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《吉林大学》 2004年
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多孔介质声学模型与多极源声电效应测井和多极随钻声测井的理论与数值研究

崔志文  
【摘要】:本文研究了弹性波在孔隙介质的 Biot-Tsiklauri 模型和 BISQ 模型下的传 播特点;进行了多极声电效应测井响应及偏心点源声电效应测井响应的理论与 数值研究;对弹性地层和可渗地层情况,进行了随钻声测井响应的理论和数值 研究。 深入研究孔隙介质中弹性波的传播机制是理解孔隙介质中各种波动现象的 前提之一。Biot 理论奠定了孔隙介质的声学基础并得到广泛的应用。然而,有 许多实际的孔隙岩石,Biot 理论对声波的频散和衰减不能较好地给出解释。有 一种认识是,Biot 理论没有顾及喷射流流动效应。Biot 流动和喷射流动被认为 是含流体多孔隙介质中流体流动的两种重要力学机制,对孔隙介质中弹性波的 传播均产生重要的影响。本文研究了 Dvorkin 和 Nur 提出的 BISQ(Biot-Squirt) 模型中慢纵波的基本特点、特征喷射流长度对平面波在流体与孔隙介质边界上 的折反射、特征喷射流长度对井孔声导波传播的影响。给出了 BISQ 模型中的慢 纵波速度和衰减的低频近似公式,这一公式在低频给出了很好地近似值,并直 观地反映了慢纵波速度和衰减与介质参数特别是特征喷射流长度的关系。慢纵 波在流体与孔隙介质的边界上可产生更大的渗流。基于多孔介质 BISQ 模型可以 预测,无粘流体饱和孔隙岩石中不存在喷射流机制;顾及喷射流机制的粘滞流 体饱和孔隙岩石中不会发生“动力协调”现象。与没考虑喷射流效应的折反射 系数对比表明在折反射问题中喷射流机制的影响是明显的。顾及喷射流机制后, 单极、偶极、和四极声源激发的井孔各类导波的衰减都增大,但它们的频散特 性几乎不受喷射流的影响。这一特点表明,利用井孔导波拾取岩石中的特征喷 射流长度是可能的,为确定这一岩石独立参数提供一个新的途径。 此外,针对孔隙岩石饱含的石油呈现非牛顿流效应引起人们的关注,本文 发展了 Biot-Tsiklauri 模型,给出顾及孔径分布具有非零滑移速度边界的非牛 顿流体饱和孔隙介质声学模型,研究了在此孔隙介质中弹性波的传播特点。在非 牛顿流体饱和孔隙介质中考虑非零滑移速度边界的影响表明(a)动态渗透率全 面增加(b)除相对低频区外第一类纵波和横波的相速度增加,第二类纵波的相速 度在所有频率范围全面增加。除深度非牛顿流区域外,在中间频率域三种波的 衰减全面增加。研究也表明在较高频率的深度非牛顿流的第二类纵波的衰减系 163 WP=171 摘要 数很小,这也激励我们在油储孔隙岩石中探测第二类纵波。 为模拟多极声源激发的声电效应测井响应,本文从 Pride 耦合弹性波-电磁 波方程组出发,导出无源均匀孔隙介质中多极声电耦合波的通解表达式。导出 多极点声源在井中激发声波时,井内声场和电磁场的计算公式、地层中耦合声 场和电磁波场的计算公式。利用声场-电磁场的边界条件确定井内外波场的系 数,利用波场的表达式模拟多极源声电效应测井响应曲线,研究井孔转换电磁 场的基本特性,考察部分介质参数对转换电磁场的影响。与点源激发不同,井 轴上的偶极声源或四极声源发射声波时,声场具有非轴对称性,在地层中耦合 的伴随电磁波也具有非轴对称性,电磁场在井内以横电场(TE)和横磁场(TM)的 混合模式传播。在井内除了可记录到反射声场还可记录到通过井壁转换而来的 电磁场的 6 个分量,这与对称源激发只能记录到 3 个分量不同。 数值模拟表明当位于井轴上的多极点声源发射声波时,在井内不仅接受到 来自地层的声波,还可以接收到两类电磁场。一类是在井内流体与地层界面井 壁上产生的临界折射电磁波,几乎同时到达阵列接收器,称电磁首波;另一类 是表观速度具有声波速度的电(磁)场,是地层中伴随声波的局域电(磁)场。井 中接收到的转换电磁场的强弱,不仅取决于地层的动电耦合系数,还取决于波 的传播特性和井孔的波导效应。对于单极点源发射时,井内偏离井轴可接收的 电磁场只有Ez ,Er和Hθ ;而偶极源和四极源发射声波时,井内可接收到电磁 场的六个分量,这对于井内转换电场信息的接收和利用是大有益处的。从电声 比可以看出,单极斯通利波、偶极弯曲波及四极螺旋波的电声转换系数具有相 同的数量级。纵波电声比总是最大,结果在声压全波图中幅度较小的纵波,在 伴随的电磁场全波中很容易辨别。单独改变渗透率时,电声比的变化并不明显。 地层水矿化度增大时,电磁场的幅度变小。 声源偏心是一个没有轴对称的问题,井内声、电场和井外声电耦合场都要 进行多极波场展开。针对单极点声源偏离井轴情况,导出井内声场、电磁场及 井外均匀孔隙地层中声电耦合波场的表达式,数值模拟了偏心点声源声电测井 响应,研究了偏心对转换电磁场的影响。为模拟偏心电声测井,导出了垂直电 偶极子偏心时井内电磁场的计算公式。数值结果表明,用有限极多级场叠加可 以描述偏心声源激发时的声电效应响应。需要顾及多级项的多少,取决于声源 的激发频率的高低,偏心的大小,和井外波场声电转换的频率响应特性。声源 的偏心对轴向电场的电磁首波影响很小。这一研究为理论上和实验上进一步深 入认识和利用声电效应测井响应是有意义的。 多极源和偏心点源
