CN102322258B - 一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法及装置，利用拉伸波在钻铤中传播时，频率响应上存在固有阻带这一现象，对不同横截面积，不同固有阻带的钻铤加以组合并且使这些阻带在频率上首尾相互重叠或相连，使组合后的有效阻带比单个钻铤的阻带大为拓宽；将发射系统中的调频器对信号发生器产生的脉冲信号进行调整，使发射信号的中心频率或整个发射信号的功率谱都位于变径钻铤组合的钻铤波的阻带的范围内；对接收器上采集的波形中占主导地位的地层声波信号直接进行处理，提取地层的声波参数。本发明采用不同于刻槽方法的原理来解决对钻铤波进行隔声的技术问题，可以避免刻槽对钻铤强度的不利影响，降低随钻声波仪器的造价和使用成本。

Description

一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法及装置

技术领域

本发明属于应用地球物理/声学测井技术。具体而言，本发明是一种在随钻条件下，通过在不同截面的钻铤上安装的发射和接收换能器对井周围地层的声学参数进行测量的技术。

背景技术

由于石油、天然气勘探和开发的需要，随钻测井技术近年来发展很快，并被大量使用。作为这种技术的一个主要方面之一的随钻声波测井技术，也已经问世二十多年。随钻声波测井的目的是在钻井过程中确定地层纵波，横波速度，为油气田的勘探和开发提供重要信息。例如：利用测得的地震波（即弹性波）速度模型与地震勘探数据相结合，可以实时确定地层界面的位置，估计地层孔隙压力等。对于这些方面的应用，可以用随钻声波测井来代替常规的电缆声波测井，并可以节省大量的井架占用时间，这在深海钻探中尤其重要。

然而，同其它随钻技术相比，随钻声波技术也是一门复杂而造价昂贵的技术。这与这门技术中的关键技术之一，随钻仪器的隔声技术有着密切的关系。在纵波的随钻测井中会激发出一种沿着钻铤传播的导波（从声学理论上来讲，这种波为圆柱型钻铤中的拉伸波）。若不作隔声处理，钻铤波将会在测井的波形数据中占主导地位，从而严重的妨碍对地层中传来的纵波的测量。

迄今为止的所有随钻声波的隔声技术，包括早期的^[1]，中期的^[2,3]及近期[4]的随钻测井仪器，都采用在发射和接收换能器之间周期性（或准周期性）刻槽的方法来阻隔沿着钻铤传播的波。有的仪器^[2,3]不仅在钻铤的外壁，而且在其内壁上进行刻槽。图1给出了这种刻槽的示意图。刻槽一般是沿着钻铤的轴向刻上一系列凹凸状的周期性构造，凹凸构造之间的长度L约为^[5]

$L=\frac{1}{4}\frac{V}{f}=\frac{1}{4}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中，V为拉伸波的速度，f为频率，

为波长。

从波导的声学理论来讲，图1所示的刻了槽的钻铤是一具有周期性构造的声波波导。它将对其中的声波传播产生一个频率上的阻带（阻带的频率位置由（1）式给出），这一阻带加上拉伸波在钻铤中的固有阻带（这在以下将要叙述），可以对钻铤中的拉伸波产生相当的阻隔作用^[6]

然而刻了槽的钻铤对其机械强度具有较大的损害，这对钻井过程是相当不利的。所以，一般的刻槽钻铤都要通过严格的机械强度分析和检验后才能进行加工，投入使用。使用过程中对刻槽隔声体的保养和维护也是必不可少的。总而言之，采用刻槽的方式进行隔声，其研发和加工费用不菲，加上其对钻铤强度的影响和使用过程中的维护，使得随钻声波测井的成本较高，不利于随钻声波技术的推广和使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法及装置，采用不同于刻槽方法的原理来解决对钻铤波进行隔声的技术问题，可以避免刻槽对钻铤强度的不利影响，降低随钻声波仪器的造价和使用成本。

一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法，利用拉伸波在钻铤中传播时，频率响应上存在固有阻带这一现象，对不同横截面积（即不同内、外径），不同固有阻带的钻铤加以组合并且使这些阻带在频率上首尾相互重叠或相连，使组合后的有效阻带比单个钻铤的阻带大为拓宽；将发射系统中的调频器对信号发生器产生的脉冲信号进行调整，使发射信号的中心频率或整个发射信号的功率谱都位于变径钻铤组合的钻铤波的阻带的范围内；对接收器上采集的波形中占主导地位的地层声波信号直接进行处理，提取地层的声波参数。

