隨鉆聲波測井聲系短節(jié)模擬樣機(jī)試驗研究

吳金平， 陸黃生， 朱祖揚， 張　衛(wèi)

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

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隨鉆聲波測井聲系短節(jié)模擬樣機(jī)試驗研究

吳金平1，2， 陸黃生1， 朱祖揚1， 張衛(wèi)1

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

摘要：針對隨鉆聲波測井中換能器技術(shù)及裝配的難題，研制了隨鉆聲波測井聲系短節(jié)模擬樣機(jī)，基于隨鉆單極聲波測井理論，以指向性、接收響應(yīng)、單極測量功能等3個指標(biāo)評價了聲系短節(jié)及各組成部分的性能及特性。結(jié)果表明：發(fā)射聲系以單極發(fā)射向外輻射的聲場具有一定的周向均勻性，其指向性接近于一個圓，可組成單極聲波發(fā)射器；接收器的接收靈敏度均值在-208.0 dB附近，偏差在2.0 dB以內(nèi)，接收響應(yīng)一致性良好，可組合相加接收單極聲波信號；以單極測量功能進(jìn)行的模型井整機(jī)聯(lián)調(diào)試驗獲得了套管井波列，提取的套管波傳播速度為5 245.6 m/s，相對誤差小于3.0%。這表明隨鉆聲波測井聲系短節(jié)具有單極發(fā)射、單極接收的測量功能，可用于模擬隨鉆單極聲波測井，為隨鉆聲波測井儀的研制提供試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：隨鉆測井；聲波測井；聲系短節(jié)；指向性；接收響應(yīng)特性

隨鉆聲波測井資料在鉆井施工和油氣儲層評價中有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。近年來，隨鉆聲波測井技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，由單極測量方式逐步發(fā)展到多極(單極、偶極、四極、正交偶極)測量方式[5-9]。國外以Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes公司等為代表的油田技術(shù)服務(wù)公司都已研制出隨鉆多極聲波測井儀器并投入商業(yè)使用。國內(nèi)隨鉆聲波測井技術(shù)研發(fā)起步相對較晚，主要圍繞著隨鉆單極聲波測井儀器開展了一系列研究工作[10-11]，目前仍然處在起步與試驗階段。由于隨鉆測井作業(yè)環(huán)境的特殊性，相比于電纜聲波測井儀器，隨鉆聲波測井儀器的研制面臨著更加復(fù)雜的技術(shù)難題，必須解決換能器及裝配、隔聲體結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、鉆井噪聲抑制與衰減以及井下波形實時處理、存儲與傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)難點。

換能器是聲波測井儀器的核心部件之一，直接決定了儀器的整體性能。因此，隨鉆聲波測井儀器的研制首先需解決換能器轉(zhuǎn)化效率低、帶寬窄、一致性及密封性差的問題。中國石化石油工程技術(shù)研究院于2014年開始對隨鉆聲波測井換能器進(jìn)行研究，2015年3月研制出隨鉆聲波測井聲系短節(jié)模擬樣機(jī)[12]，并在室內(nèi)以指向性、接收響應(yīng)、單極測量功能3個指標(biāo)對聲系短節(jié)各組成部分及整機(jī)性能進(jìn)行了測試和分析，為加快隨鉆聲波測井儀樣機(jī)的研制提供了試驗數(shù)據(jù)。

1聲系短節(jié)的結(jié)構(gòu)

隨鉆聲波測井聲系短節(jié)是基于厚壁鋁管結(jié)構(gòu)的聲學(xué)測量系統(tǒng)，包括發(fā)射聲系和接收陣列，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，發(fā)射聲系包含有4個沿著鋁管外壁的圓環(huán)形凹槽周向排列的圓弧片狀發(fā)射器，4個發(fā)射器以同相位工作可組合形成單極聲波發(fā)射器；接收陣列包含上、下2個接收站，且每個接收站由4個周向間隔90°的疊片式接收器沿著鋁管外壁的矩形凹槽排列組成，4個接收器接收的聲波信號相加即可形成單極聲波接收器；鋁管上下兩端帶有標(biāo)準(zhǔn)接口，可通過隔聲體將發(fā)射聲系和接收陣列連接成一體。隨鉆聲波測井聲系短節(jié)以單極發(fā)射、單極接收測量模式工作，可模擬隨鉆聲波測井單極子工作模式。

