基于三相Biot速度应力波动方程的水合物储层波场数值模拟

天然气水合物储层可以看作由骨架、水合物和孔隙水构成的三相孔隙介质。以三相Biot一阶速度应力波动方程作为声波在水合物储层传播的控制方程,用有限差分法(FDTD)进行数值模拟。波场快照可以清楚展现3个纵波和两个横波,与Biot理论相符。根据实测速度优化控制方程参数,使数值速度与实测速度相符。结果表明:孔隙度对水合物剪应力分量影响最显著,对水合物、孔隙水和骨架速度分量的影响次之,所以储层中孔隙度最适合用水合物剪应力分量来分析。骨架速度分量和应力分量受饱和度的影响较小,水合物剪应力分量受饱和度的影响最大,所以分析储层中水合物饱和度的最佳选择是水合物剪应力分量。

井旁裂缝的声场模拟及反射波提取方法

针对现有阵列声波测井仪器,对井旁不同角度和不同位置裂缝的全波波列进行了数值模拟。结果表明,在现有仪器源距范围内,地层滑行纵波和滑行横波之间可能观测到清晰的反射纵波,而反射横波以及转换波由于到达时较晚,被湮没在滑行横波以及斯通利波中;对于水平缝或低角度缝,在全波波列中可观测到直达斯通利波和反射斯通利波。在此基础之上,以线性预测理论为基础,本文提出了一种适合于阵列声波测井测量方式的反射波提取方法,该方法有别于传统的波场分离方法,可针对阵列声波测井数据的特点有效地将反射波提取出来。特别是通过对不同的阵列数据进行道集组合,分别将上行反射波和下行反射波分离,进一步对反射波数据进行叠加,可增强反射波信息,提高信噪比。通过对现场实际数据进行处理,搞清了井旁附近的地质构造特征,验证了该方法的有效性和实用性。

利用井中低频偶极横波进行声波远探测的新方法

为了突破目前声波远探测技术存在的局限性,提出了一种新的偶极横波远探测方法,即利用井中偶极子产生的井中弯曲波存在低频截止频率的现象,在声源截止频率以下激发偶极声波.通过对比分析井中偶极声源分别在截止频率上、下激发时,井孔内外产生的辐射声场,明确了截止频率以下井中偶极声源的远场辐射特征和低频截止频率激发偶极横波的优势,结合数值模拟,进一步对其反射声场进行了分析.结果表明,该方法可以避免艾里相的巨大振幅对数据量化产生的"饱和"效应,相比传统的远探测测井方式更具优势,常规源距即可满足专门的远探测测井仪器需求.

横波各向异性在裂缝和应力分析中的应用

针对裂缝性和低孔低渗地层的横波各向异性特征,反演得到横波各向异性参数,研究了裂缝的发育程度、方位和有效性,并对低孔低渗地层的应力场分布状态和方位进行了综合评价;通过对反演得到的快、慢弯曲波形进行频散分析以及计算单极横波各向异性大小,确定了引起横波各向异性的原因,并结合常规测井资料、岩心及FMI成像资料对分析结果进行了验证和对比,最后对研究区8口典型井的横波各向异性进行了综合处理和评价,得到了该区的横波各向异性特征以及和总的应力场走向.结果表明,利用横波的各向异性参数可以有效的评价裂缝的发育程度、走向及有效性,并能准确的确定地应力分布状态和最大水平应力方位.

横波各向异性分析方法及其在复杂储层中的应用

裂缝和井周的不均衡地应力均可引起地层的横波各向异性。分析井周地层的横波各向异性特征,可以指示地层的裂缝和不均衡地应力信息。从各向异性地层中的横波分裂现象入手,基于波形反演理论,利用正交偶极子阵列声波资料,分析和评价了裂缝性和低孔、低渗储层的横波各向异性,利用计算得到的各向异性参数评价了裂缝性地层中裂缝的发育程度、方位以及低孔、低渗地层的地应力分布状态。利用单极子横波各向异性大小和快、慢弯曲波波形频散曲线关系,分析了引起横波各向异性的原因。结合常规测井资料、岩心及FMI成像资料对分析结果进行了验证和对比,两者吻合得较好。应用结果表明,横波各向异性参数可以有效地评价裂缝的发育程度、走向及有效性,并能准确地确定地应力分布状态和最大水平应力方位。

井中偶极声源激励下的反射声场影响因素分析及仪器关键参数优选

根据远探测测井的实际背景,利用三维有限差分数值模拟方法精确考察井中偶极声源条件下声源激发频率、反射界面水平位置、地层界面倾角及偶极声源偏振方向对反射横波幅度的影响.结果表明：偶极横波远探测测井仪的最佳工作频率应选择在井孔挠曲波的截止频率以下,可解决来自地层深部的反射信号相对于沿井传播的直达波信号过于微弱的问题.按照现有的仪器范围设置（源距小于4 m）,可有效地探测地层倾角为40°～90°的井旁反射体.

