CN104453854B - 一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法及装置。本发明采用远、近两个发射，测井时，远发射T_f首先被激发，发射幅度为A₁，近发射T_n延时一段时间τ之后被激发，发射极性与T_f反相，且幅度为A₂；声源激发的同时，对N个接收器上的信号进行采集并记录；在接收器的位置远发射和近发射所激发的钻铤波同时到达、极性相反、幅度相同，叠加后被抵消掉，从而实现对钻铤波的压制。在后续数据处理上采用声波干涉法进一步压制残余钻铤波的影响，提取地层波的速度。从而形成一种无需隔声装置的随钻声波测井技术。本发明解决了随钻单极纵波测井时钻铤波的干扰问题，避免了刻槽设计对钻铤强度的破坏，并降低了仪器的机械加工难度及制造成本。

Description

一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法及装置

技术领域

本发明属于地球物理测井领域，涉及一种随钻声波测井方法及装置，特别涉及一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法及装置。

背景技术

声波测井是一种重要的地球物理测井方法，其主要目的是测量地层纵横波速度，进而对地层的孔隙度等储层参数进行评价。随钻测井技术(LWD)最近十来年发展迅速，由于其在钻井的同时就可以完成测井作业，大大节省了钻井架占用时间，特别是在目前日益增加的海上油气勘探与开发作业中，有很好的应用前景。但是作为随钻测井的关键技术之一的随钻声波测井技术相对滞后，其主要原因是隔声问题。

Tang X M指出在随钻环境下采用四极子声源，当工作频率低于钻铤波截止频率时，地层横波不受钻铤波的影响，不需要专门的隔声装置^[1]。因此对随钻隔声的研究主要是针对随钻单极子的隔声问题。很多学者研究表明，在随钻单极测井中，会激发一种钻铤模式波，该振型在波列中占据主导地位，其振幅远远大于地层纵波的振幅^[2][3][4]，在井下仪器对这种声波信号进行量化采集时，模数转换器的增益往往由波幅较大的钻铤波所控制，使得波幅较低的地层波在模数转换中在低位数字上被量化。这样采集的地层声波信号的信噪比较低，很难准确提取到地层的声速。因此必须对钻铤波进行压制。

行业熟知，在电缆声波测井仪中普遍采用刻槽结构来衰减和延迟沿仪器传播的直达波。由于随钻仪器对机械强度要求更高，因此首先必须保证其满足随钻仪器的强度标准。目前市场上商业化应用的随钻声波测井仪隔声方式均采用刻槽方法。如威德福ShockWaveSonic Tool、哈里伯顿BAT/QBAT、贝克休斯APX^[5]、斯伦贝谢SonicVision^[6]、斯伦贝谢SonicScope^[7]。虽然其刻槽方式各异，但都是以牺牲钻铤的强度为代价。

测井科研人员一直希望找到一种不刻槽的隔声技术。唐晓明等人提出了一种变径隔声方案，其思路是：利用纵波在钻铤中传播时，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得以拓宽，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。从而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，机械加工简单，并能降低随钻声波仪器的造价^[8][9]。

Zhan Xin,Zhu Zhenya等人在震电研究的基础上，提出采用震电效应的办法避开钻铤的隔声问题。其思路是：采用声激励，电接收的方式，利用岩石的震电效应测量地层的声波信息，而且这种方法对岩石的渗透率具有很好敏感性，因此将为渗透率测量提供一种很好的方法。由于钻铤没有震电效应，而岩石普遍存在震电效应，因此可以有效避开钻杆中的波对测量的影响。但是，由于震电效应转换效率非常低，其信号受地层流体矿化度等因素的强烈影响，工业化应用将面临很多困难。另一方面，其在低孔隙度地层的应用存在问题，也不利于此项技术的应用^[10][11]。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法及装置，以解决随钻单极纵波测井时钻铤波的干扰问题，采用双源反激技术在数据采集环节对钻铤波进行压制从而提高地层波的信噪比，在后续数据处理上采用声波干涉法这一数据处理方法，从而形成一种无需隔声装置的随钻声波测井技术。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法，采用放置于钻铤上的轴向间距为D的远、近两个发射T_f和T_n，测井前首先进行标定，即根据钻铤参数确定近发射和远发射的发射幅度及最佳延迟时间。测井时两个声源采用反向激励方式，即远发射T_f首先被激发，发射幅度为A₁，近发射T_n延时一段时间τ之后被激发，发射极性与T_f反相，且幅度为A₂；声源激发的同时，对N个接收器上的信号进行采集并记录；在接收器的位置远发射和近发射所激发的钻铤波同时到达、极性相反、幅度相同，叠加后被抵消掉，从而实现对钻铤波的压制，提高地层波的信噪比。在后续数据处理上，利用声波干涉法对双源反激方法采集的测量波形数据进行处理，获取地层声波速度。

