CN103352692B - 随钻声波测井钻铤变径声系隔声体的最优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于应用地球物理/声学测井领域，涉及一种随钻声波测井钻铤变径声系隔声体的最优化设计方法。随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，包括如下步骤：步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围和水眼内径；步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径的目标函数，求解目标函数全局极小值，确定最优化内径；步骤三、进一步调整变径长度的组合，建立目标函数，求解目标函数全局极小值，确定变径长度的最优化组合。本发明降低了加工难度及成本，同时增强了钻铤的机械强度；避免了刻槽式隔声体的隔声效果受槽宽、槽深、槽间距和刻槽个数等多个参数控制，只能靠经验和数值模拟方法来设计，难以找到最优化的刻槽结构的问题。

Description

随钻声波测井钻铤变径声系隔声体的最优化设计方法

技术领域

本发明属于应用地球物理/声学测井领域，具体地，涉及一种随钻声波测井钻铤变径声系隔声体的最优化设计方法。

背景技术

随钻声波测井的目的是在钻井过程中确定地层纵波速度和横波速度，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。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。

随钻声波测井关键技术之一是隔声体设计，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）。若不做隔声处理，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（Abbas Arian,Laurence T.Wisniewski，Georgios L.Varsamis,Gary L.Fickert.Methodand apparatus for absorbing acoustic energy.Patent No:US6899197B2,May31,2005），中期的（Vladimir Dubinsky,Alexei Bolshakov.AcousticIsolator for downhole applications.Patent No:US7028806B2,April18,2006，Sergio Kostek,Ahu-Kong Chang,Gordon MeDaniel,ThomasPlona,Curtis Randa11.Method of and apparatus for sonic1ogging whi1edri11ing a boreho1e traversing an earth formation.Patent No:5852587,December.221998）及现有的（Toshihiro Kinoshita,A1ain Dumont,Hiroshi Hori,Naoki Sakiyama,Jan Mor1ey,Fernando Garcia-Osuna.LWD sonic too1 design for high-quality 1ogs.80th Ann.Internat.Mtg.,Soc）随钻测井仪器，都采用在发射声源换能器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。采用刻槽的方式隔声对钻铤机械强度具有较大的损害，而且使用过程中的刻槽隔声体的保养和维护也必不可少。唐晓明等人在发明专利CN102322258A提供了一种利用长度大于声波波长的不同横截面积、不同固有阻带的钻铤加以组合来拓宽有效隔声阻带的设计思想。

现有的随钻声波技术，大都采用在钻铤上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

为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种随钻声波测井钻铤变径声系隔声体的最优化设计方法，实现长度大于波长的变径钻铤组合代替刻槽式的隔声体最优化设计。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围和水眼内径

步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径的目标函数，求解目标函数全局极小值，确定最优化内径d

步骤三、进一步调整变径长度的组合，建立目标函数E(L₁,L₂)，求解目标函数全局极小值，确定变径长度的最优化组合。

进一步地，一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

进一步地，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体如下：靠近发射声源换能器T处的内径d₁从水眼内径P开始，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止，其中，Δd=(0.9D-P)/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同内径d₁和水眼内径P的组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁)，计算不同d₁内径情况下的目标函数E(d₁)，具体的目标函数如下所示：

$E\left(d_1\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_1)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁。

进一步地，一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

将靠近发射声源换能器一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₂等于TR-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂=TR-λ-ΔL，直到L₂=λ为止，其中，ΔL=(TR-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₁和L₂组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁,L₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_1,L_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_1,L_2)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

进一步地，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

进一步地，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体如下，首先，固定中部的d₂=0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止，其中，Δd=0.8D/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂=0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂=0.9D为止；针对不同内径d₁、d₂和P组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁,d₂)，计算不同d₁和d₂内径组合情况下的目标函数E(d₁,d₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_1,d_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_1,d_2)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值。观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁和d₂，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁和d₂。

进一步地，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

首先，固定L₃=TR/3不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₂等于2TR/3-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂=2TR/3-λ-ΔL，直到L₂=λ为止，其中，ΔL=(2TR/3-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₁、L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁,L₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_1,L_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_1,L_2)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