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:P631.8

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【引证文献】
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1 刘金霞;弹性波折、反射与横向各向同性(VTI)介质井孔导波声弹效应研究[D];吉林大学;2007年
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2 刘志辉;基于虚拟仪器技术的冻土声电效应观测平台研究[D];西南交通大学;2007年
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【参考文献】
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【共引文献】
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7 吕秀梅;王克协;;井内大偏心声源激发声场的数值模拟与分析[A];中国地球物理学会年刊2002——中国地球物理学会第十八届年会论文集[C];2002年
8 胡恒山;关威;储昭坦;;偶极声电效应测井响应模拟[A];中国地球物理第二十一届年会论文集[C];2005年
9 李振春;王清振;;地震波衰减机理及能量补偿研究综述[A];纪念中国地球物理学会成立60周年专辑[C];2007年
10 崔志文;王克协;曹正良;;基于多孔介质BISQ模型的慢纵波[A];CPS/SEG2004国际地球物理会议论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李刚;套管井正交偶极声测井异常地应力正、反演研究[D];吉林大学;2005年
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7 王晓东;电磁力对金属熔体驱动与运动形态控制的研究[D];大连理工大学;2002年
8 郭敏;声信号在准多孔介质中的传播及害虫弱声信号特征分析[D];陕西师范大学;2003年
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10 殷勇辉;基于电感测量和光纤技术的在线油液监测方法研究[D];武汉理工大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 阎守国;孔隙柱管声系和非轴对称横向各向同性介质地层的有限差分模拟[D];吉林大学;2007年
2 丛令梅;BISQ横向各向同性地层流体井孔中多极源激发声波场的理论求解和数值分析[D];吉林大学;2005年
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10 郑建才;电涡流检测技术在多层厚度检测中的应用研究[D];浙江大学;2003年
【同被引文献】
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4 崔志文;王克协;胡恒山;;声电平面波低频分析和在流体与孔隙介质界面上的折反射[A];中国地球物理学会年刊2002——中国地球物理学会第十八届年会论文集[C];2002年
5 刘金霞;王克协;曹正良;谢荣华;刘继生;吕秀梅;;套管井孔应力集中对诱导井周各向异性速度场分布的影响[A];中国地球物理.2003——中国地球物理学会第十九届年会论文集[C];2003年
6 马俊;王克协;李刚;刘金霞;谢荣华;刘继生;吕秀梅;;套管井应力诱导各向异性井孔声场的三维SV-FD数值模拟[A];中国地球物理学会第二十届年会论文集[C];2004年
7 崔志文;王克协;曹正良;;基于多孔介质BISQ模型的慢纵波[A];CPS/SEG2004国际地球物理会议论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 刘金霞;弹性波折、反射与横向各向同性(VTI)介质井孔导波声弹效应研究[D];吉林大学;2007年
