聲波相控陣在隨鉆測井中的應(yīng)用思考

摘 要：介紹了常規(guī)聲波相控陣技術(shù)在聲波測井中的應(yīng)用，并提出如能將該技術(shù)與隨鉆測井技術(shù)結(jié)合，在聲波測井過程中不僅可以利用相控陣聲源模式抑制鉆鋌波，而且可以利用聲波相控陣技術(shù)得到更加準(zhǔn)確的地層信息，從而提高我國的測井技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：聲波相控陣；隨鉆聲波測井；聲源模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.066

1 引言

人類對(duì)于地球內(nèi)部的探索遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及對(duì)于宇宙的探索，這是因?yàn)樘剿鞯貙拥碾y度遠(yuǎn)高于太空。測井就是一門探究地層的科學(xué)，是人們了解地層的一種手段、一個(gè)渠道。它廣泛地應(yīng)用于地層評(píng)價(jià)、地質(zhì)應(yīng)用、工程應(yīng)用、動(dòng)態(tài)監(jiān)測中。它可以為科研人員提供精確的地球物理信息，幫助工程技術(shù)人員準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)地層，為油藏開發(fā)制定科學(xué)的方案，大大降低了開發(fā)成本。如今測井已成為地層資源開發(fā)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。

測井技術(shù)發(fā)展至今，已有八十多年的歷史，大體經(jīng)歷了模擬測井、數(shù)字測井、數(shù)控測井、成像測井四個(gè)階段。測井技術(shù)主要分為聲波測井、電法測井、核測井三類，這三類傳統(tǒng)測井方法近幾年涌現(xiàn)出大量新技術(shù)，體現(xiàn)了整個(gè)行業(yè)的生命力和創(chuàng)造力。聲波測井將相控陣技術(shù)應(yīng)用到工程中，大大提高了接受信息數(shù)據(jù)的效率；電法測井如今已進(jìn)入電成像測井階段，將巖層電阻率或聲阻抗的變化轉(zhuǎn)化為色度，使人們更加直觀地了解地層；核測井中的核磁共振測井技術(shù)和元素俘獲測井技術(shù)也大量應(yīng)用在工程中。再加上幾十年間計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，科研人員將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測井，利用多類軟件分析測井所得到的信息和數(shù)據(jù)，給出更準(zhǔn)確地測井解釋，使測井技術(shù)有了巨大的進(jìn)步。

2 聲波相控陣技術(shù)

2.1 單極子聲源在充液裸眼井孔中產(chǎn)生的對(duì)稱聲場

上列各式中：f1、f2、y2分別為井內(nèi)流體標(biāo)勢、井外固體標(biāo)勢、井外固體矢勢；k1為聲波在井內(nèi)流體中傳播時(shí)的波數(shù)；kc為聲波在井外固體中傳播時(shí)縱波的波數(shù)；kS為聲波在井外固體中傳播時(shí)橫波的波數(shù)；k為聲波沿著z軸傳播時(shí)的波數(shù)；K0、K1為第二類零階及一階虛宗量Bessel函數(shù)；I0、I1為第一類零階及一階虛宗量Bessel函數(shù)；A（k）、B（k）、C（k）均表示與k相關(guān)的系數(shù)；C表示常系數(shù)；r、z表示柱坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變量；ρ1表示井孔中流體密度；ρ2表示井孔外固體密度；a表示在井壁處半徑；t表示時(shí)間。

2.2 多極子聲源在充液裸眼井孔中產(chǎn)生的非對(duì)稱聲場

我們可以看出，單極子聲源在充液裸眼井孔中可以激起無限多種模式波，每種模式波都是頻散波。聲源頻率越高，激起的模式波種類越多。單極子聲源在硬地層充液井孔中可以產(chǎn)生折射縱波、折射橫波和斯通利波等波動(dòng)模式，但單極子聲源在軟地層充液井孔中無法激勵(lì)起折射橫波。

我們?nèi)绻褂枚鄻O子聲源，比如偶極子聲源，可以在充液裸眼井孔中激勵(lì)起彎曲波，再比如四極子聲源，可以在充液裸眼井中激勵(lì)起螺旋波。偶極子波和四極子波都具有截止頻率，并且在截止頻率附近，多極子波的速度等于地層橫波的波速。基于這一特性，我們可以利用非對(duì)稱聲源測量地層橫波波速。

2.3 聲波相控陣技術(shù)原理

常規(guī)聲波測井使用單極子聲波探頭，這種聲波沒有指向性，聲波在地層中四面八方的輻射，只有少部分能量被聲波探測器接受，大部分的能量都損失在了地層中，而且使用單極子源會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，影響對(duì)地層信號(hào)的接收。偶極子聲源和四極子聲源已經(jīng)具有明確的指向性，聲波相控陣技術(shù)則更加靈活，它將多個(gè)單極子源組合起來，使聲源的指向性更易于被控制。研究人員調(diào)整每個(gè)單極子發(fā)射聲波的時(shí)間，形成一定的時(shí)間差，使輻射聲場可以向某一方位集中輻射，提高了測量信號(hào)的信噪比和分辨率。