一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法，利用拉伸波在钻铤中传播时，频率响应上存在固有阻带这一现象，对不同横截面积（即不同内、外径），不同固有阻带的钻铤加以组合并且使这些阻带在频率上首尾相互重叠或相连，使组合后的有效阻带比单个钻铤的阻带大为拓宽；将发射系统中的调频器对信号发生器产生的脉冲信号进行调整，激发包括低频的Stoneley波，也包括较高频率的钻铤波，以及沿井壁地层传播的声波在内的宽带声波信号，对这种宽带声波信号可进行两种采集，一是为井下实时处理进行的采集；二是为钻后处理进行的采集；在第一种采集中，将接收系统中的模拟滤波器的带宽设置与变径钻铤组合的阻带一致，滤波后信号的主要成份即为井壁地层传播的声波，采集后的波形数据可供实时处理之用；在第二种采集中，接收系统的模拟滤波器为宽带设置，频率从一千到二万赫兹的范围，这样采集的波形数据由微处理器存贮，供钻后处理；在钻后处理过程中，对数据进行数字滤波，把数字滤波器的频率范围设为数千赫兹可以提取出Stoneley声波信号；把滤波器的频率范围设置在随钻仪器中的变径钻铤组合的阻带之内，可以提取出地层的声波信号。

一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井装置，由若干段钻铤首尾相接，所述若干段钻铤的内径为变径结构，以形成不同变径尺寸、不同阻带的钻铤组合；所述变径的次数依如下条件确定：首先，不同内径尺寸的各钻铤的固有阻带应有一定的重叠或者首尾相连；其次，声源到第一次变径处的距离，两变径处之间钻铤的长度，以及最后一次变径处到接收器的距离均不应小于一个波长，以保证沿钻铤传播的声场是以导波的形式传播。

本发明的具体优点与积极效果如下：

采用拓宽钻鋌拉伸波的固有阻带的原理和方法来解决钻铤波隔声的技术问题，可以避免传统刻槽隔声方法中刻槽对钻铤强度的不利影响，降低随钻声波仪器的造价和使用成本。

附图说明

图1是传统的钻铤上刻槽隔声的结构示意图。

图2是圆管型钻鋌中拉伸波的传播特征，即波谱响应存在明显的阻带分析波谱图。

图3是圆管拉伸波阻带中心频率及宽度随管厚度的变化曲线图。

图4是本发明所述的用不同钻铤的组合来拓宽阻带宽度的结构示意图。

图5是本发明钻铤组合的声波模拟计算得到的波谱(图下方)和频率-速度谱(图上方)示意图。

图6是本发明的钻铤组合放入井孔后模拟计算得到的阵列声波波形(虚线)与将波形在有效阻带的频率范围内滤波后的波形为地层纵波(实线)示意图。

图7是本发明的钻铤组合放入井孔后模拟计算得到的频率-速度谱(图上方)与对比于无井孔时的波谱(图下方)示意图。

图8是本发明所述的用不同钻铤的变径组合来隔声的随钻声波测井仪的接收与发射原理图及仪器的电路和数据采集部分的结构示意图。

图9是本发明所述的不同钻铤的变径处用螺纹连接的示意图。

具体实施方式

本发明的原理是：利用拉伸波在钻铤中传播时，频率响应上存在固有阻带这一现象，对不同横截面积（即不同内、外径）、不同固有阻带的钻铤加以组合。组合的前提是，这些阻带在频率上是首尾相互重叠或相连的。因而使组合后的有效阻带比单个钻铤的阻带大为拓宽。在此拓宽了的频率阻带上进行随钻声波测井，就能很大地压制沿着钻铤传播的波，从而有效地测量从地层传来的声波。在随钻仪器的制作上，这种钻铤组合体现为在从声源到接收器之间的钻铤长度上进行变径。这种变径与前述的刻槽变径的最主要的区别是：后者变径钻铤之间的长度（即凹凸构造之间的长度）远远小于波长（见（1）式），而本发明的钻铤变径之间的长度却大于波长。在离开变径处一个波长以上的尺度上，由变径产生的波场散射和扰动差不多消失，这时沿着钻铤传播的波主要以拉伸波这一导波形式传播，使得利用其固有阻带隔声的条件得到保证。

