孔隙介質(zhì)彈性波—電磁場(chǎng)耦合效應(yīng)測(cè)井的波場(chǎng)模擬研究.pdf

1、本文研究流體飽和孔隙介質(zhì)中彈性-電磁耦合波場(chǎng)的解析與數(shù)值模擬方法?？紫督橘|(zhì)中的彈性波場(chǎng)本身是固相骨架變形與孔隙流體滲流的耦合場(chǎng)，而由于孔隙液體含非均勻分布的帶電離子，彈性波場(chǎng)還與電磁波場(chǎng)耦合，這種雙重的耦合作用被稱為震電效應(yīng)。探索基于震電效應(yīng)的勘探和測(cè)井新方法，是當(dāng)前勘探地球物理界，特別是油氣勘探開發(fā)界關(guān)注的研究方向。為了弄清震電波場(chǎng)的激發(fā)和傳播規(guī)律以及各種地層參數(shù)對(duì)震電波場(chǎng)的影響，需要研究震電波場(chǎng)的模擬方法，特別是可以用于非均勻孔隙地

2、層中震電波場(chǎng)模擬的數(shù)值算法。
　　本文以聲電測(cè)井為背景,基于井內(nèi)為流體、井外為流體飽和孔隙地層的介質(zhì)模型，研究井內(nèi)點(diǎn)聲源激發(fā)的井孔聲場(chǎng)及其誘導(dǎo)電磁場(chǎng)和井內(nèi)電流源激發(fā)的井孔電誘導(dǎo)聲場(chǎng)的解析和數(shù)值模擬方法，為開展這聲電測(cè)井的可行性研究奠定基礎(chǔ)。主要內(nèi)容包括：
　　在忽略誘導(dǎo)電磁場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)影響的前提下，先獨(dú)立計(jì)算井中點(diǎn)聲源激發(fā)的聲場(chǎng)，再通過引入赫茲矢量，求解聲波誘導(dǎo)電磁場(chǎng)的解析表達(dá)式。并將波場(chǎng)推廣到非井軸對(duì)稱情形，結(jié)合多極聲電測(cè)井，

3、采用實(shí)軸積分法模擬聲波誘導(dǎo)電磁場(chǎng)的全波波形。分析滲透率、孔隙度、彎曲度、流體粘度、礦化度等地層參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)及其誘導(dǎo)電磁場(chǎng)波形的影響，并對(duì)比聲波測(cè)井和聲-電測(cè)井響應(yīng)對(duì)各種地層參數(shù)的敏感度。
　　采用兩種不同方法推導(dǎo)井內(nèi)沿井軸放置的電偶極子激發(fā)的電磁場(chǎng)及其誘導(dǎo)聲場(chǎng)的解析表達(dá)式。一種是直接求解 Pride震電耦合方程組；另一種是在忽略誘導(dǎo)聲場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)影響的前提下，先獨(dú)立計(jì)算電磁場(chǎng)，再求解其誘導(dǎo)聲場(chǎng)。應(yīng)用實(shí)軸積分法模擬電誘導(dǎo)聲場(chǎng)的全波波形。

4、通過對(duì)兩種方法模擬波形的比較，驗(yàn)證忽略誘導(dǎo)聲場(chǎng)對(duì)電磁場(chǎng)影響的簡(jiǎn)化計(jì)算的可行性。分析井孔電誘導(dǎo)聲場(chǎng)波形的特點(diǎn)，以及各種地層參數(shù)對(duì)井孔電誘導(dǎo)聲場(chǎng)波形的影響。
　　針對(duì)井中水平電流環(huán)激發(fā)的電-聲測(cè)井，通過直接求解Pride方程組的方式，推導(dǎo)電場(chǎng)及其誘導(dǎo)聲場(chǎng)的解析表達(dá)式，并采用實(shí)軸積分法模擬全波波形。研究這種測(cè)井方法在橫波速度測(cè)井方面的應(yīng)用價(jià)值。
　　實(shí)現(xiàn)了對(duì)井內(nèi)流體、井外為水平分層孔隙地層中彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬的速度-應(yīng)力交錯(cuò)網(wǎng)格時(shí)域

