專(zhuān)利名稱(chēng)：套管井偶極橫波測(cè)井中聲源頻率的選定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田測(cè)井領(lǐng)域中采用偶極橫波測(cè)井中時(shí)進(jìn)行聲源選定的一種方法，尤其是涉及一種用于在套管井中進(jìn)行偶極橫波測(cè)井時(shí)用于確定聲源頻率的一種方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前油水井套損問(wèn)題是國(guó)內(nèi)外各油田普遍關(guān)注的問(wèn)題，油田因套損造成的損失很大，預(yù)測(cè)和預(yù)防套管損壞已經(jīng)成為石油工程和測(cè)井領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題。近年來(lái)對(duì)套損問(wèn)題研究發(fā)現(xiàn)除不可預(yù)測(cè)的井下作業(yè)造成的套管機(jī)械損傷和流體腐蝕以外，其它原因造成的套管損壞都與井周異常應(yīng)力變化有關(guān)，井周異常地應(yīng)力檢測(cè)是套損預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于油水井中進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)的研究還不完善，僅存的兩種方法——井孔崩裂法和水壓致裂法也是以井孔的破壞為前提，還沒(méi)有一種無(wú)損檢測(cè)方法可用于實(shí)際井孔的地應(yīng)力檢測(cè)，有必要進(jìn)行井周異常地應(yīng)力反演方法研究。目前有一種利用交叉偶極聲波測(cè)井資料反演井周異常地應(yīng)力的方法，這種方法也是由本申請(qǐng)人發(fā)明的，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法僅在裸眼井中應(yīng)用效果較好，將該方法應(yīng)用于正常生產(chǎn)的套管井中進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)時(shí)卻發(fā)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)理論研究發(fā)現(xiàn)在套管井中由于套管和水泥環(huán)的存在，彎曲波的低頻截止頻率向高頻方向移動(dòng)，因此采用應(yīng)用于裸眼井中的低頻偶極聲測(cè)井方法無(wú)法有效的激發(fā)井孔彎曲波，無(wú)法實(shí)現(xiàn)套管井中的異常地應(yīng)力反演。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有套管井中異常地應(yīng)力檢測(cè)研究中存在的不完善之處，即無(wú)法對(duì)套管井中不同圍巖情況下的交叉偶極測(cè)井頻率進(jìn)行選擇的不足，本發(fā)明提供了一種可適用于確定套管井的交叉偶極橫波測(cè)井參數(shù)的方法，應(yīng)用此方法，可使得套管井中不同圍巖情況下的交叉偶極測(cè)井頻率能夠被正確選擇，實(shí)現(xiàn)在套管井中也能運(yùn)用交叉偶極聲波測(cè)井資料反演井周異常地應(yīng)力的方法進(jìn)行套管損害的無(wú)損測(cè)量。
本發(fā)明的技術(shù)方案是該種套管井偶極橫波測(cè)井中聲源頻率的選定方法，主要由下述步驟構(gòu)成(1)、對(duì)于利用交叉偶極聲波測(cè)井資料進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)的油水井，查閱該井完井時(shí)的測(cè)井資料，由測(cè)井資料中的常規(guī)聲波測(cè)井資料中的聲波時(shí)差曲線(xiàn)給出該井的縱波速度，即聲波時(shí)差的倒數(shù)；(2)、利用柱坐標(biāo)下的速度場(chǎng)方程(1)-(3)及套管井情況下的邊界連接條件，采用三維速度—應(yīng)力有限差分方法數(shù)值模擬油水井的偶極聲全波波場(chǎng)，數(shù)值模擬中地層的縱波速度根據(jù)步驟1中的聲波速度曲線(xiàn)給出；柱坐標(biāo)系(r，θ，z)下由速度矢量 和應(yīng)力矢量 的各分量描述的速度場(chǎng)方程分量形式為ρ∂vr∂t=1r∂(rTrr)∂r+1r∂Trθ∂θ+∂Trz∂z-Tθθr+Fr,--(1)]]>ρ∂vθ∂t=1r∂(rTrθ)∂r+1r∂Tθθ∂θ+∂Tθz∂z-Trθr+Fθ,--(2)]]>ρ∂vz∂t=1r∂(rTrz)∂r+1r∂Tθz∂θ+∂Tzz∂z+Fz.