偶极声源激发的波频散特性

李鹤升 ,李宁 .偶极声源激发的波频散特性 .石油地球物理勘探 ,2 0 0 2 ,37(5 ) :4 4 1～ 4 4 5 ,4 5 4 偶极声源在地层井内激发的波是频散波 ,已经有许多文章讨论了它的频散特性 ,并涉及了频散校正问题 ,但主要讨论它的最低模式 (即截止频率最低的那一条曲线 ) ,而对于其他模式则没有进行比较详细的讨论。本文根据地层横波速度与泥浆速度相比高、接近、低的三种情况把地层分为硬性地层、中性地层和软性地层 ;给出了单极和偶极两种声源在这三类地层中激发的频散波的频散曲线。结果表明 ,这两种声源激发的频散波具有很强的可对比性 ,它们的最低模式在单极声源激发时是斯通利波 ,在偶极声源激发时是弯曲波 ;两种声源的其他模式处于截止频率时 ,在硬性地层中的速度趋于横波速度 ,在软性地层中速度趋于纵波速度 。

从矢量点乘引出的频散处理方法

2个单位矢量的点乘积 ,既数量积等于这 2个矢量的夹角余弦 ,它反映了这 2个矢量之间相互平行的包括重叠、垂直、反向等状态 ,其值愈大则这 2个矢量的状态愈相似 ,这种状态称为相似度。从它出发导出了 2个复数、2组矢量 ,直到 2组复数的相似度。用 2组复数的相似度处理频散波可以得到它的频散曲线 ,计算非常简单而快速。最后针对人工合成和实际测井的频散波进行了处理 。

探讨声波时差的计算误差和计算速度

讨论测井资料处理中用线性插值方法和抛物线插值方法对不同波形的计算误差和计算速度影响。首先给出已知时差的一组人工阵列声波波形 ,然后针对时差计算中滞后时间取整数个和实数个取样时间间隔的情形 ,分别对两种不同插值方法使用多道相关与根式叠加进行测试 ,比较其相对误差大小。研究发现线性插值方法更适用于 4次根式相关 ,时差相对误差可小于 2 / 10 0 0 ;抛物线插值方法更适用于多道相关 ,计算经过线性压缩或放大的原始波形时差 ,相对误差可小于 3/ 10 0 0 ;它们都对幅度变化不敏感。对幅度变化不敏感这一点对于实际资料处理非常有利。在搜索区间确定在一个取样间隔的范围以后 ,采用对分法搜索 ,可以大大节省计算时间 ;并且提出在停止搜索的条件中 ,用“相关值不再增大”特别重要 ,这样有助于避免出错。相关值也不可能非常高 。

弯曲波的频散及其速度校正问题

分析了阵列声波测井中偶极声源激发的弯曲波频散问题， 并讨论了速度校正问题。首先给出从硬地层到软地层的１０ 种典型地层， 计算出其在４ 种不同井径条件下的偶极频散曲线。从同一井径不同地层的频散曲线和同一地层不同井径的频散曲线可以看到， 弯曲波在井眼中有截止频率， 地层愈硬， 截止频率愈高；地层硬软程度影响着弯曲波频散， 硬地层的频散比软地层的大得多， 地层愈软， 频散愈小； 井径也影响频散， 井径愈大， 频散愈大。根据频散曲线就可以直接估计频散校正范围， 当频率小于４ ｋＨｚ 时， 弯曲波相速度与横波的误差大约小于１０％ ，弯曲波群速度与横波的误差大约小于２０％ 。指出实时计算地层的频散曲线进行弯曲波频散校正是最佳选择， 比较了单极全波得到的横波速度和从偶极弯曲波得到的横波速度。

弹性地层中井内单极源声场

详细叙述弹性均匀地层中单极声源声场的建立过程。从建立外力、应力、应变、位移之关系开始推演运动方程；将位移矢量用标量的梯度与矢量的旋度之和表示后，得到了波动方程；在极坐标下用分离变量法解波动方程得到贝塞尔函数；在推演出位移和应力的公式后，列出边界条件，最后给出地层中声场的表达式以及频散方程。

C语言中如何生成BMP格式图形文件

在科技论文和技术报告中，经常需要插入尽可能精确的各种黑白或彩色的图形和曲线，周而一般的绘图工具难以满足，尤其是通过复杂计算得到的结果更是如此。介绍了在科研人员广泛使用的C语言中，如何把黑白的或彩色的图文转换成BMP图形格式文件，从而顺利地插入用Word软件写的中文或英文报告中。介绍了BMP文件的结构，并给出了C语言程序函数，读者易于使用。