进一步地，三次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

进一步地，三次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体来说，固定接收换能器处的钻铤内径d₁为二次变径最优化时对应的内径；首先，固定中部的d₂=0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃=0.9D为止，其中，Δd=0.8D/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂=0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃=0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂=0.9D为止。针对不同内径d₁、d₃和d₂组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₂,d₃)，计算不同内径组合情况下的目标函数E(d₂,d₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_2,d_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_2,d_3)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₂和d₃，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁、d₃和d₂。

进一步地，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

固定L₁=L₄=TR/4不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₂，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₃等于TR/2-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₂，对应的L₃=TR/2-λ-ΔL，直到L₃=λ为止，其中，ΔL=(TR/2-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₂,L₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_2,L_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_2,L_3)]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

相对于现有技术，本发明具有如下优势：

1、本发明是根据不同内径钻铤(变径长度大于1个波长)的固有阻带组合可以拓宽阻带，在发射声源换能器和接收换能器之间进行2～3次最优化变径设计即可达到隔声效果，相比之前所有隔声体均是利用在发射声源换能器和接收换能器之间刻很多较短的凹槽来衰减钻铤波，降低了加工难度及成本，同时增强了钻铤的机械强度；

2、本发明只有变径大小和变径位置两个主控参数，可以通过最优化算法设计出最佳隔声效果的钻铤结构，避免了刻槽式隔声体的隔声效果受槽宽、槽深、槽间距和刻槽个数等多个参数控制，只能靠经验和数值模拟方法来设计，难以找到最优化的刻槽结构的问题；

3、本发明给出在发射声源换能器和接收换能器之间钻铤的变径次数、变径大小及变径长度等主要参数，并由此得到变径钻铤组合隔声体所能到达的最佳隔声阻带。

附图说明

图1本发明提供的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法工作流程图；

图2a发射声源换能器和接收换能器之间存在一次变径的结构示意图；

图2b发射声源换能器和接收换能器之间存在二次变径的结构示意图；

图2c发射声源换能器和接收换能器之间存在三次变径的结构示意图；

图3本发明优化设计的变径组合声系的理论计算的波谱和频率-速度关系曲线；

图4本发明优化设计的变径组合声系的井孔中模拟的波形；

图5本发明优化设计的变径组合声系的实验测量和理论计算波形对比图；

图6本发明优化设计的变径组合声系的实验测量和理论计算波形振幅谱对比以及实验测量的经变径隔声体前、后钻铤波的声衰减随频率变化曲线。

具体实施方式

本发明通过三次以内的钻铤变径组合，达到钻铤拓宽阻带，实现随钻隔声的目的。

实施例一、

一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围和水眼内径

图2a所示为发射声源换能器T与接收换能器R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N之间一次变径的声系示意图。从发射声源换能器T到接收换能器的钻铤内径分别为d₁和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁和L₂，图中T为发射声源换能器，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N。

1、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径D、源距TR(发射声源换能器T到距离发射声源换能器最近的接收换能器R₁的距离)及发射声源换能器T的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率f₁和终止频率f₂。

2、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N处的水眼内径P。

步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁)，求解目标函数全局极小值

利用有限差分数值模拟方法针对图2a模拟得到接收换能器的阵列波形。具体来说，靠近发射声源换能器T处的内径d₁从水眼内径P开始，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止，其中，Δd=(0.9D-P)/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定。针对不同内径d₁和水眼内径P的组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁)，计算不同d₁内径情况下的目标函数E(d₁)，具体的目标函数如下所示：

$E\left(d_1\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_1)]}^2\mathrm{df}---\left(1\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(1)得到全局极小值。观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁。

步骤三、进一步调整变径长度L₁和L₂的组合，建立目标函数E(L₁,L₂)，求解目标函数全局极小值

根据理论分析的钻铤内径组合及变径长度对钻铤波的影响规律程度，先优化设计钻铤变径大小组合(发射声源换能器T和第1个接收换能器R₁之间的钻铤)，在此基础上，再优化设计变径长度组合。在步骤三确定的内径d₁基础之上，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₂等于TR-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂=TR-λ-ΔL，直到L₂=λ为止，其中，ΔL=(TR-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定。针对不同变径长度L₁和L₂组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁,L₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_1,L_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_1,L_2)]}^2\mathrm{df}---\left(2\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(2)得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