为了理解这种多个固有阻带连接或叠加的隔声声学原理，有必要对拉伸波在钻铤中的传播的特征进行分析，并对波在不同变径的钻铤组合的传播效果进行理论计算和比较。

我们首先考虑钻铤不变径（即为一圆管）的情况，管由钢组成，其内径和外径分别为50mm和122mm。为计算管中的声场，我们在管的外壁上放置一环状声源（唐晓明和郑传汉，2004），声源的中心频率为18kHz的Ricker子波，在离源3m处在管的外壁沿管的长度方向放置一系列的接收器，以记录沿管传播的波。

图2是波形计算的分析结果，图下部给出了源距3m处波的振幅谱。谱在20kHz附近明显存在一振幅几乎为零的阻带，把波的振幅谱分为左右两段。带的宽度约为4kHz左右。为进一步了解阻带与波动的关系，我们对接收器阵列作了速度—频率的二维谱分析，其结果由图2中的变密度图给出。我们得到：二维谱上的两个高峰值区域恰好对应于其下振幅谱的两个峰值，但这两个区域所对应的波速却明显不同。将此圆管拉伸波的频散曲线，即波速随频率变化的相速度曲线在二维谱上画出（如图中的虚线），可以看出左边和右边的峰值分别对应的是拉伸波的一阶和二阶模式，而所谓的阻带恰好位于这两个模式波最大激发振幅之间的频域范围内。对不同内、外径的圆管的模拟分析结果指出（苏远大等人，地球物理学报）拉伸波阻带的中心频率f_c和阻带的宽度Δf由下式给出：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_c=0.58V_p/(d1+d2)\\ \mathrm{\Δf}=0.0318V_p/{(d1+d2)}^{1.65}\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中V_p为钻铤（钢）的纵波速度，d1和d2分别为钻铤的内、外径。图3给出了对外径固定为122mm，内径从30mm变化到70mm时的钻铤拉伸波振幅谱以及谱上所示的阻带与（2）式计算结果的良好符合关系。

本发明的中心思想就是利用钻铤中的一阶与二阶模式波之间的固有阻带来对钻铤波进行隔声。然而，对实际的随钻声波测井而言，往往需要在尽可能宽的频带上测量地层的声学性质。显然，单靠单一尺寸的钻铤产生的阻带往往是不够的。本发明更为重要的思想是对不同尺寸、不同阻带的钻铤进行组合，使其阻带相互连接使得钻铤波通过该钻铤组合后其有效阻带有明显的拓宽。在拓宽了的阻带频段中进行声波测井，就得到压制钻铤波，有效地测量地层声波的效果。

为了说明用不同钻铤的组合来拓宽阻带宽度的思想，我们来讨论图4所示的两截钻铤的组合模型（两钻铤的外径均为122mm，而内径分别为70mm（左）和50mm（右）。图4中，1是声源、2是变径、3是钻铤声波。将环状声源加于左边的钻铤，在距源足够的距离上（图中为2m）将钻铤的内径变为50mm。注意保持变径处离源有相当的距离是利用拉伸波的导波性质及其阻带特征的重要条件。因为在源的近区存在声源辐射的各式波动（纵、横波等），只有在离开声源一定距离（约一个波长以上）后，钻铤中声波的导波特征才显示出来。当声源辐射的声场以拉伸波的形式入射到变径处，入射声场的固有阻带已经形成。将此声场作用于变径处的钻铤，将产生波场的散射（包括反射和透射）的物理现象。对变径波导的理论描述和计算比较复杂，在这里我们只对其结果进行物理上的论证，并用数值模拟计算结果予以验证。

首先，我们考虑的问题是一线性的弹性波动问题，故可将波的入射、变径处的散射及其后的传播视为一线性系统的输入、与系统的作用和作用后的输出。对于一个线性系统，若其输入信号因为在某一频段上存在阻带，因而具有很小的能量，那么其输出也不会在此频带内产生很强的信号；换言之，穿过变径处的透射波对入射波的阻带有着记忆性。当透射波传播一段相当的距离后，变径处散射的近场效应消失（这个距离应在一个波长以上）。这时透射波又以变径后钻铤的拉伸波的形式传播，也会形成其固有阻带，该阻带为变径后的钻铤尺寸所控制。综上所述，我们可以把变径后的拉伸波的频率响应函数写为：

