声电效应测井电声比及其与地层渗透率的关系

基于流体饱和孔隙介质中声波-电磁场耦合效应的测井方法具有潜在的应用价值.本文从Pride动电耦合波方程组入手,推导了伴随斯通利波的井孔电场与声压比值(电声比)的频率域表达式.结果表明,在较低频率条件下,电声比幅角的正切值与渗透率呈反比.在此基础上,提出了利用低频的声电效应测井全波反演地层渗透率的方法.针对砂岩地层,从计...     

声电效应测井的有限差分模拟

本文研究声电效应测井波场的有限差分模拟算法.忽略井外地层中诱导电磁场对孔隙弹性波的影响,将求解动电耦合波方程组的问题解耦,先计算孔隙弹性波,再计算其诱导电磁场.基于轴对称柱坐标系下的速度-应力交错网格,采用时域有限差分计算井孔流体声波和井外地层孔隙弹性波.将电磁场近似看作似稳场,基于轴对称柱坐标系下的5点式有限差分网格,求解不同时刻的电位Poisson方程,计算诱导电场.结果表明:本文算法可准确模拟频率6.0 kHz的声电效应测井全波;在声波测井频率范围内,电导率、动电耦合系数和动态渗透率的低频近似对伴随电磁场的计算影响不大;地层水平界面导致伴随反射斯通利波的电场和显著的界面电磁波,后者对于探测地层界面具有潜在的应用价值.     

基于简化的Pride理论模拟声电效应测井响应

针对声电效应测井问题，提出了一种全波列数值模拟方法.该方法忽略声电效应测井 时转换电场对声场的影响,并将电场视为似稳场.采用点声源模型，依据Biot理论得出了井外 孔隙介质声场的表达式，运用这些表达式和似稳电场近似方法，导出了声电效应测井时转换 电场的计算公式.在计算出的转换电场波形中，有伴随斯通利波的电场、伴随纵波和横波的 电场、和临界折射电磁波场.在25kHz以下的频率范围内，依据这种方法计算出来的声电转换 波波形与依据完整Pride理论计算的波形一致.     

面向含水层的震电效应数值模拟

为了更好地理解和解释土壤结构、多相流混合物和流体矿化度对震电测量的影响,本文基于Pride和Revil分别提出的动电耦合控制方程组,采用LAC广义反射与透射系数法对均匀、横向各向同性的多层含流体孔隙介质进行数值模拟研究.本文分别研究了包气带、不同土壤结构的地层和污染物侵入含水层等三种不同地质背景的震电信号.数值结果表明：含水饱和度剧烈变化比均匀变化能激发出更强的动电效应;按照含水饱和度划分的地层层厚与主导的地震波长一致时,震电信号振幅最大;由于S波比P波波长短,所以S波转换的磁场分辨“薄层”能力更强;Pride与Revil的理论模型在地层富含黏土且孔隙中流体部分饱和时存在差异;当土壤为三孔的形式且富含黏土矿物时,基本上不满足“薄”双电层假设条件;黏土含量越高,砂土含量越低,电场总场及界面响应振幅越大;和依照饱和度划分的地层对比,震电信号不仅可以探测到含非水相液体(NAPL)地层的存在,而且分辨率远高于前者;非水相液体的密度和黏度会对震电信号产生明显影响;震电信号同样对流体矿化度变化敏感,非同震电磁信号对流体矿化度变化敏感主要体现于矿化度变化界面附近的隐失波,自由表面附近接收的震电信号无...     

动电测井实验研究Ⅰ:渗透率的评价

本文针对流体饱和孔隙介质的动电效应,在砂岩模型井中开展了动电测井实验研究.记录到渗透率不同模型中单极源动电测井的全波波形,清晰地观测到了伴随纵波、横波和斯通利波的动电转换信号,给出了本文实验条件下,动电测井全波中各分波的幅度,并通过电声比的大小说明了各分波的动电转换能力.实验结果表明:孔隙介质动电效应与渗透率密切相关,动电信号的幅度随着地层渗透率的增大而增加,在高渗透率地层中记录动电信号的幅度较大,这一特性可用于地层渗透率的井下动电评估.本文实验结果还验证了动电测井的可行性,同时指出:与声波测井相比,动电测井信号对地层渗透率更加敏感,这为渗透率等地层参数的井下动电测量奠定了实验基础.     