实施例二、

二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围和水眼内径。

图2b所示为发射声源换能器T与接收换能器之间二次变径的声系示意图，从发射声源换能器T到接收换能器阵列的钻铤内径分别为d₁、d₂和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁、L₂和L₃，图中T为发射声源换能器，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N。

1、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径D、源距TR(发射声源换能器T到距离发射声源换能器最近的接收换能器R₁的距离)及发射声源换能器T的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率f₁和终止频率f₂。

2、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列(R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N)处的水眼内径P。

步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁,d₂)，求解目标函数全局极小值

利用有限差分数值模拟方法针对图2b模拟得到接收换能器的阵列波形。具体来说，首先，固定中部的d₂=0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止，其中，Δd=0.8D/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂=0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁=0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂=0.9D为止。针对不同内径d₁、d₂和P组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁,d₂)，计算不同d₁和d₂内径组合情况下的目标函数E(d₁,d₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_1,d_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_1,d_2)]}^2\mathrm{df}---\left(3\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(3)得到全局极小值。观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁和d₂，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁和d₂。

步骤三、进一步调整变径长度L₁、L₂和L₃的组合，建立目标函数E(L₁,L₂)，求解目标函数全局极小值

根据理论分析的钻铤内径组合及变径长度对钻铤波的影响规律程度，先优化设计钻铤变径大小组合，在此基础上，再优化设计变径长度组合。在步骤三确定的内径d₁和d₂基础之上，首先，固定L₃=TR/3不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₂等于2TR/3-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂=2TR/3-λ-ΔL，直到L₂=λ为止，其中，ΔL=(2TR/3-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定。针对不同变径长度L₁、L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁,L₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_1,L_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_1,L_2)]}^2\mathrm{df}---\left(4\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(4)得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

实施例三、

三次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围、钻铤壁厚和水眼内径

图2c所示为发射声源换能器T与接收换能器之间一次变径的声系示意图，从发射声源换能器T到接收换能器的钻铤内径分别为d₁、d₃、d₂和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁、L₂、L₃和L₄，图中T为发射声源换能器，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N。

1、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径D、源距TR(发射声源换能器T到距离发射声源换能器最近的接收换能器R₁的距离)及发射声源换能器T的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率f₁和终止频率f₂。

2、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列(R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N)处的水眼内径P。

步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₂,d₃)，求解目标函数全局极小值

利用有限差分数值模拟方法针对图2c模拟得到接收换能器的阵列波形。具体来说，固定接收换能器处的钻铤内径d₁为二次变径最优化时对应的内径。首先，固定中部的d₂=0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃=0.9D为止，其中，Δd=0.8D/m，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂=0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃=0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂=0.9D为止。针对不同内径d₁、d₃和d₂组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₂,d₃)，计算不同内径组合情况下的目标函数E(d₂,d₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_2,d_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,d_2,d_3)]}^2\mathrm{df}---\left(5\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(5)得到全局极小值。观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₂和d₃，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁、d₃和d₂。

步骤三、进一步调整变径长度L₁、L₂、L₃和L₄的组合，建立目标函数E(L₂,L₃)，求解目标函数全局极小值

根据理论分析的钻铤内径组合及变径长度对钻铤波的影响规律程度，先优化设计钻铤变径大小组合，在此基础上，再优化设计变径长度组合。在步骤三确定的内径d₁、d₃和d₂基础之上，首先，固定L₁=L₄=TR/4不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₂，从钻铤波的一个波长长度λ(λ=V/f)开始，对应的L₃等于TR/2-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₂，对应的L₃=TR/2-λ-ΔL，直到L₃=λ为止，其中，ΔL=(TR/2-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定。针对不同变径长度L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₂,L₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_2,L_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}{[\mathrm{AMP}}_n{(f,L_2,L_3)]}^2\mathrm{df}---\left(6\right)$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数。