上列各式中：θ為場點(diǎn)的指向角；J0為零階Bessel函數(shù)；J1為一階Bessel函數(shù)；D為圓管換能器的平均半徑；λ為聲源所在介質(zhì)的波長；d為相鄰陣元之間的距離；H為圓管換能器的高度；θS為相控線陣輻射器聲束主瓣的偏轉(zhuǎn)角[2]。

基于聲波相控陣的原理，出現(xiàn)了大量聲波測井新技術(shù)，如：方位固井質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)、三維聲波測井技術(shù)、反射橫波成像測技術(shù)、方位反射聲波測井技術(shù)等?？蒲腥藛T研發(fā)出了方位聲波固井質(zhì)量檢測儀（AABT），它是具有方位分辨率的、工作在音頻范圍內(nèi)的固井質(zhì)量聲波測井系統(tǒng)。聲波相控陣技術(shù)的出現(xiàn)提高了聲波測井的效率和效果，可以得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

3 聲波相控陣在隨鉆測井中的應(yīng)用

隨鉆測井（LWD）是最近幾年在國外迅速崛起的新型測井技術(shù)，在國內(nèi)的使用還并不廣泛。相較于普通的電纜測井，隨鉆測井有許多優(yōu)點(diǎn)。首先隨鉆測井得到的地層測井曲線是被鉆井液輕微侵入或者根本沒有侵入時(shí)測得的，大大減少了泥餅對(duì)于測井曲線的影響，使測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。其次，對(duì)于水平井或者一些其他惡劣條件比如松軟的地層，電纜測井下放測井儀器困難，隨鉆測井則完全沒有這個(gè)問題。隨鉆測井在鉆井的同時(shí)測井，不僅減少了工程時(shí)間，而且減少了工程成本，是將來測井的主要方向。

隨鉆測井在鉆井過程中產(chǎn)生的鉆鋌模式波會(huì)將我們需要的地層聲波完全掩蓋，所以怎樣消除鉆鋌模式波是隨鉆測井中最需要攻克的技術(shù)問題，也是目前隨鉆測井最主要研究的問題。在隨鉆縱波測井中，為了消除鉆鋌模式波對(duì)地層縱波的影響，我們需要設(shè)置合適的隔聲體來解決這個(gè)問題[3]。在隨鉆橫波測井中，國外學(xué)者Tang在發(fā)表的論文中指出[4]，如果在隨鉆聲波測井中采用四極子源，并且在鉆鋌波的截止頻率以下得到測量數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)利用地層四極子波的二階模式，這樣得到地層橫波速度將不受儀器波的影響。

聲源模式（單極、偶極和四極子源）和聲源頻率深深地影響著鉆鋌波的形成[5]，聲源模式或聲源頻率一旦改變，鉆鋌波的模式、傳播速度及其在全波中的相對(duì)幅度都會(huì)隨之變化。在單極和偶極情況下，也可以通過對(duì)聲源頻率的控制，降低鉆鋌波對(duì)地層聲波的影響。

4 結(jié)語

如果將聲波相控陣技術(shù)與隨鉆聲波測井技術(shù)結(jié)合起來，這樣在聲波測井過程中，不僅可以利用相控陣聲源模式抑制鉆鋌波和干擾信號(hào)，而且可以利用聲波相控陣技術(shù)減少聲源能量損失，得到更加準(zhǔn)確的地層信息，從而提高我國的測井技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]楚澤涵，黃隆基，高杰，肖立志.地球物理測井方法與原理[M]. 石油工業(yè)出版社，2007.

[2]陳雪蓮，喬文孝，李剛.聲波測井相控線陣聲波輻射器的指向性測量[J].石油地球物理勘探，2003，38（06）：661-665.

[3]王華，陶果，張緒健.隨鉆聲波測井研究進(jìn)展[J].測井技術(shù)，2009，33（03）：197-203.

[4]Tang X M，Dubinsky V，Wang T，et al.Shear-velocity measurement in the Logging-While-Drilling environment： Modeling and field evaluations[J].Petrophysics，2003， 44（02）：79-90.

[5]王軍，Zhu Zhenya，鄭曉波.多極源隨鉆聲波測井實(shí)驗(yàn)分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2016，59（05）：1909-1919.

作者簡介：吳嘉寶（1996-），女，山西太谷人，本科，從事測井專業(yè)的學(xué)習(xí)與研究工作。