利用充液管状波导结构刻度声速测井仪器的理论方法及实验研究

Presently, there is a pressing need to construct some standard scale pits for calibrating acoustic log tools in petroleum industry. The construction of the pits is an international challenge, but is very important during the foundation course of industry standard for calibrating acoustilog tool and of value delivery system of acoustilog velocity. The related theoretical results also have important academic value. .The propagation law of the acoustic fields and the dispersive characteristic of normal modes in the fluid-filled cylindrical shell waveguide with circular and/or noncircular cross section will be studied theoretically and experimentally. The acoustic energy coupling relation between the liquid cylinder and the cylindrical shell will be analysed. According to the design of the present acoustic velocity log tool, the calibrating method will be proposed in different frequency range, and the quantitative relation between the acoustic velocity of the cylindrical shell and the apparent velocity will be established. The design principle and scheme of the scale pit for calibrating acoustilog tool will be developed. The feasibility of constructing anisotropy-calibrated environment will be probed into for multipole array acoustilog tool using cylindrical pipe waveguide with noncircular cross section. Based on the above studies, the substantial physical foundation will be established to construct the standard acoustic velocity scale pits, and the fundamental data and enabling technology will be supplied to develop gradually a criterion of value calibration-delivery system of acoustilog velocity in petroleum industry.

行业标准的声波测井刻度井建造是目前国内外石油行业迫切需要解决的实际问题，是标定和刻度新研发声波测井仪器的基础，也是国际性难题。它的建立对声波测井仪器的行业刻度标准及声速测井量值传递体系的建立具有十分重要的实际意义，其相关的理论研究也具有重要的学术价值。.本项目拟通过理论和实验研究圆形或异形截面的壁厚有限的管柱状声波导问题，研究这类波导中的声场传播规律，掌握不同模式波的频散特征，分析管内流体柱和柱壳之间的声能量耦合关系；参照现有声速测井仪的设计原理，研究不同频段声速测井仪的刻度方法，建立壁厚有限的管状声波导材料声速和观测到的视声速之间的定量关系，形成测井声速量值标定刻度井的设计原理和方案，并探索利用异形管材声波导结构建立声波测井各向异性标定环境的可行性。通过上述研究，为构建行业标准的声速刻度井奠定坚实的物理基础，并逐步形成一套行业标准声速测井量值刻度和传递的技术规范提供基础资料和技术支撑。

在石油和天然气的勘探开发过程中，声波测井是不可或缺的一种探测手段，其测井资料有着广泛的应用，特别是在研究地层的各向异性及地应力分布等方面。 近年来，为打破西方大油服公司的技术封锁，国内加大了先进测井技术的自主研发力度，目前已成功研发了多种新型测井仪器（如多极子阵列声波测井仪）；但到目前为止，尚未形成针对多极子阵列声速测井仪的室内刻度方法，更不用说相关的行业标准和溯源系统；从而给仪器性能评价和质量体系建设带来了困难。因此，开展声速测井仪器的刻度原理和方法研究，构建相应的模拟刻度井，对于提升我国声波测井仪器装备的自主研发水平与国际竞争力至关重要。. 采用实轴积分法或有限差分法和有限元法，模拟了壁厚有限的圆管状或异形管状波导结构中单极子源或偶极子源的声场, 考察了声源类型和频率、管材声学参数和几何尺寸、管内介质声学性质及仪器直径等对管内声场特征的影响；据此提出了声速刻度井构建方案，并开展模拟实验验证该方案的可行性。数值结果表明，对于外表面应力自由的圆管状波导结构，单极子源激发的对称模式波的相速度频散曲线出现“平台”特征，不同声源频率所对应的时域波形的首至波速度与相速度频散曲线的“平台”值基本一致，管材的泊松比越小，“平台”所对应的速度值与管材的纵波速度越接近；对于偶极子激发的非对称声场，在低频范围内（二阶模式波截止频率以下），波形首至波的传播速度与最低阶模式的相速度基本相同，此时比较适合于偶极子声速测井仪的刻度。而且管材内径越小、壁厚越薄，越有利于声速测井仪的刻度。异形管内偶极子激发的声场模拟结果表明，利用异形管材来检测偶极子的各向异性探测能力还存在困难。另外，实验测量结果与理论模拟结果具有很好的一致性。. 在上述工作基础上，提出了利用有限壁厚管材构建声速测井仪模拟刻度井的可行性方案，并构建了相应的模拟刻度井，这为下一步形成刻度声速测井仪的行业标准和溯源体系奠定了良好的基础。