随钻声波测井时域有限差分模拟与钻铤波传播特性研究.docx

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硕士学位论文 随钻声波测井时域有限差分模拟与钻铤波传 播特性研究 STUDIES ON THE FINITE-DIFFERENCE TIME-DOMAIN SIMULATION OF ACOUSTIC LOGGING WHILE DRILLING AND THE PROPAGATION CHARACTERISTICS OF THE COLLAR WAVE 杨玉峰 哈尔滨工业大学 2014 年 6 月 国内图书分类号:O347.4+4 学校代码:10213 国际图书分类号:531.3 密级:公开 工学硕士学位论文 随钻声波测井时域有限差分模拟与钻铤波传 播特性研究 硕 士 研 究 生 : 杨玉峰 导 师 : 关威副教授 申 请 学 位 : 工学硕士 学 科 : 固体力学 所 在 单 位 : 航天学院 答 辩 日 期 : 2014 年 6 月 授予学位单位 : 哈尔滨工业大学 Classified Index: O347.4+4 U.D.C: 531.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDIES ON THE FINITE-DIFFERENCE TIME-DOMAIN SIMULATION OF ACOUSTIC LOGGING WHILE DRILLING AND THE PROPAGATION CHARACTERISTICS OF THE COLLAR WAVE Candidate: Yang Yufeng Supervisor: A.Prof.Guan Wei Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Solid Mechanics Affiliation: Dept. of Astronautics and Mechanics Date of Defence: June, 2014 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 摘 要 本文针对随钻声波测井问题建立时域有限差分(FDTD)波动算法,计算随钻 环境下的井孔声场并着重分析钻铤波的传播特性。目前随钻声波测井技术遇到的 严重问题是:从发射换能器经过钻铤传播到接收换能器的声波(钻铤波)幅度大 于来自地层的声波信号,以致地层纵横波被掩盖不易识别。为解决此问题,麻省 理工学院地球资源实验室设想利用随钻震电测井来消除钻铤波干扰。由于动电效 应是含流体孔隙介质所特有的现象,随钻震电测井中接收的电磁信号只能是孔隙 地层中弹性波引起的电磁信号,可望从这些电磁信号提取纵横波速度。然而,哈 工大力学系波动与岩石物理研究组最近计算的随钻震电测井响应中存在伴随钻铤 波的电磁场,他们在模型井实验测量波形中也发现疑似的钻铤波震电信号。那么, 随钻震电测井的电磁场信号中到底存不存在伴随钻铤波的电磁信号,这对于能否 采用随钻震电测井消除钻铤波的干扰意义重大。回答此问题的关键是通过分析随 钻环境下钻铤波的传播特性,说明地层中是否存在显著的钻铤波。 本文从经典的弹性动力学方程组出发,研究轴对称柱坐标系下的弹性波 FDTD 算法,模拟单极源声场在随钻环境下的传播情况,并着重考察钻铤波的传播特性。 主要内容包括: 将粘弹性介质波动微分方程组进行有限差分格式化,采用 Fortran 90 编程实现 轴对称柱坐标系下的弹性波 FDTD 程序。算法采用速度-应力交错有限差分网格, 应用参数平均法处理不同介质的内边界差分格式,应用目前公认吸收效果最好的 完全匹配层(PML)吸收边界条件消除由计算边界的截断带来的人工反射,并采用不 分裂场量的 PML 处理方式。 利用实现的 FDTD 程序,计算电缆声波测井(井内流体-井外固体地层的轴对 称柱面分层模型)和随钻声波测井(钻铤内流体-钻铤固体-钻铤外流体-井外固体 地层的复杂柱面分层模型)的时域波形,并与半解析的实轴积分法计算结果对比, 再将既有水平分层又有径向分层模型的模拟波形,与前人计算结果对比,验证本 文算法和程序的正确性。 在此基础上,分别针对钻铤置于无限大流体介质中、随钻声波测井的钻铤在中 间以及端部截断的三种模型,计算钻铤外流体层和井外地层中的时域全波波形、 时间-速度相似相干(STC)图以及不同时刻的波场分布灰度图,分析钻铤波传播 特性。 结果发现:钻铤波沿钻铤传播的同时,向钻铤外流体乃至井外地层中辐射能 -I- 量。与斯通利波情况类似,钻铤波能量集中在钻铤和井壁附近,相对于地层纵、 横波,井壁附近地层中的钻铤波仍很显著。地层中钻铤波的绝对幅度随偏离井轴 距离的增大迅速降低。既然地层中存在以视钻铤波速度传播的

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