模型,利用交错网格有限差分算法模拟并分析了双重孔隙介质中的波场快照和波形曲线.采用Zener黏弹性模型近似表征介观流机制,结果表明Zener模型能够较好地反映快纵波传播特征,却无法表征慢纵波P3波在低频段的衰减特征.利用时间分裂法解决波动方程的刚性问题,提高计算效率.利用解析解验证了有限差分算法正确性的基础上,模拟了均匀介质和分层介质中的波场快照和波形曲线,清晰直观地反映了快纵波在地震频段的强衰减特征,与双重孔隙理论模型预测结果一致.模拟结果有助于进一步理解非均匀部分饱和孔隙介质中的弹性波传播特征.

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。

超声波应用于稠油降黏的实验研究

稠油在我国已探明的储量中占比50%以上,而它的高密度、高黏度等特征使得其开采和运输的难度极大,因此,稠油降黏意义重大。超声波技术在稠油降黏的应用中已取得了一定的成效,但尚未得到现场大规模应用。为探究超声波在稠油降黏过程中的作用规律,基于室内实验设计了包括超声波发生器、流变仪、电子天平、恒温水浴等仪器组成的超声稠油降黏评价测试平台。在测试平台上,观测了超声波发生器的电功率、超声作用时间以及油样初始黏度对稠油降黏效果的影响。结果表明,只有在一定的条件下,超声波技术在稠油降黏中的应用才能取得较好的效果,说明了超声波技术对于稠油降黏以及油井的增产增注具有适用性。目前看来,超声波降黏技术在油田现场实际井中的应用及其降黏机理还需进一步深入的研究。

声空化工程初步

声空化气泡内的高温、高压和高密度是声空化工程的机理和基础。该文简要回顾了国内外声空化理论和实验研究的进展,针对当前在液体中进行工业规模声处理等声能应用方面的现状和存在的问题,提出了扩大声能应用的一种可能途径——声空化空间分布控制并在实验室内进行了实验研究。结果表明该方法具有可行性。在此基础上,文中给出了基于空化空间分布控制方法在稠油井口辅助降黏和高固污泥预处理方面取得声空化工程初步应用的两个例子。现场的试验结果表明,这两种声空化工程化样机在实际现场工况条件下,均取得了较好的应用效果。最后,对当前声空化工程应用前景进行了初步探讨。

含偏心点声源的随钻测井声场模拟和地层各向异性反演研究

地层横波波速测量以及各向异性评价是目前随钻声波测井应用及方法研究的难题之一.针对这些问题,本文试图从钻铤上的偏心点声源在各向异性地层中的响应出发,寻求和探讨解决方案.我们基于三维有限差分模拟的随钻测井信号,研究了偏心点声源在水平横向各向同性(HTI)慢速地层井孔中激发声波传播规律,研究结果表明:在HTI地层中偏心点声源能够同时激发出快、慢两种波形,并且此两种波形中主要分别包含快、慢弯曲波,由于与钻铤波的耦合作用,其速度总是分别小于地层快、慢横波波速,所以无法直接用于地层横波波速的测量.但根据进一步的灵敏度分析可知当在3kHz以上时,它们的相速度分别对地层参数水平和垂直剪切模量(c66和c44)最为敏感.基于此特性,本文提出一种基于解析近似解的最小二乘拟合法,能够通过快、慢波频散曲线反演地层横波波速,所测值误差小于3%,并且具有很好的容错率和稳定性;进而由横波速度反演值评价地层各向异性大小.最后,地层快横波偏振方位可以利用垂直于偏心声源方向的偶极采集的信号能量变化曲线来获取.

三维声波测井探测特性分析与处理技术应用

三维声波测井技术是近年来测井领域的重要进展,由于其集成了井孔轴向、径向和周向的三维信息探测能力,因而在各种复杂油气藏勘探开发中具有广阔的应用前景。从井孔声波探测的基本原理入手,对三维声波测井在井孔径向和周向的探测特性进行了研究。并且在传统资料处理方法的基础上,研发了适合三维声波测井的各向异性快速反演技术、径向速度层析反演技术以及井周慢度成像技术。现场实测的资料处理表明,三维声波测井仪器较传统多极子阵列声波测井仪器有较大优势,在探测井周地层三维信息方面有较好的应用前景。此外,该仪器也具有三维远探测的应用潜力。

基于瞬时相位的微地震干涉定位方法研究

波形叠加定位法具有自动性和抗噪性等优点,已被广泛应用于微地震事件定位.当该类方法采用特征函数变换原始波形以克服初至极性变化影响时,会降低成像分辨率.而将相位加权叠加法应用于微地震成像时,虽然提高了成像分辨率,但并未考虑复杂震源机制对定位的影响.为了校正波形极性,并提高干涉成像法的分辨率和压制噪声的能力,本文重新组合了原始互相关波形的振幅和瞬时相位信息,提出了互相关相位加权成像法(CCPW).通过数值算例对比了互相关相位加权成像法(CCPW)、基于绝对值干涉成像法(AII)和基于长短时窗能量比干涉成像法(SLII),讨论了不同方法在抗噪性和成像分辨率等方面的性能.理论测试结果表明:新方法能够校正波形极性变化,具有较强的抗噪性,提高了成像分辨率.最后将三种方法应用于地面监测的实际矿震数据中,验证了新方法的有效性.

