隨鉆四極子聲波測井儀的設(shè)計及試驗

劉西恩， 孫志峰， 仇 傲， 李 杰， 羅 博， 彭凱旋， 羅瑜林

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部，北京 101149）

隨著油氣勘探開發(fā)不斷深入，水平井應(yīng)用越來越廣泛。為了提高水平井儲層的鉆遇率、降低鉆井風(fēng)險，需要采用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，而隨鉆測井技術(shù)是地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)的重要組成部分[1-7]。利用隨鉆聲波測井技術(shù)實時測量的地層速度可以識別超壓地層，降低鉆井風(fēng)險[8]。目前，商業(yè)化的隨鉆聲波測井儀發(fā)展經(jīng)歷了2代：第一代隨鉆聲波測井儀能實時測量地層縱波速度，例如斯倫貝謝公司的Isonic/sonicVISION、哈里伯頓公司的CLSS和威德福公司的ShockWave；第二代隨鉆聲波測井儀利用四極子聲源實現(xiàn)了地層橫波速度的實時測量，如斯倫貝謝公司的SonicScope、貝克休斯公司的APX/SoundTrack和哈里伯頓公司的QBAT。國內(nèi)的隨鉆聲波測井技術(shù)研究起步較晚，相關(guān)科研單位進行了隨鉆聲波儀設(shè)計及數(shù)據(jù)處理等相關(guān)研究[9-13]，目前，僅中海油田服務(wù)股份有限公司于2015年推出了隨鉆單極子聲波測井儀（MAST），實現(xiàn)了國產(chǎn)隨鉆聲波測井儀的商業(yè)化應(yīng)用[14]，但這僅達到了國外第一代隨鉆聲波測井儀的技術(shù)水平，與國際先進技術(shù)水平還有一定的差距。唐曉明等人[15]于2002年提出了利用四極子聲源實現(xiàn)隨鉆地層橫波速度測量的理論方法，但是研制可以實際應(yīng)用的隨鉆四極聲波測井儀尚需突破很多關(guān)鍵技術(shù)，如傳感器技術(shù)、鉆鋌隔聲技術(shù)、井下電路設(shè)計技術(shù)、井下信號實時處理及上傳技術(shù)和波形數(shù)據(jù)處理方法等[16-19]。

筆者在隨鉆單極子聲波測井儀的基礎(chǔ)上，采用低頻大功率的隨鉆四極子發(fā)射換能器、高性能的隔聲體和高靈敏度的隨鉆聲波接收聲系[20-21]，設(shè)計了隨鉆四極子聲波測井儀（QUAST）?，F(xiàn)場實鉆測量表明，該測井儀可測得高質(zhì)量的地層橫波信息。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點

隨鉆四極子聲波測井儀（QUAST）由Drilog?隨鉆測井系統(tǒng)[22]和井下部分組成。井下部分由接收電路、扶正器、接收聲系、隔聲體、發(fā)射聲系、扶正器及發(fā)射電路組成，如圖1所示。發(fā)射聲系由一組單極子發(fā)射換能器和一組四極子發(fā)射換能器組成。隔聲體采用了一種新型的隔聲結(jié)構(gòu)，其外表面光滑，內(nèi)壁刻有周期性凹槽，測井儀可以測得高質(zhì)量的地層波信號。接收聲系采用了陣列接收方式，即每條接收聲系內(nèi)安裝8個等間隔的接收換能器，相鄰2個接收換能器的間距為0.152 4 m，儀器外殼圓周方向上每隔90°安裝一條接收聲系，因此該測井儀共有32個接收換能器。為了防止鉆井液對傳感器沖蝕，發(fā)射換能器及接收聲系外面均安裝了金屬薄壁罩。為確保鉆井過程中隨鉆四極子聲波測井儀居中，發(fā)射聲系上面和接收聲系下面都安裝了扶正器。發(fā)射電路和接收電路安裝在儀器外殼內(nèi)部，通過過線桿實現(xiàn)通訊。隨鉆四極子聲波測井儀有3種測量模式，分別為單極子全波模式、四極子橫波模式及低頻斯通利波模式。

