隨鉆聲波測井時域有限差分模擬與鉆鋌波傳播特性研究.pdf

1、本文針對隨鉆聲波測井問題建立時域有限差分（FDTD）波動算法，計算隨鉆環(huán)境下的井孔聲場并著重分析鉆鋌波的傳播特性。目前隨鉆聲波測井技術(shù)遇到的嚴重問題是：從發(fā)射換能器經(jīng)過鉆鋌傳播到接收換能器的聲波（鉆鋌波）幅度大于來自地層的聲波信號，以致地層縱橫波被掩蓋不易識別。為解決此問題，麻省理工學(xué)院地球資源實驗室設(shè)想利用隨鉆震電測井來消除鉆鋌波干擾。由于動電效應(yīng)是含流體孔隙介質(zhì)所特有的現(xiàn)象，隨鉆震電測井中接收的電磁信號只能是孔隙地層中彈性波引起的電

2、磁信號，可望從這些電磁信號提取縱橫波速度。然而，哈工大力學(xué)系波動與巖石物理研究組最近計算的隨鉆震電測井響應(yīng)中存在伴隨鉆鋌波的電磁場，他們在模型井實驗測量波形中也發(fā)現(xiàn)疑似的鉆鋌波震電信號。那么，隨鉆震電測井的電磁場信號中到底存不存在伴隨鉆鋌波的電磁信號，這對于能否采用隨鉆震電測井消除鉆鋌波的干擾意義重大?；卮鸫藛栴}的關(guān)鍵是通過分析隨鉆環(huán)境下鉆鋌波的傳播特性，說明地層中是否存在顯著的鉆鋌波。
　　本文從經(jīng)典的彈性動力學(xué)方程組出發(fā)，研究

3、軸對稱柱坐標系下的彈性波FDTD算法，模擬單極源聲場在隨鉆環(huán)境下的傳播情況，并著重考察鉆鋌波的傳播特性。主要內(nèi)容包括：
　　將粘彈性介質(zhì)波動微分方程組進行有限差分格式化，采用Fortran90編程實現(xiàn)軸對稱柱坐標系下的彈性波FDTD程序。算法采用速度-應(yīng)力交錯有限差分網(wǎng)格，應(yīng)用參數(shù)平均法處理不同介質(zhì)的內(nèi)邊界差分格式，應(yīng)用目前公認吸收效果最好的完全匹配層(PML)吸收邊界條件消除由計算邊界的截斷帶來的人工反射，并采用不分裂場量的PM

4、L處理方式。
　　利用實現(xiàn)的FDTD程序，計算電纜聲波測井（井內(nèi)流體-井外固體地層的軸對稱柱面分層模型）和隨鉆聲波測井（鉆鋌內(nèi)流體-鉆鋌固體-鉆鋌外流體-井外固體地層的復(fù)雜柱面分層模型）的時域波形，并與半解析的實軸積分法計算結(jié)果對比，再將既有水平分層又有徑向分層模型的模擬波形，與前人計算結(jié)果對比，驗證本文算法和程序的正確性。
　　在此基礎(chǔ)上，分別針對鉆鋌置于無限大流體介質(zhì)中、隨鉆聲波測井的鉆鋌在中間以及端部截斷的三種模型，計

5、算鉆鋌外流體層和井外地層中的時域全波波形、時間-速度相似相干（STC）圖以及不同時刻的波場分布灰度圖，分析鉆鋌波傳播特性。
　　結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鉆鋌波沿鉆鋌傳播的同時，向鉆鋌外流體乃至井外地層中輻射能量。與斯通利波情況類似，鉆鋌波能量集中在鉆鋌和井壁附近，相對于地層縱、橫波，井壁附近地層中的鉆鋌波仍很顯著。地層中鉆鋌波的絕對幅度隨偏離井軸距離的增大迅速降低。既然地層中存在以視鉆鋌波速度傳播的波群，由于動電效應(yīng)，將產(chǎn)生伴隨的電磁場。這解釋