井旁地质界面的反射波模拟及f-k偏移成像

针对现有阵列声波测井仪器,对井旁不同角度和不同位置井旁地质界面的全波波列进行了物理和数值模拟。结果表明,在现有仪器源距范围内,可以从全波波形中观测到清晰的反射纵波。在此基础之上,针对阵列声波全波数据特点,对Stolt的f-k偏移方法进行了改进,使其更适应于阵列声波测井需要。该方法不受地质界面倾角的限制,而且一次可以有效地处理大量现场数据,可以分别得到上倾和下倾井旁地质界面图像。最后,应用该方法对一个倾斜井的阵列声波数据进行了处理,得到了井旁地层界面成像图,验证了该方法的可靠性。

井中偶极声源激励下的反射横波实验研究

针对偶极横波远探测测量模式开展相关的实验研究,模拟研究了井中偶极声源激励下来自井旁地层界面的反射横波,分别测量了不同声源位置、不同声源振动方向和不同地层界面特性下的地层和井孔全波。实验结果表明:井中偶极声源除了激发出沿井传播的直达弯曲波之外,还会向地层中辐射SH和SV两种类型的横波。随着偶极声源振动方向与地层界面走向的夹角从0°增至90°,反射横波幅度逐渐减小,验证了偶极声源对于井旁反射体具有明显的方位指向特性,可以用来反演井旁反射体的走向。在固–液或固–气地层界面特性下,SH波在界面处会发生全反射,而SV波则会在界面处发生模式转换,SH反射横波更有利于进行远探测反射波成像,尤其对于井旁裂缝研究具有独特的优势。

套管井贴壁声源激发的非轴对称声场的有限差分模拟及结果分析

套管井贴壁声波测井仪器在固井质量评价中的应用越来越广泛.本文利用三维交错网格高阶有限差分方法首次研究了贴壁声源在套管井中激发的非轴对称声场特征,给出了测井声源在贴壁固体弹性介质中激发时的数值模拟方法,模拟的全波波形与测井仪器在实际井中记录的波形吻合较好,这为利用数值模拟方式开发贴壁声波仪器的潜在应用奠定了基础.通过对套管井不同胶结状况下的数值模拟,得到了贴壁声源在套管井中激发的声场特征和传播规律,模拟结果显示加载声源的贴壁滑板的存在大大压制了套管中弯曲型Lamb波的幅度;套管中传播的拉伸波的幅度相对较强,其泄漏到水泥中的声波传播到水泥和地层界面时发生反射,反射波的幅度和相位特征携带了水泥环第二界面的胶结信息.数值计算结果为利用贴壁声源激发接收的波形实现水泥环第二界面井周不同角度上的胶结评价奠定了理论基础.

基于测井资料的地层应力计算及其影响因素研究

准确可靠的地层应力分析可预测裂缝发育带及空间分布。在充分结合常规测井、偶极阵列声波和FMI资料的基础上,通过测井法得到了纵向上连续的地层应力剖面,同时结合FMI资料的井眼崩落和压裂缝特征约束反演出了地层应力方向。通过全直径岩心在实验室模拟了岩心的波速各向异性,进一步验证了上述2种结果的可靠性,为地层应力方向的确定提供了一种实用有效的参考方法。对影响现今地层应力场分布的特征因素进行了探讨。综合描述了研究区块的地层应力分布状态,裂缝的发育规律和裂缝展布,达到了辅助识别裂缝发育带的目的。

基于邻井反射的偶极横波远探测验证方法

偶极横波远探测技术已成为探测井外地质构造的一种重要测井技术,需要针对偶极横波远探测的验证迫在眉睫。本文利用三维有限差分数值模拟方法,对比和分析了地层界面和相邻充液邻井产生的反射横波幅值的差别,结合现场实例,提出了偶极横波远探测成像测井的验证方法。在此基础之上,进一步分析了不同反射邻井结构时,反射横波幅度的变化情况,结果表明,采用多井联合方式可以有效的增加反射波的幅值,减小非共面产生的散射效应影响。最后,初步建立了两口试验井,测试数据处理结果与理论分析结果吻合,为下一步实验井方案的优选和完善提供了理论和数据支持。