圖1 隨鉆四極子聲波測井儀井下部分的結(jié)構(gòu)Fig.1 Downhole structure of QUAST

隨鉆四極子聲波測井儀（QUAST）具有以下技術(shù)特點：1）Drilog?隨鉆測井地面系統(tǒng)可實時顯示慢度相關(guān)投影圖，且可以實時提取可靠的縱波、橫波慢度曲線，為現(xiàn)場工程師第一時間提供地層地質(zhì)信息；2）采用低頻單極激勵可以測得高質(zhì)量的斯通利波信號，可評價井壁裂縫發(fā)育程度和反演地層滲透率；3）四極子橫波模式采用低頻激發(fā)技術(shù)，可有效避免四極子鉆鋌螺旋波對測量信號的影響，在超軟地層中也可以測得高質(zhì)量橫波信號；4）利用四極子橫波頻散校正技術(shù)，可提取到地層橫波的最大慢度為 2 300 μs/m；5）可在套管井進行測量，評價水泥膠結(jié)質(zhì)量或計算水泥返高；6）配置了8 GB 的存儲器，記錄速度可以達到1次/s，所有模式的測量數(shù)據(jù)都可記錄存儲起來，最長工作時間可達200 h；7）QUAST可與電阻率、中子、密度等其他隨鉆測井儀組合，隨鉆聲波測井資料可進行多種應(yīng)用，包括地震相關(guān)分析、確定孔隙壓力、復(fù)雜巖性測井解釋及巖石力學(xué)特性分析等。

1.2 隨鉆聲波發(fā)射換能器設(shè)計

隨鉆聲波發(fā)射換能器是隨鉆聲波測井儀的核心部件，其涉及壓電晶體理論設(shè)計、晶體的真空封裝工藝和耐高溫高壓技術(shù)等，目前國內(nèi)外沒有該方面的公開資料。筆者以一種圓弧狀壓電晶體為核心，采用環(huán)氧樹脂或橡膠作為封裝材料，應(yīng)用了真空封裝工藝，研制了一種耐高溫高壓的隨鉆聲波發(fā)射換能器，如圖2所示。隨鉆單極子換能器由2個半圓環(huán)組成，隨鉆四極子換能器由4個四分之一圓環(huán)組成。每片圓環(huán)有2條引線，分別對應(yīng)壓電晶體的正負極，供電激勵時采用不同的組合方式可產(chǎn)生單極子聲源、偶極子聲源或四極子聲源。該換能器最高工作壓力 140 MPa，最高工作溫度 150 ℃。

圖2 隨鉆聲波發(fā)射換能器Fig.2 Transmitting transducers while drilling

孫志峰等人[23]對圓弧狀壓電晶體隨鉆聲波換能器進行了理論分析，筆者在此主要分析隨鉆聲波換能器的實測效果。把隨鉆單極子換能器和隨鉆四極子換能器分別安裝在測試短鉆鋌的凹槽內(nèi)，并進行機械固定，放入消聲水池進行聲學(xué)測試，隨鉆單極子和四極子換能器發(fā)射電壓級曲線和水平指向性曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 隨鉆聲波換能器發(fā)射電壓級Fig.3 Transmitting voltage level of transmitting transducers while drilling

圖4 隨鉆聲波換能器指向性曲線Fig.4 Directivity of transmitting transducers while drilling

從圖3可以看出：隨鉆單極子換能器的諧振頻率在10 kHz附近，此時發(fā)射電壓級較高，約130 dB；四極子換能器在4 kHz附近沒有發(fā)生諧振，發(fā)射電壓級較低，約95 dB，只能采用高電壓受迫激勵方式產(chǎn)生較強的激發(fā)能量。測量時，隨鉆單極子和四極子換能器水平指向曲線的激發(fā)頻率分別為10和4 kHz。

從圖4可以看出：隨鉆單極子換能器的聲壓幅度在0°～360°變化不大，其指向性接近一個圓形，符合單極子聲場輻射特性；隨鉆四極子換能器的聲壓幅度在 59.1°、174.2°、260.2°和 353.1°處有極大值，而在 24.9°、126.5°、220.0°和 319.2°處聲壓幅度有極小值，指向性曲線近似2個正交的“∞”形，符合四極子聲源的輻射特性。

