相控线阵声波测井辐射器物理模拟实验波形分析

以声波波形的两个最基本的特征振幅和频率为研究对象,分析了相控线阵声波测井辐射器做发射器时在模型井内测量的全波列波形,并考察了相控线阵的相邻阵元间激励信号的延迟时间、阵元个数等因素对测井波形的影响.实验结果表明,随着相邻阵元间激励信号延迟时间的增加,相控线阵的辐射声束指向角不断变大,先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波临界折射条件,使充液井孔中的滑行纵波、滑行横波和斯通利波分别得到加强.随着相邻阵元间激励延迟时间的增加,纵、横波的主频值发生漂移,当满足滑行纵(横)波临界折射条件时,纵(横)波波包的主频值最高,幅度值最大.随着相控线阵工作阵元个数的增加,在近似满足同相位叠加时,纵、横波振幅得到明显的加强.     

相控线阵声波测井辐射器物理模拟实验波形分析

以声波波形的两个最基本的特征振幅和频率为研究对象，分析了相控线阵声波测井辐射器做发射器时在模型井内测量的全波列波形，并考察了相控线阵的相邻阵元间激励信号的延迟时间、阵元个数等因素对测井波形的影响。实验结果表明，随着相邻阵元间激励信号延迟时间的增加，相控线阵的辐射声束指向角不断变大，先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波临界折射条件，使充液井孔中的滑行纵波、滑行横波和斯通利波分别得到加强。随着相邻阵元间激励延迟时间的增加，纵、横渡的主频值发生漂移，当满足滑行纵（横）波临界折射条件时，纵（横）波波包的主频值最高，幅度值最大。随着相控线阵工作阵元个数的增加，在近似满足同相位叠加时，纵、横波振幅得到明显的加强。     

向井外地层中扫描辐射声场的数值模拟

应用实轴积分方法研究了实现由充液井孔中的相控线阵声波辐射器向井外地层中扫描辐射声场的方法. 研究表明, 通过改变井孔中的相控线阵声波辐射器的阵元个数、相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和入射于井壁的入射角. 当辐射器产生的声束以小于第一临界角的偏转角入射到井壁上后, 在井外地层中产生的纵波的偏转角近似满足平面波入射于平面界面时的折射定律. 当井孔中的相控线阵的辐射声束角宽较小, 且声束偏转角小于第一临界角时, 可以假设将相控线阵置于无井孔的均匀固体中, 利用固体中相控线阵的指向性函数直接计算井外声场的空间分布. 向井外地层中扫描辐射声场技术可以用于提高反射声波测井和井间声波勘探的空间分辨率和信噪比.     

相控线阵声波辐射器阵元个数对充液井孔中各种模式波的影响

利用有限元数值模拟研究了由点源组成的相控线阵声波测井辐射器对充液井孔中各种波动模式波的影响,重点分析了阵元个数对各种波动模式波响应幅度的影响.结果表明,随着阵元间延迟时间的增加,声束偏转角逐渐增加.控制声束偏转角分别满足相控线阵辐射声束在纵、横波临界角位置入射时,随相控线阵阵元个数增加,折射纵、横波响应幅度呈正比增加;在非临界角入射时,阵元个数的增加对折射纵、横波能量的增强效果不明显.当阵元个数不变时,随声束偏转角的增加,纵、横波声压值也开始逐渐增加,且在偏转角分别等于第一或第二临界角时达到最大;若偏转角再继续增加,声压值又会逐渐减弱.     

相控线阵声波辐射器阵元个数对充液井孔中各种模式波的影响

利用有限元数值模拟研究了由点源组成的相控线阵声波测井辐射器对充液井孔中各种波动模式波的影响，重点分析了阵元个数对各种波动模式波响应幅度的影响。结果表明，随着阵元间延迟时间的增加，声束偏转角逐渐增加。控制声束偏转角分别满足相控线阵辐射声束在纵、横波临界角位置入射时，随相控线阵阵元个数增加，折射纵、横波响应幅度呈正比增加；在非临界角入射时，阵元个数的增加对折射纵、横波能量的增强效果不明显。当阵元个数不变时，随声束偏转角的增加，纵、横波声压值也开始逐渐增加，且在偏转角分别等于第一或第二临界角时达到最大；若偏转角再继续增加，声压值又会逐渐减弱。     