圖1　隨鉆聲波測井聲系短節(jié)結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Structural sketch of LWD acoustic nipples

隨鉆聲波測井聲系短節(jié)的關(guān)鍵部件是發(fā)射器和接收器。發(fā)射器由徑向極化且內(nèi)外表面鍍有銀層的圓弧壓電陶瓷片構(gòu)成，陶瓷片外層包覆了一層環(huán)氧樹脂以實現(xiàn)電絕緣，發(fā)射器的上下兩端用卡環(huán)固定于圓環(huán)形凹槽中。接收器是由2個矩形壓電陶瓷片和3個金屬薄片粘接而成，嵌入充滿硅油的矩形凹槽中且用橡膠套和開窗壓蓋進(jìn)行密封，并用彈性墊實現(xiàn)隔聲和電絕緣。

隨鉆聲波測井聲系短節(jié)最大外徑171.5 mm，水眼直徑57.2 mm，源距可調(diào)，相鄰接收站間距200 mm；發(fā)射聲系長417.7 mm，接收陣列長543.8 mm。發(fā)射聲系中，4個發(fā)射器的編號分別為LWD_T01#，LWD_T02，LWD_T03和LWD_T04#。接收陣列中，上接收站4個接收器的編號分別為LWD_UR01#，LWD_UR02#，LWD_UR03#和LWD_UR04#，下接收站4個接收器的編號分別為LWD_DR01#，LWD_DR02#，LWD_DR03#和LWD_DR04#。

2聲系短節(jié)發(fā)射與接收性能試驗

2.1發(fā)射聲系的輻射指向特性

基于導(dǎo)納圓圖法[13]，采用阻抗特性分析儀測量了發(fā)射聲系中4個發(fā)射器的阻抗特性，結(jié)果表明，4個發(fā)射器的阻抗一致性良好，符合陣列發(fā)射技術(shù)的要求，可組合成單極聲波發(fā)射器。為了評價發(fā)射器輻射聲能量的方位特性，在室內(nèi)測量了發(fā)射聲系以單極發(fā)射器向外輻射聲場的指向特性。試驗場地是尺寸(長、寬、深)5.0 m×5.0 m×4.0 m的非消聲水池，水的密度為1.0 g/cm3，聲波在水中的傳播速度為1 500 m/s。測量系統(tǒng)主要由計算機(jī)、定位控制系統(tǒng)、多通道大功率信號源及采集系統(tǒng)、可控增益信號放大器、數(shù)字示波器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器等組成，如圖2所示。采用發(fā)射器固定不動、水聽器在以發(fā)射器幾何聲中心為圓心遠(yuǎn)場區(qū)的一個圓周上旋轉(zhuǎn)的測量方式進(jìn)行發(fā)射聲系的指向性測量。測量時，發(fā)射聲系幾何聲中心和水聽器幾何聲中心位于同一水平面內(nèi)，兩者的距離為1 500 mm，滿足自由遠(yuǎn)場條件，并且測量過程中兩者的位置都遠(yuǎn)離反射界面，以減少邊界的影響；水聽器旋轉(zhuǎn)移動的范圍為0°～360°，步進(jìn)角為5°。以脈沖變壓器激勵發(fā)射聲系向全方位發(fā)射聲脈沖，水聽器旋轉(zhuǎn)移動到不同方位接收聲波信號，通過統(tǒng)計分析接收波形的幅度就可得到發(fā)射聲系的指向特性。

