井孔P-SV-TM和SH-TE震电响应理论研究

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石油,水和天然气等自然资源的储层多为孔隙介质。弹性波(声波)在孔隙介质中传播诱导电磁场的现象称为“震电效应”。这种现象与孔隙介质中的双电层结构和孔隙流体渗流效应密切相关。随着微弱信号检测和信号处理技术的提升,基于震电效应的勘探方法越来越受到人们的密切关注。震电勘探同时接收声场和电场信号,既反映地层的声学性质又反映其电学性质。震电效应测井同时将声源和接收器放置在井孔当中,在深度探测具有一定优势。本文从Pride声电耦合理论出发,研究了孔隙地层中的井孔震电响应。分别讨论了居中点源激发的P-SVTM和剪切源激发的SH-TE(Shear horizontal-Transverse electric)声-电耦合波场的传播特性,主要内容包括:采用割线积分法计算了柱状双层孔隙介质震电波场界面电磁波,进一步阐明其传播规律和对地层性质的响应特性。采用Helmholtz分解法推导了各介质区域的基本场量表达式,通过实轴积分法模拟了井内声场和电场时域全波。结合双层孔隙地层的体波支点分布,对地层体波支点进行了分析。计算电场的电磁波支点割线积分得到了界面电磁波波形,表明每当地层快纵波、横波在内层孔隙介质传播至界面发生折反射时,都会产生以地层电磁波速度传播的界面响应。界面两侧的流体矿化度等级差异越大,界面响应越强。声波穿过矿化度差异界面也会产生界面电磁波响应。针对具有不可渗井壁模型讨论了井壁不可渗对震电测井全波响应和各体波、模式波成分的影响。为了模拟测井过程中,泥浆悬浮颗粒或薄泥饼附着井壁等因素导致井壁处孔隙通道堵塞的情况形成不可渗井壁,建立了新的边界条件(渗流位移为0)。推导了波场表达式,采用实轴积分法模拟了井内声场和电场全波响应。为了进一步研究对波场各体波、模式波的影响,分别采用割线积分法和频率-波数分析对波场各成分进行分析。结果表明井壁不可渗会使声场斯通利波振幅明显增大,而伪瑞利波受影响较小。除此之外,声场和电场各体波成分及其激发强度、电声激发比等性质均受井壁孔隙通道连通性的影响。理论研究了均匀地层、径向分层地层的井孔SH-TE震电响应。分别采用垂直场法和Helmholtz分解法推导了各介质区域的基本场量表达式,并采用实轴积分法模拟井内声场和电场的时域全波。均匀地层井孔声场仅SH波一组成分,而弹性差异地层会激发出多阶频散的Love模式波及其伴随电场。通过频率-波数分析了各阶Love波的相对激发强度,还采用牛顿迭代法计算了Love模式波及其伴随电场的频散特性。表明Love波的阶数随内层孔隙介质厚度的减小而减少,每阶Love波的相速度随频率的增大而单调减小。对流体矿化度的敏感性考察结果表明井内流体矿化度几乎不影响电场响应,这一特殊现象是由剪切源特殊的激发方式和声源的低频性质(千赫兹量级)导致的,并且明显区别于其他常规激发方式。最后还讨论了结合慢度-时间相干法(STC)和波场时域阵列获取井旁矿化度界面位置、性质信息的可行性。研究了部分饱和孔隙介质中井孔SH-TE震电波场,考察了不同土壤质地的响应特征。结合以Warden等效介质理论为主的部分饱和孔隙介质模型,将Pride动电系数拓展为饱和度依赖形式。首先考察了孔隙弹性、电性参数对水饱和度的敏感性。然后模拟并考察了饱和度对井孔SH波及其转换电场的影响。最后从等效介质理论出发,结合土壤质地三角图,引入导水率等参数,研究了不同土壤质地井孔SH-TE波场的响应特性。结果表明孔隙介质参数对饱和度十分敏感,其中动电耦合系数随饱和度不单调变化。随着饱和度的增大,声场幅度单调减小,而电场幅度则先增大再减小。不同土壤质地的弹性和电性差异较大,对SH波和转换电场的衰减、振幅以及波速均有较明显的影响。最后还将孔隙水按照盐度等级分类,并模拟了不同种类地下水种类的电场响应。结果表明转换电场对地下水盐度十分敏感且单调变化,这表明井孔SH-TE震电响应是判断地下水污染情况的潜在方法。本文对不同激发方式和井外地层结构的井孔震电响应进行了研究。旨在进一步探究点源和剪切源激发的井孔震电波场的基本传播特性。研究结果为深入认识井孔震电响应特征及震电测井新技术研发提供了一定的理论科学基础。
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