便攜式巖屑聲波錄井系統(tǒng)研制與測試

王志戰(zhàn)， 朱祖揚(yáng)， 李豐波， 張?jiān)海?張 衛(wèi)， 杜煥福

（1. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；3. 中石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營 257064）

聲波速度主要用來計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)，獲取巖石的楊氏模量、泊松比和各向異性參數(shù)，進(jìn)行地層異常壓力隨鉆監(jiān)測[1]。此外，聲波速度也可用于評(píng)價(jià)巖石的可鉆性，指導(dǎo)鉆頭選型和鉆速設(shè)計(jì)[2]。測量地層聲波速度的方法主要有3 種：第一種方法是在室內(nèi)測量巖心的聲波速度，這種方法測量精度高，但實(shí)時(shí)性差；第二種方法是通過電纜聲波測井或隨鉆聲波測井方法獲取地層的聲波速度[3-4]，電纜聲波測井實(shí)時(shí)性不夠，且易受井徑等井眼狀況的影響，而隨鉆聲波測井實(shí)時(shí)性好，但成本高，在復(fù)雜水平井鉆井和深水鉆井時(shí)用得較多；第三種方法是測量鉆井過程中返排至地面巖屑的聲波速度，巖屑很容易收集，測量成本很低，同時(shí)可以在鉆井過程中邊鉆邊測，實(shí)時(shí)性較好。測量巖屑聲波速度是一種性價(jià)比較高的測量方法，能夠彌補(bǔ)鉆井現(xiàn)場普遍缺乏所鉆地層聲學(xué)參數(shù)的不足，滿足地層壓力隨鉆監(jiān)測等目的。

A. F. Marsala 等人[5]提出了脈沖波速測量技術(shù)（pulsed ultrasound on cutting，PUC），較早把巖屑聲波測量方法應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域；此后，文獻(xiàn)[6-7]利用該方法研究了巖屑的微硬度、強(qiáng)度和滲透率等參數(shù)。文獻(xiàn)[8-10] 利用該方法進(jìn)行了巖石可鉆性級(jí)值、地層壓力現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測等方面的研究；索彧等人[11]對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，引入了針式高頻超聲波探頭和信號(hào)互相關(guān)方法，提高了巖屑聲波的測量精度。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，巖屑聲波測量方法雖然取得了長足的進(jìn)步，但是測量儀器仍然采用 “超聲波探頭+脈沖發(fā)生器+示波器” 的組合方式，存在儀器體積大、質(zhì)量大、數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)不方便的問題。為此，筆者開發(fā)了一套便攜式巖屑聲波錄井系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了集脈沖發(fā)生器和示波器功能于一體的電路，以及能夠快速讀取、存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的軟件示波器，減小了儀器的體積和質(zhì)量，適合在鉆井現(xiàn)場錄井和監(jiān)測地層壓力。

1 巖屑聲波錄井方法

圖 1 鉆井巖屑運(yùn)移示意Fig. 1 Schematic diagram of cuttings migration while drilling

鉆井過程中，鉆頭破碎地層并產(chǎn)生巖屑，巖屑在鉆桿和地層之間的環(huán)空里隨著循環(huán)鉆井液上返至地面，經(jīng)過緩沖罐進(jìn)入振動(dòng)篩，在振動(dòng)篩里巖屑和循環(huán)鉆井液分離，顆粒較小的巖屑進(jìn)入鉆井液池，隨循環(huán)鉆井液返回鉆井泵（見圖1）。巖屑聲波錄井流程如圖2 所示：1）在振動(dòng)篩出口處收集巖屑，挑選厚度為1.0 mm 左右的巖屑進(jìn)行加工處理；2）使用磨片機(jī)磨平巖屑的2 個(gè)端面，并確保2 個(gè)端面平行；3）用千分尺測量巖屑2 個(gè)端面之間的厚度；4）用巖屑聲波錄井系統(tǒng)測量巖屑的縱波速度和橫波速度；5）用巖樣密度儀測量巖屑的密度；6）根據(jù)巖屑的縱橫波速度和密度計(jì)算巖屑的彈性參數(shù)（楊氏模量與泊松比）、孔隙壓力、脆性指數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等[12-13]。