1.3 隔聲體設(shè)計

隨鉆聲波測井儀工作時，聲源激發(fā)出一種沿著鉆鋌傳播的導(dǎo)波[24]，若不作隔聲處理，鉆鋌波將會在測量信號中占主導(dǎo)地位，從而嚴重干擾地層波速的測量。迄今為止，所有的隨鉆聲波隔聲都采用在發(fā)射和接收換能器之間周期性刻槽的方法來阻隔沿著鉆鋌傳播的波[25-26]，但都是采用經(jīng)驗方法或數(shù)值模擬方法設(shè)計刻槽方案[27]。筆者采用在外表面光滑鉆鋌內(nèi)部刻周期性凹槽的方法制作隔聲體，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。隔聲體中間部位安裝過線桿，過線桿與隔聲體內(nèi)壁之間是鉆井液通道。

圖5 隔聲體結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the isolator

筆者采用柱坐標(biāo)系下的三維有限差分方法，模擬了隔聲體和鉆鋌的聲場分布，得到了某時刻的聲場快照。數(shù)值模擬時，隔聲體和鉆鋌居中放置在半徑為0.50 m的水柱中，水柱高度4.00 m，聲源為主頻10 kHz的Richer子波，水柱外表面為完全吸收邊界條件。圖6 所示為t=580 μs和t=880 μs時隔聲體、鉆鋌的聲場快照。由圖6可知，鉆鋌波的傳播速度最快，隔聲體極大地削弱了鉆鋌波的能量。

圖6 隔聲體和鉆鋌的聲場快照Fig.6 Acoustic field snapshots of the isolator and drill collar

圖7所示為數(shù)值模擬的隔聲體和鉆鋌的時域波形、頻譜曲線及其聲衰減曲線，圖7（a）和圖7（b）中的黑色曲線分別為鉆鋌的陣列接收波形和頻譜曲線，紅色曲線分別為隔聲體的陣列接收波形和頻譜曲線。從圖7（a）可以看出，隔聲體會使鉆鋌波信號幅度明顯衰減。從圖7（b）可以看出，鉆鋌的鉆鋌波固有阻帶為11～14 kHz，隔聲體的隔聲阻帶為8～15 kHz。單極子聲源的激發(fā)頻率只需在此隔聲阻帶內(nèi)，就可避免鉆鋌波對測量信號的干擾。由圖7（c）可知，在隔聲體的鉆鋌波隔聲阻帶內(nèi)，最大隔聲量可達-28 dB。

圖7 隔聲體數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Numerical simulation results of the isolator

1.4 隨鉆聲波接收聲系設(shè)計

電纜多極子陣列聲波測井儀的接收換能器安裝在聲系骨架上，骨架外圍采用橡膠皮囊包裹，內(nèi)部充滿硅油，以保證測量時接收換能器內(nèi)外壓力平衡。而隨鉆聲波測井儀的接收聲系需要固定在儀器外殼上，測量時要考慮振動、隔聲和壓力平衡等諸多因素的影響，因此隨鉆聲波測井儀不適于采用電纜聲波測井儀的橡膠皮囊密封方式。

筆者設(shè)計了一種金屬殼的長方體狀隨鉆聲波接收聲系，如圖8所示，8個接收換能器采用機械方式固定在接收聲系骨架上[28]，相鄰2個接收換能器的間距為0.152 4 m。聲系骨架采用了“三明治”結(jié)構(gòu)的包裹方式，以保護接收晶體及電路板；利用平衡活塞解決金屬殼內(nèi)外壓力平衡問題。金屬外殼采用異形橡膠包裹，既能起到減振作用，又能更好地隔離鉆鋌直達波。該設(shè)計不但解決了接收換能器安裝、固定、封裝和減振等難題，而且采用了模塊化設(shè)計，便于安裝和保養(yǎng)。

圖8 隨鉆聲波接收聲系示意Fig.8 Receiving acoustic system while drilling

將隨鉆聲波接收聲系置于消聲水池中進行了接收靈敏度測量，采用與標(biāo)準(zhǔn)水聽器作比較的方法進行測量[29]。測量時，以4個周期的Burst 信號激勵圓管狀單極子發(fā)射器，電壓峰峰值為200 V。為了保證換能器能夠達到穩(wěn)態(tài)條件，掃頻范圍設(shè)為5 ～40 kHz。圖9所示為隨鉆聲波接收聲系在消聲水池測量的接收靈敏度曲線。從圖9可以看出，接收聲系在頻率為10 kHz時的接收靈敏度最高，為-201.5 dB，在頻率為19 kHz時的接收靈敏度最低，為-206.8 dB，靈敏度起伏量為5.3 dB。該接收聲系在整個頻率范圍內(nèi)，接收靈敏度幅度變化很小，非常有利于單極子或四極子等不同頻率信號的接收。

