本文關(guān)鍵詞：單極和偶極隨鉆聲波測(cè)井理論模擬與分波傳播特性研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近些年來,在鉆井的同時(shí)進(jìn)行測(cè)井的隨鉆測(cè)井技術(shù)得到了快速發(fā)展。與鉆井完成后再進(jìn)行井中測(cè)量的電纜測(cè)井技術(shù)相比,隨鉆測(cè)井具有對(duì)井孔的破壞程度小,能夠進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆井,測(cè)井成本較低等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。隨鉆核磁、隨鉆電阻率等測(cè)井技術(shù)已經(jīng)日臻成熟,但是,在隨鉆聲波測(cè)井中卻存在著兩個(gè)需要解決的問題。一個(gè)是在測(cè)井過程中,沿著儀器傳播的鉆鋌波會(huì)干擾甚至掩蓋地層波的信號(hào),導(dǎo)致無法準(zhǔn)確獲取地層的有效信息。另一個(gè)是如何從隨鉆聲波測(cè)井中獲取慢速地層的橫波速度。為了解決這些問題,本文以隨鉆聲波測(cè)井為工程背景,研究單極源隨鉆聲波測(cè)井和和偶極源聲場(chǎng)隨鉆聲波測(cè)井時(shí)聲波的傳播規(guī)律,分析了鉆鋌波的特點(diǎn),并理論模擬了隨鉆聲測(cè)井條件下因地層動(dòng)電耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的電磁信號(hào),考察了采用這種方法突出地層信號(hào)的可行性。論文在以下幾個(gè)方面取得了進(jìn)展:建立了隨鉆聲測(cè)井理論分析模型,并模擬獲得了單極和偶極隨鉆聲場(chǎng)的全波波形。隨鉆全波中存在著臨界折射波和多種模式波,為了研究這些分波在井孔中的傳播機(jī)制,必須采用分波分析的方法對(duì)隨鉆聲場(chǎng)進(jìn)行處理。首先證明了有且僅有地層的縱、橫波支點(diǎn)才是隨鉆聲場(chǎng)的實(shí)質(zhì)支點(diǎn),隨后結(jié)合聲場(chǎng)的輻射條件確定了被積函數(shù)在復(fù)波數(shù)平面內(nèi)的黎曼葉選擇范圍。在完成聲場(chǎng)函數(shù)的單值化后,采用二維搜索法確定了被積函數(shù)的極點(diǎn),由垂直割線積分和留數(shù)定理分別獲得支點(diǎn)和極點(diǎn)對(duì)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)。對(duì)單極隨鉆聲場(chǎng)的分波進(jìn)行了計(jì)算研究,先計(jì)算出了各個(gè)分波在頻域上的頻散、衰減和激發(fā)強(qiáng)度曲線,隨后通過傅里葉變換得到了它們?cè)跁r(shí)域上的波形。發(fā)現(xiàn)地層泄漏模式波對(duì)單極聲場(chǎng)中的臨界折射波有著明顯的貢獻(xiàn)。鉆鋌波不是只在鉆鋌內(nèi)傳播,而是在整個(gè)井孔中傳播。鉆鋌波在地層中的激發(fā)強(qiáng)度甚至大于縱波在地層中的激發(fā)強(qiáng)度。地層的存在雖然幾乎不影響單極鉆鋌波的頻散,但明顯改變了鉆鋌波的衰減和激發(fā)特性,因此在設(shè)計(jì)削弱鉆鋌波的方案時(shí),需要在井孔的模型中進(jìn)行考慮。當(dāng)頻率高于2k Hz后,單極鉆鋌波在鉆鋌內(nèi)壁的幅度要高于其在鉆鋌外壁的幅度,在鉆鋌內(nèi)壁刻槽可更有效地削弱鉆鋌波。給出了偶極聲場(chǎng)中各個(gè)分波的頻散、衰減和激發(fā)強(qiáng)度曲線。發(fā)現(xiàn)地層對(duì)偶極鉆鋌波的影響十分明顯,偶極一階鉆鋌波在井孔中出現(xiàn)了低頻截止現(xiàn)象,且其截止速度就是地層的橫波速度。偶極隨鉆聲場(chǎng)中還存在著一個(gè)流-固界面波,這個(gè)波始終是非泄漏模式波,因此可以從這個(gè)波獲得地層的衰減信息。在慢速地層中,當(dāng)頻率較高(大于10k Hz)時(shí),界面波的頻散比較弱且它的速度對(duì)地層橫波速度十分敏感。因此,建議將偶極隨鉆的聲源中心頻率設(shè)為10k Hz,通過測(cè)量界面波的速度來反演地層橫波速度。采用只考慮聲誘導(dǎo)電磁場(chǎng)而忽略電磁場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)反作用的方法和準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)重新推導(dǎo)了隨鉆測(cè)井中聲波誘導(dǎo)震電場(chǎng)的解析表達(dá)式。通過地層平均圍壓和孔隙流體壓強(qiáng)的關(guān)系,由地層的平均圍壓獲得了孔隙內(nèi)流體壓強(qiáng)。采用實(shí)軸積分法分別計(jì)算隨鉆聲場(chǎng)和其誘導(dǎo)產(chǎn)生震電場(chǎng)的全波波形。從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),孔隙流體壓強(qiáng)梯度對(duì)聲誘導(dǎo)震電場(chǎng)有著明顯的作用,尤其在斯通利波的聲電轉(zhuǎn)換中起主導(dǎo)作用。隨鉆震電場(chǎng)中仍然存在著以聲場(chǎng)中鉆鋌波速度傳播的信號(hào),但其在電場(chǎng)中的相對(duì)幅度要小于聲場(chǎng)中鉆鋌波的相對(duì)幅度。這些結(jié)果表明,隨鉆震電測(cè)井可以有效地削弱鉆鋌波的幅度,但不能完全消除鉆鋌波的影響。最后,當(dāng)頻率過高或是層較厚時(shí),柱面聲場(chǎng)計(jì)算過程中會(huì)出現(xiàn)數(shù)值溢出現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題,本文將歸一化的貝塞爾函數(shù)和廣義傳遞矩陣法推廣到了多極源柱面聲場(chǎng)的計(jì)算中。分別推導(dǎo)了多極源激發(fā)時(shí)的固-固、液-固和固-液界面的廣義傳遞系數(shù)矩陣。計(jì)算結(jié)果說明了該方法可以用于計(jì)算存在多個(gè)固、液層的多極井孔聲場(chǎng),同時(shí)也可以有效地模擬高頻和存在厚層時(shí)的柱面聲場(chǎng)。
[Abstract]:In order to solve these problems , there are two problems to be solved in the field of borehole acoustic logging . In order to solve this problem , the normalized Bessel function and generalized transfer matrix method are extended to the calculation of multi - polar source cylindrical sound field .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TE271

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本文編號(hào)：1358259