基于宽频复电阻率的含黏土沉积物中水合物饱和度计算方法

天然气水合物沉积物中的黏土成分显著影响沉积物的电学特性以及水合物饱和度的计算模型。以自主设计开发的复电阻率参数测量装置为实验平台,在20 Hz^100 kHz频率范围内测试了黏土条件下含水合物海沙体系的复电阻率,分析了复电阻率的频散特性、黏土影响以及主导的电极化机制,利用泥质修正Archie公式建立了基于宽频复电阻率的水合物饱和度计算模型。研究结果表明:(1)含水合物海沙体系的复电阻率呈现出显著的频散特性,双电层极化和界面极化分别是20 Hz^1 kHz和1~100 kHz频段主导的极化机制;(2)黏土颗粒表面的双电层发生形变增强了含水合物沉积物双电层极化作用,提高了复电阻率相角和虚部的绝对值;(3)在20 Hz^100 kHz频率范围内泥质修正Archie公式岩性系数较为稳定,而胶结指数和饱和度指数与测试频率之间的关系在20 Hz^1 kHz和1~100 kHz频段差异显著,因此应分频段建立水合物饱和度计算模型。本研究为探讨含水合物沉积物的低频电学特性和建立含黏土沉积物中水合物饱和度计算模型提供了新的途径。

基于电-力-声多物理场耦合数值模型的含水合物多孔介质声速和衰减特性研究

在物理模拟实验中对水合物微观赋存模式和饱和度进行准确控制和评价尚存在技术困难,仅依赖实验技术研究含水合物沉积物声学特性、建立储层参数解释模型存在局限性。采用基于有限元的数字岩石物理技术,针对悬浮、接触和胶结三种典型的水合物微观赋存模式分别建立多孔介质的三维电−力−声多物理场耦合模型,考察了微观赋存模式和水合物饱和度对多孔介质声速和衰减的影响规律,对比了声速数值模拟与理论模型计算结果,建立了声波衰减参数与水合物饱和度之间的关系式。研究结果表明:(1)对于三种水合物赋存模式,由于水合物相比孔隙水具有更高的弹性模量,多孔介质的声速随着水合物饱和度的增大而增大;水合物的存在导致声波在传播过程中遇到更多不连续的声阻抗界面,声衰减随着水合物饱和度的增大而近似线性增大;(2)悬浮和接触赋存模式条件下,水合物饱和度对多孔介质的声速和衰减影响规律基本一致;对于相同的水合物饱和度,胶结模式条件下含水合物多孔介质具有更高的声速和更小的声衰减;(3)通过合理选择参数值,利用权重方程与Lee改进的Biot-Gassmann Theory(BGTL)模型估算的含悬浮和接触模式水合物多孔介质的声速较为准确;通过等效介质理论模型C计算的含胶结模式水合物多孔介质的声速更为准确。研究结果可为获取复杂条件下含水合物沉积物的声学特性提供数值建模方法,为基于声波测井数据的水合物储层精细评价提供理论支撑。

相控线阵声源在裸眼井和套管井外地层中产生的声束对比

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽频带相控线阵声源在套管井和裸眼井外地层中产生的纵波声场。结果显示声源辐射的声波经过套管、水泥等多层介质后在地层中的声波幅度较裸眼井相比降低了约8.0dB,当套管井胶结差时辐射到地层中的能量更低。套管井的胶结状况基本不影响相控线阵声源在地层中辐射主瓣的偏转方向,但会改变主瓣角宽,且在套管井第Ⅰ或第Ⅱ界面胶结差时使旁瓣级增强。

含水合物沉积物复电导率测试实验系统设计与开发

设计与开发了一套可用于测量含水合物沉积物低频复电导率频谱的实验系统。系统硬件主要包括样品夹持器和参数测量模块,自主开发的测控软件能够完成参数测量模块的自动化控制以及测量数据的显示、处理和保存。开展了天然海沙中四氢呋喃水合物模拟实验与测试,分析了样品的复电导率参数响应特性,进而验证了系统的可用性。数据分析结果表明:复电导率实部反映了含水合物模拟沉积物的导电性,水合物饱和度越高则沉积物导电能力越弱;复电导率虚部反映了模拟沉积物的电极化强度,水合物饱和度越高则双电层极化作用越弱、界面极化作用越强。该系统将用于开展甲烷水合物生成/分解实验以及复电导率参数测试,为建立电法测井数据的解释模型、开发新型的测井方法提供实验平台。

