王軍， Zhu Zhenya， 鄭曉波

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 哈爾濱　150001 2 美國麻省理工學(xué)院地球、大氣與行星科學(xué)系， 波士頓　MA 02139

多極源隨鉆聲波測井實驗分析

王軍1， Zhu Zhenya2， 鄭曉波1

1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 哈爾濱150001 2 美國麻省理工學(xué)院地球、大氣與行星科學(xué)系， 波士頓MA 02139

摘要本文針對隨鉆聲波測井中鉆鋌波干擾地層聲波測量的問題，設(shè)計了小尺寸隨鉆聲波測井探頭，在實驗室內(nèi)開展了多極源(單極源、偶極源和四極源)隨鉆聲波測井實驗研究. 先在水池中對裸露的探頭進(jìn)行了隨鉆測量，記錄到了沿鉆鋌傳播的直達(dá)鉆鋌波，并獲得了不同聲源激發(fā)的鉆鋌波速度. 之后在砂巖和有機(jī)玻璃模型中進(jìn)行了隨鉆聲波測井實驗，觀測到多極源隨鉆測井的全波波形，并通過與水池中實驗結(jié)果的對比，分析了井中鉆鋌波的傳播特性. 特別地，在偶極隨鉆測井實驗中不僅記錄到了偶極一階鉆鋌波，還觀測到對彎曲波干擾較大的偶極二階鉆鋌波，進(jìn)而研究了不同聲源頻率下該波群的響應(yīng)特性及其對彎曲波測量的影響. 此外，基于單極源和偶極源隨鉆聲波測井實驗數(shù)據(jù)，本文發(fā)現(xiàn)：隨著聲源頻率的增加，單極和偶極鉆鋌波的傳播特性不同，但它們在測井全波中的相對幅度均降低，進(jìn)而可從測井全波中較好地提取地層的聲波速度. 本文實驗結(jié)果對隨鉆聲波測井儀器設(shè)計及測井?dāng)?shù)據(jù)解釋具有重要意義.關(guān)鍵詞隨鉆測井； 地層波速； 鉆鋌波； 頻率響應(yīng)

1引言

測井是石油工業(yè)重要的勘探測量手段，對地下油氣藏的發(fā)掘和開采起著關(guān)鍵作用.傳統(tǒng)測井方法為電纜測井，其勘探效率較低，而且還因為泥漿的侵入，導(dǎo)致測井?dāng)?shù)據(jù)的質(zhì)量下降. 因此，隨鉆測井技術(shù)(LWD)便發(fā)展起來(Aron et al.，1994；Heysse et al.，1996). 與電纜測井相比，隨鉆測井縮短了作業(yè)時間；增強(qiáng)了測井?dāng)?shù)據(jù)的有效性，使之能夠更加真實地反映地層特性(張辛耘等，2006). 此外，對薄石油儲層開采和海上石油開采，隨鉆測井技術(shù)的優(yōu)勢更加明顯. 利用隨鉆的地質(zhì)導(dǎo)向功能，可以調(diào)節(jié)鉆頭沿著薄石油儲層(或在鉆井平臺周圍)進(jìn)行大斜度井和水平井鉆進(jìn)，大幅提高了儲層的出油能力和經(jīng)濟(jì)效益.

隨鉆聲波測井是隨鉆測井技術(shù)之一，主要用于測量地層的縱波和橫波速度，進(jìn)而獲得地層的力學(xué)特性(張海瀾等，2004；王瑞甲等，2012). 如通過縱橫波速度可計算出地層的彈性模量，還可得到泊松比和孔隙度等參數(shù)，這些數(shù)據(jù)對描述地層特征非常重要. 但技術(shù)人員在分析測井?dāng)?shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)：隨鉆聲波測井存在一個嚴(yán)重的問題——由于不能像電纜測井那樣，對鉆鋌進(jìn)行密集刻槽或穿透刻槽來消除鉆鋌波，沿著鉆鋌傳播的鉆鋌波對地層聲波存在很大的干擾，甚至將地層聲波掩蓋，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確測量地層聲波速度. 為了減弱鉆鋌波的影響，諸多學(xué)者從不同角度對鉆鋌波特性進(jìn)行了理論模擬研究(Sinha et al.，1992；Plona et al.，1992；唐曉明和鄭傳漢，2004；崔志文，2004；Chi et al.，2005；王華等，2009；蘇遠(yuǎn)大等，2011)，但針對鉆鋌波的實驗測量研究極少(Zhu et al.，2008)，而且目前鉆鋌波干擾地層波速測量的問題依然存在.

