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.

     

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.     

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.     

多极源随钻声波测井实验分析

本文针对随钻声波测井中钻铤波干扰地层声波测量的问题,设计了小尺寸随钻声波测井探头,在实验室内开展了多极源(单极源、偶极源和四极源)随钻声波测井实验研究. 先在水池中对裸露的探头进行了随钻测量,记录到了沿钻铤传播的直达钻铤波,并获得了不同声源激发的钻铤波速度. 之后在砂岩和有机玻璃模型中进行了随钻声波测井实验,观测到多极源随钻测井的全波波形,并通过与水池中实验结果的对比,分析了井中钻铤波的传播特性. 特别地,在偶极随钻测井实验中不仅记录到了偶极一阶钻铤波,还观测到对弯曲波干扰较大的偶极二阶钻铤波,进而研究了不同声源频率下该波群的响应特性及其对弯曲波测量的影响. 此外,基于单极源和偶极源随钻声波测井实验数据,本文发现:随着声源频率的增加,单极和偶极钻铤波的传播特性不同,但它们在测井全波中的相对幅度均降低,进而可从测井全波中较好地提取地层的声波速度. 本文实验结果对随钻声波测井仪器设计及测井数据解释具有重要意义.     

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征

随钻核磁共振测井的地层界面响应特征对地质导向和原状地层评价具有重要意义,但钻井轨迹的复杂性决定其响应特征是多重因素综合作用的结果,且较难直接给出统一显式表达式.本文根据仪器在地层内的运动特征,建立了基于敏感区域体积元的随钻核磁共振测井响应方程和离散化计算方法;通过正演、反演结合的数值模拟,研究了单、双界面水平层状地层中,不同井斜角度、天线长度和目标地层厚度等条件下的随钻核磁共振测井响应特征,对关键结果给出了成立条件和定量关系.随钻核磁共振测井在斜井段中的T2分布和孔隙度响应与直井中差异明显;井斜角越大,视地层厚度越大,地层界面在T2分布和孔隙度曲线上的过渡段越长,T2分布过渡起始位置已不能确定界面深度;仪器的最高纵向分辨率与天线长度、井眼条件和仪器参数有关;受围岩作用影响,较薄目的层的测井响应特征上可能出现异常"夹层".基于分析结果,对随钻核磁共振测井资料解释提出了建议.     

软地层横波速度的偶极随钻测井反演

在电缆测井中,可以利用偶极声场中的弯曲波反演软地层的横波速度.然而,在随钻声波测井（LWD）中,钢制钻铤的存在使得井孔结构变得复杂,同时改变了井孔声场,弯曲波也变得难以测定.此外,弯曲波与钻铤波耦合在一起,使得地层横波速度的反演变得困难.本文计算分析了随钻声场的频散曲线和激发曲线,注意到了偶极舒尔特波在较宽频带内速度频散很弱,特别是在本文研究的软地层情况下,偶极舒尔特波速度在3至25 kHz的频率范围内几乎为一个常值,并且该值与地层横波速度存在一一对应关系.舒尔特波速度远小于其他模式波速度,与其他模式波在时域上易分离.相对于其他地层参数,舒尔特波对地层横波速度十分敏感.因此,它可以用来反演软地层的横波速度.

     

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.     

动电测井实验研究Ⅱ:伴随动电场和界面动电场

动电效应指孔隙介质中与固/液界面的双电层和孔隙流体渗流有关的弹性-电磁耦合现象,探索基于动电效应的勘探和测井新方法则是石油工业重点关注的研究方向之一.本文对流体饱和孔隙介质中的动电效应进行了实验测量研究,记录到了不同模型井中伴随声波的动电转换信号和界面动电转换信号,对比分析了这两种动电信号的产生条件及传播特性,验证了理论分析结果,并进一步研究了动电信号的分波成分及其与声波信号的关系,探讨了声源激发模式、电极接收方式及数据处理方法对动电信号的影响,为动电测井仪器设计奠定实验基础.     

一种新型动电测井探测器研究与实验测试（英文）

目前对动电测井的研究主要集中于数值模拟和岩石物理实验。为研发出能下井测量的动电测井仪器,进行了一系列实验研究工作。文中介绍了一种融合了不同结构和材料要求的新型声电复合式动电测井探测器的结构及原理,对声、电信号接收器在仪器机械设计上无法布置在同一位置的难题也提出了解决方法。在水池中对其辐射声场特性进行了测试,计算了辐射声场声压及发射电压响应,分析了基于相控线阵的阵列式声波发射探头的指向性及实际应用效果。研究表明,在源距1500 mm处产生的声压可达47.2 kPa,且会随着激励声源主频增大而减小。随着相邻声波发射子阵激励信号延迟时间的增加,辐射声束主瓣会发生明显偏转,主瓣方向的能量也逐渐增强,可有效增强声电转换效率。本文为探测器研制及开展井下动电测井研究奠定了重要基础。     