--(3)]]>式中Fr，F(xiàn)θ和Fz分別是點(diǎn)力源在柱坐標(biāo)系下的三個(gè)分量，應(yīng)力矢量 的各分量方程為 式中，“·”表示對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，err=∂Vr∂r,]]>eθθ=Vrr+1r∂Vθ∂θ,]]>ezz=∂Vz∂z,]]>erθ=12[1r∂Vr∂θ-Vθr+∂Vθ∂r],]]>ezθ=12[1r∂Vz∂θ+∂Vθ∂z]]]>和erz=12[∂Vz∂r+∂Vr∂z]]]>分別為應(yīng)變張量的各分量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。其中g(shù)βγ，(β，γ＝{r，θ，z})是應(yīng)力源。
c′ij，i，j＝1，6是地層的彈性系數(shù)(3)、對(duì)步驟2中通過(guò)數(shù)值模擬得到的套管井井周存在異常地應(yīng)力情況下的快、慢彎曲波進(jìn)行頻散分析，研究套管井中彎曲波速度隨頻率的變化特征，由快慢彎曲波交叉點(diǎn)的頻率確定聲源主頻，在本步驟中采用譜域加權(quán)相似法進(jìn)行彎曲波頻散曲線(xiàn)提取，該方法利用構(gòu)建的相位矢量對(duì)傅氏變換后的陣列波形進(jìn)行相位匹配，并用一高斯窗加權(quán)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，從而由適應(yīng)度函數(shù)在每一頻率下的最大值確定彎曲波的慢度。
本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明首次發(fā)現(xiàn)并解決了阻礙套管井情況下利用交叉偶極聲波測(cè)井進(jìn)行井周異常地應(yīng)力檢測(cè)的問(wèn)題，該問(wèn)題的解決可較好解決油田套損預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題。


附圖1是本發(fā)明的流程圖；附圖2是利用信號(hào)處理手段對(duì)數(shù)值模擬的瞬態(tài)全波場(chǎng)進(jìn)行頻散分析后所得到的套管井異常應(yīng)力誘導(dǎo)情況下的速度頻散規(guī)律圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明如圖1所示，該種套管井偶極橫波測(cè)井中聲源頻率的選定方法，主要由下述步驟構(gòu)成第一步，對(duì)于利用交叉偶極聲波測(cè)井資料進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)的油水井，查閱該井完井時(shí)的測(cè)井資料，由測(cè)井資料中的常規(guī)聲波測(cè)井資料中的聲波時(shí)差曲線(xiàn)給出該井的縱波速度，即聲波時(shí)差的倒數(shù)。
本步驟，主要是以非線(xiàn)性彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，利用攝動(dòng)積分法推導(dǎo)水平面內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力作用下套管井井孔導(dǎo)波的聲彈性方程后所得。
第二步，利用柱坐標(biāo)下的速度場(chǎng)方程(1)～(3)及套管井情況下的邊界連接條件，采用三維速度—應(yīng)力有限差分方法數(shù)值模擬油水井的偶極聲全波波場(chǎng)，數(shù)值模擬中地層的縱波速度根據(jù)步驟1中的聲波速度曲線(xiàn)給出。
柱坐標(biāo)系(r，θ，z)下由速度矢量 和應(yīng)力矢量 的各分量描述的速度場(chǎng)方程分量形式為ρ∂vr∂t=1r∂(rTrr)∂r+1r∂Trθ∂θ+∂Trz∂z-Tθθr+Fr,--(1)]]>
ρ∂vθ∂t=1r∂(rTrθ)∂r+1r∂Tθθ∂θ+∂Tθz∂z-Trθr+Fθ,--(2)]]>ρ∂vz∂t=1r∂(rTrz)∂r+1r∂Tθz∂θ+∂Tzz∂z+Fz.--(3)]]>式中Fr，F(xiàn)θ和Fz分別是點(diǎn)力源在柱坐標(biāo)系下的三個(gè)分量，應(yīng)力矢量 的各分量方程為 式中，“·”表示對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，err=∂Vr∂r,]]>eθθ=Vrr+1r∂Vθ∂θ,]]>ezz=∂Vz∂z,]]>erθ=12[1r∂Vr∂θ-Vθr+∂Vθ∂r],]]>ezθ=12[1r∂Vz∂θ+∂Vθ∂z]]]>和erz=12[∂Vz∂r+∂Vr∂z]]]>分別為應(yīng)變張量的各分量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。其中g(shù)βγ，(β，γ＝{r，θ，z})是應(yīng)力源。
