單極源鉆鋌波傳播機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究2

王軍， 聶成洋， 侯許佳， 關(guān)威 ， 張超

哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 哈爾濱 150001

0 引言

隨鉆聲波測(cè)井是當(dāng)前主流的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法之一(Aron et al.,1994)，更因其在油氣勘探方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，自問世以來就備受石油工業(yè)界青睞.為了充分認(rèn)識(shí)隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)的特點(diǎn)，提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的解釋能力，前人針對(duì)隨鉆聲波測(cè)井的波場特性及鉆鋌波的傳播規(guī)律展開了相關(guān)研究工作.Wang和Tang(2003)使用時(shí)域有限差分方法模擬了軟地層中偶極和四極聲源激發(fā)的井孔聲場.崔志文(2004)針對(duì)彈性和孔隙地層中隨鉆聲波測(cè)井響應(yīng)進(jìn)行了理論和數(shù)值研究.Sinha 等(2009)比較了多極子鉆鋌波的激發(fā)強(qiáng)度和頻散規(guī)律.王瑞甲和喬文孝(2015)計(jì)算了隨鉆四極子聲波測(cè)井中地層各向異性參數(shù)與鉆鋌波的關(guān)系.蘇遠(yuǎn)大等(2011，2015)通過分析鉆鋌波的激發(fā)和衰減規(guī)律，提出了利用聲阻帶來抑制鉆鋌波傳播的想法.朱祖楊等(2016)采用有限差分研究了鉆鋌結(jié)構(gòu)對(duì)隨鉆聲波測(cè)井中鉆鋌波的影響.Wang等 (2016)和楊玉峰等(2016)分析了不同模型激發(fā)鉆鋌波的傳播特性，Yang等(2017)又進(jìn)一步分析了鉆鋌內(nèi)外刻槽尺寸對(duì)鉆鋌波幅值的影響.Ji等(2019)研究了鉆鋌波峰值隨徑向位置和頻率的變化關(guān)系.譚寶海等(2018)通過改變激勵(lì)信號(hào)的周期數(shù)，來調(diào)節(jié)鉆鋌波的激發(fā)頻帶，使其置于隔聲體的阻帶內(nèi)以削弱鉆鋌波.王軍等(2016)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)記錄了砂巖和有機(jī)玻璃模型中多極源隨鉆聲波測(cè)井的全波波形，又觀測(cè)了不同模型下單極源鉆鋌波的傳播規(guī)律(王軍等，2019)，并與理論預(yù)測(cè)結(jié)果(楊玉峰等，2016；Yang et al.，2017)進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合較好.

上述工作的開展極大地推動(dòng)了隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)的進(jìn)步，然而鉆鋌波干擾地層波測(cè)量的問題至今仍未解決，特別是針對(duì)地層縱波速度的測(cè)量成為該技術(shù)難點(diǎn)，因?yàn)榈貙訖M波可通過偶極或四極隨鉆測(cè)井兩種手段獲取，且四極螺旋波幾乎不受鉆鋌波的影響(Tang et al.，2006；Zhu et al.，2008；王軍等，2016).因此，如何準(zhǔn)確測(cè)量地層縱波速度是隨鉆測(cè)井技術(shù)亟待解決的問題.已有研究表明：基于孔隙介質(zhì)動(dòng)電效應(yīng)的隨鉆動(dòng)電測(cè)井技術(shù)可有效抑制鉆鋌波對(duì)地層波的影響，從而能夠預(yù)測(cè)地層縱橫波速度(Guan et al.，2013；鄭曉波等，2014；丁浩然等，2016) ，并獲得了室內(nèi)隨鉆動(dòng)電測(cè)井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效驗(yàn)證(王軍等,2017，2020)，肯定了隨鉆動(dòng)電測(cè)井技術(shù)的可行性和應(yīng)用前景.但由于隨鉆動(dòng)電測(cè)井技術(shù)尚處于研究階段，目前還無法進(jìn)行現(xiàn)場勘探測(cè)量.鑒于縱波速度對(duì)地層參數(shù)評(píng)價(jià)的重要性，能否在現(xiàn)有隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出縱波速度的測(cè)量解釋新方法成為當(dāng)前測(cè)井領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題.