圖 2 巖屑聲波錄井流程Fig.2 The process of acoustic logging on cuttings

2 巖屑聲波錄井系統(tǒng)的研制

鉆井過程中巖屑返排速度快，對(duì)巖屑聲波錄井系統(tǒng)的測量速度、數(shù)據(jù)讀取和保存能力提出了很高的要求。巖屑聲波錄井系統(tǒng)主要由超聲波探頭、超聲波測量電路和軟件示波器組成，其中超聲波探頭配置有夾持器，巖屑樣品放置在發(fā)射探頭與接收探頭之間，巖屑樣品在夾持器的作用下與超聲波探頭緊密接觸，如圖3 所示。

2.1 超聲波探頭

圖 3 巖屑聲波錄井系統(tǒng)Fig. 3 Acoustic logging system on cuttings

超聲波探頭的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭，按工作原理可分為壓電式探頭和磁致伸縮式探頭等，實(shí)際使用中壓電式探頭最為常見。壓電式探頭主要由壓電晶片、阻尼吸收塊和保護(hù)膜組成。壓電晶片在交變應(yīng)力（壓力或拉力）作用下，發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生交變電場現(xiàn)象[14]，該現(xiàn)象是可逆的，既可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩，產(chǎn)生超聲波，又可以接收超聲波，將超聲波轉(zhuǎn)變成電能。

發(fā)射頻率和發(fā)射盲區(qū)是超聲波探頭的2 個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)射頻率與壓電晶片的尺寸有關(guān)，發(fā)射頻率越高，壓電晶片的尺寸越小，反之亦然。測試樣品面積較小時(shí)，為了減小耦合損失，宜使用壓電晶片尺寸較小的探頭。發(fā)射盲區(qū)是由于超聲波探頭的發(fā)射頻率不夠高，波長大于或等于測試樣品的厚度，導(dǎo)致聲波發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)（或者透射信號(hào)）疊加在一起，從而無法識(shí)別反射信號(hào)（或者透射信號(hào)）。另外，超聲波探頭阻尼吸收塊的品質(zhì)較低時(shí)，在激勵(lì)電信號(hào)停止后，聲波信號(hào)在探頭內(nèi)也會(huì)持續(xù)振動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)射信號(hào)拖尾時(shí)間長，發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)（或者透射信號(hào)）疊加在一起，這種情況也會(huì)增大發(fā)射盲區(qū)。

在壓電式探頭的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了壓電式超聲波探頭，主要由壓電晶片、阻尼吸收塊、保護(hù)膜、延遲塊和電纜線組成（見圖4）。該探頭電路結(jié)構(gòu)分為電學(xué)分支和機(jī)械分支，其中電學(xué)分支包括壓電晶片的介質(zhì)電阻R0和加持電容C0，機(jī)械分支包括動(dòng)態(tài)電容C1、動(dòng)態(tài)電感L1和包括負(fù)載和損耗在內(nèi)的等效電阻R1，其諧振頻率為等效電路模型如圖5 所示。發(fā)射頻率1 MHz 的探頭使用φ6.0 mm壓電晶片，考慮巖屑很薄，波阻抗界面反射信號(hào)較弱，因此使用聲波透射法測量巖屑的聲波速度。為了避開發(fā)射盲區(qū)，在探頭內(nèi)加了5.0 mm 厚的環(huán)氧樹脂材料作為延遲塊，使用該探頭可以測量厚度1.0 mm 巖屑的縱波速度和橫波速度。另外，由于巖屑的測試面積較小，因此探頭壓電晶片的直徑不易太大，否則探頭接觸面與巖屑測試面不平行，易導(dǎo)致測量波形不準(zhǔn)。

圖 4 超聲波探頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of ultrasonic probe

