井中声波远探测三维数值模拟及成像方法研究

论文摘要

随着油气、矿产资源的需求日益增长,当前的资源勘探方向逐步向小型隐藏油气藏、深部矿产及非常规油气资源上发展。然而,这类能源的勘探与开发难度较大,需要获得更精细的地质构造和储层分布等信息。井中声波远探测技术,通过井中发射声波信号并接收井外地质体产生的反射波信号进行成像,具有极高的轴向分辨率和较大的径向探测深度,为井旁地质构造的精细化探测提供了有效的手段。根据声源类型及利用的反射波类型,井中声波远探测技术主要分为单极纵波法和偶极横波法。由于单极声源工作频率较高,波衰减较快,因而探测深度有限,并且单极声源无方向性辐射声波信号,因而无法确定反射体的方位。而偶极声源工作频率较低,且具有指向性,在径向探测深度和方位识别能力上弥补了单极纵波法的不足。然而,将偶极源用于远探测测井是近些年来才发展起来的技术,对于该方法的特点和不足还存在认识的过程,因而还需要在偶极反射声场的模拟分析、专用于偶极声波远探测的仪器设计以及实测数据处理方法等方面做进一步的研究,这些研究对于声波测井技术的发展以及资源的勘探和开发具有重大意义。本文着重于井孔声场的传播规律和响应特征的基础研究,分别对远探测技术探测深度的影响因素和井旁典型地质体模型的反射声场特征展开了分析和讨论,以完善对声波远探测测井技术特点的认识,最后结合声波测井采集模式、数据结构和波场阵型的特点,研究了适用于远探测实测数据处理的处理方法和流程。本文的主要研究内容和成果概括如下:（1）基于弹性波理论,给出了井孔波场模拟的三维交错网格有限差分格式,详细介绍了完全匹配层边界条件的离散形式,采用OpenMP标准的多线程并行计算,实现了井中声波远探测的三维波场模拟算法,通过对比边界吸收效果和并行加速效果以及实轴积分法的计算结果,验证了该算法的正确性。（2）研究了反射波幅度和相对井孔模式波幅度随声源类型、源距、声源频率、井径大小、界面距离、偏心状态以及地层类型变化的规律,并分析了声场的传播特征。结果表明快地层中偶极SH横波测井的最佳工作频率范围为?3kHz的低频区间;井径较小时SH反射波相对幅度更强,因此偶极横波远探测可用于固体矿产小口径测井;不同的偏心状态不仅产生不同的井孔模式波,还会影响反射波幅度,对反射体方位的识别也会产生偏差;慢地层中单极纵波法无法测量地层横波速度,偶极声源不仅产生具有方位识别能力的SH反射波,还会产生随反射体方位变化的反射P波,且反射P波持续周期短、易于提取,可作为井中声波远探测技术的重要补充。通过以上这些规律和认识可以为远探测仪器的设计和开发提供参考。（3）针对井旁复杂地质模型展开了偶极声源下的波场模拟和特征分析研究,对复杂模型下反射声场规律产生新的认识。设计了井旁裂缝、局部不均匀体、断层、多层平行地层界面和不平行地层界面等典型的地质体模型,并分析了各模型的波场特征及反射波幅度变化规律。结果表明偶极SH横波对张开裂缝最为敏感,对固体填充缝、地层界面断层类的板状地质结构也具有明显的响应特征;而椭球状的局部不均匀体产生的反射波较弱,且尺寸越小,反射波幅度越低,若要探测到远离井轴面的形态和位置,需要提高接收器的灵敏度;对于不平行地层界面,将偶极声源指向设置为目标地层界面走向即可获得最大的有效反射波。通过对这些典型模型的分析,可对实际远探测测量和数据处理提供参考依据。（4）探究了单极源和偶极源构成的相控线阵辐射器激励下的井内外声场,通过对比井内接收器接收波形发现相控线阵的引入可极大地增强反射波幅度,且不同延迟时间和不同阵元个数都会对反射波幅度产生相应的影响,通过设置延迟时间可以调节相控线阵声源井外声束主瓣的偏转角,设置阵元个数可以控制井外声束主瓣的覆盖范围,进而达到指向性发射信号的目的。（5）基于声波测井采集模式、数据结构和波场阵型的特点,提出了适用于井旁反射体成像的优化统筹方案,优选出带通滤波、反褶积压振、波幅补偿、F-K滤波法分离上下行波、共中心道集叠加和F-K偏移的处理方案,该方案处理实际数据效果良好。综述所示,本文以声波远探测测井技术的基础研究为主,进行了井中三维波场数值模拟和成像方法研究,加深了对声波远探测技术优势的认识,为该技术的拓展和应用提供了参考信息。

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作者简历

摘要

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第一章绪论

1.1 论文研究的意义及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 井中声波远探测测井方法的发展

1.2.2 井孔波场模拟研究的发展

1.2.3 井中反射声波数据处理方法概述

1.2.4 存在的问题

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文的主要成果及创新点

第二章井中声波远探测三维数值模拟方法

2.1 井中声波探测基本原理

2.1.1 井孔中声波的传播

2.1.2 井外反射波的时距关系

2.2 三维有限差分弹性波数值模拟

2.2.1 FDTD的三维形式

2.2.2 数值频散和稳定性

2.2.3 声源的加载方式

2.2.4 边界条件

2.2.5 并行计算

2.2.6 FDTD的正确性验证

2.3 本章小结

第三章井中声波远探测数值模拟与波场特征分析

3.1 探测能力影响因素分析

3.1.1 声源类型的影响

3.1.2 声源频率的影响

3.1.3 井径的影响

3.1.4 反射界面距离的影响

3.1.5 声源偏心的影响

3.1.6 地层类型的影响

3.2 典型地质体模型的波场模拟

3.2.1 井旁裂缝模型

3.2.2 井旁局部不均匀体模型

3.2.3 井旁断层模型

3.2.4 井旁多界面模型

3.3 相控线阵声源的声场特征

3.3.1 相控线阵声源模型的建立

3.3.2 单极子相控线阵声源井孔内外声场

3.3.3 偶极子相控线阵声源井孔内外声场

3.4 本章小结

第四章反射波提取及偏移成像方法

4.1 波场分离

4.1.1 反射波提取

4.1.2 上下行波分离

4.2 反射波增强

4.2.1 动校正

4.2.2 动校正速度的提取

4.2.3 反射波叠加

4.3 偏移成像

4.3.1 F-K法

4.3.2 绕射扫描偏移叠加法

4.3.3 克希霍夫积分法

4.4 反射体方位的确定

4.5 本章小结

第五章井中声波远探测实测数据处理方法

5.1 声波远探测数据的特点

5.2 偶极声波远探测数据处理流程

5.3 数据处理方法的选择

5.3.1 带通滤波去噪

5.3.2 反褶积压振

5.3.3 波幅补偿

5.3.4 波场分离方法

5.3.5 动校正与叠加

5.3.6 偏移

5.3.7 反射体方位判断

5.4 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 邓呈祥

导师: 潘和平

关键词: 三维有限差分,波场模拟,偶极横波远探测,反射波提取,偏移成像

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,地质学,石油天然气工业

单位: 中国地质大学

分类号: P631.81;P618.13

总页数: 174

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