弹性波场与井眼的相互作用及应用研究

摘要

弹性波与充液井孔之间的相互作用主要包括井眼对声源辐射波的调制、井眼对入射波的接收和散射等，一直以来，它们在井间地震、VSP和声波远探测技术等理论研究方面备受人们的关注。声波远探测技术是指利用井中声源辐射到地层中的弹性波，经反射体反射后再被仪器接收到的反射信号进行成像测井，整个测井过程涉及了井眼对声源辐射波的调制作用、井眼对地层入射波的接收与散射作用等。因此，明确充液井孔对波传播特征的影响对声波远探测技术具有重要意义。 本文基于波与井孔之间的相互作用，对声波远探测理论进行了详细研究。首先，推导了电缆测井中单极、偶极和四极声源激发的沿井传播的导波能流和井外远场中辐射波能流的理论公式，提出了一种利用声源向井外辐射和沿井筒传播的能量之比的大小来评价声源辐射效率的方法。利用该方法分析了不同频率下声源辐射效率的变化规律，优选出单极、偶极和四极声源的最佳激发频段。其次，针对弹性波入射充液井孔产生的散射和透射声场，给出了井孔对入射波的接收因子，推导了散射位移的渐近解形式，提出了一种快捷、有效地模拟相邻井中偶极远探测声场的解析方法。利用该方法研究了相邻井中偶极远探测声场，将井眼产生的反射信号与地层界面产生的反射信号进行比较，探讨了邻井偶极远探测测井的可行性。研究发现，不同声源的辐射效率和优势辐射频率各不相同，低频时偶极声源的辐射效率远大于单极声源，表明偶极声源作为低频远探测声源要优于单极声源，这对声波远探测仪器声源的研发具有参考价值。与地层界面产生的反射信号相比，虽然充液井孔产生的反射信号幅度有所降低，但两者没有量级上的差异，从理论上预测了在相邻井中进行偶极远探测测井是可行的，并且该理论预测结果得到了相邻实验井中偶极远探测测井实验的进一步验证。以上结果证实了偶极远探测技术在探测井外反射体方面的可靠性和有效性，为该技术的应用推广提供了重要依据。 在上述研究工作的基础上，进一步探讨了偶极远探测技术在随钻测井中的可行性。推导了随钻条件下偶极声源辐射效率的理论公式，研究了声源辐射效率随频率的变化规律，考察了钻铤尺寸对声源辐射效率的影响。与电缆偶极声源的情况相比，随钻条件下偶极声源的最大辐射效率明显降低，声源的优势激发频率也有所下降，并且受钻铤外径的影响较大。虽然，随钻测井中偶极声源的辐射效率有所降低，但由理论模拟的随钻偶极远探测数据的成像结果可知，声源辐射到地层中的能量仍足以探测井外反射体，从理论上初步证实了将偶极远探测技术引入到随钻测井中是可行的，这为随钻声波远探测探边技术提供了理论依据。

目录

第一章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 声波远探测技术研究现状

1.2.2声源辐射特征研究现状

1.2.3 井筒散射与透射声场研究现状

1.2.4随钻声波测井技术研究现状

1.3 本文的主要内容

第二章 声源激发的导波与辐射波声场的基本理论

2.1 多极子声源激发的导波能流

2.2 多极子声源的辐射波能流与辐射效率

2.3 本章小结

第三章 充液井中多极子声源的辐射性能

3.1 单极声源的辐射特性

3.1.1 单极声源的辐射指向性

3.1.2 单极声源的辐射效率

3.2 偶极声源的辐射特性

3.2.1 偶极声源的辐射指向性

3.2.2 偶极声源的辐射效率

3.3 四极声源的辐射特性

3.3.1 四极声源的辐射指向性

3.3.2 四极声源的辐射效率

3.4 地层岩性和衰减对声源辐射效率的影响

3.5 本章小结

第四章 波在充液井孔处的散射与透射声场

4.1 基本理论

4.1.1 目标井处的边界方程

4.1.2 入射横波的透射和散射声场

4.2 井孔对入射横波的接收响应

4.3 目标井孔产生的横波反射声场

4.4 本章小结

第五章 随钻偶极声源辐射性能与远探测声场特征

5.1 基本理论

5.2 随钻偶极声源的辐射指向性

5.3 随钻偶极声源的辐射效率

5.4 随钻偶极远探测声场分析

5.5 本章小结

第六章 偶极远探测测井实验及应用

6.1 邻井远探测测井实验

6.2 应用实例

6.3 本章小结

结论与展望

下一步工作展望

参考文献

附录A

附录B

攻读博士学位期间取得的学术成果

致谢

作者简介