向套管井外地层中定向辐射声场的数值计算

针对过套管探测地层构造的工程需要,用实轴积分法研究套管井不同胶结状况下相控线阵声源在套管井外地层中激发的纵波声场.结果表明:在套管井胶结差时透射到地层中的能量减小,但在套管井任意胶结状况下,通过改变井孔中相控线阵相邻阵元间激励信号的延迟时间均可以控制井外地层中辐射声束的角宽和偏转方向,使声波沿着预先没定好的方向辐射;与单个点声源激发的声场相比,在声束主瓣角偏转方向,地层的纵波幅度得到了明显增强,这可从根本上增加来自套管井外地层声阻抗不连续界面的反射波能量,提高信噪比和探测能力;利用相控线阵声源向井外地层中定向扫描辐射声场的技术可提高对套管井外复杂地质构造的识别能力.     

声波测井相控线阵辐射器幅度加权的优化设计

对声波测井相控线阵声波辐射器进行了幅度加权的优化设计.分别针对辐射声束主瓣和旁瓣的最小化条件建立了相控线阵幅度加权的优化目标函数,采用拉格朗日乘子算法对目标函数进行非线性规划,并确定了最优幅度加权因子.通过数值计算对比分析了均匀幅度加权和不同幅加权条件下相控线阵声波辐射器的指向性以及辐射声束角宽的差异.结果表明,优化设计可以很好地实现相控线阵辐射旁瓣的最小化和给定旁瓣级条件下声束主瓣角宽的最窄控制,并且可以根据声波测井的不同要求提供相控线阵辐射器幅度加权的优化参数.     

声波测井相控线阵辐射器幅度加权的优化设计

对声波测井相控线阵声波辐射器进行了幅度加权的优化设计。分别针对辐射声束主瓣和旁瓣的最小化条件建立了相控线阵幅度加权的优化目标函数,采用拉格朗日乘子算法对目标函数进行非线性规划,并确定了最优幅度加权因子。通过数值计算对比分析了均匀幅度加权和不同幅加权条件下相控线阵声波辐射器的指向性以及辐射声束角宽的差异。结果表明,优化设计可以很好地实现相控线阵辐射旁瓣的最小化和给定旁瓣级条件下声束主瓣角宽的最窄控制,并且可以根据声波测井的不同要求提供相控线阵辐射器幅度加权的优化参数。     

平面声波在平行分界面上反射和折射的理论计算

建立了平面声波在平行界面上反射和折射的理论模型,推导了该理论模型下的反射系数表达式,对反射系数随入射角的变化规律作了分析和探讨.对在第一临界角和第二临界角附近的反射系数大小的讨论,有助于研究声波全波列中的滑行纵波、滑行横波和伪瑞利波的幅度特征.     

相控线阵声波测井辐射器驱动信号源的设计与测试

介绍了相控线阵声波测井辐射器的工作原理,根据辐射器各个阵元的性能参数设计了两种供实验使用的激励信号源,即5通道Burst信号源和4通道脉冲信号源。Burst信号源输出电压峰值连续可调(6~30 V),相邻通道之间的延迟时间可调(0~22μs),步长为1μs,输出频率可根据换能器的频带在10~250 kHz选择。脉冲信号源输出电压幅度连续可调(50~150 V),延迟时间为0~7μs可调,步长为0.25μs,脉冲宽度为1~4μs。利用这两种信号源可以对相控线阵声波辐射器进行相位和幅度加权控制。在实验室内对这两种信号源进行了性能测试,结果表明,两个信号源均能满足实验要求。     

平面声波在平行分界面上反射和折射的理论计算

建立了平面声波在平行界面上反射和折射的理论模型，推导了该理论模型下的反射系数表达式，对反射系数随入射角的变化规律作了分析和探讨。对在第一临界角和第二临界角附近的反射系数大小的讨论，有助于研究声波全波列中的滑行纵波、滑行横波和伪瑞利波的幅度特征。     

相控线阵声波测井辐射器驱动信号源的设计与测试

介绍了相控线阵声波测井辐射器的工作原理，根据辐射器各个阵元的性能参数设计了两种供实验使用的激励信号源，即5通道Burst信号源和4通道脉冲信号源。Burst信号源输出电压峰值连续可调（6～30V），相邻通道之间的延迟时间可调（0～22μs），步长为1μs，输出频率可根据换能器的频带在10-250kHz选择。脉冲信号源输出电压幅度连续可调（50～150V），延迟时间为0～7vs可调，步长为0.25μs,脉冲宽度为1～4μs。利用这两种信号源可以对相控线阵声波辐射器进行相位和幅度加权控制。在实验室内对这两种信号源进行了性能测试，结果表明，两个信号源均能满足实验要求。     

类比和机械波中布儒斯特定律的探讨

用类比的方法,对声波在两种媒质界面上反射和折射时波型(纵波和横波)的转换,以及与光波中布儒斯特定律相类似的规律,进行了初步的探讨.     