所述近发射和远发射的发射幅度比及最佳延迟时间按以下步骤确定：

1)将随钻声波测井仪置于充液井孔中低速地层；

2)设置只有远发射或者只有近发射工作，发射幅度为A₁，声源主频设为f₀，记录R1、R2,…RN上接收到的波列；

3)对阵列接收波形，计算每一道接收波形中钻铤波的幅度(峰峰值)；

4)根据各列波形中钻铤波的幅度，通过线性拟合方法获取钻铤波衰减系数α(f₀)；

5)按下式选取近发射的幅度：

A₂(f₀)＝(1-α(f₀)D)A₁ (1)

对于不同频率的钻铤波，其衰减特性存在差别，因此需要分别标定；

6)根据步骤2)获取的阵列波形计算出钻铤波速度v_t；

7)最佳延迟时间τ为钻铤波在距离D内的传播时间，按照公式(2)计算：

其中，D为远发射和近发射在轴向的间距。例如当D为0.25m、v_t为5000m/s时，最佳延时时间τ为50μs。

所述声波干涉法处理方法，可以将声波干涉法在仪器的井下数字处理器中编程实现，对双源反激测量的波形数据进行实时处理；也可以将该方法形成处理软件，待钻铤上提至地面时读出仪器存储器中的数据后进行处理。

一种基于双源反激技术的随钻声波测井装置，主要包括嵌入在钻铤之中的声系部分和电路部分；声系部分由轴向间距为D的远、近发射器组成的双源发射、接收阵列组成；所述远发射器、近发射器为两个工作性能一致的单极子压电换能器，在发射电路高压的激励下能向地层发射声波；由N个压电陶瓷传感器组成单极子接收阵列；电路部分主要由双源发射电路和接收电路及总控电路组成；双源发射电路包括第一发射电路和第二发射电路，能产生两路高压脉冲分别激励两个远发射器、近发射器；第一发射电路和第二发射电路产生的高压波形幅度、极性及延迟时间均可通过程序控制，该第一发射电路和第二发射电路在总控电路的控制下能够对两个发射器实施双源反激激励接收电路包含N路对信号进行前置放大、滤波、程控增益的信号调理电路，N路对信号调理电路输出信号进行数字化、并控制信号调理电路的增益从而实现自动增益控制的同步采集电路。

所述双源发射电路的发射延迟时间及幅度连续可调，延时参数在0μs～200μs，最小步长为0.1μs；幅度在50％～100％可调，最小步长为1％。

如上所述的对N个接收器上的信号进行采集并记录，在采集时放大电路的增益由接收控制单元根据上一次采集数据的最大幅度值自动控制，使得输入到ADC的信号的最大值接近但不超过ADC的最大输入电压，最大限度发挥ADC的性能。

本发明的有益效果如下：

在声源激发方式上采用双源反激技术，在数据采集环节对钻铤波进行压制从而提高地层波的信噪比；在后续数据处理上采用声波干涉法这一数据处理方法，从而形成一种无需隔声装置的随钻声波测井技术。在仪器制造上，只需增加一个声源，避免了随钻声波测井仪刻槽设计，降低了仪器的机械加工难度及制造成本。更为重要的是，本发明避免了常规仪器隔声装置对钻铤强度的破坏，从而大大提高了随钻测井作业的安全性，降低了随钻声波测井仪的维护费用，使之特别适用于海上油气井、大斜度井及水平井的随钻测量作业。

附图说明

图1本发明的随钻双源反激声波测井装置的声系部分示意图。

图2本发明随钻双源反激声波测井装置电路框图。

图3本发明双源反激激励时序图。

图4本发明数据采集和处理的流程图。

图5‐a传统单源激励时的接收波形与本发明双源反激激励时的接收波形。

图5‐b本发明双源反激激励时的放大5倍后的接收波形。

图6‐a本发明单源激励时接收波形的STC处理结果。

图6‐b本发明双源反激激励时接收波形的STC处理结果。

图7本发明双源反激激励时接收波形采用波干涉法的处理结果。

具体实施方式

基于双源反激技术的随钻声波测井仪如图1所示。主要包括声系部分和电路部分(均是嵌入在钻铤之中)。声系部分如图1所示，由双源发射、接收阵列组成。图中1为钻铤，2和3分别为远发射器T_f、近发射器T_n，为两个工作性能一致的单极子压电换能器，在发射电路高压的激励下能向地层发射声波，4和5分别为远发射和近发射透声盖，主要作用是保护发射换能器及透声；6为由N个压电陶瓷传感器组成的单极子接收阵列，利用压电陶瓷的压电效应可以将声信号转化为电信号，接收器个数N通常取4～16，7为接收器保护盖，主要作用是保护接收换能器及透声；8为钻铤的水眼。