随钻条件下井旁界面声电效应的辐射电磁波响应特征

孔隙地层中存在着动电耦合现象,弹性波作用在声阻抗或者电化学性质差异地层会产生辐射电磁波.本文探讨了随钻条件下,利用孔隙地层中的动电耦合效应探测井旁地质体的可行性.为此模拟了井外存在声阻抗差异和电化学差异界面时声波诱导的辐射电场响应特征.求出柱坐标下介质中声场和电场函数表达式,由此计算并比较了均匀介质和弹性差异界面情况下井中接收到的电场.发现随钻条件下,井外的弹性差异界面会产生以光速传播的辐射电磁波.该电磁波反映了井外地质信息,并先于井中直达声波的伴随电磁场到达接收器,因而可以直接观测到.此外,还发现界面辐射电磁波可以用来探测油、水等电化学性质差异大而弹性阻抗差异小的界面;声源频率以及界面两侧地层性质差异程度是辐射电磁波幅度的影响因素.     

双声源激发随钻测井声电耦合波理论模拟

随钻单极源声波测井中,由于钻铤模式波的干扰而使地层纵波速度的测量变得困难.孔隙地层的声电转换物理效应给我们提供了通过测量转换电信号实现声学参数测量的可能性.针对随钻声电测井,采用Pride声电耦合方程组描述井外孔隙地层的声电耦合波场,考虑随钻环境条件下的边界条件,采用实轴积分法计算出了随钻声电测井瞬态响应的波场.计算结果表明,声电转换比与电缆声电测井量级相同,也说明随钻环境下声电效应是可应用的.但是,从得到的电场波形图中可以观察到,钻铤模式波成分虽有压制,但仍然存在.为了削弱钻铤模式波,鉴于钻铤的声波速度已知,我们尝试利用双发射源测井方法,通过控制源间距及合适的发射延迟时间对钻铤模式波进行进一步压制.结果表明,采用双源后的井内转换声场和电场波形中,钻铤模式波被有效地抑制,残余钻铤波的相对振幅明显减小,压制效果在电场波形中尤为明显,地层波的信噪比显著增强,有利于地层纵波速度的提取.     

水平分层孔隙介质中点源激发的震电波场数值模拟及分析

为认识地震波诱导的电磁场的特性,本文研究地震波在孔隙介质中由于动电效应引起的电磁场.基于Pride弹性-电磁耦合方程组推导了双力偶震源对应的位移-应力-电磁场间断向量的表达式,模拟了双力偶源激发的震电波场.作为比较,还模拟了爆炸点源激发的震电波场.结果表明：存在伴随纵波的电场,其各分量的波形与固相位移对应分量的波形相似,但相位相反;存在伴随横波的磁场,其波形与固相位移波形相似;双力偶震源还激发出了独立传播的辐射电磁场,其速度比纵波至少高一个数量级,几乎是“瞬间同时”到达了每个接收器,但是其强度比伴随电磁场小得多,且随着源距增大而迅速减小.本文研究还表明：伴随纵波的电场强度不仅与地震纵波幅度和动电耦合系数有关,还与由介质孔隙结构决定的流-固两相动力协调性有关,存在一种动力协调介质,纵波在这种介质中不引起电场.     

随钻斯通利波测井反演地层渗透率的理论、方法及应用

针对孔隙渗透地层的随钻声波测井问题,用Biot-Rosenbaum孔隙弹性波测井理论推导了孔隙地层的随钻井孔声场表达式.据此考察了随钻条件下井中斯通利波的波形、相速度频散、衰减以及相速度对渗透率的灵敏度,并与电缆测井中的情况进行了对比.数值模拟结果表明,随钻条件下斯通利波对地层渗透率的灵敏度相对于电缆测井有明显增加,更有利于用来反演地层渗透率.为快捷有效地处理现场测井数据和反演计算,采用简化Biot-Rosenbaum理论和钻铤的等效模型,对随钻斯通利波的频移和时滞进行联合反演.结果表明,随钻斯通利波反演的渗透率与核磁渗透率和岩心覆压测试渗透率符合较好,并且与常规测井曲线所反映的储层性质具有较好的一致性,证明了利用随钻斯通利波评价地层渗透率的有效性.     

