随钻测量中的非轴对称的井孔声场

The non-axisymmetric wave field for acoustic logging-while-drilling (ALWD) is the theoretical issue of the wave-guide in a semi-opened radially layered model with the irregular section. It is the physical base of ALWD technique. And it is a frontier topic and the cross discipline of physics, geophysics, geology, and information sciences. The research of non-axisymmetric wave fields for ALWD is significant for the development of acoustical wave-guide theories, sonic measurements, and the data interpretation. It is of importance in both academics and application for a newly growing subject. In this proposal we plan to focus on the non-axisymmetric model composed of the tool, the borehole, and the formation. Elastic-wave properties in the cutting bits, the steel collars, and the irregular acoustic configurations will be revealed in details. And we will figure out the production and propagation of both collar waves and drilling noises, and will propose the weak-signal processing means for the ALWD field data. The reservoir inversion and imaging will be studied after the quantitative correlation is established between the wave components of ALWD responses and the formation properties. Moreover, we will also set up a scaled model with non-axisymmetric media to record the sonic signals from ALWD tests. Such experiments are performed to reveal the variation of the non-axisymmetric acoustic fields in the space and the time domains. The measurement results are expected to validate the theoretical and the numerical studies.

随钻测量中的非轴对称井孔声场，属于截面不规则的径向多层介质半开放声波导理论问题，也是随钻声波测量的物理基础，其应用基础属于物理学与地球物理学、地质学，以及信息科学交叉边缘学科研究范畴，也是当前国际上的研究热点。其研究对于丰富和发展声波导理论，创新声波测量方法，开展相关资料反演，培育新的学科生长点，都具有及其重要的学术意义和很强的应用背景。本项研究拟以非轴对称不规则截面下的仪器-井孔-地层介质模型为对象，研究随钻测量中的井孔声场表述，搞清声波在有钻头、钻铤及不规则声系结构下的传播特征，明晰钻铤波和噪声在复杂钻井环境下的产生和传播机理，研究地层声学特性对随钻测量波场中各成分的影响因素，探索随钻测量中的信号反演和远程探测成像方法。同时，建立实验室缩尺模型，进行随钻声波响应的物理模拟，从而揭示非轴对称井孔中的声场时空变化规律，并与理论分析及数值模拟结果相互对比和验证。

本项目针对深地科学钻探随钻声波测量中的关键科学问题和核心关键技术，以固体声学物理、不规则截面的径向多层介质非轴对称钻孔随钻测量环境下的声波传播机理和地质反演问题为导向，通过对随钻测井声场的模式表述、三维声场可视化以及缩尺模型实验研究，进一步揭示非轴对称井孔声场的演化规律和影响因素，丰富柱面分层声波导和声子晶体理论，发展微弱信号处理方法，为解决目前随钻声波测量中面临的新问题和新挑战提供坚实的物理基础和具体指导。研究成果主要包括：.1..在理论研究上：提出了随钻广义钻铤波传播理论，揭示了随钻声波测量中的直接和间接钻铤波的时空分布规律，丰富了随钻井孔中模式波的传播理论，明晰了钻铤波及其与地层井孔的耦合机制。另外，项目在能量守恒的框架下，完成了任意各向异性多相孔隙介质的声波动力学理论的建立，为研究多物理场耦合机制研究开辟了新思路，具有较重要的学术价值。.2..在钻铤波的传播特性和压制方面：基于钻铤波的传播机理及柱面声子晶体理论，结合随钻测量环境，对不同频率下钻铤波产生的振动特征进行分析，优化设计了可用于压制钻铤波的耐高温、耐高压及抗振动的隔声体结构。建立了钻铤波传播特性的测试平台，用实验的手段揭示了钻铤波特性及沿着井轴方向和直径方向的传播及衰减规律，检验了隔声体的性能。.3..在随钻测量数据的应用研究方面，形成完整的随钻声波测井资料处理方法，包括对钻井噪声和钻铤波的压制、地层横波速度提取、井外地层各向异性评价算法，以及三维随钻声反射波成像方法，实现对井外储层边界和裂缝的精确定位等方法和技术。.4..在成果的进一步推广和应用方面：试制了1只随钻声波测井实验样机，并在实验室模拟井中和现场实际钻井施工中进行实验样机的性能测试和检验分析，形成了一批耐高温、耐高压、抗振动的随钻声波测井仪器的核心技术，为进一步开发我国自主知识产权的随钻声波测井工程化仪器装备提供坚实的物理基础和强有力的技术支撑。