《ch4 固体中弹性波-11 充液井孔中的声场》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ch4 固体中弹性波-11 充液井孔中的声场（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国石油大学(北京) 乔文孝1充液井孔中的声场充液井孔中的声场乔文孝 中国石油大学(北京)测井研究中心充液井孔中的声场充液井孔中的声场充液裸眼井孔中的对称声场充液裸眼井孔中的对称声场充液裸眼井孔中的非对称声场充液裸眼井孔中的非对称声场套管井孔中的声场套管井孔中的声场声波测井技术简介声波测井的工作流程图声波测井的工作流程图电信号T传播R解释井壁处理井液充液裸眼井孔中的对称声场充液裸眼井孔中的对称声场研究思路写出标势、矢势函数的表达式；写出标势、矢势函数的表达式；写出法向应力、切向应力和位移的表达式；写出法向应力、切向应力和位移的表达式；代入边界条件，得到频率方程；代入边界条件，得到频率方程；计算
2、井轴上的声波波形；计算井轴上的声波波形；采用柱坐标系。采用柱坐标系。井孔内外声场的势函数井孔内外声场的势函数(柱坐标柱坐标)zzrreee+=zrruz r+= 1rzruzr += 1+=r zrrrrzu1)(1在柱坐标系中，矢势函数可以写为在柱坐标系中，矢势函数可以写为于是质点的位移分量为：于是质点的位移分量为：S= +uru v中国石油大学(北京) 乔文孝2井孔内外对称声场的势函数井孔内外对称声场的势函数0,u=),(0zrii =zrur=rrzrrrzuz +=+=)(1e=当场具有轴对称时，沿当场具有轴对称时，沿方向的位移为零，即方向的位移为零，即此时位移表达式为：此时位移表达式
3、为：此时矢势只需要一个分量此时矢势只需要一个分量井孔内外的波动方程及其解井孔内外的波动方程及其解222222211 tvzrrripiii =+2222222211 tvzrrrrs=+角标角标i=1 表表示示在井孔流在井孔流体体中，中， i=2表表示示在井在井壁介壁介质中。质中。()( ) ()()dkerIkArKCkztj+=10101( )()()dkerKkBkztj c+=02井内标势井内标势井外标势井外标势井外矢势井外矢势充液井孔内外的声场：充液井孔内外的声场：( ) ()()dkerKkCkztj S+= 1充液裸眼井孔内的声场充液裸眼井孔内的声场根据根据边界条件：边界条件：可
4、以可以推推出井孔内声场的表达式为：出井孔内声场的表达式为：井井壁壁上上（r=a处）处）切应力切应力连续连续Trz2 = 0 井井壁壁上上（r=a处）处）法向应力法向应力连续连续 Trr1 = Trr2 井井壁壁上上（r=a处）处）法向位移法向位移连续连续 ur1=ur2()11101 10101 1 1101()()()()()()jt kzKa QKaCKrIr edkIa QIa+=+11vk=2,c cpkkvv=ssvk=,zkv=2 122 1kk =222,cckk=222 sskk =式中式中：() ()() ()22 002 222 1112211212cssssccssKaK
5、akkQakkKakKa=+充液裸眼井孔内声场的频充液裸眼井孔内声场的频散曲线散曲线v/vs频率/kHz05101520253035400.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0孔内流孔内流体体:声声速速1500,密度密度1000; 孔外孔外固体固体:纵纵波声波声速速4500,横横波声波声速速2500,密度密度2500; 井孔井孔半径半径：0.1m对称声源(单极子声源, Monopole Source)0.00.20.40.60.81.0020406080100 120140160180200220240 2602803003203400.00.20.40.60.81.
6、0DMonopole Propagation in a Fast FormationCompressionalShearStoneleyHead wavesFast:Vs Vf硬地层硬地层(快地层快地层)：地层地层的的横横波波波波速速大大于井内流于井内流体体的波的波速速软地层软地层(慢地层慢地层)：地层地层的的横横波波波波速速小小于井内流于井内流体体的波的波速速中国石油大学(北京) 乔文孝3单极子脉冲声源激励的全波列波形单极子脉冲声源激励的全波列波形2440 2250(硬地层硬地层)3897井外地层1000- - - -1500井内流体密度(kg/m3)横波速度vs(m/s)纵波速度vc(m/
7、s)斯通利波伪瑞利波横波 纵波S tPS现现场测量波形场测量波形理论理论计算波形计算波形高高频频单极单极声声源激励源激励的的响响应波形应波形0.51 .01.52.02.53 .03.54.0TSPTSPTim e (m s)far w avenea r w aveW a veformP w ave sectio nS w ave sectio nT w a ve section 三三个波个波包包：到达：到达先后先后、幅度幅度、主主频频等特征等特征；相邻道相邻道的的同同一一种种波动波动模模式波形有式波形有相似性相似性.VpVf硬硬 地地 层层Monopole Propagation in a
8、Fast Formation0.00.40.81.21.62.02.42.83.23.64.0StoneleySPTime(ms)通过多道通过多道波形的波形的相关处理相关处理可以得到可以得到三种三种波动波动模模 式波的波式波的波速速和和衰减衰减.R91井井远单极模远单极模式式全全波波形波波形0.51.01.52.02.53.03.54.039003930depth(m)t(ms)(a)四极源 T1单极源单极源 T2偶极源 Y(T4) 偶极源 X(T3)8个接收站个接收站隔声体隔声体接收电子线路接收电子线路发射电子线路发射电子线路R1R8硬地层硬地层低低频频单极单极声声源激励源激励的波形的波形0