界面不规则性对套后超声波成像测井响应影响的模拟研究（英文）

超声泄漏兰姆波对多层介质缺陷及胶结缺失十分敏感,针对其在水泥胶结评价测井中的适用性问题,本文首次利用有限差分法数值模拟探讨了泄漏弯曲波在套管存在腐蚀缺陷和水泥-地层界面不规则起伏时的响应。结果表明,将超声倾斜定向入射时,可有效激发弯曲波模式。套管存在腐蚀时会影响首至弯曲波波幅,首至弯曲波波幅会随套管外壁的缺陷厚度的增加而逐渐减小,并在缺陷长度与波长尺寸相当时达到最弱,缺陷的存在增加了散射,导致直接泄漏回井内流体的首至弯曲波能量减弱。水泥-地层界面的不规则起伏时,首至弯曲波不变,后续弯曲波波幅由于不规则界面散射而减弱。     

随钻声波测井FDTD模拟及钻铤波传播特性研究

幅度大的钻铤波掩盖地层信号是困扰随钻声波测井技术的难题,认识钻铤波特性对于消除或有效降低钻铤波至关重要.记录岩石动电效应引起电磁场的随钻动电测井,被认为有望彻底解决钻铤波干扰问题.本文采用有限差分法,模拟不同钻铤、不同井孔结构的随钻声场,对比分析了单极源钻铤波的传播特性,阐明存在伴随钻铤波动电信号的原因.结果表明:钻铤声波在沿钻铤传播时向外部介质辐射能量,透过井壁进入地层的具有视钻铤波速度的声波,与地层纵横波一样可发生动电转化,因而可导致随钻动电测井时产生钻铤波速度的电磁信号.计算还表明,高频情况下,随钻声波测井钻铤波呈现两阶模式:具有低频截止频率的高阶钻铤波幅度较小,其速度略低于钻铤纵波速度;无截止频率的低阶钻铤波幅度较大,其波速在高频时甚至低于钻铤横波速度.这种频散特性和多阶模式特性,是径向多分层开波导结构的导波属性.     

Dependence of borehole shear‐horizontal‐wave seismoelectric response on soil textures

The phenomenon of acoustic waves inducing electric fields in porous media is called the seismoelectric effect. Earlier investigators proposed the usage of seismoelectric effect for well logging. Soil texture has a strong influence on the coupled wave fields during shallow surface explorations. In this article, we study the borehole pure shear‐horizontal wave and the coupling transverse‐electric field (acoustic–electrical coupling wave fields) in the partially saturated soil. Combined with related theories, we expand the formation parameters to partially saturated forms and discuss the influence of soil texture conditions on the seismoelectric wave fields. The results show that the elastic and electrical properties of porous media are sensitive to water saturation. The compositions of the acoustic and electric fields for different soil textures do not change, but the waveforms differ. We also use the secant integral method to simulate the interface‐converted electromagnetic waves. The results show that interface response strength is greatly influenced by soil texture. In addition, considering the sensitivity of the inducing electric field to fluid salinity, we also simulate the time‐domain waveforms of electric field for different pore fluid salinity levels. The results show that as the salinity increases, the electric field amplitude decreases monotonically. The above conclusions have certain significance for the application of borehole shear wave and its coupled electric fields for resource exploration, saturation assessment and groundwater pollution monitoring.     

井孔声电效应转换电磁波的特征

为探索声电效应在测井技术中的应用前景,利用微弱信号检测技术对岩石的声电效应进行了实验研究,在模型井孔中不同矿化度的条件下同时记录声波与电磁波信号,对比分析研究声波和电磁波的特征.结果表明所记录的电磁波信号为声波在井孔中传播时激发的转换电磁波.在频谱分析中发现,转换电磁波在频率谱上存在对称的双主频峰.声波在井孔中传播时激发的伪瑞利波产生声电转换,形成转换电磁波.     

