利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究

在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息;对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.

TI地层井孔中正交偶极子声波测井的物理模拟

采用缩小尺寸的模型井和自制的声波测井模拟试验系统模拟研究正交偶极子声源在井轴与TI介质的对称轴呈不同夹角的模型井中声传播的特征,采用慢度时间相关法、频散分析方法及各向异性分析方法对测量得到的四分量偶极子波形进行分析,并与数值模拟结果进行对比。结果表明:正交偶极子声源在TI介质井孔中激发的弯曲波的速度随井轴与介质对称轴夹角的变化趋势与对应的横波体波速度的变化趋势相一致,且略小于对应的横波体波速度;从试验数据中提取的快、慢弯曲波的频散曲线互相平行,与固有各向异性地层井孔中的快、慢弯曲波频散曲线互相平行的理论相一致;通过HTI井孔中的正交偶极子模拟测量试验验证了地层横波各向异性测量及快横波面测量的可靠性。

正交偶极子的极化特性分析

双极化相控阵天线的极化特性及其对目标极化散射矩阵测量的影响,将决定相控阵体制雷达获取目标极化信息的精度和能力,是相控阵雷达极化技术的基础。以正交偶极子为阵元模型,分析了双极化阵列天线的空域极化特性及其对雷达目标极化散射矩阵测量的影响。由于两阵元辐射电场在偏离视轴方向的非正交性,不可避免地会引起两天线交叉极化之间的相互干扰。根据传统交叉极化评价指标的定义,分析了正交偶极子天线的交叉极化特性,并从目标极化特性测量性能的角度,定义了双极化雷达系统的交叉极化隔离度,将其表示为极化测量系数矩阵条件数的形式,以衡量全极化相控阵雷达天线的交叉极化特性。

正交偶极子天线比相测向算法

对电磁波的极化特性进行了研究,提出一种利用电磁波极化特性进行测角的方法,采用正交偶极子天线接收信号,并将信号综合成左旋信号与右旋信号,通过对两个信号进行比相的来测向。利用一个参考相位解决了测角模糊的问题。分析了噪声和信源入射角度对测角性能的影响,指出在信噪比较高时其测角精度与信源入射角度无关,只与信噪比有关。计算机仿真和对实验结果的分析证明了该测角方法的可行性和分析结果的正确性。

含偏心钻铤充液井孔中正交偶极子声波测井的数值模拟研究

采用三维有限差分方法模拟了正交偶极子声源在含偏心钻铤的充液井孔中激发的声场,研究了钻铤偏心对模式波的种类、激发幅度、以及频散特征的影响.研究结果表明,钻铤偏心导致偶极子声源激发的声场的模式不唯一,观察到了除偶极模式外的单极模式波和四极模式波;钻铤偏心导致偶极模式波出现分裂现象,尤其是快速地层F2模式和慢速地层弯曲波的稍高频率的部分,且快、慢波所对应的两个方位为偏心的方位和与偏心方位垂直的方向;井孔折射横波以及快速地层F2模式的低频部分的慢度基本未受到钻铤偏心的影响,仍然能够正确反映地层的横波慢度及各向异性;对于本文研究的慢速地层井孔模型,当偏心距离l小于等于0.01 m时,弯曲波的慢度和激发幅度受钻铤偏心的影响很小,从快、慢弯曲波中提取的快、慢横波慢度基本能够反映地层的各向异性特征.

基于有限新息率的正交偶极子阵列信号参数估计算法

为解决极化敏感阵列波达方向(DOA)估计中压缩感知类算法的网格失配问题,该文提出一种基于有限新息率(FRI)的正交偶极子阵列无网格信号参数估计算法。首先,利用均匀正交偶极子线阵中不同极化指向天线的两个子阵,求取其自相关矩阵之和,并通过协方差拟合准则恢复出满足Toeplitz结构的协方差矩阵。然后,利用该协方差矩阵构建FRI信号重构模型,求解以重构结果为系数的多项式的零点,就可以得到入射信号DOA参数的估计结果。最后,根据已估计出的DOA参数以及两个子阵的自相关矩阵和互相关矩阵,利用最小二乘法计算得到入射信号的极化参数估计结果。仿真实验表明,该算法与子空间类和压缩感知类算法相比,具有更高的估计精度及更好的角度分辨力。

正交偶极子阵列声波数据采集与处理

介绍了用于正交偶极阵列声波测井的多通道同步数据采集系统设计方案,采用分布式处理的设计思想,每个通道数据由独立的DSP进行处理,同时使用1个CPU进行数据汇总和协调各个DSP模块的工作,提高了数据处理的实时性和系统的可靠性,降低了对处理器的要求,便于系统实现。分析了在正交偶极阵列声波测井情况下对数据处理的要求,以及具体的解决方法,重点介绍了采用多点采样平均和数字滤波用以提高信号质量的方法。