近年來Zhu等(2012)提出利用孔隙介質(zhì)震電效應(yīng)的隨鉆震電測量方法，可以減弱鉆鋌波對地層聲波測量的干擾. 不過由于震電轉(zhuǎn)換能力十分微弱，測量難度較大，目前該方法還處于探索研究階段. 而Tang等(2002b)較早地指出四極子隨鉆聲波測井可避開鉆鋌波對螺旋波的影響，進(jìn)而能有效測量地層橫波速度. 但考慮到現(xiàn)在商用較多的隨鉆儀器還是單極源和偶極源隨鉆測井設(shè)備. 那么能否通過對鉆鋌波特性的研究，找到單極源和偶極源隨鉆測井情況下準(zhǔn)確測量地層縱橫波的方法呢？

針對上述問題，本文采用小尺寸模型井對單極源和偶極源鉆鋌波的特性進(jìn)行了實驗觀測分析. 與前人不同之處在于本文通過不同聲源頻率下的隨鉆實驗測量，不僅測量到了單極源和偶極源激發(fā)的一階鉆鋌波，還記錄到了理論預(yù)測中偶極源激發(fā)的二階鉆鋌波，并進(jìn)一步分析了它們的傳播特性及其對地層聲波測量的影響. 基于單極源和偶極源隨鉆測井實驗發(fā)現(xiàn)：隨著聲源頻率的增加，單極和偶極鉆鋌波的響應(yīng)不同，但它們在測井全波中的相對幅度均降低，進(jìn)而可從測井全波中提取地層的縱橫波速度.

2隨鉆聲波實驗?zāi)Ｐ图皽y量系統(tǒng)

2.1實驗?zāi)Ｐ途?/p>

本文實驗樣品及實驗測量系統(tǒng)均由美國麻省理工學(xué)院的地球資源實驗室提供，測量工作也在該實驗室完成. 實驗選用砂巖和有機(jī)玻璃制作模型井，用于模擬實際測井中的硬地層和軟地層情況，其物理參數(shù)如表1所示. 現(xiàn)場聲波測井的聲源頻率范圍約為2～20 kHz，考慮到實驗對象約為實際井孔直徑的1/10縮小模型，按照幾何相似關(guān)系，小模型井聲源頻率選擇在20～200 kHz之間.

表1　模型井物性參數(shù)

注：vP和vS分別為縱波和橫波速度；ρ為骨架密度；κ為滲透率；d為井孔直徑，其值約為真實井孔的1/10.

2.2隨鉆聲波測井探頭

設(shè)計實驗探頭如圖1a所示，其主體材料為不銹鋼，由3部分組成：聲源、接收器和連接桿，這三部分的詳細(xì)幾何尺寸見圖1a. 其中聲源由4塊材料相同的圓盤狀壓電片構(gòu)成，間隔90°分布在同一圓周上，并用環(huán)氧樹脂將其與鉆桿膠結(jié)固定. 每塊壓電片直徑為0.63 cm，厚度為0.37 cm. 實驗中只需調(diào)節(jié)外部電路的開關(guān)即可控制4塊壓電片的極化方式(見圖1b)，如聲源為單極源時，則使4個壓電片的極化方向均由鉆桿表面指向鉆桿內(nèi)部. 從而可將聲源看作單極源(M-pole)、偶極源(D-pole)或四極源(Q-pole)聲波發(fā)射器，保證了不同聲源工作時測量環(huán)境的一致性，同時也使得不同聲源測量數(shù)據(jù)的對比分析更加有意義.

隨鉆聲波測井的接收陣列為6組壓電片，其材料與聲源相同，每組2片，嵌于鋼管圓周凹槽內(nèi)，表面用環(huán)氧樹脂封裝，兩個接收器之間的距離為1.2 cm. 連接桿是隨鉆測井儀器的重要部分，長度為7.1 cm，其他參數(shù)見Zhu 等 (2008). 它將聲源和接收器緊密固定在一起，以模擬隨鉆測井過程(見圖1c)，而且本文中連接桿未進(jìn)行刻槽處理.

