國產(chǎn)隨鉆單極聲波測井儀的設(shè)計及應(yīng)用*

李 杰，劉西恩，羅 博，孫志峰，仇 傲，羅瑜林

(中海油田服務(wù)股份有限公司 北京 101149)

0 引 言

隨鉆聲波測井目前是鉆井工程和油氣勘探等方面的關(guān)鍵技術(shù)之一，測量數(shù)據(jù)可用于巖性識別、孔隙度計算、巖石力學(xué)參數(shù)計算、井眼穩(wěn)定性評價等[1-2]。因此，隨鉆聲波測井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。隨鉆聲波測井可實時提供精確的地層縱橫波時差，因為時差測量結(jié)果不受井眼環(huán)境變化、泥漿侵入等因素的影響。隨鉆聲波測井與地震結(jié)合，可預(yù)測超壓地層，優(yōu)化鉆井泥漿密度，降低鉆井作業(yè)風(fēng)險[3-4]。

然而，隨鉆聲波測井技術(shù)與電纜聲波測井技術(shù)相比有很多技術(shù)難點需要克服[5]。聲波測井儀器需要消除聲波沿儀器傳播的直達波，電纜聲波測井儀通常用單獨的柔性隔聲短節(jié)儀器消除直達波的影響。隨鉆聲波測井儀必須安裝到高強度的鉆鋌上，在滿足鉆鋌機械強度基礎(chǔ)上，最大程度消除鉆鋌直達波信號，因此隔聲體的設(shè)計是一項技術(shù)難點。隨鉆環(huán)境下?lián)Q能器的安裝設(shè)計也是技術(shù)難題，電纜聲波儀器通過在儀器外表面開聲窗，橡膠皮囊里充硅油的方式保證換能器與儀器外泥漿的壓力平衡，而隨鉆聲波測井儀換能器的安裝不易采用這種方式[6-8]。

國外油田服務(wù)公司早已推出商業(yè)化的隨鉆聲波測井儀器，而國內(nèi)隨鉆聲波測井技術(shù)研發(fā)起步較晚，目前國內(nèi)很多研究機構(gòu)正在進行隨鉆聲波測井關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，如隨鉆發(fā)射及接收換能器的設(shè)計、隨鉆隔聲體的優(yōu)化設(shè)計等，然而目前未見國產(chǎn)隨鉆聲波測井儀研制成功并進行實鉆測量的報道[9-13]。中海油田股份有限公司在國內(nèi)首次成功研制出隨鉆單極聲波測井儀(MAST)，該儀器可以在各種地層獲取地層縱波信息，已經(jīng)在多次實鉆測量中取得了滿意的聲波測井波形資料。本文簡要介紹儀器的結(jié)構(gòu)及該儀器分別在軟地層及硬地層實鉆測量效果。

1 儀器結(jié)構(gòu)

圖1為MAST儀器的結(jié)構(gòu)示意圖，MAST由一個單極子發(fā)射換能器、四個單極接收換能器及隔聲體組成。儀器測量時可采用兩種工作模式，在硬地層聲源采用激發(fā)頻率為13 kHz正弦波信號；在軟地層為了測量高質(zhì)量的聲波信號，采用聲源激發(fā)頻率為4 kHz正弦波信號。隨鉆測井時采用時間驅(qū)動方式，每隔一個時間采樣點儀器采集4道單極全波信號。

圖1 MAST儀器結(jié)構(gòu)示意圖

以下為儀器的技術(shù)指標(biāo)：儀器直徑175.4 mm；發(fā)射換能器為壓電陶瓷，單極，帶寬1.5～20 kHz；接收換能器為壓電陶瓷，單極，帶寬500～23 kHz；隔聲幅度為40 dB；抗震為20 m/s2；抗沖擊為250 m/s2；最大鉆壓為6.3×105N；最大泥漿流量為2.4 m3/min；最大張力14.5×105N；最大內(nèi)外壓差30 MPa；耐溫150 ℃；耐壓140 MPa；測量范圍縱波時差為2 000～7 500 m/s；儀器測量分辨率為203.2 mm；儀器井眼適用范圍215.6～250 mm。

2 隨鉆單極測井儀關(guān)鍵技術(shù)

2.1 發(fā)射換能器

圖2為隨鉆發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，由4個瓦片狀的壓電陶瓷晶體組成，整體形成一個近似圓環(huán)狀的單極發(fā)射。圖3為隨鉆發(fā)射換能器實物圖，內(nèi)部為圖2所示的壓電陶瓷晶體，外部為玻璃纖維或者環(huán)氧樹脂封裝，由兩個半圓環(huán)組成，采用半圓環(huán)扣合式，組成一個整體圓管，安裝在鉆鋌外壁凹位。兩半圓環(huán)務(wù)必在相位上正確連接，避免供電激勵時相互抵消，而導(dǎo)致發(fā)出非常低的縱波信號[14]。