L(f)=αL₁(f)·L₂(f)   （3）

其中L₁和L₂分别为钻铤1（左边）和变径后的钻铤2（右边）的响应函数，α为变径对波幅的影响。从线性系统理论而言，（3）式表示的是两线性系统（钻铤1和2）的褶积。这时，两频响函数L₁和L₂中的阻带是一乘积关系，更进一步，如果这两个阻带有一定的连接，即一个阻带的高频区再与另一个阻带的低频区相连或重合，那么乘积后的响应L(f)中的有效阻带将会比原有阻带加宽。

我们对以上推论进行数值计算和验证。采用计算图2所用的环状声源，并采用有限差分方法来计算变径的影响。计算得到的距源3m的波的振幅谱（即（3）式中的L(f)），如图5所示。我们看到波谱中存在一明显的阻带，而且其宽度比图2所示的大为加宽。为了证明这一变径组合后波谱L(f)阻带的带宽与单个钻铤波谱L₁(f)和L₂(f)中的带宽的关系，我们用（2）式中阻带参数计算公式来做一估算，采用计算中所用的钢的纵波速度Vp=5990m/s,我们得到左、右两钻铤的阻带频率区间（f_c-Δf/2,f_c+Δf/2），分别为（16.6kHz，19.5kHz）和（18.5kHz，22kHz）将这两带宽区间标示在图5中，可以看出L(f)的阻带基本上为这两阻带带宽之和。

上述的论证和数值计算结果证明了在本发明用钻铤的变径组合进行隔声的设计思想。根据此思想，我们可以对声源与接收器之间的钻铤进行变径，即将（3）式推广为：

$L\left(f\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\α}}_i{L}_i\left(f\right)L_{i+1}\left(f\right)---\left(4\right)$

其中N为源到接收器距离上变径的次数。进行多次变径的设计条件是：①不同尺寸的各钻铤的固有阻带应有一定的重叠或者首尾相连；②源到第一次变径处的距离，两变径处之间钻铤的长度，以及最后一次变径处到接收器的距离均不应小于一个波长。第②个条件的物理背景是：在一个波长的距离上，声源及变径处声散射产生的近场效应差不多消失，以保证沿钻铤传播的声场是以导波（即这里所述的拉伸波）的形式传播，从而能利用导波的阻带特征来进行隔声。

（4）式的用钻铤变径拓宽阻带带宽来隔声的原理与常规刻槽隔声的原理是很不相同的。在小于波长的尺度上进行周期性刻槽，使声场在这种周期性结构中产生共振，共振的声场与沿钻铤传播的波场相互耦合，由此产生钻铤波的衰减来达到隔声的目的。

为了说明阻带拓宽隔声的效果，我们将变径后的钻铤组合（图4的模型）置于钻井中，井的半径为0.08m，井中流体和地层密度分别为1.0g/cm³和2.5g/cm³，流体声速和地层的纵、横波速分别为1500m/s，4000m/s和2300m/s。图6是计算所得的阵列波形（虚线）源距3.25m，接收器间隔为0.15m，源的中心频率为18kHz。将此波形作速度—频率二维谱，结果见图7。图7下部是没有地层时的波谱，及其中的有效阻带。上部的二维谱呈两种趋势。较低频的一种位于一阶模式的频散曲线上，故为钻铤波。较高频的另一趋势位于阻带之内，且速度为地层速度。这证明作了变径隔声的处理后，在变径组合的阻带频率范围内，接收到的波形以沿地层传播的波动为主。为更进一步说明这一点，可将图6的波形（虚线，含有钻铤波和地层波）在有效阻带的频率范围内滤波，得到的波形为地层纵波(实线).图8是按以上变径隔声的声学原理设计的随钻声波测井系统的示意图。左图中，具有轴对称辐射的声源和一系列接收换能器被安装在具有变径组合的钻铤系统上。在此系统中，声源到变径处的距离、两变径处之间钻铤的长度、以及接收器到变径处的距离，均不小于钻铤波的波长。每一截横截面积不变的钻铤两端刻有螺纹（图9），用以与横截面积不同的其他钻铤首尾相连。组合中各钻铤的尺寸可按钻井的大小及测井声波的工作频率及带宽来设计。例如，钻井需要钻铤的外径为122mm，测井声波的工作频带为13-18KHZ。钻铤波的波速一般在5000-6000m/s之间，此工作频带中钻铤波的最长波长为

