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《哈尔滨工业大学》 2009年
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孔隙介质弹性波—电磁场耦合效应测井的波场模拟研究

关威  
【摘要】:本文研究流体饱和孔隙介质中弹性-电磁耦合波场的解析与数值模拟方法。孔隙介质中的弹性波场本身是固相骨架变形与孔隙流体渗流的耦合场,而由于孔隙液体含非均匀分布的带电离子,弹性波场还与电磁波场耦合,这种双重的耦合作用被称为震电效应。探索基于震电效应的勘探和测井新方法,是当前勘探地球物理界,特别是油气勘探开发界关注的研究方向。为了弄清震电波场的激发和传播规律以及各种地层参数对震电波场的影响,需要研究震电波场的模拟方法,特别是可以用于非均匀孔隙地层中震电波场模拟的数值算法。 本文以声电测井为背景,基于井内为流体、井外为流体饱和孔隙地层的介质模型,研究井内点声源激发的井孔声场及其诱导电磁场和井内电流源激发的井孔电诱导声场的解析和数值模拟方法,为开展这声电测井的可行性研究奠定基础。主要内容包括: 在忽略诱导电磁场对声场影响的前提下,先独立计算井中点声源激发的声场,再通过引入赫兹矢量,求解声波诱导电磁场的解析表达式。并将波场推广到非井轴对称情形,结合多极声电测井,采用实轴积分法模拟声波诱导电磁场的全波波形。分析渗透率、孔隙度、弯曲度、流体粘度、矿化度等地层参数对声场及其诱导电磁场波形的影响,并对比声波测井和声-电测井响应对各种地层参数的敏感度。 采用两种不同方法推导井内沿井轴放置的电偶极子激发的电磁场及其诱导声场的解析表达式。一种是直接求解Pride震电耦合方程组;另一种是在忽略诱导声场对电磁场影响的前提下,先独立计算电磁场,再求解其诱导声场。应用实轴积分法模拟电诱导声场的全波波形。通过对两种方法模拟波形的比较,验证忽略诱导声场对电磁场影响的简化计算的可行性。分析井孔电诱导声场波形的特点,以及各种地层参数对井孔电诱导声场波形的影响。 针对井中水平电流环激发的电-声测井,通过直接求解Pride方程组的方式,推导电场及其诱导声场的解析表达式,并采用实轴积分法模拟全波波形。研究这种测井方法在横波速度测井方面的应用价值。 实现了对井内流体、井外为水平分层孔隙地层中弹性波场数值模拟的速度-应力交错网格时域有限差分(FDTD)算法。相比于前人的孔隙弹性波FDTD算法,本文算法考虑惯性力对粘性流体流动的影响,适用于测井频率范围内的模拟。使用目前公认吸收效果最好的完全匹配层(PML)吸收边界条件消除由计算边界的截断带来的人工反射,并采用了不分裂场量的PML处理方式。分别采用两种不同的方式解决不同介质交界面上场量的差分离散化问题。一种是利用界面两侧介质的差分方程和场量在界面上的连续性条件推导出一组显式边界条件差分方程;另一种是在界面上仍采用均匀介质中场量的差分方程形式,但是方程中的参数取界面两侧介质中对应参数的平均值,作者称其为参数平均法。针对不同源频率和地层参数的多个算例,将FDTD算法模拟的波形与实轴积分法计算的结果进行详细地比较,验证FDTD算法的正确性。然后,采用FDTD算法模拟井外水平分层地层中声波测井的全波波形和波场分布情况。 证明了在弹性波的交错网格FDTD算法中应用参数平均法与利用场量的连续性条件进行推导的等价性。另外,在采用统一的方程组表示固体、流体和孔隙介质中弹性波的情况下,将参数平均法扩展到处理任意由上述三种介质组成的交界面问题,实现可以数值模拟含有固体、流体和孔隙介质组成的复杂模型结构中弹性波传播问题的FDTD算法。该算法的实现对孔隙介质中弹性波FDTD算法的规范化和推广使用具有重要意义。 分别提出电-声和声-电测井的有限差分模拟方法,实现对水平分层孔隙地层中井孔电诱导声场和声诱导电场的数值模拟。电-声测井的有限差分模拟,采用先计算电场再计算其诱导声场的简化计算方法。考虑到低频电偶极子激发的电磁场可看成似稳场,将问题转化为求解关于电位的泊松方程。采用有限差分法模拟电位点的空间分布。在电场已知的前提下,对FDTD模拟点声源激发声波测井的算法进行修改,实现这种由井外孔隙地层中电场空间的不均匀分布和时变特性所诱导的声场响应的模拟。声-电测井的有限差分模拟,在不考虑诱导电场对声场影响的前提下,先利用声波测井的FDTD模拟算法获得不同时刻声场的空间分布。与空间位置固定的电流源产生的电磁场不同,孔隙介质中声波诱导的电磁场是由空间波动的电流源产生的。诱导电场可看作是低频似稳场,将问题转化为在不同时刻模拟这种空间波动电流源导致的井内外电位分布,进而采用有限差分法模拟电场。在井外为均匀孔隙地层情况下,分别将有限差分模拟的声诱导电场和电诱导声场波形与实轴积分法计算的结果进行比较,验证有限差分算法的正确性。采用有限差分算法模拟井外孔隙地层中存在水平介质分界面的电-声测井诱导声场和声-电测井诱导电场的全波波形和波场分布,并分析电诱导声场和声诱导电场的波场特点。 本文针对测井问题提出的震电波场模拟算法,对于震电测井仪器设计具有指导意义,对于震电勘探和天然地震诱导电磁场模拟具有参考意义。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:P631.84

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【引证文献】
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2 王秀明;张海澜;何晓;丛健生;张秀梅;;声波测井中的物理问题[J];物理;2011年02期
3 王克协;崔志文;;声波测井新理论和方法进展[J];物理;2011年02期
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2 何晓;横观各向同性地层声波测井波场模拟与地层渗透率反演[D];哈尔滨工业大学;2010年
【参考文献】