提高声波时差的计算精度和速度

计算声波测井的时差（或速度）会有误差，要减小误差需要采用插值。具体说明不同插值方法，主要是线性插值方法和抛物线插值方法，处理不同波形时的影响。另外，复杂的方法耗费计算时间，使用表明在搜索区间确定在一个取样间隔的范围以后，采用对分法搜索，可以大大节省计算时间；并且提出在停止搜索的条件中，用“相关值不再增大”特别重要，这样有助于避免出错。文中还涉及到波列的相似程度问题，说明相关值也不可能非常高，用计算相关值求时差这种方法的误差不能任意小。

弹性地层井眼中伪瑞利波的群速度

李鹤．弹性地层井眼中伪瑞利波的群速度．石油地球物理勘探，1997，32（6）：826～831本文介绍了弹性地层中伪瑞利波的频散方程，对伪瑞利波的频散特性作了详细分析。文中求出了给定条件下各支伪瑞利波的相速度起点，证明了在起点处不存在伪瑞利波的群速度。并给出了从第三支群速度曲线开始出现的若干条鱼钩状曲线。推演说明在弹性地层的井眼中，伪瑞利波不可能以横波速度传播，但其群速度与横波速度可以非常接近。

超长源距声波测井中的地层折射波

超长源距的声波测井，能够利用地层裂缝或层界面的反射波和折射波，确定裂缝或地层界面具体位置。文中分别导出有井眼和无井眼条件下折射声波传播时间公式；给出了折射点的空间分布规律，显示了折射波的探测深度；模拟了完整的和部分三角形的折射波变密度波形；最后介绍了折射波的波形特点。所有这些都是正确区分析射波和反射波以及处理超长源距声波测井资料的基础。

采用波形游动法识别微弱纵波

提出一种新的识别纵波首波的方法，尤其适用于识别微弱的纵波首波。在实际的阵列声波波形处理中，经常会遇见纵波首波幅度非常小，例如井下8位模数转换器的分辨率只有满量程值的2^-8，它得到的纵波首波，其幅度变化有时仅仅1～2个分辨率；有时纵波也迭加有各种其他干扰，使识别纵波变得困难。模拟人识别波形的特点，采用波形游动方法，较好地解决了识别问题，并成功地处理了3口井的阵列声波测井资料。还对其它方法也作了简单比较分析。

用半周余弦拟合求岩心声波测量信号主频

实验室对岩心进行声波参数测量时，需要确定时差、幅度和频率信息。但是，由于测量信号产生了很大畸变，用傅立叶变换不能有效确定波形的主频率。根据通常测量波形的开始半周波形的畸变比较小的特点，文中提出用半周余弦拟合岩心声波测量的半周波形，求得信号的主频，这一方法改善了岩心测试分析水平。文中给出了5块岩心测量波形与拟合波形，给出了傅立叶频谱分析值与拟舍得到的频率值，证明拟合结果更可靠、准确。

利用声波测井估算地层速度,渗透率和横波的各向异性

本文叙述了阵列单极子声波测井仪和横波测井仪的现场数据的处理和解释。地层的Ｐ波速度是采用域值检测与交叉相关技术处理全波列得到的，Ｓ波也以同样方法从横波测井曲线得到的。采用扩展的Ｐｎｏｎｙ方法处理全波列得到了斯通利波的相速度和随频率变化的衰减函数。从２９５０英尺到３１５０英尺之间的地层被描述为各向同性的弹性介质。在这一层段中由斯通利波相速度反演得到的横波速度Ｖｓ与横波测量结果非常吻合。

用多分量感应和交叉偶极声波测井共同识别钻井诱导裂缝

钻井诱导裂缝的解释提供了有关地层应力情况的重要信息，地层应力是了解井壁稳定性、完井决策、井设计的重要因素。本文中，我们把多分量感应(3DEX)和交叉偶极声波测井(XMAC)组合起来解释钻井诱导裂缝。这样的综合解释提供的信息是任何仪器分开单独提供不了的。首先，电阻率测井和声波测井对裂缝和地层应力的响应不同，声波测井对地层应力和裂缝都有响应，但是感应测井仅仅对裂缝有响应。使用电阻率测井有助于识别裂缝的存在；其次，交叉偶极测井和感应测井有不同探测深度，根据传感器间距和所用频率，3DEX探测深度通常比交叉偶极XMAC要深。这就使我们可以更好地确定钻井诱导裂缝；第三，交叉偶极声波可以提供裂缝方位的精确信息，虽然3DEX测井也有这种能力，但必须得到所有的磁场分量。裂缝方位信息对估计裂缝长度是必须的。我们用墨西哥湾深水区的数据来说明上述把3DEX和XMAC组合起来解释钻井诱导裂缝的优点。