圖 5 超聲波探頭等效電路Fig.5 Equivalent circuit of ultrasonic probe

2.2 超聲波測量電路

超聲波測量電路具有2 個(gè)功能：1）脈沖發(fā)生器的功能，即產(chǎn)生頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭工作；2）示波器的功能，即采集超聲波信號(hào)。另外，使用了網(wǎng)絡(luò)通訊電路，可以將采集到的超聲波數(shù)據(jù)快速傳輸出去。根據(jù)超聲波探頭雙向工作的特點(diǎn)，可以同時(shí)發(fā)射和接收超聲波，與之關(guān)聯(lián)的電路也被稱為發(fā)射接收電路。發(fā)射接收電路包括了發(fā)射電壓電路、發(fā)射脈寬電路、信號(hào)增益電路和數(shù)據(jù)采集電路，其中發(fā)射電壓電路、發(fā)射脈寬電路和信號(hào)增益電路實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生器的功能，而數(shù)據(jù)采集電路和網(wǎng)絡(luò)通訊電路實(shí)現(xiàn)示波器的功能。超聲波測量電路采用了FPGA+ADC 的電路結(jié)構(gòu)，控制9 路發(fā)射接收電路工作，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)通訊電路和網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)的控制命令，并給上位機(jī)發(fā)送超聲波數(shù)據(jù)（見圖6）。9 路發(fā)射接收電路連接9 個(gè)超聲波探頭，其中6 路發(fā)射接收電路（例如1～6）構(gòu)成3 個(gè)超聲波透射法測量通道，每一個(gè)通道需要用2 路發(fā)射接收電路和2 個(gè)超聲波探頭（1 發(fā)1 收）；3 路發(fā)射接收電路（例如7～9）構(gòu)成3 個(gè)超聲波反射法測量通道，每1 個(gè)通道需要用1 路發(fā)射接收電路和1 個(gè)超聲波探頭（1 個(gè)自發(fā)自收探頭）。3 個(gè)超聲波透射法（或者反射法）測量通道功能分配情況是，一個(gè)通道用作縱波測量，一個(gè)通道用作橫波測量，另外一個(gè)通道為備用通道。

圖 6 超聲波測量電路結(jié)構(gòu)Fig. 6 Structure of ultrasonic measurement circuit

2.3 軟件示波器

軟件示波器單通道顯示縱波或者橫波波形，可以讀取聲波時(shí)差，并配合超聲波探頭（只發(fā)射縱波或者橫波）測量巖屑的聲波速度；還具有對(duì)發(fā)射電壓、發(fā)射脈寬和信號(hào)增益等與脈沖發(fā)生器密切相關(guān)操作進(jìn)行控制的功能，以及支持網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。要實(shí)現(xiàn)這些功能，軟件示波器必須通過數(shù)據(jù)通訊協(xié)議與超聲波測量電路建立聯(lián)系，從而進(jìn)行指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收操作。軟件示波器使用網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)發(fā)送指令、訪問和修改超聲波測量電路寄存器，從而對(duì)超聲波測量電路進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的定義，每幀數(shù)據(jù)主要由 “命令頭”、“操作代號(hào)”、“信息長度” 和 “輸入信息”等4 部分組成，數(shù)據(jù)協(xié)議格式見表1?！懊铑^”一般由特殊標(biāo)識(shí)符、信息接收方的身份代號(hào)和信息發(fā)起方的身份代號(hào)組成，此處的信息接收方為超聲波測量電路，信息發(fā)起方為軟件示波器。如果信息接收方只有一個(gè)，信息發(fā)起方也只有一個(gè)，則 “命令頭” 可以直接定義為一組特殊標(biāo)識(shí)符，例如十六進(jìn)制的一串字符A1B2C3D4。“操作代號(hào)” 是用于表示要執(zhí)行的操作，與操作的個(gè)數(shù)相關(guān)，例如把發(fā)射電壓定義為十六進(jìn)制的0000000C?！靶畔㈤L度” 是表示后面 “輸入信息” 的數(shù)據(jù)長度，以字節(jié)為單位，二者必須一致，如果前者大于后者，會(huì)造成信息接收方無限期地等待后面的數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)接收超時(shí)；如果前者小于后者，則會(huì)造成信息接收方只接收部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收不完整?！拜斎胄畔ⅰ?是和 “操作代號(hào)” 關(guān)聯(lián)的，例如設(shè)置發(fā)射電壓時(shí)，“輸入信息” 是發(fā)射電壓的具體數(shù)值。

