缝洞及孔隙型地层中井孔声波响应研究
本文基于弹性波动方程和Biot孔隙介质理论，采用有限差分方法研究了单极子声源激励下的井孔声波在裂缝、溶洞和孔隙型地层中的传播机制；同时提出了利用EMD分解和分数阶Fourier变换从实测声波资料中提取纵波、横波与斯通利波的Choi-Williams分布的方法，这种方法能有效降低纵、横波之间的时频耦合。从理论数值模拟与实测数据处理两个角度出发来研究井孔声波的传播特征，能为缝洞及孔隙型地层的声波测井解释提供一些新的思路和依据。 在裂缝地层中，基于弹性波动方程采用不连续的变网格有限差分方法探究了水平裂缝与井孔斯通利波之间的关系。建立了新的水平裂缝模型，包括充填裂缝及宽度变化的裂缝两种类型。发现全充填裂缝相当于一个岩性分界面，引起的反射波与岩石的波阻抗差有关；裂缝的充填度对斯通利波的影响程度远大于充填岩石的作用。对于宽度变化的裂缝，裂缝的开口宽度较大时，内径性质对井孔斯通利波反射和衰减的影响不能被忽略。 在溶洞地层中，建立了井旁溶洞模型并研究了溶洞与高频声源激发的声波测井全波列之间的相互作用。本文首先采用了柱坐标系下的轴对称弹性波有限差分方程计算了与井壁不相交的溶洞形成的井孔声场。井旁溶洞属于非均质性很强的三维地质构造，轴对称模型只能作为三维模型的近似解，因此本文又采用了直角坐标系下的三维弹性波有限差分方程来计算溶洞型地层中的井孔声波全波列。研究发现井旁溶洞的半径和井壁距离对井孔声场的有较大影响，纵波首波波峰时间滞后，横波、斯通利波和散射波的幅值发生了衰减，同时出现了散射波。除了响应程度有所减弱之外，三维溶洞模型对于各组分波的影响规律与轴对称模型一致。用数值模拟的结论对实测声波数据进行了解释，发现二者符合得很好。 在孔隙地层中，建立了新的泥浆侵入模型、泥饼模型以及倾斜孔隙地层模型，研究它们与斯通利波衰减系数及反射系数之间的关系。当弹性地层与孔隙地层分层存在时，斯通利波传播过程中遇到弹性-孔隙分界面后，形成反射斯通利波的同时伴随着能量衰减。泥浆侵入气层和水层时斯通利波的反射系数有较大的差别；有泥饼时斯通利波幅值反而会增大，此时反射斯通利波只能反映泥饼的性质。在倾斜孔隙地层中，斯通利波的衰减系数与地层倾角成正比，反射系数与地层倾角成反比，同时斯通利波的衰减系数与源距有良好的正线性关系。 在处理实测声波数据过程中，提出将EMD分解与分数阶Fourier变换相结合的方法，从复杂声波信号中提取了纵波、横波与斯通利波单独的Choi-Williams分布，这种方法具有原理简单和输出直观的优点。基于不同倾角裂缝地层的阵列声波曲线的Choi-williams分布，分析了纵波、横波与斯通利波在频率、到时和能量三个方面发生变化的原因。这种时频分析方法可以单独对比不同性质地层中纵波、横波与斯通利波的时频差异，可应用到裂缝、岩性和流体识别等方面。
声波测井;溶洞地层;孔隙地层;衰减系数;时频分析;有限差分法
吉林大学
博士
固体地球物理学
王祝文
2022
中文
P631.81
2022-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）