实例研究：过套管测定裂缝或应力方向

裂缝或者应力方向测量，为油田开发和油藏描述提供了十分重要的信息，常规方法依靠裸眼井得到的测量结果。包括用井径，以及井眼成像测井，定向取心得到的数据识别崩落，近年来，由于交叉偶极测井可以测量声波各向异性，已经用它在裸眼井进行这种评价，但是在套管井中，对确定裂缝或应力方向的要求正不断增加，然而，在所列的方法中，只有交叉偶极测井有希望能在裸眼井或套管井提供这种测量。能够提供套管井裂缝或者应力方向的另一种测量是垂直地震剖面（VSP），传统方法曾经记录横波VSP，其两个横波声源的极化方向互相垂直，然后测量裂缝层段的横波分裂效应，但是和这同样的效应，用纵波声源测井的转换横波波形中也可以看到。这时存在两种采集方案。第一种是偏移VSP（offsetVSP)，使声源离井足够远，以确保P波到S波的转换。第二种方法采用环测VSP（walkaroundVSP)采集，这实质上是一种小型偏移VSP（mini-offsetVSP)。它把声源放在离井眼大致相同半径距离上，进行多方位采集，通过分析接收到的横向能量与不同方位位置的径向分量间关系特征，就可以测定裂缝方向。在科罗拉多Rangely油田一口套管井，对这些不同技术进行了比较。采用的方法包括；交叉偶极声波测井，它与连续陀螺仪一起组合记录；一个偏移VSP，它带有一个点测陀螺仪；一个零偏移VSP，一个带有一个点测陀螺仪的环测VSP。

新一代交叉偶极声波仪器的横波各向异性的应用

新一代交叉偶极声波仪器WaveSonic采集的数据，可以被用来计算横波的各向异性。这种新仪器采用了系统设计，其发射脉冲的形状、中心频率、幅度和持续时间等仪器功能都可以由地面程序控制；此外，仪器设计得非常坚固，在井眼条件许可时可用转杆传送；它也可以与其他测井仪器组合，由于它是“双接头”的，可以放在测井仪器串的任何位置。横波数据是从互相垂直的X—Y方向上得到的，并且由导航程序确定其方向。导航程序使用的数据是从与仪器一起测井的4臂或6臂井径仪得到的。根据这些测量结果，就可以确定横波时差的各向异性，以及快横波时差的方向。把这些数据输入到一个模型中，可计算出最大和最小主应力及其方向。主应力的信息对优化完井和改善油井增产措施是有帮助的。在希望知道自然裂缝信息的场合，交叉偶极声波数据可以被用以探测和确定这些裂缝的方向。

用交叉偶极声波测井测量地层的各向异性

近年来，交叉偶极测井技术上的新发展，使勘探和开发碳氢化合物储集层出现了若干重要应用，交叉偶极声波测井仪已用于测量井眼周围地层不同方位的横波差异，造成这种不同方位的横波差异的原因可以是：（1）与井眼平行或井眼相交的裂缝；（2）非平衡状态的应力；（3）偏离井眼的沉积夹层。因此用交叉偶极测井探测各向异性，能使我们知道地层的这些重要的特性，本文通过实例概述了交叉偶极测井，并结合具体应用说明数据解释，这些应用覆盖了三个方面：（1）描述裸眼井和套管井地层裂缝；（2）评价套管外液压裂缝；（3）确定地层应力与方位。

