地球物理学报|在套管中激发环向传播的准SH波的有限元模拟及实验研究
陈雪莲，庄妍，夏飞月，殷晓康，唐晓明
目前评价固井质量的声波测井方法均是在井内泥浆中辐射声波，再耦合到套管中激发套管波，这种测量方式在重泥浆或含气的井筒内应用时受到了限制。本文将电磁超声换能器引入到套管井中，无需井内介质的声耦合直接在套管中激发沿着套管轴向偏振、周向传播的准ＳＨ波。利用多物理场有限元仿真技术优化设计了磁盘阵列式的偏置磁场和跑道型线圈结构的电磁超声换能器，基于洛伦兹力机理实现了在铁磁材料的套管中激发和接收环向传播的准ＳＨ波的电磁超声转换技术。根据优化设计结构在实验室研制了电磁超声换能器，有限元模拟和实验室测量均观测到了沿套管环向传播的零阶及一阶准ＳＨ波。有限元模拟结果还显示在胶结良好的套管井中，准ＳＨ波一边沿着套管环向传播，一边向水泥环中辐射准ＳＨ波；在水泥和地层界面准ＳＨ波还会发生反射，再耦合到套管中被接收器接收到，通过对比硬地层和软地层两种套管井模型中接收的反射波信息，可观测到反射的准ＳＨ波相位相反，反射波和直达波的相位变化充分验证了准ＳＨ波的传播特征。
通过多物理场耦合在铁磁材料的套管中实现了基于洛伦兹力的电磁超声换能器的优化设计和实验验证， 主要结论如下：
（１） 电磁超声换能器工作时贴近套管内壁， 由于套管是高电导率的金属材质， 趋肤效应使得感应电流主要存在于套管内壁附近， 在偏置磁场的作用下，产生的初始振动沿着套管环向传播时可在常规套管中激发准ＳＨ 导波；
（２） 数值仿真和实验测量均观测到了沿着套管环向传播的零阶和一阶准ＳＨ波，零阶准ＳＨ波频散弱，沿着套管环向传播时波形特征基本不变，一阶准ＳＨ波强频散，沿着套管传播时持续时间较长；
（３） 在胶结良好的套管井模型中，在套管中激发的准ＳＨ波沿着套管传播时还会向水泥环中辐射准ＳＨ波，辐射到水泥环中的准ＳＨ波传播到水泥地层界面时发生反射，反射的准ＳＨ波耦合到套管中继续沿着套管环向传播，可被接收器接收到，反射的准ＳＨ波的幅度和相位信息携带了水泥环第二界面的胶结状况。
套管外耦合水泥及地层时准ＳＨ０波传播的声场快照
（a）ＥＭＡＴ产生准ＳＨ０波；（b）准ＳＨ０波辐射到水泥中；（c）准ＳＨ０波到达第ＩＩ界面；（d）第ＩＩ界面产生反射；（e）第ＩＩ界面反射波耦合到套管；（f）耦合后沿着套管环向继续传播。
石油勘探与开发|压裂缝的动态渗透性能及其声波测井评价
李焕然，唐晓明，李盛清，苏远大
针对现有地层压裂效果评估的声波测井方法通常用压裂缝密度来评价压裂缝体积，其结果往往不能准确反映实际产能的问题，研究了压裂缝的动态渗透性能及其与测井声场的相互作用，在实验观测的压裂缝分形现象基础上建立复杂压裂缝网的渗透率模型，将该模型的动态渗流响应与描述渗透性地层声波传播的 Biot-Rosenbaum 理论相结合，得到斯通利波速度频散特征与压裂缝渗透性能的关系，进而提出压裂缝渗透性能的评价方法。研究结果表明：复杂压裂缝导致的斯通利波速度频散特征可以与平板缝模型等效，前提是将压裂缝模型的平均渗透率等效于平板缝的渗透率；压裂缝开启的高渗条件（缝宽为10～ 100μm，渗透率为数百平方微米）和压裂缝闭合渗透率降低条件（缝宽为1～ 10μm，渗透率为数十平方微米）下，斯通利波速度频散特征具有明显差异。现场应用结果表明，提出的渗透性能定量评价模型可以评价压裂缝的渗透率和压裂贯通系数。
图一 高渗压裂段的斯通利波的波至（a）、阵列波形（b）和速度频散（c）特征
图二 中低渗压裂段斯通利波的波至（a）、阵列波形（b）和速度频散（c）特征
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地球物理学报|斯通利波在渗透地层和裂缝带的反射及透射：解析和数值方法模拟对比
夏飞月，苏远大，唐晓明