圖1　隨鉆聲波測井探頭(a)、聲源極化方式(b)及隨鉆聲波測井模型(c)Fig.1　The acoustic LWD detector(a)，polarization of sources(b)and LWD model(c)

2.3實驗測量系統(tǒng)

實驗測量系統(tǒng)如圖2所示，包括：高壓脈沖信號源(M350)，作為壓電片的激勵源，其輸出為負(fù)向單脈沖方波信號. 數(shù)字示波器(D630)，用于時時觀測實驗信號，且具有存儲功能. 濾波器(KH3202R)，可實現(xiàn)帶通濾波作用，用于消除工頻和其他噪聲干擾. 前置放大器(OL5660)，用于放大被測信號，放大倍數(shù)為40/60 dB可調(diào). 函數(shù)信號發(fā)射器(HP3314A)，用于頻率響應(yīng)特性分析時為壓電片提供不同頻率的激勵信號，其輸出為10 V正弦單脈沖信號，重復(fù)頻率為8次/秒. 值得說明的是單脈沖正弦信號和單脈沖方波信號都是脈沖信號，而不是只有一個頻率分量的單頻信號，因此它們都具有一定的帶寬，只是方波脈沖所包含的頻率分量更豐富. 因此，即使在它們中心頻率相同情況下，聲源在井中激發(fā)的聲場也會有差別.

圖2　模型井中聲波測井實驗測量系統(tǒng)Fig.2　The test system for the acoustic experiments

3隨鉆聲波實驗

3.1水池中隨鉆測量

進(jìn)行模型井實驗之前，我們先在水池中進(jìn)行了實驗測量，分析了沒有井孔存在情況下探頭鉆鋌波的傳播特性，聲源換能器的激勵頻率為100 kHz. 實驗時，將探頭裸露于水池中如圖3所示，除了探頭之外，水池里沒有任何其他物品，這樣接收換能器記錄到的直達(dá)信號即為不同聲源激發(fā)的鉆鋌波，結(jié)果見圖4. 圖中從左至右3列圖形分別對應(yīng)單極源(M-pole)、偶極源(D-pole)和四極源(Q-pole)激勵下的實驗結(jié)果，而每列的上下兩個圖形分別表示實驗記錄到的時域波形，以及由時域波形處理得到的頻譜圖.

由圖4中結(jié)果可知：實驗設(shè)計聲源探頭在單極源情況下激發(fā)一種鉆鋌波，它的傳播速度約為3100 m·s-1，我們用符號Cm1表示，其中C代表collar wave，m代表單極源，1代表激發(fā)鉆鋌波為一階模式，由于單極源可激發(fā)多種模式鉆鋌波，那么對其階數(shù)的定義可由頻散曲線中該模式鉆鋌波的截止頻率來確定(崔志文，2004；Sinha et al.，2009). 偶極和四極鉆鋌波也將采用類似的符號表示，如偶極二階鉆鋌波則記為Cd2，其物理意義為偶極源激發(fā)的二階模式鉆鋌波. 那么圖4中偶極源激發(fā)的兩種鉆鋌波分別為Cd1和Cd2，其速度約為960 m·s-1和3000 m·s-1，四極源激發(fā)的一種鉆鋌波(Cq1)，它的傳播速度約為3100 m·s-1. 而Zhu等(2008)偶極源隨鉆聲波測井實驗結(jié)果中只有速度較慢的鉆鋌波Cd1，沒有看到鉆鋌波Cd2，進(jìn)而也沒有分析Cd2鉆鋌波的特性. 但本文實驗發(fā)現(xiàn)：與Cd1相比，Cd2鉆鋌波對硬地層彎曲波測量的干擾更大，具體內(nèi)容見3.2節(jié)實驗分析.

圖3　水池中實驗測量模型Fig.3　The test model for collar waves in liquid

此外，從波形圖中發(fā)現(xiàn)三種聲源激勵下鉆鋌波的頻率都較低，其中心頻率約為20 kHz(見頻譜圖). 由于實驗之前并不知道鉆鋌波的激發(fā)頻譜，方波脈沖信號的頻率是依據(jù)經(jīng)驗和模型井的幾何尺寸選取. 由上述結(jié)果可知，此頻率作為聲源激勵頻率是與鉆鋌波的響應(yīng)頻率不匹配的，但這卻很好地說明實驗設(shè)計探頭激發(fā)的鉆鋌波是一種低頻波，其激發(fā)響應(yīng)帶寬主要集中在5～60 kHz之間. 通過圖4結(jié)果，我們對鉆鋌波有一定的認(rèn)識，得到了3種聲源激發(fā)鉆鋌波的傳播速度及頻譜特性，這為下文隨鉆聲波測井的數(shù)據(jù)分析提供了對比依據(jù).