隨著研究的不斷深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)鉆鋌波是一種導(dǎo)波，它不僅在鉆鋌內(nèi)部傳播，同時(shí)還要向鉆鋌外部輻射能量，進(jìn)而在井內(nèi)流體和地層中傳播(Guan et al.，2013；鄭曉波等，2014；Wang et al.，2016；楊玉峰等，2016；Yang et al.，2017；He et al.，2017).王軍等(2020)將鉆鋌內(nèi)、外傳播的鉆鋌波分別命名為“內(nèi)鉆挺波”和“外鉆鋌波”，以區(qū)分這兩個(gè)不同區(qū)域內(nèi)傳播的鉆鋌波.本文則針對(duì)內(nèi)、外鉆鋌波的頻率響應(yīng)特性，以及地層縱波的隨鉆測(cè)量問題，在無限大流體和井孔模型條件下，開展了單極源隨鉆聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)研究，記錄了不同激發(fā)頻率下單極源鉆鋌波的時(shí)域波形，進(jìn)而分析了內(nèi)鉆鋌波和外鉆鋌波隨頻率的變化規(guī)律.之后基于隨鉆聲波測(cè)井原理和內(nèi)外鉆鋌波的能量分布規(guī)律，提出一種地層縱波速度的提取方法，并通過縮小的模型井中隨鉆聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了方法的可行性.

1 隨鉆測(cè)井探頭及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

我們?cè)谇捌诠ぷ髦性O(shè)計(jì)了縮小尺寸的隨鉆測(cè)井探頭(王軍等，2019)，其中聲源由4個(gè)均勻分布的薄圓柱狀壓電片構(gòu)成，6組聲波接收器由同樣材質(zhì)的壓電片嵌于鉆鋌內(nèi)部構(gòu)成(見圖1a).考慮到我們依舊采用上述探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，這里不再詳細(xì)介紹探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).本文在兩種模型下進(jìn)行了隨鉆聲波測(cè)量實(shí)驗(yàn).由于實(shí)驗(yàn)過程中探頭距離水槽(120 cm×80 cm×60 cm)的最小距離約為30 cm，該距離遠(yuǎn)大于鉆鋌直徑(2.5 cm),因此在實(shí)驗(yàn)過程中水槽壁的反射波對(duì)內(nèi)外鉆鋌波的影響可忽略，進(jìn)而認(rèn)為圖1b模型為無限大流體模型.圖1b用于分析內(nèi)/外鉆鋌波的傳播特性.其中內(nèi)嵌的PZT傳感器記錄沿著鉆鋌傳播的內(nèi)鉆鋌波信號(hào)，8103水聽器記錄鉆鋌外部流體中的外鉆鋌波信號(hào).圖1c為隨鉆聲波測(cè)井模型，用于地層縱波速度測(cè)量的方法研究.實(shí)驗(yàn)用流體為自來水，井孔為縮小尺寸的砂巖模型井，直徑3 cm，約為實(shí)際井孔直徑的十分之一，其縱橫波速度(3900 m·s-1和2200 m·s-1)和滲透率(15×10-15m2)是對(duì)巖樣取心后測(cè)量得到.

圖1 隨鉆測(cè)井探頭及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?a) 隨鉆測(cè)井探頭； (b) 無限大流體模型； (c) 隨鉆聲波測(cè)井模型.Fig.1 The detector of acoustic logging while drilling and the experimental models(a) The acoustic LWD detector; (b) The infinite fluid model; (c) Acoustic LWD borehole model.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示，主要設(shè)備包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(AFG3020B)、高壓脈沖源(奧林巴斯5077PR)、前置放大器(5660C)、濾波器(NF3628)、NI數(shù)字信號(hào)采集裝置(Pxie-1082).表1簡要介紹上述儀器的主要作用和參數(shù)設(shè)置.

表1 實(shí)驗(yàn)儀器以及主要功能Table 1 The experimental devices and their functions

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量流程圖Fig.2 The diagram of experimental system

2 單極源鉆鋌波頻率響應(yīng)特性分析

由隨鉆聲波測(cè)井原理可知，接收器記錄的測(cè)井全波主要包括兩大類信號(hào)(見圖3)，第一類是攜帶地層有效信息的地層波(縱波、橫波、斯通利波等)；第二類是干擾地層波測(cè)量的鉆鋌波(2號(hào)標(biāo)記的外鉆鋌波和3號(hào)標(biāo)記的內(nèi)鉆鋌波).由于傳統(tǒng)電纜測(cè)井技術(shù)對(duì)井孔地層波特性的研究已經(jīng)非常成熟，因此，在隨鉆聲波測(cè)井情況下深入了解鉆鋌波的傳播機(jī)制是非常有必要的.我們?cè)谇捌诠ぷ髦蟹治隽藘?nèi)、外鉆鋌波沿著軸向和徑向的衰減規(guī)律(王軍等，2019)，但文中未研究鉆鋌波的頻率響應(yīng)特性.故針對(duì)內(nèi)、外鉆鋌波頻響特性的實(shí)驗(yàn)研究是本文主要工作之一.