双频随钻声波测井仪扩展现有单极发射技术，提供软地层横波数据

90年代中期引入的随钻声波测井仪的换能器结构是单极的(unipolar)。随钻声波测井仪中的发射器和接收器都放置在钻铤一侧。在钻铤另一侧有称为假偶极子的类似排列，它包括发射器和接收器阵列。单向(umpde)发射器产生定向压力脉冲，它不同于各方向都有信号的单极(monopole)型发射器。理论上单向测井仪能够激发和测量井眼导波，比如斯通利波、弯曲波、和螺旋波。在证明该测井仪确实可以激发和测量导波以后，研制了一个低频发射器来加强信号，并且增加接收器接收时间以更好地记录井眼导波。把两个发射器中的一个进行调制，依次激发高频和低频发射器，有效地产生双频随钻声波测井仪信号。分别记录接收器阵列两组波形数据集，并贮存在测井仪的存储器中。将低频信号的带宽限制到使频散对相似系数计算的影响降到最小，相似系数算法常用于识别和分离单一波形，例如纵波首波和导波。然后使用相位速度处理方法计算波至时间。在使用低频发射器的同时研究出了新的频散校正算法，用于将导波的速度校正到正确的慢横波速度。实例提供了北海和墨西哥湾测井的原始波形和处理后的测井曲线结果，图示说明了新的频散算法的结果。

恶劣环境过油管声波测井仪

现代钻井遇到的环境，尤其是产气井，常常出现高温、高压和比标准井眼更小的直径。此外，为了保护井眼和地层完整，钻井使用专门的井内流体或空气，常常限制了或甚至预先排除了使用常规声波测井仪。钻机成本较高也可能同时导致全部取消或部分取消裸眼井测井计划。一种新的、细长的、在恶劣一环境下使用的电缆声波测井仪已经开发出来，它适用于套管井。它的直径小(1-11／16英寸)，能在套管、2英寸油管以及在标准钻杆中工作。测井仪操作温度与压强分别高达420°F和20，000psi。一个完整的处理器控制的数字采集系统，组合了精心设计排列的声波发射器和探头，同时提供高质量的水泥胶结测井图和单极纵波时差或孔道径向识别。增加脉冲一中子测量能更完整地评价地层。实例证明该仪器测量能力强，适合于地层评价、地震相关、水泥评价和各种井眼环境中的钻杆被卡分析，并且适合尺寸范围从2—7／8英寸到9—5／8英寸的套管。一个例子是，在近岸气田钻的两口井，一口井使用空气而另一口使用常规的井内流体。因为这类井使用空气钻井更有效率、成本低，但同时使裸眼井声波测井成为不可能。该仪器既能在流体充填裸眼井也能在空气钻井下套管后测井。套管井数据证明优于裸眼井，这可能由于裸眼井井内流体影响了地层；套管井提供了更精确的合成地震波图和地震线(seismic ties)。另一例子是，底部钻具组合陷在井中，声波测井仪能穿过钻杆识别被卡钻杆的层段。有这个信息对成功的打捞作业设计是重要的，因为它能够决定有关冲洗管长度、卡点指示和解卡，能够估计剩余的修理时间。在裸眼井测井是不可能的或者不需要的地方，套管井声波测井仪可以以很低的成本提供优质的数据。

声波和电阻率测井数据联合反演以评估碳酸盐岩微结构

我们推荐一种确定碳酸岩盐地层次生孔隙度类型和大小的方法。这个方法就是用声波速度和电阻率进行联合反演，其基础是一个统一的微结构模型。为了模拟岩石弹性性质和电性质，我们应用了对称有效介质近似法(EMA)。

用井眼斯通利波评价地层渗透率和各向异性

单极声波波形数据中的斯通利波包含地层非均质性和渗透率的重要信息。分析斯通利波数据可以得到渗透率和各向异性的信息。在各向同性、非渗透性地层中，根据横波测井资料可以预料斯通利波特性。渗透性地层可引起斯通利波幅度衰减、斯通利波时差大，这些变化提供了渗透率指示。相反地，若地层各向异性则倾向于减小斯通利波时差，使它比用横波数据模拟的斯通利波时差还小。其原因在于，在VTI地层(纵向地层不同性，径向地层各向同性)中，斯通利波是受水平横波控制的，通常这种水平横波要比从偶极声波测井中测到的垂直横波快；因此，这些数据能够有效显示地层渗透率和各向异性。采用先进的理论模型和数据分析，处理斯通利波数据和其他测井资料，能够同时得到地层各向异性和渗透率信息。实际上，把各向异性与渗透率评价结合起来，能够充分地提高砂-泥岩层序地层渗透率评价的质量。现场试验结果表明，在砂一泥岩地层中，用斯通利波数据可得出泥岩各向异性和砂岩渗透率，证实了上述分析。我们已经处理了不同地层的许多数据，结果证明VTI各向异性是沉积岩的共性，尤其是泥岩。许多泥岩地层的VTI大小在10到40％范围内。将从声波测井中获得的横波各向异性与地震波传播联系起来，可改善地震处理和分析结果。