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。

毛细管压力作用下的非饱和双重孔隙介质中弹性波传播

岩石孔隙中常常含有两相或多相流体,了解弹性波作用下流体压力扩散对弹性波频散和衰减的影响对于地球资源探测至关重要.本文建立了由一种骨架和两种流体组成的非饱和双重孔隙介质模型,推导了考虑毛细管压力作用的,包含宏观全局流和中观局域流两种机制的弹性波传播方程.利用平面波分析的方法分析了三种纵波(P1,P2和P3波)和一种横波(S波)的频散和衰减特性,并重点讨论了嵌入体半径、饱和度、渗透率和孔隙度等孔隙介质参数对其中P1波传播特性的影响.经理论分析验证,该模型在特定参数条件下可退化为经典Biot饱和流体孔隙模型.根据数值模拟结果,低频P1波速度会出现低于Gassmann-Wood低频极限的现象,这是由于在考虑宏观尺度上流体间毛细管力作用的情况下,全局流和局域流的耦合作用加速了孔隙压力的平衡过程,使得岩石不排水的基本假设不再成立;孔隙介质参数与弹性波频散和衰减之间是复杂的非线性关系;与仅考虑宏观全局流机制的Santos模型相比,本模型预测的岩石弹性模量在低频段与实际岩心测量数据较吻合,证实了该模型在地震勘探速度场建模方面具有更好的可靠性.

横向各向同性地层快速各向异性反演方法

斯通利波的频散特性常用于反演横向各向同性地层的各向异性。该文重点对斯通利波频散曲线随井孔和地层弹性模量相关参数的变化规律进行了探讨,提出了频散曲线的快速插值计算方法,经过误差分析验证了插值频散计算的可行性。据此提出了通过对参数大间隔取值建立理论频散数值表,插值计算不同各向异性参数的频散曲线,对比波形频散快速反演横向各向同性地层各向异性的方法。基于实轴积分法计算的横向各向同性地层井孔声场分别进行了插值频散快速反演和传统方法反演,对比结果证实了该文提出的快速反演方法的准确高效性,并且对数据加噪后验证了快速反演方法的抗噪性。

多分量方位远探测声波测井的理论与应用

远探测声波测井技术目前正成为复杂油气藏勘探开发的有力手段,而反射方位信息对于储层评价以及工程措施都至关重要。利用集成了测量单偶极不同方位多分量波场功能的多分量远探测声波测井仪器,研究了单偶极远探测联合识别反射方位的方法。由于仪器的影响,单极子不同方位反射波存在振幅差异,据此可以快速判断反射界面方位,但是其准确性依赖于方位接收器个数。偶极SH反射波幅度反映了反射界面的走向变化,但是存在180◦的不确定性。结合单偶极远探测方法的优势,可以快速准确地识别出反射界面方位。理论模拟和实际数据处理表明,两种方法的联合识别,提高了结果的可靠性。

声流耦合空化场观测与量化表征探索

该文利用搭建的高速摄影和空化噪声同步观测的声-流耦合空化实验平台,观察分析了声-流耦合场中空化云的演化规律及相应的空化噪声特征。通过引入空化状态变量,给出了空化强度的一种新的明确表述,并提出了一种基于高速摄影图像分析来测量和表征空化状态变量及空化强度的方法。利用该方法进一步对声-流耦合空化时间演化周期性和空间强度分布进行了定量计算。结果表明,声-流耦合空化强度和作用范围相比单独声空化和单独水力空化有显著的提升。

孔隙介质与液体界面上波动方程数值模拟的改进方案——MPML边界条件的应用

由于波场数值模拟的计算区域是有限的,为了压制截断边界造成的人工边界反射,通常采用完全匹配层作为吸收边界条件。但是在含液-固界面的弹性介质中进行正演模拟时,完全匹配层边界条件容易造成稳定性方面的问题。因此,该文将多轴完全匹配层应用于该类介质的正演模拟,以改善完全匹配层边界条件引起的不稳定问题。通过在具有弹性海底的海洋环境模型以及充填液体的井孔模型中进行弹性波方程的正演模拟,分别采用传统的完全匹配层和多轴完全匹配层作为吸收边界条件,对比验证了多轴完全匹配层在含液-固界面弹性介质中数值模拟的有效性和稳定性。

声波远探测测井仪发射电路的优化实现

声波远程探测需要低频大功率发射和宽频带接收技术,从而使得仪器看得远、看得清。目前,采用单脉冲的激励方式,需要增加发射脉宽或者提高发射电压来提高发射能量。而增加发射脉宽会降低成像分辨率,提高发射电压又对发射换能器提出了新的挑战。该文在现有换能器基础上,提出并采用线性调频脉冲信号激励换能器的方法,以提高探测距离和精度。具体采用DDS技术产生线性调频脉冲信号并由FPGA实现;采用高效的D类放大器来最大化功率;采用一个全桥电路实现了两路发射控制。测井表明,设计的电路能稳定有效地工作,相对于单脉冲发射电路而言,它得到了更好的成像效果图像。该文工作为远程声波探测测井仪器的自主研发提供了一种技术参考。