声波测井技术的重要进展——偶极横波远探测测井

近年来单井反射声波远探测技术的一个重要进展是利用偶极声波探测仪器来发射和接收地层深部的反射信号。本文首先介绍了单井反射声波成像技术的研究进展。然后,从偶极横波成像原理、充液井孔中偶极远场辐射指向性、偶极声源激励下的井外声场分布、反射横波幅度和反射系数、偶极横波数据中的反射波分析和现场资料处理实例分析等方面详细论述了偶极声波远探测技术。最后,讨论了这门技术今后改进和发展的方向,通过本文读者可以了解偶极横波远探测技术的原理、方法、效果和应用前景。

偶极声源在裸眼井及套管井外的横波辐射特征

偶极横波远探测技术作为近年来发展起来的一门地球物理测井技术,一个重要应用前景就是在裸眼井和套管井测井时寻找井外地层中的油气构造.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近解出发,对裸眼井及套管井中偶极声源的辐射场进行了对比分析,首次得到了偶极声源在不同声源频率和不同地层类型下的辐射特征.并深入研究了套管井中偶极声源的SH横波远场辐射特性,给出了不同耦合情况下的SH横波远场辐射特性的变化规律,对比了套前套后SH横波远场辐射的异同.结果表明:井中偶极声源的远场辐射特性受声源频率和地层类型影响较大;在套管井中,偶极声源辐射到地层中的横波能量也可以进行远探测,尽管与裸眼井情况相比,辐射能量会有所降低.本文的结果为偶极横波远探测技术的应用提供了理论支持.

径向速度变化地层井孔声场的快速模拟

在声波测井过程中,为了精细刻画井孔附近岩石和流体特性所引起的速度径向变化规律,常用的方法是对井孔到原状地层的区域进行径向分层,然后利用传播矩阵的方法来模拟丼周的速度变化,然而,这种方法用于波形数据反演的过程中十分耗时。提出了一种利用Born近似快速模拟纵波速度径向变化的方法。推导了速度扰动时散射场积分表达式,并据此计算径向速度扰动模型下的散射声场,得到其近似解析解。数值模拟结果表明,与传统的方法相比,新的近似解能给出合理的模拟结果,提供了一种利用声波波形数据反演速度径向变化的新思路。

利用井中偶极弯曲波反演渗透率的影响因素及灵敏度分析

本文以各向同性饱和流体孔隙介质充液井孔中声场传播理论为基础,系统考察了影响偶极弯曲波特征的主要因素,分析了快慢地层条件下弯曲波衰减和速度对不同参数的敏感度,对比结果表明,弯曲波的速度基本不受地层渗透率的影响,其衰减对渗透率的敏感性要远高于速度。弯曲波中心频率会随着波的衰减而发生偏移,说明利用弯曲波衰减和频移特征联合反演地层渗透率是可行的。通过对比快慢地层下的弯曲波衰减和速度灵敏度曲线,发现在慢速地层中反演渗透率的结果要好于快速地层。同时,本文也指出在低孔低渗储层中,还可以考虑利用弯曲波衰减识别气层。

慢速地层中具有方位指向性的偶极纵波远探测测井

偶极远探测测井技术作为近年发展起来的一门地球物理探测技术,较单极反射纵波法具有明显的优势。针对慢速地层中的偶极辐射声场和反射声场进行了数值模拟,分析了位于充液井孔中偶极和单极声源的纵波远场辐射指向性,重点研究了偶极纵波反射声场的变化特征,验证了偶极纵波远探测方法的可行性。结果表明,偶极辐射的纵波较单极辐射的纵波具有振幅强和灵敏度高的特征,利用它可以确定反射体的空间位置和走向。结合偶极和单极纵波远探测应用效果,进一步说明了偶极纵波远探测可作为偶极声波远探测测井的一个重要补充和完善。最后,讨论了该技术在慢速地层中应用更好的可能原因,以及成像处理过程中出现的反射体方位180°不确定性的解决方法。