【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水泥套管井环空介质的弹性参数反演；尤其涉及一种超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法。
技术介绍
1、固井质量评价是油气资源安全开采、储气库建设和碳封存等领域必不可少的重要环节。通过对套管后水泥环空介质的弹性参数模型反演，可以计算水泥环空的厚度分布，确定水泥缺失与微裂缝的位置，从而定量评价套管-水泥环空界面(i界面)和环空介质-地层界面(ii界面)的胶结质量，对判断井筒的完整性，实现油、气、水层的封隔，防止层间流体和可燃气体的窜槽，射孔层位的准确确定、提高油气井开采效率和使用寿命、保障生态环境和开采安全具有重要意义。
2、超声弯曲波测井是目前评价水泥胶结质量的重要方法，见图1所示，该仪器采用特定的角度入射，在套管中激发沿着井轴方向传播的零阶反对称模式lamb波，即a0模式波。a0模式波在传播过程中部分能量泄露到环空介质并被地层界面反射回井内，形成携带环空介质-地层界面信息的第三声学界面反射回波，即tie反射波。
3、目前，基于tie反射波的特征定量评价套管井水泥环空介质的胶结质量是当前学术界和工业界的热点与难点。胡文祥等(2020)分析了tie反射波包络的衰减与水泥材料的关系，结合脉冲回波测井的阻抗反演结果，给出了水泥环空介质空间的水力联通图像，为有效识别“窜槽”提供技术支撑。然而，tie反射波的衰减率与不同种类水泥胶结质量的变化规律比较复杂，仅使用tie的衰减率无法准确评价环空介质的水泥胶结质量。陈沭华等(2019)利用a0模式波和tie反射波的包络幅度定性判断了双层套管中的水泥
4、针对这一问题，本专利技术提出一种适用于指向性超声声源和超声弯曲波测井环境的套管后水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，综合利用正演超声弯曲波与实测超声弯曲波的波形差异，反演套管后水泥环空介质的弹性参数(纵波速度、横波速度和密度)分布，为环空介质厚度的准确计算、定量评价环空介质的局部水泥缺失和微裂缝、定位水泥返高面提供理论与技术支撑，对提高油气井开采效率、保障资源开采安全、推动复杂套管井井壁超声成像理论的发展具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供了一种超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术涉及一种超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，包括如下步骤：
4、step1：输入原始记录的套管井超声弯曲波测井波形数据、观测系统数据和初始的弹性参数分布数据；
5、step2：依据正演合成的套管井超声弯曲波波形与实测的套管井超声弯曲波波形之差的2范数，在时间域建立套管井二维弹性波全波形反演目标函数；
6、step3：指向性超声声源子波的估计；与地震勘探不同，套管井超声弯曲波测井使用的是具有方位辐射特性的指向性声源，因此需要在每次反演迭代过程中加入指向性超声声源子波的估计；
7、step4：对反演目标函数进行全变差正则化；针对套管后tie反射波幅度较弱的问题，对反演目标函数加入全变差正则化以降低强幅度噪声引起的反演误差；
8、step5：基于实测数据与合成数据残差波场的逆时传播计算伴随波场，使用链式求导法则得到反演目标函数的梯度；
9、step6：对环空介质区域的梯度施加空间预条件因子，增强套管后水泥环空区域的梯度；
10、step7：采用lbfgs反演算法和线性更新方式获取套后水泥环空介质的弹性参数模型。
11、优选地，在step1中，所述初始的弹性参数包括初始纵波速度、横波速度与密度值。所述弹性参数模型是假设水泥环空介质非均匀，在不同位置具有不同的弹性参数值。因此，本专利技术网格离散化水泥环空介质，然后反演水泥环空所有网格点上的纵波速度、横波速度与密度值。此外，还需要设置合理的时间采样间隔和网格大小。
12、优选地，在step2中，所述建立套管井二维弹性波全波形反演目标函数的公式(1)如下所示：
13、
14、式(1)中，dcal和dobs分别为正演合成与实际接收的超声弯曲波波形，f为正演算子，α为真实的超声声源子波，m为套管井的弹性参数模型，包含纵波速度、横波速度和密度，e为反演目标函数。
15、优选地，在step3中，所述指向性声源子波的估算如公式(2)所示：与地震勘探不同，套管井超声弯曲波测井使用的是具有方位辐射特性的指向性声源；此外，由于数值计算使用的声源子波可能与真实情况存在差异，导致全波形反演无法得到真实的模型参数，因此需要在每次迭代过程加入指向性声源子波的估算：
16、
17、式(2)中，t为矩阵转置算子，为估算的指向性声源子波，arg min为使函数达到最小值的变量值，dcal和dobs分别为正演合成与实际接收的超声弯曲波波形，α为真实的超声声源子波。
18、优选地，在step4中，所述全变差正则化的公式如式(3)所示：针对套管后tie反射波幅度较弱的问题，在反演目标函数加入全变差正则化以降低强幅度噪声引起的反演误差：
19、
20、式(3)中，e2为加入全变差正则化的全波形反演目标函数，ε是用来平滑零点处全变差范数的系数，λ是正则化因子，||m||tv为弹性介质模型的正则化项，和分别为弹性介质模型m在x和z方向的梯度。
21、优选地，在step5中，所述求解目标函数的梯度如公式(4)、(5)所示：
22、通过实测数据与合成数据的残差波场逆时传播计算伴随波场，使用链式求导法则得到目标函数关于纵波速度、横波速度和密度的一阶偏导数：
23、
24、式(4)中，λ、μ和ρ0分别为拉梅系数、剪切模量和密度，σxx、σzz和σxz分别为正演模拟超声波场各网格节点的x方向正应力、z方向正应力和x-z方向切应力，vx和vz分别为正演模拟超声波场各网格节点的x和z方向的质点速度，和分别为伴随波场的x方向正应力、z方向正应力和x-z方向切应力，和分别为伴随波场的x方向和z方向的质点位移，t是总记录时间，g为模型空间；
25、采用链式求导法则可得目标函数关于纵波速度、横波速度和密度的一阶偏导数：
26、
27、式(5本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step1中，所述初始的弹性参数分布数据包括初始纵波速度、横波速度与密度值。
3.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step2中，所述建立套管井二维弹性波全波形反演目标函数的公式(1)如下所示：
4.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step3中，所述指向性声源子波的估算如公式(2)所示：
5.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step4中，所述全变差正则化的公式如式(3)所示：
6.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step5中，所述求解目标函数的梯度如公式(4)、(5)所示：
7.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，
8.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step7中，所述线性更新如式(7)所示：
9.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在Step7中，所述水泥环空介质的弹性参数包括：纵波速度、横波速度和密度。
...【技术特征摘要】
1.一种超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在step1中，所述初始的弹性参数分布数据包括初始纵波速度、横波速度与密度值。
3.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在step2中，所述建立套管井二维弹性波全波形反演目标函数的公式(1)如下所示：
4.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于，在step3中，所述指向性声源子波的估算如公式(2)所示：
5.如权利要求1所述的超声弯曲波测井水泥环空介质弹性参数模型的反演方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：李萌，王华，肖梦想，张申，陈坤，袁昊，李嘉乐，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：
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