固井后获得低声速地层信号的理论探索

在裸眼井中,不论地层声速高低,大都可以获得地层信号,这是由于地层声速一般高于泥浆声速,从而可能在地层中产生滑行波的缘故。但固井后的情况和裸眼井不同,有些地层的横波声速低于套管横波声速,因而不可能在地层中产生滑行横波和Rayleigh波。声测资料[1]证实,并非对所有地层都能获得Rayleigh波信号。如果个别地层的纵波声速也低于套管横渡声速,那就也不能获得地层纵波信号。本文试图从理论上探索,寻求措施,以便在固井后仍然能够获得低声速地层的地层信号。     

基于圆弧阵的多极子声波测井辐射器

设计了一种具有复合功能的环形结构的多极子声波测井辐射器.基本方法是由多个作弯曲振动的压电振子构成了圆弧阵辐射器,通过改变圆弧阵上压电振子的组合方式和振动相位,使该圆弧阵成为单极子源、偶极子源和四极子声源.在实验室的消声水池内对多极子声波测井辐射器的单极子、偶极子和四极子声源的频率特征和指向性等参数进行了测量.实验结果表明,在不同组合和激励条件下,圆弧阵具有声波测井的单极子、偶极子和四极子声源的辐射特征.采用该声波辐射器可以缩短多极子声波测井仪器的长度、简化多极子声波测井波形处理步骤和提高声波测井质量.     

基于圆弧阵的多极子声波测井辐射器

设计了一种具有复合功能的环形结构的多极子声波测井辐射器。基本方法是由多个作弯曲振动的压电振子构成了圆弧阵辐射器，通过改变圆弧阵上压电振子的组合方式和振动相位，使该圆弧阵成为单极子源、偶极子源和四极子声源。在实验室的消声水池内对多极子声波测井辐射器的单极子、偶极子和四极子声源的频率特征和指向性等参数进行了测量。实验结果表明，在不同组合和激励条件下，圆弧阵具有声波测井的单极子、偶极子和四极子声源的辐射特征。采用该声波辐射器可以缩短多极子声波测井仪器的长度、简化多极子声波测井波形处理步骤和提高声波测井质量。     

随钻测井周期性钻柱结构声传播特性的数值仿真

采用有限元法数值仿真了处于充液井孔中多根钻杆和接箍组成的钻柱系统中纵波的传播特性,并给出了纵波的声衰减曲线.研究结果表明:处于充液井孔中周期性钻柱系统具有的通带和阻带特性与理想钻柱系统相似,因钻柱周围流体介质的阻尼作用,会使钻柱中传播纵波的幅度减小,衰减增大.当沿钻柱传播的声载波频率位于通带内时,可降低声衰减量,提高信噪比,有利于提高随钻数据的传输速率.     

提取全波列声波测井信号波前的一种新方法

把平滑过渡信号作为全波列声波测井信号中的各种波的数学模型,研究了其连续子波变换的波形特点,提出了一种提取其起始点的新方法.利用此方法可以精确地提取全波列声波测井信号的滑行纵波、滑行横波及斯通利波的波前.     

横向各向同性地层井孔中多值声场函数的单值化

为了认识井孔声波的传播规律,有效地从声波测井信号中提取地层纵波、横波和模式波信息,在模拟和分析声测井信号时,通常将轴向波数域的实轴积分转换成围道积分以及围道内极点留数之和.为实现这一运算过程,必须将多值的频率-轴向波数域井孔声场函数单值化.针对对称轴平行于井轴的横向各向同性地层,推导了井孔声场函数全部支点的表达式.我们发现,就井孔声场函数的支点个数及分布位置而言,可按各向异性系数ε,δ以及弹性系数c33,c44之间的大小关系,将横向各向同性地层分成两类.通过构造径向波数的黎曼面,分别针对这两类情况,给出了积分围道上及围道内满足辐射条件的井孔声场函数的单值定义.算例表明：对于参数满足δ〉ε＋c44/2c33的地层,在分波计算中如果依然选用各向同性情况下的积分围道以及声场函数单值定义,所得到的波场模拟结果就是错误的.     

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。