各向异性地层中井孔波的传播

发布时间：2018-02-11 04:29

  本文关键词： 声波测井 各向异性 剪切模量 有限元　出处：《哈尔滨工业大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：声波测井是一种重要的油气资源勘探手段,随着声波测井技术的不断革新,也促进了人们对井孔声学的理论研究。由于地层表现出的各向异性特征,使得各向异性地层中的井孔声场得到越来越多的关注。本文首先从弹性动力学基本方程组出发,推导了各向同性地层中多极源声场的位移势函数表达式,并说明了柱坐标系下SH波、SV波的定义。利用实轴积分法(RAI)编程计算得到了两种典型地层(硬地层和软地层)中单极源、偶极源和四极源激发的声场。通过STC方法提取了多极源声场中各个波群的信息,发现声源中心频率为4kHz时偶极源激发的弯曲波和四极源激发的螺旋波的速度接近地层的横波速度。之后对横观各向同性(transverse isotropy,TI)地层中的多极源声场进行了研究。首先说明了TI介质的本构方程中各个弹性系数的物理意义,之后对TI介质地层井孔中的多极源声场进行了理论推导,并通过编程计算得到了TI介质地层中井轴上接收到的多极源声场全波信号。通过计算发现,TI介质地层中单极源激发的斯通利波波速对介质水平剪切模量的变化最敏感,偶极源激发的弯曲波波速对竖直方向的剪切模量变化最敏感。基于解析计算结果开展了剪切各向异性的反演,对硬地层,利用单极斯通利波反演水平面内剪切模量66c,利用横波首波反演竖直面内剪切模量44c,从而获得硬地层横波各向异性系数;对软地层,利用单极斯通利波反演水平面内剪切模量66c,利用偶极弯曲波反演竖直面内剪切模量44c,从而获得软地层的横波各向异性系数。在根据低频斯通利波的波速和各向同性介质中剪切模量之间的关系反演TI介质水平剪切模量66c的过程中,对White提出的低频斯通利波波速与剪切模量的关系式做了修正,给出了声源中心频率为6kHz时,斯通利波速度与TI介质地层水平剪切模量之间的近似关系式。最后通过有限元软件COMSOL Multiphysics对各向同性介质地层和TI介质地层中的单极源声场进行模拟,并将有限元的模拟结果与根据井孔声场解析解编程计算得到的结果进行了对比分析,发现波形基本吻合,验证了编程计算结果的正确性,也证明了使用有限元软件模拟声波测井信号的可行性。
[Abstract]:Acoustic logging is an important exploration method for oil and gas resources. With the continuous innovation of acoustic logging technology, it also promotes the theoretical study of borehole acoustics. More and more attention has been paid to the sound field of borehole in anisotropic formation. In this paper, the displacement potential function of multipole acoustic field in isotropic formation is derived from the basic equations of elastic dynamics. The definition of SH-wave SV wave in cylindrical coordinate system is explained. The unipolar sources in two typical strata (hard and soft) are obtained by using the solid axis integration method (RAI). The acoustic field excited by dipole source and quadrupole source is extracted by STC method. It is found that the velocity of the curved wave excited by the dipole source and the spiral wave excited by the quadrupole source is close to the velocity of the shear wave of the formation when the center frequency of the sound source is 4 kHz. The multipole source sound field in the transversely isotropic layer is studied. The physical meaning of each elastic coefficient in the constitutive equation of TI medium is explained. Then the sound field of multipole source in the well hole of TI medium formation is deduced theoretically. The full wave signals of multipole acoustic field are obtained by programming. It is found that the velocity of Stonley wave excited by unipolar sources in TI media is the most sensitive to the variation of horizontal shear modulus. The velocity of bending wave excited by dipole source is most sensitive to the variation of shear modulus in vertical direction. The inversion of shear anisotropy is carried out based on the analytical results. The unipolar Stonley wave is used to invert the shear modulus in the horizontal plane 66c, and the shear modulus in the vertical plane is retrieved by the first wave of the shear wave 44c. thus, the anisotropy coefficient of the shear wave in the hard stratum is obtained. The shear modulus in horizontal plane is retrieved by the unipolar Stonley wave and the shear modulus in the vertical plane by the dipole bending wave. The anisotropy coefficient of the shear wave in the soft ground is obtained. According to the wave velocity of the low frequency Stonley wave and the same direction in each direction, the anisotropy coefficient of the shear wave in the soft ground is obtained. In the process of inversion of horizontal shear modulus 66c of TI medium, The relation between the shear modulus and the velocity of the low frequency Stonley wave is modified by White, and the central frequency of the sound source is 6 kHz. The approximate relation between Stonleigh wave velocity and horizontal shear modulus of TI medium is obtained. Finally, the sound field of unipolar source in isotropic and TI media is simulated by finite element software COMSOL Multiphysics. The simulation results of finite element method are compared with the results obtained by programming according to the analytical solution of acoustic field of borehole. It is found that the waveform is basically consistent, which verifies the correctness of the result of programming calculation. The feasibility of using finite element software to simulate acoustic logging signal is also proved.
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P631.81

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本文编号：1502206