声波测井常用斯通利波来评价储层渗透性能和识别地层裂缝，描述声波在渗透性地层中的传播需要求解Biot孔隙弹性波动方程。本文采用有限差分方法来求解测井斯通利波在渗透地层和裂缝带的反射及透射问题。综合利用有限差分法和一维等效波数法研究和分析了不同层厚、 孔隙度和渗透率下单个和多个渗透地层的斯通利波反射及透射系数以及变化规律， 两种方法计算结果对比验证了一维等效波数法在０～２ｋＨｚ 范围内的可靠性。对于等效波数法难以模拟、 更为复杂的裂缝带模型， 利用有限差分方法分析和研究了在不同渗透率、 轴向和径向延伸长度下裂缝带的斯通利波反射和透射系数及其变化特征。 本文结果表明：斯通利波在渗透裂缝带中激发的流体渗流是一种穿透深度有限的趋肤效应， 因此要达到0.1ｍ 以上的探测深度，需要使用较低的激发频率（０～２ｋＨｚ），低频段内的斯通利波反射和透射系数对井壁附近裂缝带的渗透性能均有响应。随着渗透率升高，斯通利波反射系数在低频明显升高， 透射系数在高频降低显著； 在高于Biot特征频率的频段，反射和透射系数曲线随渗透率升高呈复杂变化，与孔隙流体从渗流到波动的变化相关。本文的方法和结果有助于分析和解释斯通利波在裂缝型渗透地层的传播特征， 为识别此类地层和评价其渗透性能奠定理论基础。
图２ ４ 种孔渗参数下两种方法计算的单个孔隙渗透夹层（Tang and Cheng， 1993）的斯通利波反射（ａ）及透射（ｂ）系数图实线是有限差分计算结果；虚线是一维等效波数法计算结果。
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中国石油大学学报（自然科学版）|双层套管井中界面胶结差时单极全波响应特征的对比
陈雪莲，潘金林，唐晓明，朱雷，田隆梅，王华伟
通过实轴积分和有限差分相结合， 计算双层套管井不同界面胶结差时单极子声源激发的套管波、井孔伪瑞利波以及斯通利波的响应特征。结果表明: 第1界面胶结差时套管波的到时最早，其次是第111界面， 第11界面和第1V界面胶结差时套管波到时较晚; 从套管波的幅度特征观察， 在各个界面胶结程度一致时， 第&或第(界面胶结差时套管波的幅度较强， 第’界面和第)界面胶结差时套管波的幅度较弱， 理论计算结果与现场测量结果一致。不同界面胶结差时井孔伪瑞利波和斯通利波的响应也有明显差异， 随着不胶结界面距离井轴越远， 伪瑞利波的频散曲线逐渐向低频偏移; 且在同一胶结状况下套管井中伪瑞利波的截止频率随地层横波速度的降低明显向高频移动， 这一响应特征与裸眼井下的变化规律不同。在复杂的双层套管固井质量评价中， 可结合井孔模式波的频散特征为判断各个界面的胶结状况提供参考。
图1 第Ⅰ界面胶结差的双层套管井模型
图 2 各界面分别胶结差时的声场快照
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地球物理学报|偶极横波远探测在裸眼井及套管井中接收波场的方位响应特征
李杨虎，唐晓明，苏远大
偶极横波远探测技术的快速发展及其在裸眼和套管井中应用的需求增加使得研究井中远探测波场的方位特征和接收响应具有重要意义。将远探测声场看作是声源在反射体一侧的镜像点的辐射声场并对其做柱面波展开， 得到了充液裸眼和套管井中偶极横波方位远探测接收声场的渐近解。据此对声场在井内流体中产生的径向位移和声压进行了模拟分析， 深入研究了接收器偏心距、 声源频率和地层类型对井中方位接收波场的影响， 并对裸眼和套管井中的响应特征进行了对比， 预示了快速和慢速地层条件下声场方位响应中的180°相位反转现象。渐近解析解与三维有限差分数值解的结果对比证实了这一现象， 同时也验证了解析解的正确性和普适性。结果表明： 接收器偏心距、 声源频率和地层类型是井中接收声场方位响应特征的主要影响因素；ＳＨ 横波入射引起的井内流体的径向位移和声压方位响应特征基本一致， 而ＳＶ 横波入射时二者特征却有较大差异； 因此，接收信号中的ＳＶ分量有助于识别反射体方位； 相对于裸眼井，套管井中接收声场的方位灵敏度更高，更有利于识别井外反射体的方位。本文的分析结果为偶极横波方位远探测技术的进一步发展和应用提供了理论支持。
