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.     

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.     

基于动电效应的岩芯渗透率实验测量

根据孔隙介质的动电耦合理论设计了一套岩芯渗透率测量系统.实验采用交流锁相放大技术,在低频12~42 Hz范围内完成了砂岩岩样流动电势和电渗实验,得到了流动电势系数K_S和电渗压力系数K_E,进而计算出岩样动电渗透率,对于中、高渗透率岩样,测量得出的动电渗透率与常规气测渗透率差异较小,两者具有很好的相关性.实验表明,动电测量可作为岩样渗透率测量的一种方法,同时揭示了利用地层动电测井信号反演地层参数的可能性,实验结果对于分析天然地震动电效应也有参考意义.     

基于电震耦合理论研究电极法储层岩石复电阻率频散特性

复电阻率测井在识别油水层的能力上优于常规电阻率测井,然而储层岩石复电阻率特性的微观机理还没有统一完整的解释和数学模拟方法,致使复电阻率测井技术的开发缺乏足够的理论基础.本文基于孔隙介质Pride电震耦合理论,结合谐变信号激励下渗流场与电流场的耦合理论,推导出一级近似条件下的Pride电震耦合理论.采用格林函数方法建立了一维电震波场的波动方程及其解.构造了双电极法测量储层岩石复电阻率的物理模型和数学模型,从理论上阐明了岩石复电阻率频散特性的微观机制与电震效应的关系,定量分析了储层岩石复电阻率频散特性的影响因素.数学模拟结果表明:储层岩石复电阻率的频散现象是在电震快纵波和电震慢纵波的共同作用下,由孔隙介质中的电渗流机制形成的;储层岩石的复电阻率随孔隙度的增大而减小,随渗透率的增大而增大,地层水矿化度的增加或阳离子交换量的增大使得同频率的复电阻率减小.慢纵波界面极化频率受孔隙度、渗透率和地层弹性模量的影响较大,而快纵波界面极化频率受地层弹性模量的影响较大.     

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.     

饱和岩石的动态渗透率和动电耦合系数解析式

动态渗透率和动电耦合系数是描述岩石中渗流波动和弹性-电磁耦合波效应的重要参数.本文基于毛细管束模型,提出了流体饱和孔隙介质的动态渗透率和动电耦合系数的解析表达式和简化表达式,并通过与前人近似式结果的对比,分析了不同表达式的合理性和适用性.在此基础上,理论分析了孔隙几何形状和孔径分布对渗透率和动电耦合系数的频率响应以及井孔震电耦合波场的影响.研究结果表明:当认为孔道均匀且达西渗透率、孔隙度和弯曲度恒定时,孔隙几何形状的影响很小,可以忽略,而前人的近似式高估了孔隙几何形状的影响;孔径分布的影响显著,随着孔径分布的增大,渗透率的临界频率显著减小,动电耦合系数的临界频率显著增加,震电测井的斯通利波及其伴随电场幅度显著增大.     

孔隙岩样动电特性的实验研究

本文针对流体饱和孔隙介质的动电效应,在实验室内进行了小岩样的动电实验(流动电势实验)测量,获得了10块岩样在6种不同饱和浓度下的流动电势系数,进而分析了饱和溶液浓度、岩样渗透率和泥质含量对流动电势系数的影响,探讨了流动电势系数对上述参数的敏感性,并进一步给出了流动电势系数随这些参数的变化规律.实验结果表明:前人流动电势系数频响曲线中的凹点现象是由实验装置的共振引起,并非岩样动电效应的自身特性.实验还发现:孔隙介质的动电耦合能力与溶液浓度有关,流动电势系数随溶液浓度增大而减小,但在很高浓度溶液中,动电现象依然存在,流动电势系数趋于常数.此外,流动电势系数对地层参数(渗透率和泥质含量)的敏感性受溶液浓度影响较大,随着溶液浓度增大,敏感性降低.因此,可在低浓度饱和情况下(低于0.4mol/L),利用流动电势系数的幅度对地层渗透率进行直接评价.本文结果对动电测井的可行性及应用条件给出了实验说明.     

声电频谱测井方法研究Ⅰ——电缆的影响

声、电频谱测井直接测量声和电探头频谱的实部和虚部.通常情况下,实部信号幅度比较大,与地层参数的关系不密切;虚部的信号比较小,与地层声、电参数关系密切.测量时,换能器在井下,地面(或者井下电路)发射频率可调的正弦波或者方波电压于声、电探头,测量其电压和电流波形,处理其幅度和相位可得到探头的阻抗或导纳的实部和虚部.由于位于井下的探头的辐射声阻抗和电阻抗都与地层参数有关,因此,通过测量换能器的阻抗或导纳随频率的变化关系可获得地层的声电参数.与现有的测井方法测量一个频率(感应测井)或者瞬态声波波形(主频附近)不同,声电频谱测井对频率进行扫描,获得一定频率段的频谱.具体的频率区间根据井眼条件和所测量的地层参数以及探头结构确定.声电频谱测井理论建立井眼条件下频谱的实部和虚部与地层参数之间的关系,测井资料处理则利用这些关系从测量的频谱曲线获得所测量地层的声、电参数.该方法可以在裸眼井和套管井中进行,并且还可以像最早的电极测井那样,直接在地面完成测量,井下只放置探头,不设置电路.这时声电频谱测井通过电缆输入到井下探头的是正弦波或者方波,电缆对测量结果影响比较大.本文首先给出声电频谱测井的现场实验结果,然后讨论电缆的频谱特征以及对测量结果的影响.电缆的频谱峰在探头阻抗发生变化的时候变化比较小,容易从频谱测量结果中区分出来.     