圖3 隨鉆聲波測(cè)井信號(hào)分類圖Fig.3 The recorded acoustic signals in LWD measurements

依據(jù)圖1b所示無限大流體模型，我們采用王軍等(2019)測(cè)量方法，利用鉆鋌內(nèi)部PZT壓電片記錄內(nèi)鉆鋌波信號(hào)(圖4)，之后利用BK8103水聽器在鉆鋌外表面記錄外鉆鋌波信號(hào)(圖5).由于沒有井壁反射界面的存在，實(shí)驗(yàn)記錄內(nèi)、外鉆鋌波信號(hào)之間沒有耦合疊加關(guān)系，從而可將內(nèi)、外鉆鋌波相互分離開來，以便獨(dú)立分析兩者的頻率響應(yīng)特性.

圖4 內(nèi)鉆鋌波時(shí)域波形圖及時(shí)間速度圖Fig.4 The time domain waveforms of inner collar wave and its semblance

圖4為高壓脈沖源激勵(lì)下，6個(gè)PZT壓電片記錄信號(hào)的時(shí)域波形及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間速度圖.由實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程可知，時(shí)域波形中最先被記錄到的信號(hào)為內(nèi)鉆鋌波信號(hào)，其傳播速度可通過6條曲線到時(shí)連線的斜率計(jì)算得出(4700 m·s-1)，該結(jié)果與時(shí)間速度圖中顯示的鉆鋌波速度一致.圖5為BK8103水聽器記錄的外鉆鋌波信號(hào).實(shí)驗(yàn)過程中，水聽器緊貼在鉆鋌的外表面，起始位置與第一個(gè)內(nèi)嵌壓電片的位置一致，之后利用三軸定位儀準(zhǔn)確控制水聽器的運(yùn)動(dòng)軌跡，每次移動(dòng)2 cm，保證水聽器與內(nèi)嵌壓電片處于相同的源距位置.與圖4中只有內(nèi)鉆鋌波信號(hào)不同，8103水聽器記錄到兩個(gè)明顯的波群，分別是波速4700 m·s-1的外鉆鋌波和1500 m·s-1的流體聲波或外斯通利波信號(hào).上述結(jié)果為后續(xù)內(nèi)、外鉆鋌波的頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)分析提供參考.此外，分析鉆鋌波的特性是我們的研究目標(biāo)，所以本文中不研究鉆鋌波后面信號(hào)的傳播規(guī)律.

圖5 外鉆鋌波時(shí)域波形圖及時(shí)間速度圖Fig.5 The time domain waveforms of outer collar wave and its semblance

2.1 內(nèi)鉆鋌波的頻率響應(yīng)特性

由于高壓脈沖源只能提供尖脈沖方波信號(hào)，無法調(diào)節(jié)聲源的激勵(lì)頻率.因此，為了細(xì)致地分析內(nèi)鉆鋌波隨頻率的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)改用單頻正弦脈沖信號(hào)對(duì)聲源進(jìn)行激勵(lì).我們以第4個(gè)壓電片為目標(biāo)，記錄了不同聲源頻率作用下(30～250 kHz)的內(nèi)鉆鋌波信號(hào).圖6a為歸一化處理后的時(shí)域波形圖，其中第一條曲線表示聲源激勵(lì)頻率為30 kHz時(shí)接收器記錄的信號(hào)，之后聲源頻率依次遞增10 kHz重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，直到聲源頻率達(dá)到250 kHz，共記錄23條曲線.基于方波脈沖和正弦波脈沖頻譜的差異性，圖4和圖6a中信號(hào)的波形形態(tài)有所不同，這不影響我們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析.