圖9 隨鉆聲波接收聲系接收靈敏度曲線Fig.9 Sensitivity curve of receiving acoustic system while drilling

2 現(xiàn)場試驗

新疆輪臺 KS3-B1Sa 井 1 495.00～1 615.00 m 井段進行了隨鉆四極子聲波測井儀試驗。鉆進該井段的鉆具組合為φ215.9 mmPDC鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向測量儀+隨鉆四極子聲波測井儀+隨鉆電阻率測井儀+定向測量儀+工程參數(shù)測量儀+高速率鉆井液傳輸短節(jié)，機械鉆速 40～60 m/h，鉆井液排量 1 700 L/min，井底壓力約50 MPa，溫度80 ℃。試驗時首先將鉆具組合下至井深1 495.00 m，開泵測試，地面系統(tǒng)顯示井下隨鉆四極子聲波測井儀工作正常，然后進行旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進，鉆至井深 1 615.00 m，試驗結(jié)束，起鉆，讀取隨鉆四極子聲波測井儀內(nèi)存中的測井?dāng)?shù)據(jù)，進行處理分析。隨鉆四極子聲波測井儀測得的原始波形及處理分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 隨鉆四極子測井儀(QUAST)實鉆測量結(jié)果Fig.10 Field drilling measurements of QUAST

圖10中，第1道是井下內(nèi)存記錄的單極子全波原始波形變密度圖，從原始波形可看到鉆井低頻噪聲信號、到時基本不隨井深變化的鉆鋌波信號、到時較晚的低頻斯通利波信號及地層波信號。隨鉆四極子聲波測井儀的最佳隔聲阻帶是8～15 kHz，對原始波形進行8～15 kHz的帶通濾波，得到第2道的濾波后波形和第3道的速度分析結(jié)果。從第2道可以看出，濾波后的波形純凈，無鉆鋌波干擾，為來自地層的聲波信號；進一步進行速度分析表明，地層波信號包含縱波和橫波成分，信噪比和相關(guān)性很好（見第3道）。第4道為原始四極子全波波形，可以清晰觀察到隨地層速度變化的低頻四極子橫波信號，速度分析表明，四極子橫波的相關(guān)性很好（見第5道），具有明顯的低頻特征，無鉆鋌四極子波干擾信號。第6道為單極子測量的縱波、橫波時差與四極子橫波時差，可以看出，單極子全波測量的橫波時差與四極子橫波測量的時差吻合很好，這證明隨鉆四極子橫波測量模式及時差測量結(jié)果是正確的。

以上對隨鉆四極子聲波測井儀現(xiàn)場實鉆測量數(shù)據(jù)的處理分析表明，該測井儀測得的地層縱波及橫波信息可靠，測量結(jié)果可為準(zhǔn)確評價地層提供依據(jù)。

3 結(jié)論與建議

1）介紹了隨鉆四極子聲波測井儀（QUAST）的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點，闡述了該測井儀傳感器、隔聲體及接收聲系等關(guān)鍵部件的設(shè)計方法?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，該測井儀的電路系統(tǒng)、機械性能和聲波時差實時上傳等穩(wěn)定可靠。

2）在硬地層，QUAST采用單極子全波模式可測得高質(zhì)量的地層縱波及橫波信號，測量結(jié)果不受鉆鋌波信號的影響。四極子橫波模式測得橫波信噪比高，波形相關(guān)性好，與單極子橫波吻合，無鉆鋌四極子橫波干擾。因此，采用四極子橫波模式測井不需要對隔聲體進行特別設(shè)計，就能測得地層的橫波速度。

3）未來隨鉆聲波測井儀的研究重點，應(yīng)該是解決地層周向速度成像問題、探測地層邊界附近不同方位測量的地層縱波速度的差異，進而描述井周圍三維巖石力學(xué)特征。