图10快速和慢速地层条件下，SH横波入射引起的井内波场的方位响应
裸眼井；（b）自由套管；（c）胶结良好。
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地球物理学报|井中偶极声源在横向各向同性地层中的辐射波场
古希浩，唐晓明，苏远大
研究井中声源在地层中的辐射特性对发展井下探测技术具有重要的意义， 而井孔周围地层的各向异性对弹性波激发的影响不容忽视。本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近隐式解出发，借助相速度与群速度之间的转换关系，得到了井中偶极声源在各向异性地层中的辐射指向性与辐射波场， 并深入研究了声源激发主频与各向异性对偶极辐射特性的影响。结果表明： 与各向同性情况相比，SH波在辐射波场中依然占据主导地位，但各向异性的存在导致其优势辐射频率向低频移动；qP波与qSV波的井外辐射波场均包括qP和qSV两种分量的贡献；在特殊各向异性地层中，qP波与qSV波的qSV分量会呈现出三叉区与幅度奇异值。本文的结果可以为井外全波场的观测以及偶极声波远探测技术在各向异性地层中的应用提供理论支持。
图１ 描述井中偶极声源在横向各向同性
地层中的辐射声场所采用的坐标示意图
图 2 借助qP、qSV和sh波动的（a）群速度面和（b）相速度面来确定特殊各向异性介质中辐射波波数的隐式最速下降解。这种情况下qSV波动的群速度面会出现三叉区
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地球物理学报|横向各向同性地层随钻多极子测井声场的分波分析与特性研究
饶博，唐晓明，苏远大
随钻声场在各向异性地层中的传播一直是随钻声波测井的重要课题。该问题中钻铤与井孔和地层的相互作用极大地影响着声场，特别是系统中的模式波的传播特征。因此，本文采用分波计算法来详细地研究在横向各向同性（VTI）地层中随钻多极子声波的传播规律，将声场全波分解成来自波数域中的奇异点（包括支点和极点）的分波的贡献，以此模拟分析了声场中各个分波的传播特征， 包括模式波在频域中的频散、 激发响应及时域中的分波波形。 结果表明：在快速VTI地层中，钻铤的存在使得单极伪瑞利波和二阶四极地层螺旋波的频散大为降低，可以此来测量地层垂直向横波速度；慢速VTI地层中仅存在单一四极地层螺旋波，其低频速度为地层垂直向横波速度。值得注意的是，在各向异性参数满足δ＞ε＋／２的地层中，上述模式波的低频截止速度均小于地层的垂向横波速度，这一结果与已知的裸眼井情况一致。
图1 VTI地层四极子随钻声场模式波频散曲线和声场响应函数中的极点和支点对应的流体声压激发强度
快速地层频散曲线；（b）快速地层激发强度；（c）慢速地层频散曲线；（d）慢速地层激发强度。
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Sensors| Three‐Dimensional Acoustic Device for Testing the All‐Directional Anisotropic Characteristics of Rock Samples
Kai Zhang , Shengqing Li , Yuanda Su , Baohai Tan , Wenjie Wu，and Shoutao Xin