多极源随钻动电测井波场特性实验研究

探索基于孔隙介质动电效应的随钻测井新方法是当前测井勘探领域的热点研究之一.本文针对随钻测井情况下的动(声)-电转换机理,在砂岩模型井中进行了多极源(单/偶/四极源)随钻动电测井实验研究,记录了井中声波激发动电转换波场的时域波形,给出了各分波的时间-速度图,并与多极源随钻声波测井数据进行对比,结果表明:钻铤波诱导的动电转换信号在随钻动电测井全波中的相对幅度显著降低,从而可准确提取到地层声波的传播速度,实现了利用随钻动电测井方法测量地层波速的目的,验证了随钻动电测井技术可有效抑制钻铤波的思想.本文还进一步分析了钻铤波的动电耦合特性,并结合有机玻璃模型井中随钻动电测井和无井孔模型下的随钻声波测量,研究了伴随钻铤波电场信号的传播特性和衰减规律,深入探讨了随钻动电测井全波中钻铤波被削弱的原因,并给出了定量的实验数据分析,为随钻动电测井理论模拟的解释提供有效实验数据支撑.     

地层波速的电缆和随钻动电测井实验研究

基于孔隙介质动电效应的测量方法在油气勘探领域有着巨大的潜在应用价值.本文针对理论预测的随钻动电测井可削弱钻铤波对地层声波干扰的问题,设计了室内随钻动电测井实验装置和测量系统,并在小尺寸砂岩模型井中开展了随钻动电测井实验研究.为了突出随钻动电测井技术的特点,本文先在砂岩模型井中进行了电缆声波测井和电缆动电测井实验测量,获得了地层声波的传播速度.然后又在同一模型井中进行了随钻声波测井和随钻动电测井实验,记录了这两种情况下的测井全波波形,比较了电缆声波/动电测井和随钻声波/动电测井的差异性,并进一步分析了钻铤波和井中动电转换信号的传播特性.本文还通过随钻动电测井的时域波形提取到被测地层的纵横波速度,从实验角度验证了随钻动电测井技术测量地层波速的可行性.此外,本文实验结果对随钻动电测井的仪器设计及现场测量也有参考意义.     

随钻动电测井中声诱导电场的理论模拟

为防止沿钻铤传播的声信号掩盖来自地层的声信号,目前需在钻铤上刻槽以实现对地层纵、横波速度的测量.但刻槽不仅占用钻铤空间,且降低了钻铤的强度和刚度.本文探讨在不刻槽条件下,利用动电效应获得地层纵横波速度的可行性.为此,模拟了随钻声波测井信号及由岩石动电效应产生的电场信号.先视地层为黏弹性介质,模拟随钻声波测井信号,再利用围压与孔隙流体压强的关系获得了声波在地层中引起的孔隙压强,然后计算由孔隙地层动电效应产生的声诱导电磁场.对多极声源激发的声场波形及其诱导电场的波形进行比较,发现随钻声诱导电场中钻铤波的相对幅度明显小于随钻声场中钻铤波的相对幅度.此外,发现在慢速地层条件下,偶极声源激发的电场中出现了比较明显的地层横波信号.     

Permeability inversion from low‐frequency seismoelectric logs in fluid‐saturated porous formations

In this paper, a method is proposed to invert permeability from seismoelectric logs in fluid‐saturated porous formations. From the analysis of both the amplitude and the phase of simulated seismoelectric logs, we find that the Stoneley wave amplitude of the ratio of the converted electric field to the pressure (REP) is sensitive to porosity rather than permeability while the tangent of the REP's phase is sensitive to permeability. The REP's phase reflects the phase discrepancy between the electric field and the pressure at the same location in the borehole. We theoretically derive the frequency‐dependent expression of the REP of the low‐frequency Stoneley wave and find that the tangent of the REP's argument is approximately in inverse proportion to permeability. We obtain an inversion formula and present the permeability inversion method by using the tangent of the REP's phase. To test this method, the permeabilities of different sandstones are inverted from the synthetic full‐waveform data of seismoelectric logs. A modified inversion process is proposed based on the analysis of inversion errors, by which the relative errors are controlled below 25% and they are smaller than those of the permeability inversion from the Stoneley wave of acoustic logs.