基于压缩感知的正交偶极子阵列信号参数估计

[目的]针对传统的极化敏感阵列的波达方向(DOA)估计算法运算复杂度高、实时性差的问题,提出基于压缩感知的正交偶极子极化敏感阵列结构。[方法]将数据压缩思想应用于阵列结构设计,压缩接收信号矢量维度,减少射频前端链路数量,以控制系统的复杂度,使阵列结构设计具有高度的灵活性。基于结构降维多重信号分类(MUSIC)算法;首先,通过空间谱搜索实现信号的DOA估计;然后,利用拉格朗日乘数法降维;最后,通过解决优化问题获取信号的极化参数信息。[结果]仿真实验表明:采用所提阵列结构及方法在入射信号完全极化且非相干时,可以获得正确的信号DOA和极化参数联合估计;在信噪比(SNR)大于10 dB的环境下,俯仰角均方根误差(RMSE)低于0.05°。[结论]与相同条件下同等通道数的非压缩结构相比,基于压缩感知的正交偶极子阵列参数估计结构的估计精度更高、运算复杂度更低。

基于正交偶极子阵列的混合信号波达方向与极化参数联合估计

为了解决传统的子空间类算法不能实现对混合源正确分辨这一问题,基于正交偶极子阵列提出了一种混合信号入射角度与极化参数联合估计算法。首先,对不相关信号的角度与极化参数进行估计,将正交偶极子均匀线阵阵列划分为两个重叠的子阵列,利用去噪处理的自相关矩阵与互相关矩阵构建目标矩阵,依据子空间正交性原理估计出不相关信号的角度信息,利用正交偶极子阵列接收数据之间的相关性实现对不相关信号的极化信息估计。其次,对相干信号的角度与极化参数进行估计,将每个相关组对应的特征矢量重新排列,得到新的重构矩阵用于恢复数据协方差矩阵的秩,实现对每个相干组中相干信号的角度估计,并采用最小二乘法实现对每个相干组中相干信号的极化信息估计。最后,通过仿真实验验证了本文所提算法的有效性与可靠性。与现有的方法相比,新提出的算法降低了硬件资源的消耗,提高了对相干信号的角度估计精度,并且能够实现极化参数的估计。

正交偶极子探头导纳圆测量系统

正交偶极子声波测井资料在钻井工程和地质应用方面见到了明显的效果以后,逐渐变成了一种重要的测井方法。该仪器特殊的发射探头结构导致对探头中振子的一致性要求比较高。但是,现有的导纳圆测量仪器不适合5 kHz以下探头的测量。所以,针对正交偶极子声波测井仪器探头的研究、应用和维修的需要,我们开发了适用于低频数字式导纳圆测量仪器,最低的测量频率可以达到40 Hz。为高端的正交偶极子声波测井仪器国产化和探头更换提供了基础。

正交偶极子声波仪(WaveSonic)及应用

随着勘探和开发更复杂、更隐蔽的油气藏,需要测井从方法理论到测量技术都要有更新的发展。成像测井系统正是在这样背景下发展起来的。正交偶极子WaveSonic仪是成像测井仪之一。本文从WaveSonic测井基本原理出发,结合克拉玛依油田的实际测井曲线,阐述仪器的测井解释及实际应用。

正交偶极子横波探头实验

正交偶极子横波发射探头是正交偶极子声波测井的关键部件。其发射的声波能否满足偶极子声波测井的要求是探头制作的关键。由于正交偶极子发射探头所使用的压电片子比较多,在空间有一定的分布,所以,如何检测压电片子,使其最终满足偶极子探头发射的要求是探头研究和生产的关键环节。文章用实验的方法对其进行了研究。通过测量国产探头所激发的圆周方向声场及其在空间的频率分布发现:在现有的激发方式下,可以用该探头得到主频率为500 kHz^800 kHz的振动成分。该频率成分随方位角改变。

基于DDS的正交偶极子声波测井仪快检装置研究

正交偶极子声波测井仪是从贝克休斯公司引进的高端成像类测井仪器,已在国内服役多年,而随着使用年限的增加,其检查、维保的成本越来越高,其中仪器接收声系的拆解检查是最主要原因。因此研制了一种快速检查装置,提供多路测试声源信号,实现在不拆解声系的情况下,快速无损检查该仪器接收声系的工作状态,降低人力、物料和时间成本,提高检维修效率。

