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

【摘要】：为了能更好的模拟声波测井中的测井系统，建立一个与实际声源系统接近的模型显得非常重要。无论什么样的模型都是对它的一种近似。由于测井仪器的外壳上都刻有凹槽，其作用是消除直达场对测井数据的干扰，很难用一个数学模型对它模拟。以往的声测井理论研究多采用点源、刚性柱源和弹性柱源模型，它们都过于简化了实际的测井系统。本文着重讨论了一种更接近实际测井系统的声系—孔隙柱管模型。用孔隙度较大的孔隙柱管来模拟实际的测井仪器的外壳，并采用柱源对发射器进行模拟。本文在第一部分详细推导了孔隙柱管模型在弹性地层包围的裸眼井孔内流体中的位移势场和声压场的形式解。并对三种孔隙介质参数和三种地层参数时的声压全波进行了数值模拟。通过对全波的考察发现，孔隙介质中的特征纵、横波速度在较低孔隙度很小时，出现了纵模式波和内斯通利波，尤其在软地层更为明显。纵模式波的速度为特征纵波速度的0.9倍，内斯通利波的速度比外斯通利波的速度大一些。在中、高速地层中，地层纵波速度较高，纵模式波被淹没在纵波波群当中，内斯通利波由于横波的出现，也与横波波群混叠在一起。当孔隙度变大后，纵模式就消失了，即相当于测井仪器中刻槽的情况。但内斯通利波依然可见。同时为了进一步了解体系中的各种成分，我们对所有模式波的频散特性进行了考察。可以分为两个部分，一部分是与地层密切相关的模式波，另一部分是与声系直接相关的模式波。其中与地层相关的模式波与其他模型下的得到的相同，分别是斯通利波和伪瑞利波，它们的频散特性也与之类似。另一部分与声系有关的模式波有三种，分别是纵模式波、一种未知模式和内斯通利波。这三种模式波，只与声源部分的结构有关，而有无地层不影响它们的存在。纵模式波没有截止频率，在低频速度为孔隙介质中特征纵波速度的0.9倍，有频散现象，随着频率的增加，纵模式波的速度降低。在声源的孔隙度变小时，特征纵波的速度相 WP=83 应增加，低频纵模式波的速度也变大，但仍然为特征纵波速度的0.9倍。频散特性更明显了。那种未知模式波与纵模式波相同没有截止频率，低频速度为声系中特征横波速度，有频散现象，随着频率的增加速度越来越大，高频速度为孔隙介质中骨架横波速度。它的激发幅度非常小，在全波中不可见。当孔隙度变小后，特征横波速度与骨架横波速度接近，相应它的频散曲线也变为一条直线，几乎不频散。内斯通利波同样没有截止频率，频散比较明显。随着频率先增加然后再减小，最后接近一个定值。高频速度略小于井内流体速度。另外地层中纵横波的激发特性即与地层参数有关，也与声系参数有关。 利用频域加权相似法提取模式波慢度，有原理简单、计算速度快、运算稳定的特点，适于实时处理。但该方法在同一频率下只能提取一种传播速度的成分波，对同一频率下有多个模式时则无法同时都提取出来，且提出的某一模式比较混乱，其它模式被漏掉。改进的Prony方法可以处理频域多模信号，但常常出现假峰(估计)，且方法复杂，要求接收器必须是等间距的，不适于剔除了阵列记录中失真的数据道后资料的处理。本文将频域加权相似法进行了改进，采用了频域与慢度域分区技术，将其应用到多模式波信号的提取中，效果比较明显。在不失去频域加权相似法本身特点的基础上，实现了多模式信号的提取。本文对中低速地层中的全波信号进行了处理，由于横波速度较低，在时域波形中与斯通利波混叠在一起，利用STC时域的方法对纵波提取比较准确，但是对横波和斯通利波的提取就不够精确。而在频域横波和斯通利波虽然在慢度上分开，但却处于同一频段，如果不对频域加权相似法进行改进，只能提取其中一种模式。采用了频域和慢度域分区技术后，就实现了横波与斯通利波的提取。为多模式波在时域和频域混叠时提供了另外一种有效的慢度提取方法。 大地构造应力的定量信息对天然地震机制和板块结构研究至关重要。石油储层局部应力状态（方向和大小）的定量知识对提高油气采收率、预防出砂和防止油井破坏具有重大实际意义。其中仅预防油井损坏一项就已成为重大技术难题。各油田每年有大量油井因异常地应力作用而折断、损毁，造成巨大的经济损失。构造地应力大小的检测是地应力检测中的重点和难点，近几年发展起来的交叉偶极子声测井可以实现应力诱导各向异性的识别，且弯曲波频散曲线产生交叉现象已成为交叉偶 WP=84 极声测井中判断地应力诱导的各向异性的判据。然后利用井孔声弹方程能够确定异常地应力的方向和大小，实现了油井损坏前异常地应力的无损检测。计算地应力大小，首先要对两个主方向上的弯曲波速度进行提取，本文主要利用低频两个分裂的弯曲波速度进行地应力反演，速度提取的好坏直接影响地应力预测的质量优劣。本文仍然利用频域加权相似法提取的弯曲波速度，在低频由于其频谱能量较低，使得提取的弯曲波质量不好，所以我们用了一个拟合函数对提取的弯曲波频散曲线进行了拟合，为进一步地应力反演做好了准备。为了实时处理的方便，我们从平面波的声弹方程出发，提出了简化的快速声弹计算公式。减少了敏感的三级弹性模量的反演，节省了机时。我们在Xing-13裸眼井处理中，