由圖6a可以看出，最先達(dá)到的內(nèi)鉆鋌波信號(hào)隨著聲源頻率的提高，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).當(dāng)聲源頻率較低時(shí)(30～50 kHz)，內(nèi)鉆鋌波信號(hào)十分微弱.理論模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鉆鋌波在低頻的激發(fā)強(qiáng)度也是最低的(Sinha et al.，2009)，與本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)規(guī)律一致.不過需說明的是上述結(jié)果可能還與聲源換能器自身的響應(yīng)有關(guān)，因?yàn)楝F(xiàn)有工藝條件下，壓電片的響應(yīng)頻帶普遍較高，因此，在低頻條件下，壓電片不能正常激發(fā)能量，從而降低了鉆鋌波的激發(fā)強(qiáng)度.不過隨著激發(fā)頻率的提高，壓電片正常工作，內(nèi)鉆鋌波的幅值也逐漸增強(qiáng).為了有效分析內(nèi)鉆鋌波隨頻率的變化規(guī)律，我們從圖6a時(shí)域波形中提取了內(nèi)鉆鋌波信號(hào)的峰峰值，并繪出圖6b所示歸一化的頻率-幅度圖.從圖中可以明顯地看出，隨著聲源激發(fā)頻率的提高，內(nèi)鉆鋌波的幅值先快速增強(qiáng)(30～70 kHz)，之后在70～120 kHz范圍內(nèi)基本保持不變，幅度達(dá)到最大值，然后又呈階梯狀緩慢下降的趨勢(shì)(120～250 kHz).另外，從圖6b中還可觀察到：峰值左側(cè)上升階段的曲線近似為一條直線，隨著頻率增大上升較快.而峰值右側(cè)下降段的曲線，呈現(xiàn)出階梯狀分段下降的規(guī)律，分別在120～150 kHz和170～200 kHz范圍內(nèi)出現(xiàn)了平段現(xiàn)象.接下來我們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行了外鉆鋌波的實(shí)驗(yàn)測(cè)量工作.

圖6 內(nèi)鉆鋌波幅值隨激發(fā)頻率的變化規(guī)律(a) 不同激發(fā)頻率下內(nèi)鉆鋌波時(shí)域波形圖； (b) 內(nèi)鉆鋌波幅值隨激發(fā)頻率變化曲線.Fig.6 The relationship between the amplitude of inner collar wave and the excitation frequency(a) The time domain waveforms of inner collar wave at different excitation frequency; (b) The variation curve of normalized amplitude of inner collar wave with excitation frequency.

圖7 外鉆鋌波幅值隨激發(fā)頻率的變化規(guī)律(a) 不同激發(fā)頻率下外鉆鋌波時(shí)域波形； (b) 外鉆鋌波幅值隨激發(fā)頻率變化曲線.Fig.7 The relationship between the amplitude of outer collar wave and the excitation frequency(a) The time domain waveforms of outer collar wave at different excitation frequency; (b) The variation curve of normalized amplitude of outer collar wave with excitation frequency.

2.2 外鉆鋌波的頻率響應(yīng)特性

圖7給出了聲源頻率在30～250 kHz范圍內(nèi)，8103水聽器記錄的時(shí)域波形(圖7a)和外鉆鋌波幅值-頻率曲線圖(圖7b).從圖中可以看出，外鉆鋌波信號(hào)隨頻率的變化規(guī)律與圖6結(jié)果非常類似：圖7a時(shí)域波形中外鉆鋌波幅值先增大后減??；圖7b幅值-頻率曲線也呈現(xiàn)3個(gè)主要變化階段：30～100 kHz范圍內(nèi)的快速上升階段；之后是100～180 kHz范圍內(nèi)的基本不變階段，最后是180～250 kHz范圍內(nèi)的下降階段.由于內(nèi)、外鉆鋌波本質(zhì)上是一個(gè)導(dǎo)波，只是兩者的傳播區(qū)域不同而已，因此它們隨頻率變化規(guī)律類似是可信的.

不過我們也可從圖6和圖7中看出兩者之間存在明顯的不同，為了細(xì)致分析它們之間的差異性，我們將圖6b和圖7b重新繪制在圖8a中，分別用實(shí)線和虛線表示.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：

(1)兩者在3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的頻率范圍不同，如外鉆鋌波的峰值頻帶為100～180 kHz，比內(nèi)鉆鋌波峰值頻帶(70～120 kHz)要寬許多，頻率也更高一些.而且外鉆鋌波在峰值頻帶中的凹點(diǎn)(禁帶現(xiàn)象)更明顯一些.

(2)兩者在上升階段的變化率不同，通過計(jì)算得出外鉆鋌波幅值-頻率曲線對(duì)應(yīng)的兩個(gè)斜率0.0084/kHz和0.0152/kHz，均小于內(nèi)鉆鋌波曲線的斜率0.02/kHz.這說明內(nèi)鉆鋌波在低頻段對(duì)聲源激發(fā)頻率更加敏感.

(3)兩者在下降階段的變化形態(tài)不同，與內(nèi)鉆鋌波相比，外鉆鋌波下降沒有出現(xiàn)階梯狀形態(tài)，但兩者的下降率接近.

上述結(jié)果可能是由于承載內(nèi)、外鉆鋌波傳播的波導(dǎo)材料不同引起的.因?yàn)槌休d內(nèi)鉆鋌波的金屬鉆鋌與承載外鉆鋌波的流體對(duì)聲波的衰減影響不同.另外，王軍等(2020)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆鋌波在向外輻射能量，形成外鉆鋌波的過程中會(huì)發(fā)生濾波的現(xiàn)象，即外鉆鋌波會(huì)缺失一定成分的頻率分量，從而導(dǎo)致兩者之間頻率響應(yīng)的差異性.