许多油气田，特别是非常规页岩和致密砂岩储层，都具有地层各向异性。这些储层岩心的声学各向异性测量可以指导钻井、测井和开发。然而，几乎所有的岩心支架都是为圆柱岩心设计的，这并不适合所有方向的测量。在井间声波测井方法的基础上，设计了三维测量装置。该装置主要由两对换能器、信号发生器、示波器、全向定位系统和计算机控制系统组成。该装置通过自动调整测量纬度和经度圆，对球形岩石样品进行扫描，得到了各方向的全波波形。以胶东半岛花岗岩为例进行了实验，并基于全波形计算了纵波和横波的到达时间和速度。然后，在这些速度的基础上进行了各向异性物理表征。这些数据对指导地层压裂和井壁稳定性分析具有重要作用。
图1所示传统的测量方法从不同的方向对同一岩心进行取样
图2 同一测点纵波和横波测速(蓝点)及其拟合曲线(红线)
论文： 用于测试岩石样品全方位各向异性特征的三维声学装置
论文链接：
https://www.mdpi.com/1424-8220/22/23/9473
ASME|RESPONSE CHARACTERISTICS OF MULTIPOLE SONIC LOG IN DOUBLE CASING STRINGS
Bo Rao1, Yuanda Su, Shengqing Li, Xiaoming Tang
在深井中采用多层套管实现层间隔离的方法已经非常普遍，对多层套管井固井质量评价的需求也越来越迫切。然而，对于多层套管井，特别是生产(内层)套管偏心时的固井质量，目前尚无有效的评价方法。本文基于贝塞尔平动加法定理，对内套管居中偏心的双套井进行了多极声波场计算，探讨了在复杂井条件下，利用多极阵声波测井评价双套井套管与地层胶结质量的可行性。计算结果表明，由多极声源激发的非轴对称波场非常复杂，当机匣偏心时存在多极模态共存和导波相互耦合。此外，外steley波和套管弯曲波的速度频散曲线与套管与地层之间环空填充介质的声阻抗密切相关，可用于评价外环空固井质量，且该现象不受内套管位置和尺寸的影响。分析结果验证了利用多极声波测井进行双套管固井评价的可行性。
图1 双层套管井模型截面图
图2:模拟波形及时慢性相干分析
论文： 双套管柱多极声波测井响应特性
Geophysics|Research on acoustic logging while drilling transmitting technologies
Baohai Tan, Kai Zhang, Yuanda Su, Shengqing Liand Lijun Zhang
声波随钻测井(LWD)技术在油气勘探开发中发挥着重要作用。与传统的电缆测井相比，随钻测井必须解决更多的关键问题，例如严重的噪声干扰。本文研究了提高随钻测井工具传输性能的一系列技术。首先，我们验证了在电缆测井中成功采用的横波远程探测技术同样适用于随钻测井，可以显著扩大其探测范围。此外，我们还计算了其优势激励频段，这与有线测井不同。其次，设计了AB类推挽励磁电路。结果表明，该电路能够获得理想的随钻变送器激励信号。此外，信号形状、激励频率和周期量易于调节。在本研究中，我们提出了一种宽带阻抗匹配技术来解决励磁电路与励磁换能器之间的阻抗不匹配问题。声学实验表明，该技术显著提高了随钻换能器的发射功率。
图1 不同频率电路激发的电压和电流波(a)，以及这些电压信号的频域波(b)
图2 不同周期量的电路所激发的时间(a)和频域(b)电压波
论文：随钻声波测井传输技术研究
论文链接：https://doi.org/10.1093/jge/gxac034
Journal of Natural Gas Science and Engineering|偶极子源穿透套管声反射成像研究:建模与现场应用
Zhen Li , Sheng-Qing Lee , Qiaomu Qi , Yuan-Da Su , Xing-Jian Wang