利用最小二乘法求解上述目标函数(6)得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

作为本发明的一个工程实例，用本发明所述方法优化设计了一种变径组合隔声体的随钻声波测井声系，其中，钻铤外径120mm，从发射声源换能器到接收换能器的内径依次为d₁=63mm，d₂=82mm，d₃=48mm，变径长度依次为L₁=0.65m，L₂=0.65m，L₃=1.7mm。数值模拟阵列波形所选的源距TR=3m，接收换能器间距RR=0.1m，声源主频为15kHz。图3下部给出变径组合声系的第1个接收换能器的钻铤波振幅谱，如图中灰线给出。作为对比也给出了接收换能器位置单一钻铤（d₃=48mm）的振幅谱。我们对阵列波形作速度—频率的二维谱分析，其结果由图中变密度图给出。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，将接收换能器位置单一钻铤的钻铤波频散曲线在二维谱上画出（如图中虚线），可看出左边和右边的峰值分别对应的是钻铤拉伸波的一阶和二阶模式，这两个模式最大激发振幅之间的频率范围即为最优化变径组合后的有效阻带。对比频谱图可看出，最优化变径组合后使钻铤波的有效阻带拓宽到12.5～20kHz。我们在有效阻带频率范围内测井，可以消除钻铤波的干扰，测量到高质量的地层波信息。为了更进一步说明这一点，将变径组合声系置于钻井中，井的半径为0.09m，井中流体和地层密度分别为1.0g/cm3和2.3g/cm3，流体声速和地层的纵、横波速分别为1500m/s，3500m/s和2000m/s。图4给出了主频为13kHz的声源在有效阻带频率范围内激发的地层纵波，图中粗黑线是通过最优化变径组合隔声后的计算波形。作为对比，细线是单一钻铤的计算波形。未隔声的单一钻铤中的波形包含明显的钻铤波和地层纵波，而变径钻铤组合的波形主要是地层纵波，钻铤波得到有效的压制，使其幅度变得很小。

为了进一步证明本发明的有效性，我们对上述理论设计的随钻声波测井声系进行了实验验证。首先验证的是由声源发射、经过变径组合的钻铤后到达第1个接收换能器位置的实验测量和理论模拟的钻铤波波形，如图5所示。上边的是理论模拟的波形，下边为实验测量的波形，两种形态有较好的一致性。对应的振幅谱由图6中下部的实线给出，实验测量和理论计算的振幅谱吻合较好，也证明了实验测量钻铤波波形的阻带与理论设计结果基本一致。我们进一步对发射声源换能器和接收换能器之间的变径组合隔声体进行了声衰减测量。图6中的点实线给出了经变径隔声体前、后钻铤波的声衰减随频率变化曲线，从钻铤波衰减曲线可看出，该隔声体的最大声衰减为-60dB，对应的频率为16kHz，其中衰减低于-25dB的频率范围未13～19.5kHz，与理论的有效阻带比较接近。因此，通过实验测量结果进一步验证了本发明所述方法可用于随钻声波测井仪器声系的最优化设计。

Claims (10)

1.随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，一次变径的声系，从发射声源换能器T到接收换能器的钻铤内径分别为d₁和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁和L₂，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N；

二次变径的声系，从发射声源换能器T到接收换能器阵列的钻铤内径分别为d₁、d₂和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁、L₂和L₃，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N；

三次变径的声系，从发射声源换能器T到接收换能器的钻铤内径分别为d₁、d₃、d₂和P，从发射声源换能器T开始，变径长度分别为L₁、L₂、L₃和L₄，接收换能器阵列为N个，分别为R₁、R₂、R₃、.....R_N-1、R_N；

其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据设计需求，确定隔声体最佳隔声阻带频率范围和水眼内径

步骤二、建立关于钻铤变径位置处内径的目标函数，求解目标函数全局极小值，确定最优化内径

步骤三、进一步调整变径长度的组合，建立目标函数，求解目标函数全局极小值，确定变径长度的最优化组合。

2.根据权利要求1所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

3.根据权利要求2所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体如下：靠近发射声源换能器T处的内径d₁从水眼内径P开始，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁＝0.9D为止，其中，Δd＝(0.9D-P)/m，D为随钻声波测井仪器的钻铤外径，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同内径d₁和水眼内径P的组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁)，计算不同d₁内径情况下的目标函数E(d₁)，具体的目标函数如下所示：

$E\left(d_1\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,d_1){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁。

4.根据权利要求3所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，一次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