9、2468101214Time (mS)只只存存在在斯通利斯通利波；波；高高频频跑跑得得快快、低低频频跑跑得得慢慢.01234560.00.20.40.60.81.01.21.4Phase Velocity (m/s)Frequency (kHz)Dispersion of Stoneley Wave单极单极声声源激励源激励的波形的波形- 软地层软地层井孔井孔软地层软地层：地层地层的的横横波波波波速小速小于井内流于井内流体体中的波中的波速速； 两两个波个波包包：纵纵波和波和斯通利斯通利波；波； 没没有有折射横折射横波波模模式，式，测不到横波信息测不到横波信息；中国石油大学(北京) 乔文孝4Mon
10、opole Propagation in a Slow FormationSlow:Vs Vf1.01.52.02.53.03.54.04.5817.241943t(ms)软地层充液井孔单极全波图1.01.52.02.53.03.54.04.5870930depth(m)t(ms)对称声源对称声源(Monopole Source)常规声波测井采用单极子声波探头；常规声波测井采用单极子声波探头； 单极子声源在硬地层充液井孔中可以单极子声源在硬地层充液井孔中可以 产生折射纵波、折射横波和斯通利波产生折射纵波、折射横波和斯通利波 等波动模式；等波动模式； 单极子声源在软地层中充液井孔中无单极子声源在
11、软地层中充液井孔中无 法激励折射横波。法激励折射横波。 地层的横波信息至关重要！地层的横波信息至关重要！裸眼井孔中的非对称声场裸眼井孔中的非对称声场Dipole Source0.00.20.40.60.81.0020406080100 120140160180200220240 2602803003203400.00.20.40.60.81.0D偶极子声源:在充液井孔 中可以激励起弯曲波， 其波速接近于地层的横 波波速。010002000300040005000101214SP源距(ft)时间 (us)中国石油大学(北京) 乔文孝5偶极子波波形0.51.01.52.02.53.00.51.01
12、.52.02.53.03.5源 距 (米)快速地层快速地层井孔井孔0.00.51.01.52.02.53.00.51.01.52.02.53.03.5源 距 (米)慢速地层慢速地层井孔井孔偶极子偶极子波的波波的波速略小速略小于于地层地层的的横横波波波波速速偶极子偶极子声声源激励源激励的的响响应波形应波形012345678910Lower Dipole WaveformsTime (mS) 一个波一个波包包：偶极子偶极子波；波；低低频频跑跑得得快快、高高频频跑跑得得慢慢；R91井偶极子XX波形偶极子偶极子波波特征明显特征明显(MPAL)0.81.21.62.02.42.83.23.63941.9
13、80469t(ms)四极源 T1单极源单极源 T2偶极源 Y(T4) 偶极源 X(T3)8个接收站个接收站隔声体隔声体接收电子线路接收电子线路发射电子线路发射电子线路R1R8MPAL- Soft Formation各向异性地层中的正交偶极子声源各向异性地层中的正交偶极子声源中国石油大学(北京) 乔文孝631Stress- induced Dipole- shear Splitting (modeling)四极子声源（非对称声源）0.00.20.40.60.81.0020406080100 120140160180200220240 2602803003203400.00.20.40.60.81
14、.0D图 3.2.3 四极子声源振动示意图四极子四极子声声源源在在硬地层硬地层井孔中井孔中产生产生的声场的声场012344.07S源距/m时间/ms32295m/s四极子四极子声声源源在充液井孔中在充液井孔中激励起螺旋激励起螺旋波，其波波，其波 速略小速略小于于地层地层的的横横波波波波速速。偶极子偶极子波和波和四极子四极子波的频波的频散曲线散曲线0.51.01.52.02.53.03.54.00.800.840.880.920.961.00fluid: =1000,Vf=1500 solid : =1800, Vc=1800,Vs=700Group velocityPhase velocity
15、QuadrupoleDipole(Vp and Vg)/VsFrequency (kHz)12345670.750.800.850.900.951.00(Vp and Vg)/VsFrequency (kHz)fluid: =1000,Vf=1500 solid : =2000, Vc=2400,Vs=1200QuadrupoleDipolePhase velocityGroup velocity对应于对应于 时时域域波波 形的形的“前前 宽后窄宽后窄”软地层软地层井孔井孔特软地层特软地层井孔井孔(地层纵波波速接近地层纵波波速接近 于井内泥浆声速于井内泥浆声速)多极子源的指向性图0.00.20.40.60.81.00204060801001201401601802002202402602803003203400.00.20.40.60.81.0MonopoleDipoleQuadrupole单极子单极子偶极子偶极子四极子四极子充液井孔中非对称声场的充液井孔中非对称声场的特特点点(1) 偶极子偶极子波、波、四极子四极子波波都都是频是频散很强散很强的的色色散散波，其波，其相相 速度速度随随频率的频率的增加而增加而减小减小，其，其最最大大值值为为Vs