3.2砂巖模型井中聲波測井實驗

為了對比分析鉆鋌波的傳播特性，我們先在砂巖模型井中進(jìn)行了電纜聲波測井實驗，之后在相同條件下進(jìn)行隨鉆聲波測井實驗，并將實驗結(jié)果與理論分析進(jìn)行對比. 實驗選用激勵源為方波脈沖信號，中心頻率為100 kHz，測量結(jié)果如圖5所示，圖中上下兩行圖形分別表示多極源電纜和隨鉆聲波測井的全波波形，圖中P、S分別表示地層縱波和橫波(或偶極彎曲波和四極螺旋波).

對于電纜聲波測井情況，當(dāng)聲源為單極源時，實驗觀測到了地層縱波和橫波波群，并通過6條曲線中到時連線的斜率計算出它們的速度約為4600 m·s-1和2600 m·s-1. 當(dāng)聲源為偶極源和四極源時，分別記錄到了地層的彎曲波和螺旋波，其速度分別為2550 m·s-1和2600 m·s-1. 上述實驗結(jié)果與通過巖石物理方法得到的參數(shù)(見表1)吻合很好，驗證了實驗測量系統(tǒng)的有效性. 此外，在彎曲波之前有擾動出現(xiàn)，可能是地層縱波，但幅度非常微弱.

圖4　水中探頭鉆鋌波的時域波形及頻譜圖Fig.4　The waveforms and frequency spectrums of collar waves in liquid

將隨鉆聲波測井結(jié)果與前文(電纜聲波測井和探頭在水池中隨鉆測量結(jié)果)對比可知：

(1) 圖5單極源隨鉆測井情況：通過與水池中和電纜測井實驗結(jié)果的比對可知，鉆鋌波Cm1的速度約為3100 m·s-1，介于地層縱波和橫波之間. 這樣地層縱橫波與頻率較低的鉆鋌波Cm1波群耦合在一起，導(dǎo)致很難準(zhǔn)確測量地層縱橫波速度. 由于本文是偏重實驗研究的文章，因此，主要工作是針對實驗結(jié)果的分析和處理，但為說明上述實驗現(xiàn)象，我們還是從理論上計算了單極源隨鉆聲波測井的全波波形. 考慮到隨鉆聲波實驗是在小尺寸模型井中進(jìn)行，所用激勵聲源的頻率較高(約100 kHz). 而高頻情況下程序溢出等問題嚴(yán)重. 因此，我們選擇實際井孔模型進(jìn)行數(shù)值模擬，聲源頻率為8 kHz，計算參數(shù)參照表1和鄭曉波等(2014). 進(jìn)而得到歸一化的單極源隨鉆聲波測井全波波形圖6a和源距3 m處的波形圖6b. 由于理論模擬結(jié)果中沒有噪聲等干擾信號，從圖中可以清楚地看到3個明顯的波群，其中a—a波群表示鉆鋌波，幅度較大；b—b波群表示地層橫波，幅度非常?。籧—c表示斯通利波. 圖中沒有看到縱波波群，但通過縱波的到時可知，它被鉆鋌波掩蓋掉了. 上述分析表明：理論計算和實驗結(jié)果非常接近，均說明鉆鋌波的出現(xiàn)干擾了地層聲波的測量，而且實驗結(jié)果中鉆鋌波對地層橫波的干擾程度更大.

(2) 圖5偶極源隨鉆測井情況：全波波形中按照到時依次記錄到3個波群，其中第一個和第三個波群為圖4中出現(xiàn)鉆鋌波，分別為二階鉆鋌波Cd2和一階鉆鋌波Cd1. 而鉆鋌波Cd2之后還有一個以橫波速度傳播的波群，為地層彎曲波(S波)，它與Cd2波群的尾部耦合在一起. 我們也從理論上模擬了偶極源隨鉆聲波測井的全波波形，見歸一化波形圖6c和源距3 m處波形圖6d. 理論計算結(jié)果中出現(xiàn)4個波群，分別為二階鉆鋌波(a—a)、地層彎曲波(b—b)、一階鉆鋌波(c—c)和一個幅度較弱的高階聲場(d—d，程序顯示該波群為六階聲場). 通過理論和實驗對比可知，除了無法從實驗波形中提取六階聲場(該波群主要被噪聲掩蓋，且?guī)缀醪挥绊懙貙勇暡ǖ臏y量)，理論計算波形與本文實驗結(jié)果吻合較好. 值得注意的是：本文偶極源隨鉆測井實驗還觀測到了理論計算中的二階鉆鋌波Cd2，之前未見到有關(guān)此波群的實驗觀測報道. 而且通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，Cd2鉆鋌波對彎曲波測量的影響是不可忽略的，因為它的傳播速度高于地層彎曲波，那么在實際測量時它將與彎曲波耦合在一起，并在彎曲波之前到達(dá)接收器，而且在一些頻率下(如圖10)幅度還要比彎曲波大，這很不利于地層彎曲波的測量，甚至?xí)⑵湔`判為偶極彎曲波，造成地層參數(shù)評價不準(zhǔn)確. 因此，上述實驗結(jié)果對測井?dāng)?shù)據(jù)解釋有參考價值.