我們還進(jìn)一步從理論方面計(jì)算了圖1b無限大流體模型中，單極源鉆鋌波的激發(fā)強(qiáng)度曲線，該曲線是由隨鉆聲場特征函數(shù)的復(fù)極點(diǎn)的留數(shù)之和計(jì)算得到，并將圖8b模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.圖中T1，T2和T3分別表示一階、二階和三階單極源鉆鋌波的激發(fā)強(qiáng)度曲線，In-St表示內(nèi)斯通利波的激發(fā)強(qiáng)度曲線.對(duì)比結(jié)果表明：

(1) 兩者在低頻段的變化規(guī)律接近，都隨著聲源頻率的提高而增大，只是理論計(jì)算曲線呈弧線形上升變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的直線規(guī)律不同.

(2) 理論結(jié)果在90 kHz左右達(dá)到上升的峰值階段，之后曲線迅速下降再上升，凹點(diǎn)突出，呈現(xiàn)了明顯的禁帶現(xiàn)象.

(3) 當(dāng)聲源頻率超過禁帶之后，理論曲線先呈大幅上揚(yáng)的趨勢(shì)，之后強(qiáng)度保持不變，這是理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(階梯狀衰減)的最大不同.我們猜測(cè)理論和實(shí)驗(yàn)之間的差異性，可能是由于高頻情況下壓電片的激發(fā)能力減弱引起的.但具體原因目前還不清楚，也未見相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)道，因此，我們將在后續(xù)的工作中進(jìn)一步探究鉆鋌波在高頻下的響應(yīng)規(guī)律，為測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋提供參考.

3 地層縱波的隨鉆聲波測(cè)量

我們?cè)趫D1c所示砂巖模型中進(jìn)行了單極源隨鉆聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)，圖9為壓電片記錄聲波信號(hào)的時(shí)域波形和時(shí)間速度圖.可以看到：除了速度4700 m·s-1的鉆鋌波信號(hào)，我們無法從測(cè)井全波和時(shí)間速度圖中看到縱橫波波群(縱波速度3900 m·s-1，橫波速度2250 m·s-1).這說明鉆鋌波信號(hào)嚴(yán)重干擾了地層縱橫波的測(cè)量.王軍等(2016)指出，利用鉆鋌波和地層波激發(fā)頻帶的差異性，將聲源頻率選擇在遠(yuǎn)離鉆鋌波但接近地層波最大響應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，可降低鉆鋌波在全波中的相對(duì)幅值，從而有效測(cè)量地層聲波速度.由前文圖8知，圖1a探頭激發(fā)鉆鋌波的中心頻率在100 kHz左右，而王軍等(2015)電纜測(cè)井結(jié)果表明，當(dāng)聲源頻率100 kHz時(shí)，本文所用砂巖模型井的縱橫波響應(yīng)最大.這說明鉆鋌波和地層波的最大響應(yīng)頻帶重合，因此，我們不能通過改變聲源激發(fā)頻率的方法減弱鉆鋌波的影響.那么是否還有其他方法可以測(cè)量地層縱橫波速度呢？通過分析隨鉆聲波測(cè)井全波信號(hào)的成分可知(圖3)，換能器記錄的聲波信號(hào)由三部分組成：地層聲波，內(nèi)鉆鋌波和井壁反射的外鉆鋌波.所以筆者猜想，若能通過數(shù)據(jù)處理的方式，將內(nèi)鉆鋌波和外鉆鋌波從測(cè)井全波中剔除出去，那么剩下的即為地層波信號(hào)，從而可準(zhǔn)確測(cè)量縱橫波速度.下面我們對(duì)上述方法的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

基于前文分析，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了三組測(cè)量工作：(1)在圖1c砂巖模型井中進(jìn)行了隨鉆聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)，記錄到了測(cè)井全波信號(hào)；(2)在圖1b無限大流體模型中，利用壓電片記錄了內(nèi)鉆鋌波信號(hào)；(3)在圖1b無限大流體模型中，利用水聽器記錄了外鉆鋌波信號(hào).三次實(shí)驗(yàn)保持所有測(cè)試儀器的設(shè)置不變：聲源為負(fù)方波高壓脈沖激勵(lì)，電壓200 V；前置放大器為40 dB，濾波器為1～300 kHz；采集卡分辨率為22位，采樣率1 M.圖10給出了上述三次實(shí)驗(yàn)的歸一化波形.對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：三次實(shí)驗(yàn)均記錄到了明顯的鉆鋌波波群(速度4700 m·s-1)，且圖10a測(cè)井全波的鉆鋌波與內(nèi)鉆鋌波(圖10b)幅值接近，但均大于外鉆鋌波幅值(圖10c).