圖2　發(fā)射聲系的指向性測量系統(tǒng)Fig.2　Directivity measurement system of transmitter sonde

發(fā)射聲系向外輻射聲波，水聽器在不同方位接收到的時域波形如圖3所示。

圖3　水聽器接收到的時域波形Fig.3　Time-domain waveform received by hydrophones

從圖3可以看出，水聽器在不同方位接收到波形的初始相位一致，幅度隨方位角有一定的起伏，但變化不明顯，發(fā)射聲系周向輻射聲場的分布有一定的均勻性。統(tǒng)計圖3中時窗900～1 250 μs范圍內(nèi)波形的幅度，并提取頻率9.6 kHz的輻射指向性，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，發(fā)射聲系的指向性圖案不規(guī)則，有多個旁瓣存在，整體上類似于一個橢圓，這與點聲源的指向性圖案有一定差異，原因可能是4個發(fā)射器與激勵電路不完全匹配，致使4個發(fā)射器的發(fā)射響應(yīng)一致性變差。然而，幅度的極大值與極小值的比為1∶0.7，0°～360°范圍內(nèi)幅值差異不大，可認(rèn)為發(fā)射聲系的指向性圖接近于一個圓，具有單極聲源的指向特性，表明發(fā)射聲系可以組合成單極聲波發(fā)射器。

圖4　發(fā)射聲系頻率9.6 kHz的指向性Fig.4　Directivity pattern of transmitter sonde at 9.6 kHz

2.2接收陣列的接收響應(yīng)一致性

與發(fā)射聲系類似，同樣采用阻抗特性分析儀測量了接收陣列中8個接收器的阻抗特性，結(jié)果表明，8個接收器的阻抗一致性良好。為了評價接收器的接收一致性，在實驗室內(nèi)對接收陣列中8個接收器的接收響應(yīng)特性進(jìn)行了測試。測量系統(tǒng)主要由計算機(jī)、定位控制系統(tǒng)、多通道大功率信號源及采集系統(tǒng)、可控增益信號放大器、標(biāo)準(zhǔn)單極聲源和水聽器等組成，如圖5所示。測量方式采用與標(biāo)準(zhǔn)水聽器作比較的校準(zhǔn)方法[13]，即將接收器和已知接收靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)水聽器先后放入非消聲水池同一聲場位置進(jìn)行比較，并由標(biāo)準(zhǔn)水聽器的接收靈敏度求得接收器的接收靈敏度。測試時，接收器與單極聲源保持正對，且兩者的幾何聲中心位于同一水平面內(nèi)，源距為1 500 mm，滿足自由遠(yuǎn)場條件。以脈沖變壓器激勵單極聲源向外發(fā)射聲脈沖，接收器和水聽器先后在同一位置處接收聲波，對接收到的聲波進(jìn)行時域分析和頻譜分析就可判斷接收器的接收響應(yīng)是否具有一致性。

圖6和圖7為上、下接收站中各個接收器接收到的時域波形及相應(yīng)的直達(dá)波(時窗900～1 200 μs)的頻譜曲線。水聽器接收的時域波形及相應(yīng)的頻譜曲線如圖8所示。由于試驗條件的限制，接收器接收波列中直達(dá)波的后續(xù)波列會受到水面反射波的干擾，但對接收靈敏度的測量沒有影響。

圖5　接收器的接收響應(yīng)特性測量系統(tǒng)Fig.5　Measuring system for the receiving response characteristics of receivers

圖6　上接收站中各接收器接收的時域波形及頻譜曲線Fig.6　Time-domain waveform acquired by receivers at the upper receiving station and its frequency spectrum curve