此外，本文結(jié)果也符合前人計算偶極源隨鉆測井聲場頻散曲線(Tang et al.，2002a,2002b；崔志文，2004；Sinha et al.，2009)的變化規(guī)律. 只是Tang等(2002a,2002b)和崔志文(2004)將Cd1波定義為最低階地層彎曲波，可能是考慮到該波群受到地層參數(shù)的影響較大. 本文定義方式與Sinha等(2009)相同，主要考慮Cd1波是在隨鉆情況下產(chǎn)生(在沒有井的情況下也存在，見圖4)，但它在電纜測井中是沒有的. 但需要說明的是：鉆鋌波是一種導(dǎo)波，它是在鉆鋌和地層的共同作用下向前傳播，其傳播特性與鉆鋌和地層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，只是受到這兩種結(jié)構(gòu)的影響程度不同而已. 所以，關(guān)于Cd1波的不同定義是對鉆鋌波的理解角度不同造成的，這不會影響實驗和現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)的分析.

(3) 圖5四極源隨鉆測井情況：雖然也有鉆鋌波存在，但時域波形中能夠看到清晰的地層螺旋波波群，四極鉆鋌波對螺旋波的干擾極小，而且與單極源和偶極源隨鉆情況相比，四極鉆鋌波與螺旋波的耦合程度要弱得多. 此結(jié)果為Tang 等(2002a,2002b)提出的四極隨鉆聲波測井思想提供了實驗依據(jù).3.3有機(jī)玻璃模型井中聲波測井實驗

本文還在有機(jī)玻璃模型井中進(jìn)行了電纜和隨鉆聲波測井實驗，激勵信號不變. 由于有機(jī)玻璃為軟地層，圖7中單極源電纜測井主要用于測量地層縱波，通過時域波形計算出縱波的傳播速度為2700 m·s-1. 偶極和四極源情況下，記錄到的信號中不僅有幅度較強(qiáng)的彎曲波和螺旋波(速度約為1300 m·s-1)，還看到縱波波群. 上述結(jié)果與表1中參數(shù)相吻合.

圖7隨鉆測井中單極源和偶極源情況下，測井全波波形中只有單極和偶極鉆鋌波，無法從全波中獲得地層縱橫波. 但四極源情況下鉆鋌波依舊沒有對螺旋波的測量產(chǎn)生干擾，能夠準(zhǔn)確地從測井全波中獲得地層螺旋波速度，再次說明了四極源隨鉆測井的優(yōu)點.

圖5　砂巖模型井中電纜/隨鉆聲波測井實驗結(jié)果Fig.5　The well logging and LWD results with multipole source in sandstone borehole

圖6　聲源頻率為8 kHz時單極源和偶極源隨鉆聲波測井模擬結(jié)果(a) 單極源激發(fā)聲場的歸一化波形圖； (b) 單極源激發(fā)聲場3.0 m處波形圖； (c) 偶極源激發(fā)聲場的歸一化波形圖； (d) 偶極源激發(fā)聲場3.0 m處波形圖.Fig.6　Synthetic waveforms of the LWD with an 8 kHz monopole and dipole sources(a) Normalized full waveforms with monopole source； (b) Full waveform of acoustic pressure with monopole source at 3.0 m； (c) Normalized full waveforms with dipole source； (d) Full waveform of acoustic pressure with dipole source at 3.0 m.

圖7　有機(jī)玻璃模型井中電纜/隨鉆聲波測井實驗結(jié)果Fig.7　The well logging and LWD results with multipole sources in Lucite borehole

總結(jié)上述3種模型中隨鉆聲波實驗可知：當(dāng)測井探頭設(shè)計完成后，鉆鋌波的傳播速度，對地層聲波的干擾程度等，與聲源模式(單極源、偶極源、四極源)密切相關(guān). 在相同實驗條件下，四極螺旋波的測量幾乎不受鉆鋌波的影響，但考慮到現(xiàn)有儀器主要為單極源和偶極源測井，因此，若能在這兩種聲源模式下測量到縱橫波速度對油氣勘探是非常有意義的.