将靠近发射声源换能器一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ，λ＝V/f，开始，对应的L₂等于TR-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂＝TR-λ-ΔL，直到L₂＝λ为止，其中，TR为发射声源换能器到第1个接收换能器的距离，V为钻铤的纵波或者横波速度，ΔL＝(TR-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₁和L₂组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁)，具体的目标函数如下所示：

$E\left(L_1\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,L_1){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

5.根据权利要求1所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

6.根据权利要求5所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体如下，首先，固定中部的d₂＝0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁＝0.9D为止，其中，Δd＝0.8D/m，D为随钻声波测井仪器的钻铤外径，m为内径变化次数，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂＝0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₁从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₁＝0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂＝0.9D为止；针对不同内径d₁、d₂和水眼内径P组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₁,d₂)，计算不同d₁和d₂内径组合情况下的目标函数E(d₁,d₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_1,d_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,d_1,d_2){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟得到的第n个接收换能器阵列的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₁和d₂，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁和d₂。

7.根据权利要求6所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

首先，固定L₃＝TR/3不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₁，从钻铤波的一个波长长度λ，λ＝V/f，开始，对应的L₂等于2TR/3-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₁，对应的L₂＝2TR/3-λ-ΔL，直到L₂＝λ为止，其中，TR为发射声源换能器到第1个接收换能器的距离，V为钻铤的纵波或者横波速度，ΔL＝(2TR/3-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₁、L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₁,L₂)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_1,L_2)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,L_1,L_2){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。

8.根据权利要求1所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，三次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤一具体方法如下：

(1)、根据随钻声波测井仪器的钻铤外径、源距及发射声源换能器的最佳工作主频，确定设计隔声体最佳隔声阻带的起始频率和终止频率；

(2)、根据随钻声波测井仪器设计的工程需要，综合考虑水眼尺寸、仪器机械强度因素，确定接收换能器阵列处的水眼内径。

9.根据权利要求7所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，三次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤二的方法如下：

利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，具体来说，固定接收换能器处的钻铤内径d₁为二次变径最优化时对应的内径；首先，固定中部的d₂＝0.1D，靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃＝0.9D为止，其中，Δd＝0.8D/m，m为内径变化次数，D为随钻声波测井仪器的钻铤外径，根据工程实际情况确定；然后，增加d₂＝0.1D+Δd，同样地将靠近发射声源换能器T处的内径d₃从0.1D开始变化，以等间距步长Δd不断增加，直到d₃＝0.9D为止；之后，按照所述规律依次变化，直到d₂＝0.9D为止；针对不同内径d₁、d₃和d₂组合，按照如下关于钻铤变径位置处内径d的目标函数E(d₂,d₃)，计算不同内径组合情况下的目标函数E(d₂,d₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(d_2,d_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,d_2,d_3){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，观察该目标函数是否达到最小值，若不是，调节钻铤变径位置处内径d₂和d₃，直到目标函数达到最小值时，对应位置处内径的数值大小，即为对应的最优化内径d₁、d₃和d₂。

10.根据权利要求9所述的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法，其特征在于，二次变径的随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法为，步骤三的方法如下：

固定L₁＝L₄＝TR/4不变，将靠近发射声源换能器T一侧的变径长度L₂，从钻铤波的一个波长长度λ，λ＝V/f，开始，对应的L₃等于TR/2-λ，然后以等间距步长ΔL不断增加变径长度L₂，对应的L₃＝TR/2-λ-ΔL，直到L₃＝λ为止，其中，TR为发射声源换能器到第1个接收换能器的距离，V为钻铤的纵波或者横波速度，ΔL＝(TR/2-2λ)/m，m为变径长度的变化次数，根据工程实际情况确定；针对不同变径长度L₂和L₃组合，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接收换能器的阵列波形，计算不同变径长度组合情况下的目标函数E(L₂,L₃)，具体的目标函数如下所示：

$E(L_2,L_3)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\∫}_{f_1}^{f_2}[{\mathrm{AMP}}_n(f,L_2,L_3){]}^2\mathrm{df}$

其中，AMP_n为有限差分数值模拟的钻铤波振幅谱，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止频率，N为接收换能器阵列的个数；

利用最小二乘法求解上述目标函数得到全局极小值，当目标函数达到最小值时，对应位置处的数值大小，即为对应的变径长度L的最优化组合。