5、有限差分(FDTD)算法。相比于前人的孔隙彈性波FDTD算法，本文算法考慮慣性力對(duì)粘性流體流動(dòng)的影響，適用于測(cè)井頻率范圍內(nèi)的模擬。使用目前公認(rèn)吸收效果最好的完全匹配層(PML)吸收邊界條件消除由計(jì)算邊界的截?cái)鄮淼娜斯し瓷洌⒉捎昧瞬环至褕?chǎng)量的 PML處理方式。分別采用兩種不同的方式解決不同介質(zhì)交界面上場(chǎng)量的差分離散化問題。一種是利用界面兩側(cè)介質(zhì)的差分方程和場(chǎng)量在界面上的連續(xù)性條件推導(dǎo)出一組顯式邊界條件差分方程；另一種是在界面上仍采用均

6、勻介質(zhì)中場(chǎng)量的差分方程形式，但是方程中的參數(shù)取界面兩側(cè)介質(zhì)中對(duì)應(yīng)參數(shù)的平均值，作者稱其為參數(shù)平均法。針對(duì)不同源頻率和地層參數(shù)的多個(gè)算例，將FDTD算法模擬的波形與實(shí)軸積分法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)地比較，驗(yàn)證FDTD算法的正確性。然后，采用FDTD算法模擬井外水平分層地層中聲波測(cè)井的全波波形和波場(chǎng)分布情況。
　　證明了在彈性波的交錯(cuò)網(wǎng)格FDTD算法中應(yīng)用參數(shù)平均法與利用場(chǎng)量的連續(xù)性條件進(jìn)行推導(dǎo)的等價(jià)性。另外，在采用統(tǒng)一的方程組表示固體、

7、流體和孔隙介質(zhì)中彈性波的情況下，將參數(shù)平均法擴(kuò)展到處理任意由上述三種介質(zhì)組成的交界面問題，實(shí)現(xiàn)可以數(shù)值模擬含有固體、流體和孔隙介質(zhì)組成的復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)中彈性波傳播問題的FDTD算法。該算法的實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙介質(zhì)中彈性波FDTD算法的規(guī)范化和推廣使用具有重要意義。
　　分別提出電-聲和聲-電測(cè)井的有限差分模擬方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水平分層孔隙地層中井孔電誘導(dǎo)聲場(chǎng)和聲誘導(dǎo)電場(chǎng)的數(shù)值模擬。電-聲測(cè)井的有限差分模擬，采用先計(jì)算電場(chǎng)再計(jì)算其誘導(dǎo)聲場(chǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算

8、方法?？紤]到低頻電偶極子激發(fā)的電磁場(chǎng)可看成似穩(wěn)場(chǎng)，將問題轉(zhuǎn)化為求解關(guān)于電位的泊松方程。采用有限差分法模擬電位點(diǎn)的空間分布。在電場(chǎng)已知的前提下，對(duì)FDTD模擬點(diǎn)聲源激發(fā)聲波測(cè)井的算法進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)這種由井外孔隙地層中電場(chǎng)空間的不均勻分布和時(shí)變特性所誘導(dǎo)的聲場(chǎng)響應(yīng)的模擬。聲-電測(cè)井的有限差分模擬，在不考慮誘導(dǎo)電場(chǎng)對(duì)聲場(chǎng)影響的前提下，先利用聲波測(cè)井的FDTD模擬算法獲得不同時(shí)刻聲場(chǎng)的空間分布。與空間位置固定的電流源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不同，孔隙介質(zhì)中

9、聲波誘導(dǎo)的電磁場(chǎng)是由空間波動(dòng)的電流源產(chǎn)生的。誘導(dǎo)電場(chǎng)可看作是低頻似穩(wěn)場(chǎng)，將問題轉(zhuǎn)化為在不同時(shí)刻模擬這種空間波動(dòng)電流源導(dǎo)致的井內(nèi)外電位分布，進(jìn)而采用有限差分法模擬電場(chǎng)。在井外為均勻孔隙地層情況下，分別將有限差分模擬的聲誘導(dǎo)電場(chǎng)和電誘導(dǎo)聲場(chǎng)波形與實(shí)軸積分法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證有限差分算法的正確性。采用有限差分算法模擬井外孔隙地層中存在水平介質(zhì)分界面的電-聲測(cè)井誘導(dǎo)聲場(chǎng)和聲-電測(cè)井誘導(dǎo)電場(chǎng)的全波波形和波場(chǎng)分布，并分析電誘導(dǎo)聲場(chǎng)和聲誘導(dǎo)電場(chǎng)