圖8 實(shí)驗(yàn)和理論獲得鉆鋌波激發(fā)強(qiáng)度曲線的對(duì)比(a) 鉆鋌波激發(fā)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； (b) 鉆鋌波激發(fā)強(qiáng)度的理論數(shù)據(jù).Fig.8 The comparison of excitation between the experimental and simulated collar wave(a) The experimental data of excitation intensity of collar wave; (b) The simulated data of excitation intensity of collar wave.

圖9 隨鉆聲波測(cè)井時(shí)域波形及時(shí)間速度圖Fig.9 The time domain waveforms of LWD measurement and its semblance

圖10 隨鉆聲波測(cè)井信號(hào)與內(nèi)外鉆鋌波時(shí)域波形圖(a) 測(cè)井全波信號(hào)； (b) 內(nèi)鉆鋌波； (c) 外鉆鋌波.Fig.10 The time domain waveforms of LWD signals and the collar waves(a) The LWD signals; (b) The inner collar wave; (c) The outer collar wave.

為了更直觀地分析測(cè)井全波信號(hào)與內(nèi)、外鉆鋌波的幅值關(guān)系，我們將三者放在一起進(jìn)行對(duì)比(見圖11).圖中實(shí)線代表測(cè)井全波信號(hào)，點(diǎn)線分別代表內(nèi)鉆鋌波(圖11a)和外鉆鋌波信號(hào)(圖11c)，并進(jìn)行了局部放大處理(見圖11b和圖11d).從圖11可以看出測(cè)井全波中的鉆鋌波信號(hào)和內(nèi)外鉆鋌波到時(shí)一致且相位相同，但三者的幅值卻相差較大.圖11b表明：測(cè)井全波中鉆鋌波的幅值與內(nèi)鉆鋌波幅值接近，略大一些；但比圖11d中外鉆鋌波的幅值要大得多.這說明測(cè)井全波中的鉆鋌波信號(hào)主要由內(nèi)鉆鋌波提供，該結(jié)果與理論模擬結(jié)果(Yang et al.，2017)吻合.

圖11 測(cè)井全波與內(nèi)外鉆鋌波的對(duì)比(a) 測(cè)井全波信號(hào)和內(nèi)鉆鋌波時(shí)域波形； (b) 放大后的測(cè)井全波信號(hào)和內(nèi)鉆鋌波時(shí)域波形； (c) 測(cè)井全波信號(hào)和外鉆鋌波時(shí)域波形； (d) 放大后的測(cè)井全波信號(hào)和外鉆鋌波時(shí)域波形.Fig.11 The comparison between the LWD signals and the collar waves(a) The time domain waveforms of LWD signals and inner collar wave; (b) The magnified time domain waveforms of LWD signals and inner collar wave; (c) The time domain waveforms of LWD signals and outer collar wave; (d) The magnified time domain waveforms of LWD signals and outer collar wave.

接下來我們考慮如何將測(cè)井全波信號(hào)中鉆鋌波消除的問題，基于前文的分析，我們給出兩種處理方式：(1)測(cè)井全波信號(hào)減去內(nèi)鉆鋌波；(2)測(cè)井全波信號(hào)減內(nèi)鉆鋌波減外鉆鋌波.圖12為處理后的時(shí)域波形和時(shí)間速度圖.以下是處理結(jié)果分析：

(1) 測(cè)井全波信號(hào)減去內(nèi)鉆鋌波(圖12a，b)

圖12 兩種測(cè)井全波數(shù)據(jù)處理(a) 測(cè)井全波信號(hào)減內(nèi)鉆鋌波的時(shí)域波形圖； (b) 時(shí)間-速度圖； (c) 測(cè)井全波信號(hào)減鉆鋌波的時(shí)域波形圖； (d) 時(shí)間-速度圖.Fig.12 Two methods of data processing for the LWD signals(a) The difference between LWD signals and inner collar wave; (b) The time domain semblance; (c) The difference between LWD signals and collar wave; (d) The time domain semblance.