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.     

含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场

应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.     

双层套管井中单极子声波测井的响应特征

目前,在深井中采用多层套管实现层间封隔的方法已非常普遍,对多层套管井固井质量评价的需求越来越迫切,目前还未有针对外层套管与地层之间水泥胶结评价的有效手段.本文利用三维有限差分仿真了单极声波测井在双层套管井中的响应特征,探讨了利用套管波幅度和斯通利波频散特征识别外层套管与地层之间环空是否胶结水泥的可行性.数值计算结果显示在两层套管之间胶结水泥时,套管波的幅度或衰减对外层套管和地层之间是否胶结水泥非常敏感,外层环空若充填水泥则全波中的套管波幅度降低明显;在两层套管之间充填泥浆时,全波波形中首先到达的套管波幅度较大,其对外层套管的胶结状况不再敏感,通过对接收的阵列波形做频率-慢度相关分析发现,在外层套管和地层之间胶结水泥后,井孔内接收到的低于10 kHz的外斯通利波慢度明显增大,仿真波形的处理结果与解析计算的斯通利波的频散曲线吻合较好,进一步验证了可尝试利用内层环空激发的外斯通利波判断外层套管与地层之间是否胶结水泥.     

低渗砂泥岩地层的声波测井波形特征

用于低渗砂岩油气开发的压裂需要地层的纵横波时差参数;压裂形成的人工裂缝或砂泥岩中的自然裂缝是油气流入井中的主要通道.声波测井是测量地层的纵横波时差、探测连通裂缝的有效方法.本文给出了新设计的偶极子组合声波测井仪器在低渗砂泥岩地层所测量的波形.新仪器利用声波在井内传播的固有频率设计探头,利用探头阻抗随频率的变化曲线设计匹配电路,有效地提高了声发射功率,在井下采用16位A/D转换器提高了原始波形的采样精度.测量的波形比通常的声波测井波形所含的地层信息丰富.单极子长源距声波测井波形中除了通常的纵、横波和Stoneley波外,还发现了起始于纵波首波的反射波以及随深度改变其到达时间的后续波.通过与其它测井曲线综合对比发现:其反射波与井眼扩径有关,使测量的声波时差加大;后续波在显示地层特征的同时,与横波混叠在一起,使横波时差的提取变得困难.另外,在偶极子所测量的低频波形中也发现了明显的反映地层连通裂缝的反射波,该反射波可以用于指示低渗砂岩地层中的连通裂缝.     

径向分层TI孔隙介质井孔中激发的模式波的数值研究

横向各向同性介质是地层中普遍存在的一种各向异性介质.本文对径向分层TI孔隙介质包围井孔中激发的斯通利波和弯曲波的传播特性进行了理论计算,发现模式波在低频时更多的是反应原状地层的信息,而随着频率的增加侵入带参数逐渐起控制作用;Biot理论描述的地层衰减比速度更容易受井壁附近地层参数的影响.利用灵敏度曲线定量研究了不同频率下地层各个参数对相速度和衰减系数的贡献大小,主要结果显示模式波的衰减受水平渗透率影响明显,而垂直渗透率的变化对模式波几乎无影响;斯通利波对水平向传播的横波速度比弯曲波的灵敏度高.从单极子和偶极子声源在井孔中激发的全波波形也可发现,声波测井仪器较宽的声源频带和合适的源距设置有利于对不同径向深度上的地层声学参数进行成像.     

矿化度界面对震电测井波场的影响

震电测井的现场试验中测得电磁首波幅值大于伴随电场幅值,这种情况在前人的理论模拟和模型井测量中从未出现.本文研究矿化度界面对震电测井波场的影响,基于Pride方程和边界连续条件模拟了震电测井波场,其中井外孔隙地层可以视为均匀的或者是径向分层的.计算结果表明:对于均匀孔隙地层,当井内流体矿化度大于井外地层孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;井内流体矿化度与井外地层孔隙流体矿化度的比值越大,电磁首波相对伴随斯通利波的电场的幅值越大.对于径向分层地层,当井内流体矿化度大于内层地层的孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;当外层地层矿化度小于内层地层矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;增加内层地层厚度,电场全波幅值减小,电磁首波相对伴随电场的幅值减小.本文的模拟结果表明,震电测井中确实会出现电磁首波幅值比伴随电场幅值还大的情况,这对于解释震电测井的测量结果具有指导意义.     

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.     

斯通利波和弯曲波联合反演地层VTI各向异性的阵列声波处理方法

利用声波测井获取地层各向异性已成为储层油气评价的一项重要的课题.本文提出了一种单极和偶极振型联合反演地层各向异性的阵列声波处理方法,采用VTI（vertical transversely isotropic）介质斯通利波和弯曲波频散特征,分频段联合求取各向同性面内剪切模量,反演精度相比于传统方法得到了提高;研究了一种同时适用于单极和偶极声波测井的仪器标定方法,消除了仪器对井孔声传播的影响.通过对数值模拟数据的处理和现场测井数据的应用,验证了新方法的正确性和有效性.本文工作为利用阵列声波测井资料评价横观各向同性地层中横波速度的各向异性提供了有效的处理方法.     

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.