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2 胡恒山,王克协;井孔周围轴对称声电耦合波:理论(I)[J];测井技术;1999年06期
3 胡恒山,王克协;井孔周围轴对称声电耦合波:声电效应测井数值模拟(Ⅱ)[J];测井技术;2000年01期
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5 何峰江,陶果;声波测井三维交错网格有限差分模拟的漂移失稳及改进方案[J];测井技术;2003年05期
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10 石昆法;震电效应原理和初步实验结果[J];地球物理学报;2001年05期
【共引文献】
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8 刘炯;马坚伟;杨慧珠;;SH波场中完全匹配层吸收边界研究(英文)[J];Applied Geophysics;2009年03期
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10 崔志文;吕伟国;谢树理;曹正良;王克协;;利用斯通利波衰减反演渗透率的方法改进[J];吉林大学学报(地球科学版);2010年S1期
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1 方俊伟;康毅力;游利军;李相臣;;致密砂岩气藏多尺度传质行为研究进展[A];渗流力学与工程的创新与实践——第十一届全国渗流力学学术大会论文集[C];2011年
2 赵永久;梁昌洪;;MEI方法中metron的选择[A];1995年全国微波会议论文集(下册)[C];1995年
3 胡恒山;关威;;多极声源在孔隙地层包围的井孔中诱导的电磁场[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
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5 李良艳;;论科学家的责任伦理——以汶川地震为例[A];第二届中国科技哲学及交叉学科研究生论坛论文集(硕士卷)[C];2008年
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7 石昆法;;震电效应原理和初步实验结果[A];中国科学院地质与地球物理研究所2001学术论文汇编(第二卷)[C];2001年
8 张鲁新;符力耘;裴正林;;不分裂卷积完全匹配层与旋转交错网格有限差分在孔隙弹性介质模拟中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(上)[C];2011年
9 邓斌;李建新;胡明春;;基于矩量法的金属圆柱散射体散射特性研究[A];中国电子学会电子机械工程分会2007年机械电子学学术会议论文集[C];2007年
10 曹丙霞;宋立众;乔晓林;;震前舒曼谐振异常的研究现状及讨论[A];中国地震学会空间对地观测专业委员会成立大会暨学术研讨会论文集[C];2008年
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1 刘少刚;基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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5 赖生建;计算电磁学中的径向基无网格法[D];电子科技大学;2010年
6 胡亮;基于边界法向磁通密度逐点测量的无旋磁场重构方法及其应用[D];浙江大学;2010年
7 朱崇辉;筑坝土料的水利工程性质研究[D];西北农林科技大学;2010年
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9 王瑞宝;汽车线束寄生参数和串扰预测研究[D];吉林大学;2011年
10 黄红瑕;复杂媒质中瞬态电磁场快速算法的研究[D];华北电力大学(北京);2011年
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1 丁铜伟;强内热源多孔介质条通道流动换热实验技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 马俊;球床多孔介质通道高速区流动特性研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 王化宇;基于时域有限差分法的微带结构电磁兼容研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 刘肖峰;基于MOM的天线耦合研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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6 张强;电力机车弓网离线噪声辐射场强车厢内外转换关系的研究[D];北京交通大学;2011年
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9 罗维;回旋返波管的研究[D];电子科技大学;2011年
10 王珊;具有陷波特性的超宽带天线的分析与设计[D];西安电子科技大学;2011年
【同被引文献】
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1 盖增喜;陈晓非;;利用点源叠加合成有限尺度运动源的理论地震图[J];北京大学学报(自然科学版);2008年03期
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3 秦臻;卢明辉;郑晓东;姚姚;张才;宋建勇;;弹性波正演模拟中改进的非分裂式PML实现方法(英文)[J];Applied Geophysics;2009年02期