鉴于油气勘探开发过程中大部分井采用套管完井，将井眼声反射成像(BARI)的应用范围从裸眼井扩展到套管井势在必行。为了了解井声成像信号的特征，通过数值模拟研究了裸眼和套管井中的辐射和反射弹性波。结果表明，对于宽带偶极子源，套管井中辐射sh波振幅最大，辐射角最宽，与裸眼观测结果相似。认为水泥和套管会在一定程度上阻止井内源激发的能量向地层外部传播。然而，我们的模拟结果清楚地表明，水泥和套管的存在不会显著影响辐射sh波的振幅。实际上，此处套管井完井导致的井眼半径的减小会增加辐射sh波的振幅。
因此，套管井中反射波相对于直接波的信噪比(SNR)高于裸眼井。同时，胶结质量对反射波的信噪比影响不大，信噪比随源频率的降低而增大。有趣的是，随着地层横波速度的降低，套管井内偶极子弯波模式的截止频率迅速增加，而直波振幅也显著降低。这使得反射波的信噪比提高，有利于反射波的提取。现场数据实例验证了理论分析的正确性。研究结果为采用偶极子源的穿套管BARI提供了理论基础。
图1所示WCBM(第一行)和UCBM(第二行)中xoz平面的y-组件快照。第一列的时间为1.4458 ms，第二列的时间为5.7544 ms。
图2 套管前后成像结果现场实例。常规测井曲线如图1-4所示。图5和图7分别为下套管前后的S-S波变密度测井显示。裸眼井和套管井的成像结果分别见图6和图8。图9显示了与单极源相关的P-P波的成像结果。
论文：Investigation of through-casing borehole acoustic reflection imaging with a dipole source: Modeling and field application
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1875510022003031?via%3Dihub
SPWL|结合井眼声反射成像和地质力学分析的裂缝表征
Xiao-Ming Tang，Pei-Chun Wang,Shengqing Li1,Lei Xiong,and Hanlin Zhang
储层裂缝流体传导能力评价对油气生产具有重要意义，特别是对以裂缝为主要储层流体输送管道的致密储层而言。近年来，偶极子横波反射成像技术在近井地层裂缝识别和定向方面得到了有效应用;但是评价声波成像裂缝的流体传导效果仍然是一项具有挑战性的任务。为了完成这一任务，本文提出了一种将偶极子声反射成像与地球力学分析相结合的方法来确定裂缝表面的应力状态。根据井眼反射成像得到裂缝的方位和倾角，结合地应力条件，利用三维莫尔图分析计算裂缝表面的有效应力状态，并与莫尔-库仑破坏准则进行比较，判断裂缝是否处于临界应力状态，从而判断裂缝是否为导流体状态。最重要的是，我们的分析表明，偶极子剪切波成像中典型的180度裂缝定向方位角不确定性不影响莫尔图分析中裂缝表面应力状态的确定，从而可以将两种方法有效地结合起来，形成一种评价裂缝导液效果的新方法。裂缝性储层的应用实例表明了该评价方法的有效性，评价结果可为油田开发和生产规划提供有用的信息。
图1 （a）正断层，(b)走滑，(c)逆断层三种应力状态下的莫尔圆图和临界应力区域。注意不同的应力状态要求不同方向的裂缝占据相同的临界应力区域。
图2 利用钻孔成像(a)和莫尔图(b)分析裂缝特征的示例。利用(a)中两条主要穿过井眼裂缝的裂缝方向数据(见图4和图5中的反射图像)和相应的井壁图像(最右图)计算(b)中的裂缝表面应力数据。反射(红色标记)和井壁(黑色标记)的应力数据表明，大角度裂缝处于临界应力状态，因此具有导流体性。
论文：FRACTURE CHARACTERIZATION COMBINING BOREHOLE