此外，通過實驗分析發(fā)現(xiàn)：本文設(shè)計測井探頭激發(fā)的鉆鋌波是一種低頻波，而地層聲波的頻率較高，實驗記錄到的測井全波是這兩類波相互疊加的結(jié)果(注：通過直接濾波的方法不能將兩者很好地區(qū)分開，而且直接濾波可能會濾掉有用的地層信息). 因此，考慮能否利用鉆鋌波和地層聲波響應(yīng)頻率范圍不同這一特點，來降低鉆鋌波的干擾，進(jìn)而實現(xiàn)對地層縱橫波的較好測量. 針對這一問題，在第4節(jié)采用單脈沖正弦信號作為激勵源，分析了鉆鋌波的頻率響應(yīng)，并對上述想法進(jìn)行了實驗論證.

4多極源鉆鋌波的頻率響應(yīng)

本節(jié)在砂巖模型井中開展了不同頻率下的隨鉆聲波測井實驗，用于分析聲源激勵頻率對鉆鋌波的影響. 通過3.1節(jié)知：鉆鋌波的響應(yīng)帶寬主要集中在5～60 kHz之間，中心頻率約為20 kHz，記為fC. 考慮本文以隨鉆研究為主，便沒有給出不同頻率下電纜測井結(jié)果，但實驗觀測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲源頻率為130 kHz時，電纜測井信號中單極源斯通利波、偶極彎曲波和四極螺旋波的幅度達(dá)到最大，因此，我們認(rèn)為地層聲波的激發(fā)中心頻率約為130 kHz，記為fF(注：此結(jié)果只是一個粗略的判斷). 這樣，根據(jù)鉆鋌波激發(fā)中心頻率(fC)和地層聲波激發(fā)中心頻率(fF)的大小關(guān)系，實驗選用2個有代表性的頻率(50 kHz和100 kHz)作為聲源的激發(fā)頻率，其中，50 kHz距離fC很近，離fF很遠(yuǎn). 100 kHz距離fC很遠(yuǎn)，離fF很近. 下面詳細(xì)分析單極源和偶極源隨鉆聲波測井的實驗結(jié)果.

(1) 單極源(見圖8)

當(dāng)激勵頻率為50 kHz時，一階鉆鋌波Cm1被很好地激發(fā)，能量很強(qiáng)，但此頻率非常接近壓電片的低頻激發(fā)極限，而且距離fF很遠(yuǎn)，這種情況不利于地層聲波的激發(fā)，形成的縱橫波也很弱. 因此，接收換能器記錄到的測井信號中單極鉆鋌波占絕對優(yōu)勢，此時通過數(shù)據(jù)處理也無法將地層聲波信號提取出來.

當(dāng)激勵頻率為100 kHz時，換能器的工作頻率遠(yuǎn)離fC，卻接近fF，此時鉆鋌波受到抑制，地層聲波的激發(fā)強(qiáng)度變大，這種此消彼長的過程使鉆鋌波Cm1大幅減弱，地層聲波在全波中凸顯出來，圖8頻譜也反映這一規(guī)律. 但全波中還是能夠看到頻率較低的鉆鋌波，它與地層聲波耦合在一起，如橢圓區(qū)域內(nèi)波形，根據(jù)波的到時可以確定，那是地層縱波疊加在低頻的鉆鋌波之上；又如箭頭對應(yīng)位置，橫波與鉆鋌波疊加在一起. 雖然此時波形中縱橫波的一致性不夠好，但與50 kHz情況相比，測井?dāng)?shù)據(jù)有了很大改善，至少能在全波中看到地層縱橫波.

為了更清楚地說明上述規(guī)律，我們選取距離鉆鋌波激發(fā)中心頻率更遠(yuǎn)的200 kHz作為聲源的激勵頻率，得到實驗結(jié)果如圖9所示，測井全波中能夠看到清晰的地層縱波和橫波波群，幾乎看不到低頻的鉆鋌波，頻譜圖中鉆鋌波對應(yīng)的低頻成分也很弱，而且此時的全波波形與電纜聲波測井記錄的波形非常相似，測井信號中地層聲波占絕對主導(dǎo)地位.