4 崔志文;刘金霞;王克协;;井孔声波频散方程伪瑞利波的近似解析公式[J];吉林大学学报(地球科学版);2008年S1期
5 胡恒山,王克协;井孔周围轴对称声电耦合波:理论(I)[J];测井技术;1999年06期
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7 胡恒山,李长文,王克协,朱正亚;声电效应测井模型实验研究[J];测井技术;2001年02期
8 时鹏程;随钻测井技术在我国石油勘探开发中的应用[J];测井技术;2002年06期
9 张辛耘;王敬农;郭彦军;;随钻测井技术进展和发展趋势[J];测井技术;2006年01期
10 刘洪;震电效应研究在资源勘探中的应用前景[J];地球物理学进展;2002年02期
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1 陈浩;王秀明;;预应力地层井孔偶极子声场的高阶有限差分模拟[A];中国地球物理学会第22届年会论文集[C];2006年
2 王克协;崔志文;宋若龙;李刚;姚桂锦;;软地层声测井横波首至是倏逝波的理论证明[A];中国地球物理·2009[C];2009年
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1 崔志文;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[D];吉林大学;2004年
2 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
3 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
4 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
5 宋若龙;非轴对称套管井声场并行计算及声波固井质量评价理论与方法研究[D];吉林大学;2008年
6 张丽;各向异性地层多极源声测井理论与数值研究[D];吉林大学;2008年
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1 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
2 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
3 谢馥励;利用偶极弯曲波求取孔隙VTI介质各向异性渗透率的正、反演研究[D];吉林大学;2007年
【二级引证文献】
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1 李潮流;周灿灿;张莉;李高仁;胡法龙;;一种定量评价碎屑岩储层各向异性的新方法[J];地球物理学进展;2012年05期
2 任士房;刘争平;熊自英;宋斌;宋浪;;声电效应在隧道地震波场物理模拟实验中的应用[J];地球物理学进展;2012年05期
3 鞠晓东;乔文孝;赵宏林;卢俊强;门百永;吴文河;;新一代声波测井仪系统设计[J];测井技术;2012年05期
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6 于华;关继腾;程媛媛;;储层岩石流动电位的电化学影响因素[J];物探与化探;2012年01期
7 谢馥励;吕伟国;张碧星;王克协;阎守国;;利用井孔偶极弯曲波反演横向各向同性孔隙地层渗透率的研究[J];声学学报;2011年06期
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1 许楠;孔隙地层井孔声场模拟与斯通利波衰减拾取渗透率[D];吉林大学;2011年
2 张言;震电效应下平面波在流体和孔隙介质界面上的折反射[D];吉林大学;2011年
3 丁丽丽;有限厚弹性衬层上薄层厚度计算的理论研究[D];吉林大学;2011年
4 高文阳;流体饱和孔隙柱壳中声电耦合波传播的研究[D];吉林大学;2012年
【二级参考文献】
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1 关威;胡恒山;;流体-孔隙介质交界面的参数平均法处理[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
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5 刘文韬;王肖钧;胡秀章;张昭宇;;地下岩石中爆炸波的传播和相互作用[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C];2000年
6 徐朝繁;张先康;段永红;;三维射线有限差分混合地震模型及应用研究[A];2001年中国地球物理学会年刊——中国地球物理学会第十七届年会论文集[C];2001年
7 胡恒山;张义德;;用有限差分和完全匹配层方法计算电磁波场[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
8 关洋;李宝治;孙逊;王君卿;;铸件充型凝固过程数值模拟前后处理技术[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
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9 于更新;有限差分模拟走时波场的地震层析成像方法与应用研究[D];中国地质大学(北京);2006年
10 常君勇;交错网格有限差分法地震数值模拟[D];中国地质大学(北京);2007年
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