我们可以选择三截外径为122mm的钻铤，它们的内径分别为50mm，80mm，和100mm。由（2）计算出他们的阻带分别为12.8-14.8kHz，14-16.4kHz，16.3-19.4kHz，可以分别在距源1米和2米处实行第一和第二次变径，然后在距离3m处放置接收器。按这种设计，就能在随钻测井过程中在所给的工作频率范围内测量地层的声学参数。

图8左侧钻井结构中，1是声源、3是钻铤声波、4是接收器、5是变径钻铤、6是地层声波、7是钻井。图8右侧是根据右图的随钻测井声系配置的发射和接收数据采集系统的示意图。由系统中的微处理器对发射控制系统发出指令，控制信号发生器产生脉冲信号，再进入调频器。调频后的脉冲信号经过放大器放大后再加于声源。当钻铤上安装的声源被激发时，它将激发沿钻铤传播的波，并同时激发沿井壁地层传播的波。这两组沿不同路径传播的波被安装在钻铤上的接收器接收，接收后的信号被送入滤波器进行滤波。将滤波后的信号由微处理器和接收控制系统控制的程控增益调节，将信号调节到后续的模/数转换器相适应的幅度。经过模/数转换器数字化采样后送到微处理器。量化后的数据可以由微处理器实时处理以提取地层的声学参数，如地层速度；也可以将数据储存待钻后再行处理。

在内径最大的钻铤内部，利用其增大的内部空间，将装有随钻声波仪器主控电路部分置于水眼中心的套筒舱8内，如图9所示。主测控电子舱主要功能是与随钻遥测通讯、控制发射激励电子单元和信号接收电子单元工作参数、与信号接收电子单元高速传输数据、大数据量存储、声波信号井下处理、与地面系统数据传输等功能。

方案一：调频激发

随钻声波测井的目的之一是在钻井的同时，实时获得地层的声学参数。例如，为了将钻头所在的地层位置与地震勘探剖面的震相联系起来，以达到地质导向或更新地震剖面的目的，需要实时获得地层的速度剖面，这就要求由图8右侧的微处理器实时处理采集的波形。处理时要求波形中来自地层的声波占主要成份，而钻铤波为最小。对于这种情形，可以采用调频激发，利用图8右侧发射系统中的调频器将信号发生器产生的脉冲信号进行调整，使发射信号的中心频率或整个发射信号的功率谱都位于仪器设计的工作范围，也就是变径钻铤组合的钻铤波的阻带的范围内。这样接收器上采集的波形中地层声波信号将占主导地位，可以直接进行处理，提取地层的声波参数。

方案二：宽带激发

随钻声波测井也要求测量沿井筒流体和井壁传播的Stoneley波，以估计地层的渗透性能及地层中的裂隙等。Stoneley声波的频率较低，一般在数千赫兹以下，这就要求声源的激发具有较宽的频带。这时可以采用宽带激发，将图8中调频器的频率范围放宽，从一千到二万赫兹。这种激发产生的声波，既包括了低频的Stoneley波，也包括了较高频率的钻铤波，以及沿井壁地层传播的声波。对这种宽带声波信号可进行两种采集，一是为井下实时处理进行的采集；二是为钻后处理进行的采集。在第一种采集中，可将图8中接收系统中的模拟滤波器的带宽设置与图8左图中所设计的变径钻铤组合的阻带一致。由此以来，滤波后信号的主要成份即为井壁地层传播的声波，采集后的波形数据可实时处理之用。

在第二种采集中，接收系统的模拟滤波器为宽带设置，频率从一千到二万赫兹的范围，这样采集的波形数据由图示的微处理器存贮，供钻后处理。在钻后处理过程中，可以对数据进行数字滤波，把数字滤波器的频率范围设为数千赫兹可以提取出Stoneley声波信号；把滤波器的频率范围设置在随钻仪器中的变径钻铤组合的阻带之内，可以提取出地层的声波信号。

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[7]唐晓明，郑传汉.定量测井声学.北京：石油工业出版社，2004

Claims (1)

1.一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井装置，由若干段钻铤首尾相接，其特征在于，所述若干段钻铤的内径为变径结构，以形成不同变径尺寸、不同阻带的钻铤组合；所述变径的次数依如下条件确定：首先，不同内径尺寸的各钻铤的固有阻带应有一定的重叠或者首尾相连；其次，声源到第一次变径处的距离，两变径处之间钻铤的长度，以及最后一次变径处到接收器的距离均不应小于一个波长，以保证沿钻铤传播的声场是以导波的形式传播。

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