觀察圖12a可知，處理后的時(shí)域波形上記錄到了兩組波群，其速度分別為4700 m·s-1和3900 m·s-1.通過分析可知，前者為鉆鋌波的速度，后者為地層縱波速度.雖然縱波速度到時(shí)一致性匹配不是很完美，但與圖9a對(duì)比可知，數(shù)據(jù)處理后的縱波波群清晰度明顯提高，特別是第四和第五兩道曲線，它們的到時(shí)和波群起跳與地層縱波速度吻合得非常好.另外，圖12b時(shí)間速度圖上也觀察到了這兩個(gè)波群，不過我們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)波群在時(shí)間軸上都發(fā)生了平移.在本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，鉆鋌波的預(yù)測(cè)到時(shí)應(yīng)為t1=0.023 ms，地層縱波的到時(shí)應(yīng)為t2=0.028 ms，經(jīng)過處理后，鉆鋌波和地層縱波的到時(shí)皆向右平移了0.005 ms，此時(shí)，t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)鉆鋌波的亮點(diǎn)中心，t3=0.033 ms對(duì)應(yīng)地層縱波信號(hào).造成上述結(jié)果的原因是由于兩組數(shù)據(jù)相減的過程導(dǎo)致波形發(fā)生了微小平移引起的，不影響處理后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性.

(2)測(cè)井全波信號(hào)減內(nèi)鉆鋌波減外鉆鋌波(圖12c，d)

觀察圖12c，d可以得到與圖12a，b類似的結(jié)論，時(shí)域波形和時(shí)間速度圖中都看到了鉆鋌波和地層縱波信號(hào)，表明兩種處理方法均可有效抑制鉆鋌波對(duì)地層波的測(cè)量，而且兩種處理方式得到的結(jié)果非常接近.比如，圖12a和圖12c時(shí)域波形的差別很難用肉眼進(jìn)行區(qū)別，而圖12b和圖12d的時(shí)間速度圖也相差不大，這說明外鉆鋌波的作用非常微弱.

需要指出的是：本文利用8103水聽器記錄的外鉆鋌波信號(hào)與現(xiàn)場測(cè)井情況的外鉆鋌波是有區(qū)別的.首先，接收器的靈敏度不同；其次，現(xiàn)場情況下井壁的反射會(huì)使外鉆鋌波的幅值發(fā)生變化，本文圖12c結(jié)果便可證實(shí)這一點(diǎn)，因?yàn)閳D12c通過處理后(測(cè)井全波信號(hào)-內(nèi)鉆鋌波-外鉆鋌波)的波形中還可以看到明顯的鉆鋌波信號(hào)，說明井壁反射回來的外鉆鋌波信號(hào)比水聽器記錄信號(hào)要強(qiáng)，進(jìn)而利用水聽器的信號(hào)不能將鉆鋌波全波消除.另外，考慮現(xiàn)場測(cè)井情況下無法測(cè)量外鉆鋌波信號(hào)，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可采用第一種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了前文數(shù)據(jù)處理方法的有效性，雖然沒有測(cè)量到地層橫波信號(hào)，但我們從時(shí)域波形和時(shí)間速度圖中準(zhǔn)確獲取了地層縱波速度.為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，我們僅僅改變探頭在井孔中的位置和采集卡的采樣率(調(diào)至5 MS/s)，重復(fù)進(jìn)行上述三組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示.其中圖13a為實(shí)驗(yàn)記錄測(cè)井全波(實(shí)線)和內(nèi)鉆鋌波(點(diǎn)線)的時(shí)域波形，分析發(fā)現(xiàn)：測(cè)井全波中的鉆鋌波信號(hào)與內(nèi)鉆鋌波信號(hào)幾乎完全重合，兩者之間的幅值差異要比圖12中小得多，進(jìn)而在兩者相減之后的波形圖中(圖13b)看不到鉆鋌波信號(hào)，只剩下清晰的地層縱波信號(hào)，圖13c時(shí)間速度中縱波的響應(yīng)也與時(shí)域波形吻合.

通過對(duì)比圖12和圖13實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，圖13結(jié)果對(duì)鉆鋌波的抑制效果甚佳，處理后的測(cè)井全波中已經(jīng)看不到鉆鋌波信號(hào)，從而準(zhǔn)確提取到地層縱波速度.考慮到提高采樣率可能會(huì)改善測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，但效果不會(huì)這么明顯，所以推斷改變探頭在井孔中的位置是導(dǎo)致圖13處理結(jié)果相對(duì)完美的主要原因.因?yàn)槲覀冇^察模型井的井孔發(fā)現(xiàn)，砂巖井孔中間位置有一段井壁不規(guī)則，這是取心過程多次操作造成的.但不規(guī)則的井壁增強(qiáng)了外鉆鋌波信號(hào)的反射，導(dǎo)致測(cè)井全波信號(hào)中鉆鋌波總量超過內(nèi)鉆鋌波信號(hào)幅度較多(見圖11b)，進(jìn)而在兩者相減之后的時(shí)域波形中依然保留了鉆鋌波信號(hào)，該信號(hào)則影響了地層縱波速度的測(cè)量.當(dāng)我們重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，接收壓電片幸運(yùn)地避開了不規(guī)則井壁，使得測(cè)井全波中鉆鋌波信號(hào)與內(nèi)鉆鋌波信號(hào)的幅度非常接近(圖13a)，這種情況下，兩者相減結(jié)果中鉆鋌波信號(hào)幾乎看不到了，從而準(zhǔn)確測(cè)量地層縱波的速度.