c′ij，j，i，j＝1，6是地層的彈性系數(shù)。
本步驟就是在聲彈性方程基礎(chǔ)上利用三維速度—應(yīng)力有限差分?jǐn)?shù)值模擬交叉偶極子測(cè)井的瞬態(tài)全波聲場(chǎng)第三步，對(duì)步驟2中通過(guò)數(shù)值模擬得到的套管井井周存在異常地應(yīng)力情況下的快、慢彎曲波進(jìn)行頻散分析，研究套管井中彎曲波速度隨頻率的變化特征，由快慢彎曲波交叉點(diǎn)的頻率確定聲源主頻，在本步驟中采用譜域加權(quán)相似法進(jìn)行彎曲波頻散曲線(xiàn)提取，該方法利用構(gòu)建的相位矢量對(duì)傅氏變換后的陣列波形進(jìn)行相位匹配，并用一高斯窗加權(quán)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，從而由適應(yīng)度函數(shù)在每一頻率下的最大值確定彎曲波的慢度。
本步驟的具體實(shí)現(xiàn)方法是由N個(gè)接收器記錄的第n道的時(shí)域數(shù)據(jù)為dn(t)，首先對(duì)其作傅立葉變換得到Dn(ω)。
構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)
f(ω,pz)=|D+(ω)S(ω,pz)|D+(ω)D(ω)S+(ω,pz)S(ω,pz)--(5)]]>其中D(ω)=D1(ω)D2(ω)MDN(ω)]]>S(ω,pz)=1exp(iωpzΔz)exp(2iωpzΔz)Mexp((N-1)iωpzΔz)]]>矢量S(ω，pz)中的元素是接收器相對(duì)于第一個(gè)接收器的相移，Δz是接收間距。均勻介質(zhì)中只有一種沿z方向傳播的模式波情況下，當(dāng)頻率為ω時(shí)該模式波的慢度為Pz。作歸一化使得適應(yīng)度函數(shù)f(ω，Pz)的最大值為1，不同頻率下函數(shù)f(ω，Pz)的最大值將給出真實(shí)慢度值。在實(shí)際測(cè)井資料處理中，首先對(duì)波列數(shù)據(jù)重新加密采樣，再做FFT得到加密采樣的頻域數(shù)據(jù)，然后用下面的函數(shù)代替f(ω，Pz)得到適應(yīng)度函數(shù)F(ωm,pz)=Σj=l-ml+mW(ωj,ωm)f(ωm,pz)--(6)]]>其中， 為高斯加權(quán)函數(shù)。
在每一頻率下以一定的慢度范圍對(duì)上述函數(shù)進(jìn)行掃描，確定其最大值，從而得到慢度頻散曲線(xiàn)。
在實(shí)際應(yīng)用本方法時(shí)，首先利用攝動(dòng)積分法推導(dǎo)柱坐標(biāo)系下水平面內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力作用下套管井井孔彎曲波的聲彈性方程，在聲彈性方程基礎(chǔ)上利用三維速度—應(yīng)力有限差分?jǐn)?shù)值模擬交叉偶極子測(cè)井的瞬態(tài)全波聲場(chǎng)，然后利用信號(hào)處理手段對(duì)數(shù)值模擬的瞬態(tài)全波場(chǎng)進(jìn)行頻散分析后得到套管井異常應(yīng)力誘導(dǎo)情況下的速度頻散規(guī)律。如圖2所示，就是利用信號(hào)處理手段對(duì)數(shù)值模擬的瞬態(tài)全波場(chǎng)進(jìn)行頻散分析后得到的套管井異常應(yīng)力誘導(dǎo)情況下的速度頻散規(guī)律圖。通過(guò)對(duì)該圖分析發(fā)現(xiàn)，套管井情況下，地應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性大小與地應(yīng)力大小的關(guān)系與裸眼井情況相類(lèi)似。套管井中的偶極彎曲波的頻散曲線(xiàn)仍存在交叉現(xiàn)象，但截止頻率明顯向高頻方向移動(dòng)，交叉點(diǎn)在10KHz左右。據(jù)此可以對(duì)交叉偶極聲波測(cè)井的主頻進(jìn)行選擇，如果測(cè)井儀的中心頻率在5KHz附近則能夠較容易地反演地應(yīng)力。
本項(xiàng)發(fā)明完全是一項(xiàng)創(chuàng)新，首次發(fā)現(xiàn)并解決了阻礙套管井情況下利用交叉偶極聲波測(cè)井進(jìn)行井周異常地應(yīng)力檢測(cè)的問(wèn)題，該問(wèn)題的解決可較好解決油田套損預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