表 1 數(shù)據(jù)協(xié)議格式Table 1 Data protocol format

波形數(shù)據(jù)的接收，當(dāng)軟件示波器和超聲波測量電路成功連網(wǎng)時(shí)，也就是通過ping 192.168.1.120 命令搜索超聲波測量電路的IP 地址，超聲波測量電路會(huì)立即返回一個(gè)包含1 024 個(gè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，其中包括128 個(gè)包頭數(shù)據(jù)和896 個(gè)波形數(shù)據(jù)。包頭數(shù)據(jù)是當(dāng)前設(shè)置的超聲波電路參數(shù)，用于查詢參數(shù)是否設(shè)置成功。波形數(shù)據(jù)的數(shù)量固定為896 個(gè)，數(shù)據(jù)位寬為8 bit，也就是波形顯示的時(shí)間分辨率與顯示的總時(shí)長有關(guān)，即fd= 896/tl（ 其中：fd為軟件采樣頻率，MHz；tl為波形采集總時(shí)長，μs）。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于被采樣信號(hào)最高頻率的2 倍，這里硬件采樣頻率為100 MHz，被采樣信號(hào)頻率為1 MHz，因此 2 MHz ≤fd≤ 100 MHz。預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長為1 μs 時(shí)，軟件采樣頻率為100 MHz（不是896 MHz），實(shí)際波形采集時(shí)長為8.96 μs，這是因?yàn)轭A(yù)設(shè)波形采集時(shí)長過短，以100 MHz 的硬件采樣頻率產(chǎn)生不了896 個(gè)數(shù)據(jù)，因此實(shí)際波形采集時(shí)長會(huì)大于預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長，軟件示波器只顯示前面預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長的波形數(shù)據(jù)；預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長為10 μs 時(shí)，軟件采樣頻率為89.6 MHz，實(shí)際波形采集時(shí)長為 10 μs；預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長為 200 μs 時(shí)，軟件采樣頻率為4.48 MHz，實(shí)際波形采集時(shí)長為200 μs。如果預(yù)設(shè)波形采集時(shí)長繼續(xù)提高，軟件采樣頻率可能不再滿足奈奎斯特采樣定理，使實(shí)際波形顯示失真。不同數(shù)據(jù)采集時(shí)長條件下的軟件采樣頻率見表2。

表 2 軟件采樣頻率Table 2 Software sampling frequency

2.4 零延時(shí)的扣除

超聲波探頭受延遲塊和保護(hù)膜的影響，聲波經(jīng)過這2 種介質(zhì)時(shí)會(huì)有延時(shí)，這個(gè)時(shí)間與測量的巖樣無關(guān)，因此稱為零延時(shí)。把2 個(gè)超聲波探頭直接對(duì)接，探頭之間涂抹耦合劑，然后測聲波時(shí)差，計(jì)算得到零延時(shí)；測量巖樣的聲波時(shí)差時(shí)，必須扣除零延時(shí)[15]。把巖樣放置在2 個(gè)超聲波探頭之間，巖樣和探頭之間涂抹耦合劑，測得聲波穿過巖樣的時(shí)間，則巖樣的聲波速度為：

式中：v為聲波速度，m/s；L為巖樣的厚度，m；t為聲波穿過巖樣的時(shí)間，s；t0為零延時(shí)，s。

一般情況下，超聲波探頭的零延時(shí)為1.0 μs 左右，而巖屑的厚度只有1.0 mm 左右，聲波穿過巖屑的時(shí)間只有0.5 μs 左右，所以零延時(shí)對(duì)獲取巖屑的聲波時(shí)差影響很大。

3 巖屑聲波錄井系統(tǒng)的測試

首先對(duì)巖屑聲波錄井系統(tǒng)的聲波數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)超聲波測量儀的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的測量精度；然后對(duì)實(shí)鉆井的巖屑聲波數(shù)據(jù)和電纜測井聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性對(duì)比。