從圖6—圖8可以看出：各個接收器接收的直達(dá)波的波形形態(tài)相近，相位一致，幅度大小相近；各個接收器接收到波的幅度均比水聽器接收到的要大，但是波形振動周期數(shù)明顯較多，接收器的帶寬比水聽器的帶寬要窄；各個接收器接收到直達(dá)波的頻譜曲線比較相近，頻譜中包含頻率成分與水聽器基本相同，覆蓋了頻率30 kHz以下的聲波信號，接收器能夠不失真地接收頻率30 kHz以下的聲波信號，工作頻帶為1～30 kHz。以主頻13.0 kHz標(biāo)準(zhǔn)水聽器的自由場電壓靈敏度-215 dB作為參考，通過對比換算各接收器主頻13.0 kHz的接收靈敏度發(fā)現(xiàn)，上接收站中4個接收器的接收靈敏度均值為-207.71 dB，偏差為1.88 dB；下接收站中4個接收器的接收靈敏度均值為-208.30 dB，偏差為0.90 dB；上、下接收站中接收器的接收靈敏度均值在-208.0 dB附近，偏差小于2.0 dB。對波形幅度、相位、帶寬和接收靈敏度的分析表明，上、下接收站中接收器的接收響應(yīng)一致性良好，其中下接收站中接收器的接收響應(yīng)一致性更優(yōu)；上、下接收站中，每4個接收器可組合相加接收單極聲波信號。

圖7　下接收站中各接收器接收的時域波形及頻譜曲線Fig.7　Time-domain waveform acquired by receivers at the lower receiving station and its frequency spectrum curve

圖8　水聽器接收到的時域波形及相應(yīng)的頻譜曲線Fig.8　Time-domain waveform acquired by hydrophone and its frequency spectrum curve

3聲系短節(jié)模型井試驗

在評價了發(fā)射聲系、接收陣列的性能特性后，在模型井中對隨鉆聲波測井聲系短節(jié)進(jìn)行了整機(jī)聯(lián)調(diào)測試。模型井是由鋼套管、流體環(huán)等組成的自由套管試驗井，鋼套管的內(nèi)外側(cè)都充滿流體，其中，自由套管長2 900 mm，套管壁厚6.5 mm，流體環(huán)厚2.0 mm。為方便將整個短節(jié)掛接下入模型井中，發(fā)射聲系與接收陣列之間用軟繩連接，發(fā)射聲系在下，接收陣列在上，最近源距(發(fā)射器與接收器間的距離)1.1 m。為了避免測試過程中聲系短節(jié)嚴(yán)重偏心，發(fā)射聲系與接收陣列的上端均加了簡易穩(wěn)定器，以保證發(fā)射聲系與接收陣列的中心過井軸。測試時，將整個短節(jié)下入到模型井中某一固定深度且保持不動，采用類似于電纜測井點測的單發(fā)雙收的方式進(jìn)行測量。圖9為隨鉆聲波測井聲系短節(jié)下井測試的示意圖。

圖9　隨鉆聲波測井聲系短節(jié)下井測試示意Fig.9　Downhole test sketch of acoustic nipples for acoustic LWD

發(fā)射聲系以單極發(fā)射模式在井孔內(nèi)激發(fā)聲場，接收陣列以單極接收模式接收井內(nèi)模式波，且通過求多次采集均值的方式消除隨機(jī)噪聲。接收陣列中，由于接收器沒有接地以及導(dǎo)線沒有屏蔽，基線不平坦，在開始采集的瞬間有一個幅度很大的電干擾，但電干擾對套管內(nèi)聲波傳播的模式波沒有影響，整個波列波形質(zhì)量好，信噪比高。為方便求取模式波的傳播速度，采用剔除法直接消除電干擾，經(jīng)過處理后的上、下接收站單極接收模式接收到的時域波形如圖10所示。

圖10　經(jīng)剔除電干擾處理后的上、下接收站單極接收模式接收到的時域波形Fig.10　Time-domain waveforms acquired by the upper and lower receiver stations in the mode of monopole receiving after the removal of electrical interference

