聲波相控陣在隨鉆測(cè)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(cè)井中的應(yīng)用，并提出如能將該技術(shù)與隨鉆測(cè)井技術(shù)結(jié)合，在聲波測(cè)井過(guò)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(guó)的測(cè)井技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：聲波相控陣；隨鉆聲波測(cè)井；聲源模式

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

1 引言

人類(lèi)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(cè)井就是一門(mén)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(cè)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(kāi)發(fā)制定科學(xué)的方案，大大降低了開(kāi)發(fā)成本。如今測(cè)井已成為地層資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)。

測(cè)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(cè)井、數(shù)字測(cè)井、數(shù)控測(cè)井、成像測(cè)井四個(gè)階段。測(cè)井技術(shù)主要分為聲波測(cè)井、電法測(cè)井、核測(cè)井三類(lèi)，這三類(lèi)傳統(tǒng)測(cè)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(cè)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(cè)井如今已進(jìn)入電成像測(cè)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(cè)井中的核磁共振測(cè)井技術(shù)和元素俘獲測(cè)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(cè)井，利用多類(lèi)軟件分析測(cè)井所得到的信息和數(shù)據(jù)，給出更準(zhǔn)確地測(cè)井解釋，使測(cè)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(chǎng)

上列各式中：f1、f2、y2分別為井內(nèi)流體標(biāo)勢(shì)、井外固體標(biāo)勢(shì)、井外固體矢勢(shì)；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(lèi)零階及一階虛宗量Bessel函數(shù)；I0、I1為第一類(lèi)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(chǎng)

我們可以看出，單極子聲源在充液裸眼井孔中可以激起無(wú)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(lèi)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(wú)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(cè)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(cè)井使用單極子聲波探頭，這種聲波沒(méi)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(cè)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(lái)，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(chǎng)可以向某一方位集中輻射，提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比和分辨率。

上列各式中：θ為場(chǎng)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(zhǎng)；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(cè)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(cè)井技術(shù)、反射橫波成像測(cè)技術(shù)、方位反射聲波測(cè)井技術(shù)等。科研人員研發(fā)出了方位聲波固井質(zhì)量檢測(cè)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(cè)井系統(tǒng)。聲波相控陣技術(shù)的出現(xiàn)提高了聲波測(cè)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(cè)井中的應(yīng)用

隨鉆測(cè)井（LWD）是最近幾年在國(guó)外迅速崛起的新型測(cè)井技術(shù)，在國(guó)內(nèi)的使用還并不廣泛。相較于普通的電纜測(cè)井，隨鉆測(cè)井有許多優(yōu)點(diǎn)。首先隨鉆測(cè)井得到的地層測(cè)井曲線是被鉆井液輕微侵入或者根本沒(méi)有侵入時(shí)測(cè)得的，大大減少了泥餅對(duì)于測(cè)井曲線的影響，使測(cè)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(cè)井下放測(cè)井儀器困難，隨鉆測(cè)井則完全沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。隨鉆測(cè)井在鉆井的同時(shí)測(cè)井，不僅減少了工程時(shí)間，而且減少了工程成本，是將來(lái)測(cè)井的主要方向。

隨鉆測(cè)井在鉆井過(guò)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(cè)井中最需要攻克的技術(shù)問(wèn)題，也是目前隨鉆測(cè)井最主要研究的問(wèn)題。在隨鉆縱波測(cè)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[3]。在隨鉆橫波測(cè)井中，國(guó)外學(xué)者Tang在發(fā)表的論文中指出[4]，如果在隨鉆聲波測(cè)井中采用四極子源，并且在鉆鋌波的截止頻率以下得到測(cè)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(guò)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(yǔ)

如果將聲波相控陣技術(shù)與隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這樣在聲波測(cè)井過(guò)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(guó)的測(cè)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(cè)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(cè)井相控線陣聲波輻射器的指向性測(cè)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(cè)井研究進(jìn)展[J].測(cè)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(cè)井實(shí)驗(yàn)分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，2016，59（05）：1909-1919.

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