ACOUSTIC REFLECTION IMAGING AND GEOMECHANICAL
ANALYSES
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Sensors|声波穿过套管测井仪器的设计
Kai Zhang,Shengqing Li,Yuanda Su,Baohai Tan and Bo Zhang
在油气探井中进行测井是为了获得地下地层的物理特征。之后，对这些井进行套管作业。对于成熟油田和由于井眼稳定性问题而没有进行套管测井的井来说，套管测井非常重要。由于套管波对地层波的强烈干扰，特别是在套管与地层结合不良的情况下，声波穿过套管测井是一个具有挑战性的问题。开发了一种具有双源变送器的声学工具，其中增加了一个额外的换能器来抑制套管波。首先，进行了工具的工作原理和总体设计，包括两个发射换能器之间的跨度距离和发射换能器与接收换能器之间的间距距离。然后设计双源发射电路，发出两个极性相反的激励信号。这些信号具有一致性好、发射功率高、信号调节精确等特点。最后，该工具在中国套管井中进行了测试。实验结果表明，约90%的机匣波被抵消。通过抑制套管波振幅，套管井声波测井可以用于商业用途，获得可靠的地层信息。
图1所示。套管井中的双源测井工具模型(a)，以及远、近传输传感器的激励信号(b)。
图2 所设计工具采集的1520~1560m深度段测井资料的处理结果。图中从左到右分别为远端发射机的深度、变密度对数(VDL)显示、远端发射机的慢度-时间-相干(STC)相关图、双源的VDL显示和双源的STC相关图。
论文：Design of an Acoustic Through-Casing Logging Tool
论文链接：https://www.mdpi.com/1424-8220/22/21/8404
Geoenergy Science and Engineering|用偏心偶极子声学工具进行方位横波反射成像的井眼辐射和接收响应
Yanghu Li, Xiaoming Tangand Yuanda Su
偏心放置于井内流体中的偶极子声波测井工具的辐射和接收响应是声反射成像中一个有趣而重要的研究课题。在此，我们对这些反应进行了深入的研究。我们将来自反射器的波入射视为来自虚拟源的辐射，并使用圆柱波展开法来解决离心工具的波辐射和接收问题，该问题通过使用最陡下降法，产生模拟辐射和接收波场特征的渐近解。解析解与三维有限差分法的模拟结果吻合较好。具体来说，我们分析了充液井中偏心偶极子源的辐射指向性。结果表明，辐射方向相对于井眼是不对称的，这种不对称是由偏心距离、源频率和地层性质决定的。特别是在典型的3 kHz偶极子测井频率下，偏离中心方向的辐射强于相反方向的辐射。偏心辐射的不对称性导致了相对于其中心对应物的显著振幅差异，这为解决偶极子源180°方位模糊提供了一种潜在的方法。我们使用了一个理论波形建模示例来证明这一优势。因此，本研究结果为偶极子横波成像技术的发展和应用提供了理论基础。
图1用于sh波反射建模的两个反射器模型(左图中的线条)。注意使用中心偶极子工具(中图)和偏离中心偶极子工具(右图)测量的反射信号之间的视振幅差。
图2 利用三维有限差分数值方法(虚线曲线)和sv波入射的渐近解析解(实线曲线)计算的井内流体(a)、径向位移和(b)压力响应的比较。偶极子声学工具沿x轴偏移0.05 m。
论文：Borehole radiation and reception responses for azimuthal shear-wave reflection imaging with an off-centred dipole acoustic tool
论文链接：https://doi.org/10.1093/jge/gxac077