圖2 隨鉆發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖3 隨鉆發(fā)射換能器實物圖

由于換能器需要安裝在鉆鋌上，針對這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件對其進行了仿真分析?？紤]到模型結(jié)構(gòu)和電壓的對稱性，有限元建模只需建立二維模型的二分之一，如圖4所示。

圖4 換能器在空氣中二維有限元模型

圖4中，1區(qū)域為壓電陶瓷層，2區(qū)域為重質(zhì)量背襯層，3區(qū)域為柔順匹配層，4區(qū)域為透聲水密層，兼具耐壓性，5區(qū)域為鉆鋌。輸入單元類型，換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性參數(shù)，劃分網(wǎng)格后即可生成有限元計算模型。

圖5為換能器的中心點在空氣中的頻率響應(yīng)曲線。由圖可見，發(fā)射換能器在在18 kHz以下的頻率范圍里，有多個諧振峰。其中6 kHz附近的諧振峰為彎曲振動模態(tài)，不適用于隨鉆單極測量模式；而15kHz附近的諧振峰為徑向呼吸振動模態(tài)，徑向振動位移最大，適用于隨鉆單極子測量模式。

圖5 換能器在空氣中頻率響應(yīng)曲線

2.2 隔聲體設(shè)計

基于鉆鋌模式波傳播規(guī)律與刻槽結(jié)構(gòu)關(guān)系的理論研究[15-17]，利用有限差分模擬理論[18]，設(shè)計了鉆鋌規(guī)格為6.75 in(1 in=2.54 mm)的隨鉆聲波測井隔聲體數(shù)學(xué)模型，如圖6所示。圖6中的紅色部分為井孔流體，白色部分為鉆鋌，藍色部分為地層或水。

圖6 隨鉆聲波測井隔聲體數(shù)學(xué)模型

隔聲體模型尺寸：外徑6.75 in，水眼內(nèi)徑3.2 in，刻槽的隔聲體長度2.2 m。發(fā)射聲源和接收換能器安裝在鉆鋌外壁的10 mm深度的凹槽內(nèi)。隔聲體主要包含兩組結(jié)構(gòu)，一組為鉆鋌內(nèi)外壁未刻槽；另一組為鉆鋌內(nèi)外壁軸向環(huán)形槽，槽寬30 mm，槽深25 mm，共10個。

圖7和圖8為鉆鋌刻槽前、后鉆鋌模式波時域波形圖和頻譜圖，黑線與紅線分別為發(fā)射和接收換能器之間鉆鋌未刻槽與刻槽后的鉆鋌模式波波形和頻譜。波形時域圖中，未刻槽的鉆鋌波幅度較大，且在不同接收器之間的衰減很小；刻槽后的鉆鋌波幅度與未刻槽相比，明顯降低。頻譜圖中，刻槽前鉆鋌波在13 kHz頻率附近存在一個頻帶較窄的阻帶，帶寬為12～15 kHz，該阻帶為鉆鋌的固有阻帶。鉆鋌刻槽后，鉆鋌模式波幅度明顯降低，鉆鋌波阻帶變寬，為10～20 kHz，說明該類刻槽結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)10～20 kHz頻率范圍內(nèi)的鉆鋌波完全衰減。

圖7 鉆鋌刻槽前后鉆鋌模式波時域波形圖

圖8 鉆鋌刻槽前后鉆鋌模式波頻譜圖

由此可見，隨鉆聲波測井隔聲體設(shè)計的關(guān)鍵在于了解給定鉆鋌尺寸的固有阻帶的中心頻率和帶寬，通過改變刻槽結(jié)構(gòu)來拓寬該阻帶，達到有效隔阻鉆鋌波的目的。

2.3 接收換能器

圖9為隨鉆接收換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。在測試試驗中發(fā)現(xiàn)，增加壓電材料的表面積會提高接收靈敏度，因此加長壓電材料長寬，但厚度不變。在試驗中進行了壓電材料不同連接方式的測試，最終采用串并結(jié)合的方式。圖10為隨鉆接收換能器實物圖，基本結(jié)構(gòu)和封裝方式與發(fā)射換能器相同，外觀形狀為腰帶式，同樣安裝在鉆鋌外壁凹位。

圖9 隨鉆接收換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖10 隨鉆接收換能器實物圖

同樣采用有限元軟件對接收換能器進行了靈敏度仿真計算。把換能器放置在半徑為3 m的流體域中，最外層添加完全吸收匹配層。圖11為計算的換能器的接收靈敏度曲線。由圖11可見，接收靈敏度隨著頻率的增加而緩慢升高，在頻率為3.8 kHz附近達到極大值為-189.2 dB；隨后又緩慢降低，在頻率為15.4 kHz附近靈敏度達到極小值-186.2 dB；隨后又緩慢升高，在20.0 kHz附近達到最大值-168.2 dB。由于隨鉆單極子聲波測井的頻率范圍為13～15 kHz，在該頻率范圍內(nèi)靈敏度的變化范圍小于3 dB，因此該接收換能器在測量頻率范圍內(nèi)靈敏度變化起伏小，適用于隨鉆聲波信號測測量。