3.1 室內(nèi)測試

使用巖屑聲波錄井系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)超聲波測量儀，分別測量了聲波在鋁塊中傳播的縱波和橫波速度。鋁塊是一種剛性很大的介質(zhì)，超聲波在鋁塊中傳播衰減小，測得的聲波數(shù)據(jù)具有代表性。鋁塊為長方體，長寬高為100 mm×30 mm×30 mm，測量厚度為30 mm，超聲波測量探頭的頻率為1 MHz，巖屑聲波錄井系統(tǒng)測得聲波在鋁塊中的縱波和橫波波形如圖7（a）和圖7（b）所示，標(biāo)準(zhǔn)超聲波測量儀器測得聲波在鋁塊中的縱波和橫波波形如圖7（c）和圖7（d）所示。從圖7 可以看出，2 種儀器測得的縱波、橫波的波峰和波谷個(gè)數(shù)相同?？鄢阊訒r(shí)后，巖屑聲波錄井系統(tǒng)測得的縱波時(shí)差和橫波時(shí)差分別為165.33 和333.0 μs/m，計(jì)算得到縱波速度和橫波速度分別為6 048.4 和3 003.0 m/s；超聲波測量儀器測得的縱波時(shí)差和橫波時(shí)差分別為163.33 和328.33 μs/m，計(jì)算得到縱波速度和橫波速度分別為6 122.4 和3 045.7 m/s。測試結(jié)果對(duì)比表明，巖屑聲波錄井系統(tǒng)測得的縱波速度精度為98.8%，橫波速度精度為98.6%，說明該系統(tǒng)測試精度高。

圖 7 兩種儀器測量的聲波在鋁塊中的波形Fig.7 Comparison of acoustic waveforms in aluminum block measured by two types of instruments

3.2 實(shí)鉆井偶極子聲波測井比對(duì)測試

董××井完鉆后進(jìn)行了電纜偶極子聲波測井[16]，獲得了不同深度地層的縱波速度、橫波速度和密度；同時(shí)進(jìn)行了井壁取心，巖樣以砂巖和泥巖為主。對(duì)4 842.00～5 290.60 m 井段的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖8。從圖8 中的井徑曲線可以看出，4 842.00～4 980.00 m 井段的井徑變化較大，井眼不規(guī)則；4 842.00～5 290.60 m 井段的伽馬值總體偏低，說明地層巖性主要為砂巖，其中4 920.00～4 960.00 m井段和 5 120.00，5 200.00，5 250.00，5 280.00 m 井深處的伽馬值偏高，說明地層巖性是泥巖。

從圖 8 中的聲波時(shí)差曲線可以看出，巖屑聲波單點(diǎn)測量值與電纜聲波測井得到的縱波時(shí)差曲線一致性較好，而與橫波時(shí)差曲線的偏差較大，這既與巖屑的橫波測量誤差有關(guān)，也與受井徑影響導(dǎo)致的電纜聲波測井?dāng)?shù)據(jù)誤差較大有關(guān)。實(shí)際測量結(jié)果，電纜聲波測井儀測得的縱波速度和橫波速度分別為 3 927.0～5 022.6 和 2 032.6～2 862.8 m/s，巖屑聲波錄井系統(tǒng)測得的縱波速度和橫波速度分別為3 981.3～4 789.4 和 2 055.1～2 821.4 m/s。后者相對(duì)于前者的一致性情況：縱波為82.4%～99.6%，平均值為 93.6%； 橫波為 72.2%～99.0%， 平均值為87.7%。從上述結(jié)果可以看出，橫波的偏差較大，但可以通過物理建模來進(jìn)行修正，以便鉆井過程中可以應(yīng)用巖屑聲波錄井系統(tǒng)。

圖 8 巖屑聲波測量值與測井值對(duì)比Fig. 8 Comparison between data from acoustic logging on cuttings and mud logging

4 結(jié)論與建議

1）研制了巖屑聲波錄井系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了壓電式超聲波探頭、超聲波測量電路和軟件示波器，可以測量厚1.0 mm 左右?guī)r屑的聲波速度。該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)超聲波測量儀、電纜聲波測井儀的測量結(jié)果一致性較好，表明其測量精度較高。

2）便攜式巖屑聲波錄井系統(tǒng)具有測量成本低和測量實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，但由于受巖屑尺寸小和測量環(huán)境變化等因素的影響，對(duì)物理環(huán)境模擬、參數(shù)修正和儀器設(shè)計(jì)精度的要求較高。

3）為了提高巖屑聲波錄井系統(tǒng)的測量精度和測量效率，應(yīng)增加該系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用，并提高巖屑精細(xì)處理工藝，以保證巖屑2 個(gè)端面具有很高的平行度，獲得準(zhǔn)確的巖屑聲波速度測量結(jié)果。