各向同性地层声波测井异常水平主应力识别及反演研究

发布时间：2022-12-21 23:44

　　地应力广泛存在于地壳岩石之中,了解地应力的状态在水利工程、油气田勘探开发等方面至关重要。地壳中岩石的应力由最大水平主应力、最小水平主应力、垂直主应力这三者组成,垂直应力通常都能通过上覆岩层岩石密度曲线准确确定,因此,人们重点关注最大最小水平主应力的大小和方位。传统地应力检测方法尽管精度高,但测量数据点少、测量成本高,无法大量运用。随着声波测井仪器性能的提高,利用阵列声波测井进行异常地应力识别和反演方法正越来越受到重视。本文首先模拟了各向同性地层在应力条件下的井孔波形,利用解析解计算的频散曲线验证了井孔应力地层条件下弹性参数刚度矩阵简化的可行性,为后文研究各向异性类型判断打下了基础。在利用频率域反演地层各向异性参数以及采用声弹性理论反演地层异常水平主应力过程中,需要以频散曲线作为基础,本文分析了常用频散曲线容易出现伪解的原因和规律,给出了一种可靠的去除伪解方法。本文数值证明了弯曲波频散曲线在常规VTI地层中不存在截止频率,螺旋波和弯曲波频散曲线在特殊VTI地层中均不存在截止频率。由于在利用地层快慢横波剪切模量径向剖面反演地应力时需要预先确定远井眼地层水平剪切模量,本文研究了在没有应力作用... 

【文章页数】：153 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
创新点
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 声弹性理论研究现状
        1.2.2 频散曲线计算和提取研究现状
        1.2.3 快速VTI地层Thomsen参数反演研究现状
        1.2.4 HTI地层各向异性反演及各向异性类型研究现状
        1.2.5 地应力反演的研究现状
    1.3 研究内容及方法
第2章 正交各向异性地层中井孔声场数值模拟
    2.1 地层各向异性类型
        2.1.1 广义Hooke定律
        2.1.2 固有各向异性类型
        2.1.3 应力诱导各向异性
    2.2 各向同性地层井孔模式波声弹性理论
        2.2.1 平面应变双轴应力条件下井孔附近应力分布和静位移
        2.2.2 平面应变三轴应力条件下井孔附近应力分布和静位移
        2.2.3 自然状态下井孔模式波频散曲线
    2.3 基于直角坐标系的三维有限差分方法
        2.3.1 井孔声场波动方程
        2.3.2 交错网格离散
        2.3.3 声源加载
        2.3.4 完全匹配吸收边界
    2.4 数值模拟及算法验证
        2.4.1 各向同性地层井孔波形
        2.4.2 各向同性地层应力条件下井孔波波形
    2.5 本章小结
第3章 频散曲线提取及快速VTI地层Thomsen参数反演
    3.1 波形数据频散曲线提取方法研究
        3.1.1 各向同性地层弯曲波的低频近似解
        3.1.2 常规频散分析方法
        3.1.3 基于Hilbert变换和带通滤波器的频散分析方法
        3.1.4 实际数据
    3.2 快速VTI地层井孔频散方程及Thomsen参数反演
        3.2.1 VTI地层井孔频散方程及约束条件
        3.2.2 常规VTI地层Thomsen参数反演
        3.2.3 特殊VTI地层Thomsen参数反演
        3.2.4 讨论
    3.3 应力条件下井孔弯曲波频散曲线分析
        3.3.1 平面应变双轴水平应力条件下井孔弯曲波频散曲线
        3.3.2 三轴应力(三轴应力相等)条件下井孔弯曲波频散曲线
        3.3.3 三轴应力(水平主应力相等)条件下井孔弯曲波频散曲线
        3.3.4 三轴应力(水平主应力不等)条件下井孔模式波频散曲线
    3.4 本章小结
第4章 HTI地层各向异性反演及异常水平主应力识别
    4.1 匹配声源各向异性反演及异常水平主应力地层识别
        4.1.1 HTI地层模型
        4.1.2 基于弯曲波振幅比的新目标函数
        4.1.3 理论数据处理实例
        4.1.4 实际数据处理实例
    4.2 非匹配声源各向异性反演——快慢弯曲波匹配法
        4.2.1 基于不同声源快慢弯曲波振幅比的目标函数
        4.2.2 模拟数据处理实例
        4.2.3 实际数据处理实例
    4.3 非匹配声源各向异性反演——Hamilton四元数法
        4.3.1 Hamilton四元数
        4.3.2 基于Hamilton四元数的目标函数
        4.3.3 理论计算实例
    4.4 本章小结
第5章 异常水平主应力反演
    5.1 基于快慢弯曲波频散曲线的异常水平主应力反演
        5.1.1 平面应变双轴应力条件下的异常水平主应力反演
        5.1.2 三轴应力条件下的异常水平主应力反演
        5.1.3 径向积分范围对反演结果的影响
    5.2 基于快慢横波剪切模量远近井眼差异的水平主应力反演
        5.2.1 三种横波剪切模量径向变化剖面
        5.2.2 水平剪切模量已知时异常水平主应力反演
        5.2.3 水平剪切模量未知时异常水平主应力反演
    5.3 基于快慢横波剪切模量径向剖面的水平主应力反演
        5.3.1 三轴应力状态下的弹性模量
        5.3.2 水平剪切模量已知时异常水平主应力反演
        5.3.3 水平剪切模量未知时异常水平主应力反演
    5.4 本章小结
第6章 结论与建议
    6.1 结论
    6.2 建议
参考文献
附录A 各向同性介质在应力作用下弹性系数元素表达式
附录B 双轴应力条件下I的表达式
附录C 三轴应力条件下I的表达式
附录D 各向同性地层井孔弯曲波的低频近似公式推导
附录E VTI地层井孔频散方程中矩阵M表达式
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果
学位论文数据集


【参考文献】：
期刊论文
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[3]基于正交各向异性介质理论的地应力地震预测方法[J]. 马妮,印兴耀,孙成禹,宗兆云.  地球物理学报. 2017 (12)
[4]高应力下硬岩卸荷破裂:白鹤滩水电站地下厂房玄武岩开裂观测实例分析[J]. 江权,樊义林,冯夏庭,李毅,裴书锋,刘国锋.  岩石力学与工程学报. 2017(05)
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博士论文
[1]分层弹性与孔隙介质中弹性波场的互易关系[D]. 王治.哈尔滨工业大学 2016
[2]孔隙介质弹性波—电磁场耦合效应测井的波场模拟研究[D]. 关威.哈尔滨工业大学 2009
[3]弹性波折、反射与横向各向同性（VTI）介质井孔导波声弹效应研究[D]. 刘金霞.吉林大学 2007
[4]套管井正交偶极声测井异常地应力正、反演研究[D]. 李刚.吉林大学 2005

硕士论文
[1]高精度曲率分析方法及其在构造识别中的应用[D]. 何英.成都理工大学 2011



本文编号：3723000