正交三偶极子阵列MIMO雷达近场目标定位

本文基于发射端和接收端都配备了正交三偶极子阵列的双基地多输入多输出(Multiple-Input MultipleOutput,MIMO)雷达系统,结合三线性分解提出了一种近场源多维参数估计算法。该算法首先利用接收端匹配滤波器的输出数据构建了一个三阶平行因子(Parallel Factor,PARAFAC)模型。同时为了加快算法的收敛速度以及避免所提算法对迭代的初值敏感,利用复平行因子分析(COMplex parallel FACtor analysis,COMFAC)算法来得到发射阵列和接收阵列导向矩阵的估计值。接着,根据发射阵列导向矩阵和接收阵列导向矩阵的结构特征得到每个目标的波离角(Direction-of-Departure,DOD)和波达角(Direction-of-Arrival,DOA)的粗估计值,并且基于双基地MIMO雷达阵列系统的几何关系得到从发射阵列到目标的距离以及从目标到接收阵列的距离的粗估计值。最后,基于得到的近场多维参数的粗估计值得到发射阵列和接收阵列的空间相位估计值,并进而从空间相位的估计值中得到更精确的DOD,DOA,从发射阵列到目标的距离和从目标到接收阵列的距离的精估计值。该算法适用于阵元间距为半波长的均匀线性阵列,相比于传统近场定位需满足阵元间隔为四分之一波长的前提,所提的MIMO阵列系统降低了阵列孔径损失,同时所提算法不需要进行谱峰搜索以及额外的参数配对操作。仿真结果表明,基于正交三偶极子阵列的MIMO雷达测向算法较传统标量阵列的算法具有较高的参数估计精度。

偶极子声波的正交原理及其在地层评价中的应用

系统地介绍了声波测井的声学理论基础、偶极子声波发射器的工作过程以及正交偶极子发射器和接收器的工作原理。以试验和实际应用中的相关实例,阐述了正交偶极子声波在储层评价上关于解释地层各向异性、流体渗流特性、压裂高度预测和评价气层以及气-水界面等几个方面的应用。

基于原子范数最小化的极化敏感阵列DOA估计

为了提高极化敏感阵列中压缩感知类波达方向(Direction Of Arrival,DOA)估计算法的精度,避免网格失配问题,本文使用正交偶极子阵列在原子范数最小化(Atomic Norm Minimization,ANM)的理论基础上提出一种无网格波达方向估计算法.首先,将一维正交偶极子天线接收到的多快拍信号分解为两个子阵再求和,然后通过解决半正定规划问题恢复出一个含有入射信源信息的半正定Toeplitz矩阵,继而对该矩阵进行Vandermonde分解,恢复入射信源的DOA信息.同时结合协方差矩阵的向量化结果和最小二乘法计算得到入射信源的极化辅助角和极化相位角信息.通过仿真实验,在不同快拍数和信噪比下,对比子空间类算法和压缩感知类算法,证明了该算法具有较高的测角精度.

天线空域极化特性的表征及分析

在充分诠释天线的空域极化,尤其是空域瞬态极化概念的基础上,建立了天线空域极化特性的表征框架,给出了天线空域的经典极化描述子和瞬态极化描述子。分析了理论正交偶极子天线和实际干扰机天线的空域极化特性;讨论由于天线在空域的极化变化及极化不纯对雷达接收极化损耗的影响,并进行了相应的计算机仿真。结果表明:天线的极化特性在不同空间辐射方向是按一定规律变化的;而且这种变化特性影响着雷达接收损耗、抗干扰性能等各个方面。

基于极快速模拟退火算法的地层横波各向异性反演

介绍了利用正交阵列偶极子声波测井资料反演地层横波各向异性的计算过程,研究了极快速模拟退火算法在阵列偶极子声波波形反演处理中实现全局寻优的方法。利用基于极快速模拟退火算法自主编制的软件对多口井的正交阵列偶极子声波测井资料进行了处理。结果表明,极快速模拟退火算法无论是在计算精度还是在计算速度上都达到了对阵列偶极子声波进行波形反演的要求,可以用于正交阵列偶极子声波测井资料的实际处理。

基于极化敏感阵列均匀线阵的二维DOA估计

针对残缺电磁矢量传感器的极化敏感阵列多参数联合估计问题,该文提出一种基于正交偶极子的均匀线阵的2维波达方向(Direction-Of-Arrival,DOA)估计算法。首先,对极化敏感阵列的接收数据矢量的协方差矩阵进行特征分解,然后将信号子空间划分成4个子阵,根据旋转不变子空间(ESPRIT)算法分别求出其中1个子阵与其它3个子阵的相位差,再对不同子阵间的相位差进行配对,最后根据相位差求出信号的DOA估计和极化参数。由正交偶极子组成的均匀线阵使用极化MUSIC算法和传统ESPRIT算法无法进行2维DOA估计,该文提出的算法解决了这个问题,并且相较于极化MUISC算法降低了算法的复杂度。仿真结果验证了该文算法的有效性。

各向异性地层中的偶极声波测井响应特性及反演

建立了一种能够反映地层应力影响的各向异性地层模型,并基于COMSOL数值模拟软件在这种各向异性地层条件下进行了偶极声波测井的正演响应数值模拟,计算得到了2种各向异性方向及3种各向异性强度条件下的偶极声波测井全波波形,分析结果表明:在2种应力方向变化模型中,变化应力方向角度对阵列波形中同向分量及交叉分量波形幅度及能量影响明显;在3种各向异性强度变化模型中,变化地层各向异性强度对同向分量波形幅度影响显著且呈梯度式变化,交叉分量波形幅度呈逆常理性变化。采用模拟退火优化算法对偶极声波测井正演波形进行反演处理,得到的地层各向异性强度及方向与正演模型一致,证实了本文建立的正演方法的正确性。