2 何峰江;声反射成像测井仪器仿真及波形处理技术研究[D];石油大学(北京);2005年
3 陈强;地球物理测井和地震联合检测天然气藏的方法及应用研究[D];同济大学;2001年
4 周建宇;井间地震研究与应用[D];中国科学院研究生院(兰州地质研究所);2002年
5 李刚;套管井正交偶极声测井异常地应力正、反演研究[D];吉林大学;2005年
6 张碧星;各向异性介质地层流体井孔中多极源声测井理论和数值研究[D];吉林大学;1994年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丛健生;利用有限差分法模拟计算具有分层和裂缝地层井内外声场[D];大庆石油学院;2004年
2 吕伟国;用孔隙柱管模拟测井声系的数值分析与交叉偶极声测井资料反演的应用研究[D];吉林大学;2004年
3 丛令梅;BISQ横向各向同性地层流体井孔中多极源激发声波场的理论求解和数值分析[D];吉林大学;2005年
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6 阎守国;孔隙柱管声系和非轴对称横向各向同性介质地层的有限差分模拟[D];吉林大学;2007年
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9 闫伟民;水平多层固体—孔隙介质中流体层声波场的理论求解与数值计算[D];吉林大学;2007年
10 刘志辉;基于虚拟仪器技术的冻土声电效应观测平台研究[D];西南交通大学;2007年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 何晓;孔隙地层中流体井孔内的模式波[D];哈尔滨工业大学;2006年
2 苏洋;倾斜井轴入射的平面SV波与井孔耦合的理论研究与数值分析[D];吉林大学;2007年
3 闫惠欣;Biot介质中倾斜入射平面P波与井孔耦合的理论研究和数值模拟[D];吉林大学;2007年
【二级参考文献】
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1 王克协;;非线性地声学与声测井理论研究初步[A];2000年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十六届年会论文集[C];2000年
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7 彭冬梅;随钻VSP技术[N];中国石油报;2004年
8 记者 赵士振 通讯员 庞世乾 施慧丽;新焊接技术让废旧钻具“再上岗”[N];中国石化报;2008年
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4 宋传军;油田定向井随钻信号检测及处理[D];东北石油大学;2011年
5 李家学;裂缝地层提高承压能力钻井液堵漏技术研究[D];西南石油大学;2011年
6 李茂生;小环空条件下钻柱动力学及可靠性研究[D];中国石油大学;2007年
7 于华伟;随钻环境下脉冲中子测量地层密度的理论基础研究[D];中国石油大学;2011年
8 魏文忠;底部钻柱振动特性及减振增压装置设计研究[D];中国石油大学;2007年
9 李文飞;直井钻柱安全可靠性分析方法研究[D];中国石油大学;2008年
10 周照明;欠平衡随钻气侵规律及运移模型研究[D];大庆石油学院;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 庄春喜;随钻声测井隔声体数值模拟与实验研研究[D];中国石油大学;2011年
2 张能;随钻电测井及其宽带传输新方法研究[D];电子科技大学;2011年
3 曾文斌;随钻电阻率测井中频综与收发系统电路的设计与实现[D];电子科技大学;2012年
4 王云梁;钻铤硬度自动检测流水线研制[D];西安石油大学;2010年
5 段志锋;油气井随钻声波遥测系统的结构设计[D];中国石油大学;2011年
6 肖斌;随钻通信系统传输技术研究[D];华中科技大学;2012年
7 范存;随钻电阻率测量技术研究[D];东北石油大学;2010年
8 李晓;电磁双向信号传输遥测通道的研究[D];中国地质大学;2010年
9 李闪;随钻泥浆脉冲信号检测与处理技术研究[D];中国石油大学;2010年
10 邵喜春;随钻测井资料解释方法研究及应用[D];西南石油学院;2003年
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