聲波相控陣在隨鉆測井中的應用思考

摘 要：介紹了常規聲波相控陣技術在聲波測井中的應用，并提出如能將該技術與隨鉆測井技術結合，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得到更加準確的地層信息，從而提高我國的測井技術水平。

關鍵詞：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

人類對于地球內部的探索遠遠不及對于宇宙的探索，這是因為探索地層的難度遠高于太空。測井就是一門探究地層的科學，是人們了解地層的一種手段、一個渠道。它廣泛地應用于地層評價、地質應用、工程應用、動態監測中。它可以為科研人員提供精確的地球物理信息，幫助工程技術人員準確地認識地層，為油藏開發制定科學的方案，大大降低了開發成本。如今測井已成為地層資源開發過程中不可或缺的環節。

測井技術發展至今，已有八十多年的歷史，大體經歷了模擬測井、數字測井、數控測井、成像測井四個階段。測井技術主要分為聲波測井、電法測井、核測井三類，這三類傳統測井方法近幾年涌現出大量新技術，體現了整個行業的生命力和創造力。聲波測井將相控陣技術應用到工程中，大大提高了接受信息數據的效率；電法測井如今已進入電成像測井階段，將巖層電阻率或聲阻抗的變化轉化為色度，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和元素俘獲測井技術也大量應用在工程中。再加上幾十年間計算機技術飛速發展，科研人員將計算機應用于測井，利用多類軟件分析測井所得到的信息和數據，給出更準確地測井解釋，使測井技術有了巨大的進步。

2 聲波相控陣技術

2.1 單極子聲源在充液裸眼井孔中產生的對稱聲場

上列各式中：f1、f2、y2分別為井內流體標勢、井外固體標勢、井外固體矢勢；k1為聲波在井內流體中傳播時的波數；kc為聲波在井外固體中傳播時縱波的波數；kS為聲波在井外固體中傳播時橫波的波數；k為聲波沿著z軸傳播時的波數；K0、K1為第二類零階及一階虛宗量Bessel函數；I0、I1為第一類零階及一階虛宗量Bessel函數；A（k）、B（k）、C（k）均表示與k相關的系數；C表示常系數；r、z表示柱坐標系中的坐標變量；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表示時間。

2.2 多極子聲源在充液裸眼井孔中產生的非對稱聲場

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生折射縱波、折射橫波和斯通利波等波動模式，但單極子聲源在軟地層充液井孔中無法激勵起折射橫波。

我們如果使用多極子聲源，比如偶極子聲源，可以在充液裸眼井孔中激勵起彎曲波，再比如四極子聲源，可以在充液裸眼井中激勵起螺旋波。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，我們可以利用非對稱聲源測量地層橫波波速。

2.3 聲波相控陣技術原理

常規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產生干擾信號，影響對地層信號的接收。偶極子聲源和四極子聲源已經具有明確的指向性，聲波相控陣技術則更加靈活，它將多個單極子源組合起來，使聲源的指向性更易于被控制。研究人員調整每個單極子發射聲波的時間，形成一定的時間差，使輻射聲場可以向某一方位集中輻射，提高了測量信號的信噪比和分辨率。

上列各式中：θ為場點的指向角；J0為零階Bessel函數；J1為一階Bessel函數；D為圓管換能器的平均半徑；λ為聲源所在介質的波長；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角[2]。

基于聲波相控陣的原理，出現了大量聲波測井新技術，如：方位固井質量評價技術、三維聲波測井技術、反射橫波成像測技術、方位反射聲波測井技術等。科研人員研發出了方位聲波固井質量檢測儀（AABT），它是具有方位分辨率的、工作在音頻范圍內的固井質量聲波測井系統。聲波相控陣技術的出現提高了聲波測井的效率和效果，可以得到更準確的數據資料。

3 聲波相控陣在隨鉆測井中的應用

隨鉆測井（LWD）是最近幾年在國外迅速崛起的新型測井技術，在國內的使用還并不廣泛。相較于普通的電纜測井，隨鉆測井有許多優點。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測得的，大大減少了泥餅對于測井曲線的影響，使測量結果更為準確。其次，對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問題。隨鉆測井在鉆井的同時測井，不僅減少了工程時間，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生的鉆鋌模式波會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地層縱波的影響，我們需要設置合適的隔聲體來解決這個問題[3]。在隨鉆橫波測井中，國外學者Tang在發表的論文中指出[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據，計算數據時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幅度都會隨之變化。在單極和偶極情況下，也可以通過對聲源頻率的控制，降低鉆鋌波對地層聲波的影響。

4 結語

如果將聲波相控陣技術與隨鉆聲波測井技術結合起來，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，而且可以利用聲波相控陣技術減少聲源能量損失，得到更加準確的地層信息，從而提高我國的測井技術水平。

參考文獻：

[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展[J].測井技術，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驗分析[J]. 地球物理學報，2016，59（05）：1909-1919.

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