基于压缩感知的随钻测井编码传输方法

随钻测井是一种能在钻头钻进过程中通过安装在钻头附近的传感器实时获取和传输测井数据的技术.实时可靠高效的传输测井数据是随钻测井研究领域的关键问题.目前随钻测井系统普遍使用的测井数据传输方式是钻井液压力脉冲遥测传输.钻井液信道是一种长时延极低速单向无反馈删除信道,因此利用传统的差错控制方法无法在保障测井数据传输实时性的同时纠正信道噪声引起的实时测井数据传输错误.为此本文提出了一种基于压缩感知理论的随钻测井数据信道编码传输方法,该方法具有短码长线性编译码复杂度的优点.地面接收端通过压缩感知重构算法恢复井下测井数据,在保障测井数据传输实时性的同时使得地面施工人员能在随机删除信道条件下正确的获得全部井下实时测井数据.钻井现场真实测井数据编码实验表明,本文所提方法在不影响测井数据传输实时性的前提下大大提高了测井数据的抗信道删除能力,降低了由于信道删除带来的测井数据丢包率,而且允许测井施工人员根据实际钻井液信道状态灵活调整发送码率,以实现不同删除概率信道下的测井数据可靠传输.     

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.     

随钻方位电磁波电阻率测井数据精度分析及实时反演成像

随钻方位电磁波电阻率测井数据包含地层电阻率、地层边界方位及距离等信息,其中地层边界的方位和距离作为大斜度井/水平井开发过程中的重要参数,是地质导向正确决策的关键.通过反演和成像技术能够将随钻方位电磁波电阻率测井数据转换为可视化的地层参数信息.由于测井过程中上传数据有限,本文分析了不同数据的测量精度,为上传数据选取提供参考.基于传播矩阵算法和Levenberg-Marquardt算法开展了一维快速反演研究.通过实时监测模型参数质量,避免反演陷入局部极小值,保证模型参数的全局收敛性.最后,通过实测数据处理,验证了反演算法的可靠性.

     

非对称声源多极子随钻声波测井实验室测量研究

现有的随钻声波测井通常采用三种测量方式:单极子、偶极子及四极子测量模式.分别采用单极子源、偶极子源和四极子源激发单极子、偶极子和四极子信号对地层速度信息进行测量.由于随钻测井环境比较复杂,钻杆在井孔中占据大部分空间,钻杆速度高于地层速度,导致接收到的信号中仪器波能量占主导,无法有效地提取地层的纵横波速度信息.本文探讨一种采用非对称偏心的点声源,一次激发,利用方位分布的四个接收器接收,经过合成后同时分别得到单极子、偶极子和四极子模式波信号的测量方法,为建立同时利用多极模式波信号测量地层纵横波速度的随钻声波测井实用技术提供基础.本文利用1:12的缩比模型在实验室对该方法进行了考察,实验结果证明,可以通过非对称点声源得到有效的地层单极子、偶极子和四极子模式波信号.通过分析和对比实测数据和理论模拟的频散曲线,本文进一步提出利用三种模式波的频散曲线联合反演确定地层横波速度的方法.     

随钻方位伽马测井仪器的优化设计

随钻方位伽马测井仪器能在钻井过程中有效测量地层的方位放射性强度,其测量效率与其结构参数有关.合理设计测井仪器的结构参数,可以大大提高其测量效率.利用蒙特卡罗数值模拟方法建立模型,从归一化统计误差和探测特性分析仪器的响应特征,为结构参数的选取提供理论依据.研究结果表明,6.75 in(1 in=2.54 cm)的钻铤外径下,当晶体直径为1 in左右,晶体长度为18～22 cm,屏蔽体长度为2～3 cm,屏蔽体厚度为2～3 cm,窗口材料为铍,屏蔽体开口角度选在0°附近,泥浆通道半径为2 cm左右时,仪器可以获得相对较低的统计误差和相对较好的探测特性.该研究表明,优化后的随钻方位伽马测井仪器的测量效率大大提高.     

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.     

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.

     

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.     

超深层目标随钻测井引导的动态地震成像

超深层油气储层目标上覆巨厚的复杂介质, 基于地面观测数据估计的地震波传播速度存在误差, 将导致地震成像结果不准确, 增加深井钻探风险或勘探成本.随钻测井提供的地层速度信息可用于提高偏移速度模型的精度, 从而通过叠前深度偏移重处理减小井震闭合误差, 及时地重新定位深层的钻探目标, 并为钻井轨迹调整提供科学依据.为此, 本文提出一种随钻测井引导的动态地震成像方法.它在相对地质年代信息约束下, 将测井资料处理获得的层速度用于修正井孔周围一定范围内的偏移速度模型, 结合波动方程基准面延拓实现局部三维叠前深度偏移处理, 利用图形处理单元(GPU)加速以便更新钻头前方的地震图像.基于实际地震与测井资料的仿真试验表明该方法技术具有可行性, 预期可为面向深储层的智能导向钻井提供有力支撑.