上述實驗結(jié)果，可以通過聲源激勵頻率與測井響應(yīng)(鉆鋌波和地層聲波響應(yīng))之間的關(guān)系來解釋. 為了說明這一問題，我們先介紹一種大家比較熟悉的情況，那就是單極源電纜聲波測井中對地層縱波和斯通利波的測量. 若是針對斯通利波的測量，就降低聲源的激勵頻率，以獲得較強(qiáng)的斯通利波信號；若是針對縱波的測量，則需提高聲源的激勵頻率，此時斯通利波幅度減小，且使頻率接近縱波的一個共振峰，以提高縱波的激發(fā)強(qiáng)度(董慶德等，1991). 這與本文實驗結(jié)果類似，本文中鉆鋌波的激發(fā)頻帶較低(中心頻率約20 kHz)，地層聲波的激發(fā)頻帶較高(中心頻率約130 kHz). 因此，當(dāng)聲源激勵頻率距離鉆鋌波激發(fā)頻帶較近時，測井信號中鉆鋌波很強(qiáng)，地層聲波很弱；隨著激勵頻率遠(yuǎn)離鉆鋌波，同時靠近地層聲波的激發(fā)頻帶時，鉆鋌波變?nèi)?，地層聲波變?qiáng)，這樣便得到圖8和圖9測量結(jié)果.

圖8　單極源隨鉆聲波測井時域波形及時間-速度圖Fig.8　The waveforms and velocity semblance from A-LWD method with M-pole source

圖9　聲源頻率為200 kHz單極源隨鉆聲波測井時域波形及頻譜圖Fig.9　The waveforms and frequency spectrum with M-pole source at 200 kHz

(2) 偶極源(見圖10)

當(dāng)聲源頻率為50 kHz時，圖10測井全波中只看到偶極鉆鋌波Cd1和Cd2，頻譜圖中主要是低頻成分，與地層聲波對應(yīng)的高頻成分很少. 隨著聲源頻率遠(yuǎn)離鉆鋌波的激發(fā)頻帶，鉆鋌波受到抑制.當(dāng)聲源頻率為100 kHz時，時域波形中除了鉆鋌波Cd1和Cd2之外，還能看到彎曲波波群(S波)，而且頻譜圖中也出現(xiàn)兩個波峰，分別對應(yīng)鉆鋌波和彎曲波的響應(yīng). 我們也在聲源頻率為200 kHz時進(jìn)行了實驗測量，結(jié)果見圖11，與100 kHz情況相比，圖11中鉆鋌波Cd1的幅度繼續(xù)減小，鉆鋌波Cd2的變化不大，而此時彎曲波幅度變大，到時一致性更好，但彎曲波的波形沒有圖5中方波脈沖激勵下波形清晰，這是由于方波脈沖涵蓋的頻率分量更豐富造成的. 此外，波形中Cd1后面到達(dá)的波群可能是模型井外壁引起的反射波，因為該波群的傳播速度很快，但到時很晚，因此不影響地層聲波的測量. 由以上分析可以看出，隨著聲源頻率的提高，一階和二階鉆鋌波在全波中相對幅度降低，使得彎曲波凸顯出來，這有利于地層彎曲波的測量.

圖10　偶極源隨鉆聲波測井時域波形及時間-速度圖Fig.10　The waveforms and velocity semblance from A-LWD method with D-pole source

圖11　聲源頻率為200 kHz偶極源隨鉆聲波測井時域波形及頻譜圖Fig.11　The waveforms and frequency spectrum with D-pole source at 200 kHz

通過上面的分析可知：隨著聲源激勵頻率逐漸增大，并遠(yuǎn)離鉆鋌波的激發(fā)頻帶，單極源和偶極源鉆鋌波的響應(yīng)不同：單極鉆鋌波幅度明顯降低，甚至在全波中看不到鉆鋌波；偶極鉆鋌波對彎曲波的干擾也減弱，不過全波中依然有鉆鋌波存在，且幅度與彎曲波的幅度相當(dāng). 但這兩種情況均有效降低了鉆鋌波對地層聲波的干擾，從而實現(xiàn)在單極源和偶極源激勵下對地層聲波的測量. 另外，本文所用鉆鋌是沒有經(jīng)過刻槽處理的，若在鉆鋌刻槽情況下，鉆鋌波的干擾將進(jìn)一步減弱.