從圖10可以看出，整個波列僅包含有套管波，且幅度大、持續(xù)時間長，類似于振鈴信號。這是由于套管兩側(cè)都是流體介質(zhì)，聲阻抗不匹配，套管中的能量不易傳播到其他介質(zhì)中，再加上發(fā)射器輻射的聲脈沖持續(xù)時間長以及源距較短，導(dǎo)致套管波幅度大、持續(xù)時間長、傳播距離遠(yuǎn)，從而掩蓋了其他模式波。根據(jù)波形相似相關(guān)法提取到套管波的傳播速度為5 245.6 m/s，略低于套管縱波波速，相對誤差小于3%，這與中國石油大學(xué)(北京)自主研制開發(fā)的AABT測井儀器[14-15]的測量結(jié)果相吻合。

4結(jié)論與建議

1) 隨鉆聲波測井聲系短節(jié)模擬樣機(jī)的發(fā)射聲系以單極發(fā)射向外輻射的聲場具有一定的周向均勻性，其指向性接近于一個圓，可組成單極聲波輻射器。接收器的接收靈敏度均值在-208.0 dB附近，偏差小于2.0 dB，接收響應(yīng)一致性良好，可組合相加接收單極聲波信號。

2) 聲系短節(jié)在模型井中的整機(jī)聯(lián)調(diào)測試結(jié)果表明，聲系短節(jié)可以采集到套管井波列，提取到套管波的傳播速度為5 245.6 m/s，相對誤差小于3%。表明聲系短節(jié)模擬樣機(jī)具有單極發(fā)射、單極接收的測量功能，有望應(yīng)用于模擬隨鉆單極聲波測井。

3) 建議從數(shù)值模擬、物理模擬、機(jī)械制造等方面對隔聲體進(jìn)行研究，并將聲系短節(jié)與隔聲體裝配成一體進(jìn)行相應(yīng)的測試與性能評價。

致謝：實驗測量工作在中國石油大學(xué)(北京)聲波測井實驗室完成，并得到了實驗室喬文孝教授、鞠曉東教授以及實驗室其他成員的大力幫助和指導(dǎo)，在此表示衷心感謝！

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[編輯劉文臣]

Experimental Study on the Simulation Prototype of Acoustic Nipples for Logging-While-Drilling (LWD)

WU Jinping1,2, LU Huangsheng1, ZHU Zuyang1, ZHANG Wei1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China; 2.CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing, 102249,China)

Abstract:In order to solve transducer and assembly process-related issues in acoustic logging-while-drilling (LWD), a simulation prototype of acoustic nipples was developed for acoustic LWD. The performance of acoustic nipple and its components was evaluated on the basis of three indexes (directivity, receiving response, and monopole measuring function. The process showed that the acoustic field generated by outward radiation of the transmitter acoustic system based on monopole excitation could be, to some extent, characterized by circumferential uniformity and its directivity pattern was close to a circle, so a monopole acoustic radiator can be developed. The average receiving sensitivity of the receivers was around-208.0 dB with deviation less than 2.0 dB. The receiving response characteristics of receivers were reasonably consistent, so the monopole acoustic wave could be received by adding the output of the receivers. During the integral debugging testing in a well by using the monopole measuring function, wave train in cased borehole was recorded. The extracted propagation velocity of casing wave was 5 245.6 m/s with relative error below 3.0%. It demonstrated that the acoustic nipples of acoustic LWD could be used to simulate acoustic LWD for its measuring function for monopole transmission and reception, and it could provide experimental data in the development of acoustic LWD units.

Key words:logging while drilling; acoustic logging; acoustic nipple; directivity; receiving response characteristics

中圖分類號：TE927

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-0890(2016)02-0106-06

doi:10.11911/syztjs.201602018

作者簡介：吳金平(1984-)，男，江西高安人，2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專業(yè)，2014年獲中國石油大學(xué)(北京)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)博士學(xué)位，工程師，主要從事聲波測井方法與儀器、換能器等方面的研究工作。E-mail:jpwu10@163.com。

收稿日期：2015-06-30；改回日期：2016-01-30。