圖11 換能器接收靈敏度曲線

3 儀器測試與應(yīng)用效果

3.1 實驗室水槽測試

為了驗證隨鉆單極子聲波測井儀器的測量指標(biāo)，把儀器放置在實驗室半開口水槽中進行了聲學(xué)試驗。儀器水平放置在實驗室水槽中，水槽中充滿水。對換能器施加2 000 V的激勵脈沖信號，儀器的接收換能器可以測量套管波信號。圖12為4組換能器測量的波形信號，對其做STC分析如圖13所示。由圖可見，儀器可測量到高質(zhì)量的套管波信號，波形信號中首先到達的為套管波信號，隨后到達的為鉆鋌波及各種反射波信號。套管波信號的波形質(zhì)量良好，信噪比很高,且測量的時差為57 ms/ft。該測量結(jié)果與套管波的時差一致，因此在實驗室證明了儀器測量的可靠性。

圖12 實驗室測量的波形信號

圖13 時間慢度相關(guān)圖

3.2 硬地層實鉆測量

圖14為MAST儀器在新疆某井硬地層實鉆測量曲線，并與電纜聲波測井儀測量的時差曲線進行對比。

圖14 MAST儀器在硬地層測量曲線

圖14中,從左往右第1列為原始單極全波列曲線，第2列為頻率范圍為10～15 kHz的濾波后的波形及縱波橫波到時曲線，第3列為縱波慢度相關(guān)曲線及縱波時差曲線，第4列為橫波慢度相關(guān)曲線及橫波時差曲線，第5列為頻率范圍為2～6 kHz的濾波后的波形及斯通利波到時曲線，第6列為斯通利波的相關(guān)曲線及斯通利波時差曲線，第7列為縱波、橫波和斯通利波的時差對比曲線，同時繪制了電纜聲波測井儀測量的縱波時差曲線。

由圖14可見，在原始波形曲線中可明顯觀測到儀器鉆鋌波信號，通過不同頻率的濾波處理，地層的縱波、橫波及斯通利波信號波至明顯，波形信噪比良好。提取的縱波、橫波及斯通利波時差有很好的相關(guān)性。MAST儀器測量的縱波時差與電纜儀器測量的縱波時差吻合很好。

3.3 軟地層實鉆測量

圖15為MAST儀器在新疆某井軟地層實鉆測量曲線。圖中從左往右第1列為原始單極全波列曲線，第2列為頻率范圍為10～15 kHz的濾波后的波形及縱波到時曲線，第3列為縱波慢度相關(guān)曲線及其時差，第4列為頻率范圍為2～6 kHz的濾波后的波形及斯通利波到時曲線，第5列為斯通利波的相關(guān)曲線及時差曲線，第6列為縱波和斯通利波的時差對比曲線。

圖15 MAST儀器在軟地層測量曲線

由圖15可見，在原始波形曲線中可明顯觀測到儀器鉆鋌波信號，通過濾波處理，地層的縱波及斯通利波信號波至明顯，波形信噪比良好。提取的縱波及斯通利波時差有很好的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1)國內(nèi)首次成功研制隨鉆單極聲波測井儀器(MAST)，具備在硬地層激發(fā)頻率為13 kHz和軟地層激發(fā)頻率為4 kHz的聲源信號。

2)發(fā)射換能器在15 kHz附近的振動模態(tài)適用于隨鉆單極測量模式；675型鉆鋌的鉆鋌波固有阻帶在13 kHz附近，刻槽后阻帶為10～20 kHz。接收換能器的接收頻率范圍為13～15 kHz，靈敏度變化范圍小于3 dB。

3)儀器通過實驗室水槽實驗測得時差為57 ms/ft，與套管波的固有時差一致，證明儀器測量的可靠性。儀器在新疆某井實鉆測量，在硬地層可測量到縱波、橫波及斯通利波信號，波形信噪比良好，且時差具有很好相關(guān)性。在軟地層可測量到縱波及斯通利波信號，無法測量地層橫波信號。隨鉆測量縱波時差結(jié)果與電纜聲波測量結(jié)果有很好的一致性。

4)目前隨鉆單極子聲波測井儀器無法在軟地層測量地層橫波速度，下一代的隨鉆聲波測井工具應(yīng)著重解決地層橫波速度測量問題，為地層的孔隙壓力預(yù)測、井眼穩(wěn)定性分析提供必要的參數(shù)。