交叉偶極聲波測(cè)井常規(guī)僅用于裸眼井和套管井中進(jìn)行地層橫波速度測(cè)量及裸眼井中的各向異性測(cè)量，通過(guò)本項(xiàng)研究找到了套管井中利用常規(guī)交叉偶極聲波測(cè)井無(wú)法測(cè)量得到地層彎曲波、無(wú)法進(jìn)行各向異性測(cè)量的癥結(jié)在于套管井中偶極彎曲波的激發(fā)頻率向高頻方向移動(dòng)，低頻交叉偶極聲波測(cè)井激發(fā)地層彎曲波，本項(xiàng)發(fā)明研究則給出了相應(yīng)的套管井測(cè)井主頻的選定方法，給出套管井中不同圍巖情況下的交叉偶極測(cè)井頻率選擇方法，實(shí)現(xiàn)套管井中的異常地應(yīng)力檢測(cè)及套損預(yù)測(cè)，解決了一直困擾油田測(cè)井界多年的難題。
權(quán)利要求
1.一種套管井偶極橫波測(cè)井中聲源頻率的選定方法，其特征在于該方法由下述步驟構(gòu)成(1)、對(duì)于利用交叉偶極聲波測(cè)井資料進(jìn)行地應(yīng)力檢測(cè)的油水井，查閱該井完井時(shí)的測(cè)井資料，由測(cè)井資料中的常規(guī)聲波測(cè)井資料中的聲波時(shí)差曲線(xiàn)給出該井的縱波速度，即聲波時(shí)差的倒數(shù)；(2)、利用柱坐標(biāo)下的速度場(chǎng)方程(1)～(3)及套管井情況下的邊界連接條件，采用三維速度—應(yīng)力有限差分方法數(shù)值模擬油水井的偶極聲全波波場(chǎng)，數(shù)值模擬中地層的縱波速度根據(jù)步驟1中的聲波速度曲線(xiàn)給出；柱坐標(biāo)系(r，θ，z)下由速度矢量 和應(yīng)力矢量 的各分量描述的速度場(chǎng)方程分量形式為ρ∂vr∂t=1r∂(rTrr)∂r+1r∂Trθ∂θ+∂Trz∂z-Tθθr+Fr,----(1)]]>ρ∂vθ∂t=1r∂(rTrθ)∂r+1r∂Tθθ∂θ+∂Tθz∂z-Trθr+Fθ,----(2)]]>ρ∂vz∂t=1r∂(rTrz)∂r+1r∂Tθz∂θ+∂Tzz∂z+Fz.----(3)]]>式中Fr，F(xiàn)θ和Fz分別是點(diǎn)力源在柱坐標(biāo)系下的三個(gè)分量，應(yīng)力矢量 式中，“·”表示對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，err=∂Vr∂r,]]>eθθ=Vrr+1r∂Vθ∂θ,]]>ezz=∂Vz∂z,]]>erθ=12[1r∂Vr∂θ-Vθr+∂Vθ∂r],]]>ezθ=12[1r∂Vz∂θ+∂Vθ∂z]]]>和erz=12[∂Vz∂r+∂Vr∂z]]]>分別為應(yīng)變張量的各分量對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。其中g(shù)βγ(β，γ＝{r，θ，z})是應(yīng)力源。c′ij，i，j＝1，6是地層的彈性系數(shù)(3)、對(duì)步驟2中通過(guò)數(shù)值模擬得到的套管井井周存在異常地應(yīng)力情況下的快、慢彎曲波進(jìn)行頻散分析，研究套管井中彎曲波速度隨頻率的變化特征，由快慢彎曲波交叉點(diǎn)的頻率確定聲源主頻，在本步驟中采用譜域加權(quán)相似法進(jìn)行彎曲波頻散曲線(xiàn)提取，該方法利用構(gòu)建的相位矢量對(duì)傅氏變換后的陣列波形進(jìn)行相位匹配，并用一高斯窗加權(quán)構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)，從而由適應(yīng)度函數(shù)在每一頻率下的最大值確定彎曲波的慢度。
全文摘要
一種應(yīng)用于套管井偶極橫波測(cè)井中聲源頻率的選定方法。主要解決偶極橫波測(cè)井應(yīng)用于套管井進(jìn)行異常地應(yīng)力檢測(cè)時(shí)存在的無(wú)法對(duì)套管井中不同圍巖情況下的交叉偶極測(cè)井頻率進(jìn)行選擇的不足。其特征在于首先由聲波時(shí)差曲線(xiàn)給出該井的縱波速度；然后利用柱坐標(biāo)下的速度場(chǎng)方程及套管井情況下的邊界連接條件，采用三維速度－應(yīng)力有限差分方法數(shù)值模擬油水井的偶極聲全波波場(chǎng)；此后對(duì)通過(guò)數(shù)值模擬得到的套管井井周存在異常地應(yīng)力情況下的快、慢彎曲波進(jìn)行頻散分析；由快慢彎曲波交叉點(diǎn)的頻率確定聲源主頻。應(yīng)用本發(fā)明使得套管井中不同圍巖情況下的交叉偶極測(cè)井頻率能夠被正確選擇，實(shí)現(xiàn)了在套管井中也可運(yùn)用交叉偶極聲波測(cè)井資料反演井周異常地應(yīng)力。
文檔編號(hào)E21B49/00GK1601303SQ20041004399
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月26日
發(fā)明者謝榮華, 劉繼生, 呂秀梅, 曾桂紅, 馮逾 申請(qǐng)人:大慶油田有限責(zé)任公司