5結(jié)論

本文在水池、硬地層和軟地層模型中開展了隨鉆聲波實驗測量. 在鉆鋌不刻槽情況下，觀測到了不同聲源頻率下砂巖模型井中隨鉆聲波測井的全波波形，并進(jìn)一步分析了多極源鉆鋌波的傳播特性及其對地層聲波測量的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1) 鉆鋌波與聲源模式(單極、偶極和四極源)和聲源激勵頻率密切相關(guān)，不同聲源模式或不同聲源頻率激勵下，鉆鋌波的模式、傳播速度及其在全波中的相對幅度不同. 而且在相同條件下，單極和偶極鉆鋌波對軟地層中地層聲波測量的干擾更大.

(2) 實驗觀測到了理論模擬中偶極源激發(fā)的二階鉆鋌波Cd2，之前未見有關(guān)此鉆鋌波的實驗報道. 而且本文實驗分析表明，該鉆鋌波對硬地層彎曲波測量的影響很大，通過對其傳播特性的研究發(fā)現(xiàn)：由于Cd2的傳播速度高于地層彎曲波速度，它與后到達(dá)的彎曲波耦合在一起，嚴(yán)重干擾了地層彎曲波的測量，甚至?xí)⑵湔`判為偶極彎曲波，造成地層參數(shù)評價不準(zhǔn)確. 該結(jié)果對偶極隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)解釋具有重要參考價值.

(3) 不同頻率下的單極和偶極源隨鉆聲波測井實驗表明：鉆鋌波對地層聲波的干擾程度受聲源激勵頻率的影響較大. 而且本文實驗發(fā)現(xiàn)這兩種聲源激發(fā)鉆鋌波的頻率響應(yīng)不同：隨著聲源頻率逐漸增大：單極源鉆鋌波幅度明顯降低，甚至在全波中看不到鉆鋌波；偶極源鉆鋌波對彎曲波的干擾也減弱，不過全波中依然有鉆鋌波存在，且幅度與彎曲波的幅度相當(dāng). 但此時可有效降低鉆鋌波對地層聲波的干擾，從而實現(xiàn)在單極和偶極源情況下對地層聲波的測量.

致謝感謝課題組胡恒山教授在本文實驗數(shù)據(jù)分析及文章撰寫過程中給予的指導(dǎo)意見.

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(本文編輯何燕)

Experimental analysis on acoustic LWD with multipole source

WANG Jun1， ZHU Zhenya2， ZHENG Xiao-Bo1

1DepartmentofAstronauticsandMechanics，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China2DepartmentofEarth，AtmosphericandPlanetaryScience，MassachusettsInstituteofTechnology，Boston，MA02139，USA

AbstractThe acoustic logging while drilling (LWD) is an important technology in the petroleum exploration, but the collar waves propagated along the collar from source to receiver make it difficult to measure the P wave and S wave velocities. In this paper, the properties of multipole collar waves are studied from acoustic LWD experiments with a scaled laboratory detector that is built with monopole，dipole and quadrupole modes. We first measure the collar waves with a infinite liquid model when the detector is put in a water tank. The collar waves are recorded with multipole sources. Then we conduct acoustic LWD measurements in sandstone and Lucite borehole models. The frequency responses of collar waves are analyzed and compared with results obtained from the liquid model. Specially, the one and two order collar waves excited by the dipole source are recorded, their influences on the measurements of flexural wave are analyzed later. Based on the full waves measured with monopole and dipole sources, it is found that the relative amplitude of collar waves can be effectively reduced with the increasing source frequency, so that the formation waves can be measured well. This study is useful for the design of LWD detector and the data interpretation.KeywordsLWD； Formation velocity； Collar wave； Frequency response

基金項目國家自然科學(xué)基金(41304091)，國家54批博士后基金(2013M541357)，黑龍江省留學(xué)歸國科學(xué)基金(LC201420)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(HIT.NSRIF.2014028)資助.

作者簡介王軍,男,1982年生，講師，主要從事巖石物理實驗和聲波/震電測井研究.E-mail:wangjun2012@hit.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160533 中圖分類號P631

收稿日期2014-10-22，2015-08-05收修定稿

王軍， Zhu Zhenya， 鄭曉波. 2016. 多極源隨鉆聲波測井實驗分析.地球物理學(xué)報，59(5):1909-1919,doi:10.6038/cjg20160533.Wang J, Zhu Z Y, Zheng X B. 2016. Experimental analysis on acoustic LWD with multipole source.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(5):1909-1919,doi:10.6038/cjg20160533.