通過圖13結(jié)果還可看出，雖然圖13c 時(shí)間速度圖中依舊沒有提取到地層橫波速度，這是因?yàn)閮?nèi)鉆鋌波信號(hào)的拖尾較長，如圖10b中持續(xù)到0.1 ms.但與測(cè)井全波相比，圖13b時(shí)域波形圖中橫波信號(hào)的清晰度有較大改善，如圖中第二、三、五道曲線中橫波起跳與預(yù)測(cè)結(jié)果(代表2250 m·s-1的虛線)吻合很好.這說明本文方法對(duì)橫波測(cè)量也是有效的.另外，本文圖1測(cè)井探頭沒有進(jìn)行刻槽處理，使得鉆鋌波信號(hào)的幅度很大，而實(shí)際測(cè)井設(shè)備會(huì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?nèi)外刻槽處理，這樣鉆鋌波信號(hào)的幅度會(huì)降低一些，若再利用本文數(shù)據(jù)處理方法，將有望利用現(xiàn)有技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量到地層的縱橫波速度.

圖13 測(cè)井全波數(shù)據(jù)處理(a) 測(cè)井全波信號(hào)及內(nèi)鉆鋌波時(shí)域波形圖； (b) 測(cè)井全波信號(hào)減內(nèi)鉆鋌波的時(shí)域波形圖； (c) 時(shí)間-速度圖.Fig.13 The data processing for the LWD signals(a) The time domain waveforms of LWD signals and inner collar wave; (b) The difference between LWD signals and inner collar wave; (c) The time domain semblance.

4 結(jié)論

本文先在無限大流體模型中開展了隨鉆聲波實(shí)驗(yàn)測(cè)量，記錄了30～250 kHz頻率范圍內(nèi)激發(fā)的單極源內(nèi)、外鉆鋌波信號(hào)，研究了它們隨聲源頻率變化的響應(yīng)特性.在此基礎(chǔ)上，我們?cè)谛〕叽缟皫r模型井中進(jìn)行了隨鉆聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)，分析了測(cè)井全波中鉆鋌波信號(hào)與內(nèi)外鉆鋌波的幅值關(guān)系，進(jìn)而提出了隨鉆測(cè)量地層縱波速度的實(shí)驗(yàn)方法，主要結(jié)論如下：

(1) 隨著聲源激發(fā)頻率的增加，內(nèi)、外鉆鋌波的幅值-頻率曲線均呈現(xiàn)出先增大后保持不變，再緩慢減小的規(guī)律.但兩者在不同頻率段的變化率不同：在低頻段，內(nèi)鉆鋌波的幅值增大更快；在峰值階段，外鉆鋌波的頻帶更寬，且禁帶現(xiàn)象更突出；在高頻階段，內(nèi)外鉆鋌波均隨著頻率的提高而減弱，這與理論計(jì)算鉆鋌波的激發(fā)強(qiáng)度曲線截然相反.

(2) 對(duì)比分析了測(cè)井全波中鉆鋌波與內(nèi)外鉆鋌波的幅值關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)井全波中的鉆鋌波信號(hào)主要是內(nèi)鉆鋌波的貢獻(xiàn)，外鉆鋌波提供的能量較小.但在井壁不光滑情況下，外鉆鋌波的貢獻(xiàn)會(huì)增強(qiáng)，從而提高測(cè)井全波中鉆鋌波的幅值.

(3) 基于隨鉆聲波測(cè)井信號(hào)的構(gòu)成，本文提出了一種削弱鉆鋌波，進(jìn)而從測(cè)井全波中提取縱波速度的方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過測(cè)井全波與內(nèi)鉆鋌波相減的方式可有效削弱，甚至消除測(cè)井全波中的鉆鋌波信號(hào)，從而準(zhǔn)確測(cè)量地層縱波速度，同時(shí)也可改善橫波波群的清晰度.本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)驗(yàn)重復(fù)性，有望解決隨鉆聲波測(cè)井提取縱波速度不準(zhǔn)確的難題，對(duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)解釋非常有意義.

致謝感謝課題組胡恒山教授對(duì)本文工作的幫助和建議.