电路部分如图2所示，主要由双源发射电路、接收电路及总控电路组成。双源发射电路包括发射电路1和发射电路2，能产生两路高压脉冲分别激励两个发射换能器T_f、T_n。发射电路1和发射电路2产生的高压波形幅度、极性及延迟时间可以通过程序控制。首先井下发射控制单元控制D/A数模转换器产生发射低压脉冲波形，低压脉冲波形首先经过滤波放大电路进行滤波和放大，然后经过功放电路进行功率放大，最终输出(峰峰值可达上千伏的)高压脉冲，从而激励发射换能器向外辐射声波。发射延迟时间及幅度连续可调，延时参数在0μs～200μs可控，最小步长为0.1μs；幅度在50％～100％可调，最小步长为1％。双源发射电路在总控电路的控制下能够对两个发射器实施双源反激激励。接收电路包含N路信号调理(主要是对信号进行前置放大、滤波、程控增益)、N路同步采集电路(主要是对信号调理电路输出信号进行数字化，并控制信号调理电路的增益从而实现自动增益控制)，在接收控制单元的控制下能够将接收传感器上的微弱电信号进行程控放大、滤波，并由采集电路A/D模数转换器(ADC)进行数字化，并将数据赋予仪器的井下总控电路。总控电路将数字化的数据存储在井下大容量非易失性存储器中以便仪器上提至地面时读取，并能通过实时处理后得到地层的声速。总控电路还可以将数据及处理结果实时上传给地面，并负责发射电路及各接收控制单元的同步等。

测井前首先需要根据钻铤参数确定近发射和远发射的发射幅度比及最佳延迟时间，实际测量中可以采用实验的方法进行标定。发射幅度比主要由钻铤波的衰减所决定，而钻铤波幅度的衰减和传播距离(几何扩散)、频率及钻铤的尺寸参数等相关。研究表明钻铤波沿钻铤轴向传播近似呈线性衰减。优选的，发射幅度及最佳延迟时间按以下步骤确定：

1)将随钻声波测井仪置于充液井孔中(低速地层)；

2)设置只有远发射(或者只有近发射)工作，发射幅度为A₁，声源主频设为f₀，记录R1、R2,…RN上接收到的波列；

3)对阵列接收波形，计算每一道接收波形中钻铤波的幅度(通常取峰峰值)；

4)根据各列波形中钻铤波的幅度，通过线性拟合方法获取钻铤波衰减系数α(f₀)；

5)按下式选取近发射的幅度：

A₂(f₀)＝(1-α(f₀)D)A₁ (1)

对于不同频率的钻铤波，其衰减特性存在差别，因此需要分别标定。

6)根据步骤2)获取的阵列波形计算出钻铤波速度v_t；

7)最佳延迟时间τ为钻铤波在距离D内的传播时间，按照公式(2)计算：

其中，D为远发射和近发射在轴向的间距。例如当D为0.25m、v_t为5000m/s时，最佳延时时间τ为50μs。此外，需要说明的是，通常对于工业应用的钻铤来说，尽管有不同的型号，但钻铤波的速度基本在5000m/s左右，因此钻铤波的速度v_t也可以直接根据经验选取。

测井时，远发射T_f首先被激发，发射幅度为A₁，近发射T_n延时一段时间τ之后被激发，发射极性与T_f反相，且幅度为A₂，发射时序如图3所示。声源激发的同时，对N个接收器上的信号进行采集并记录(采集时放大电路的增益由接收控制单元根据上一次采集数据的最大幅度值自动控制，使得输入到ADC的信号的最大值接近但不超过ADC的最大输入电压，最大限度发挥ADC的性能)。这样，在接收器的位置远发射和近发射所激发的钻铤波同时到达、极性相反、幅度相同，叠加后被抵消掉，即钻铤波被压制。只要地层纵波声速和钻铤波声速存在差异，地层声波信号就不能被抵消掉。相对于压制后的钻铤波，地层波得到很大地增强。这样，通过增大声源的发射功率来增加信号强度，并针对地层波到达的时段进行数据采集，就能得到信噪比较高的地层声波信号。这为后续进行数据处理提取地层波的速度提供了较高质量的数据。

虽然双源反激的理论上可以较好地压制接收波列中的钻铤波，但实际测量中，远、近声源很难做到完全一致，再加上其他因素如波的衰减和频散以及发射换能器及其工作载荷的差异等，难以将钻铤波完全抵消。本发明的一项重要内容是利用声波干涉法对双源反激方法采集的测量波形数据进行处理，获取地层声波速度。

声波干涉法^[12]的适用条件是测量数据中存在振幅量级相当的两个声波，其中之一的声速已知，另一波的声速则利用二波在阵列中的干涉原理提取。在双源反激方法测量到的波形数据中，钻铤波速度已知，且钻铤波经压制后振幅大为降低，地层波振幅相对提升，二波幅度相当，很好地满足了声波干涉法的适用条件。因此，对于采用双源反激技术压制后的波列数据中的残余钻铤波，采用声波干涉法可以进一步将其压制，获取地层纵波速度信息。

图4为实施本发明的数据采集和处理的流程。测井前需要完成对仪器的标定，选取远、近发射激发强度A1、A2和最佳延迟时间τ。随钻测井时，通常是井下总控电路按一定的时间间隔向发射控制单元和各个接收控制单元发送发射采集命令。发射控制单元接收到发射命令后，按照前述双源反激激发时序对两个发射换能器进行激励。N个接收换能器接收到声波信号，并将其转化为电信号，通过信号调理电路进行放大和滤波。接收控制单元接收到采集命令后，对信号调理电路输出的信号进行同步采集，并将数据传输到总控电路进行存储。接收控制单元根据本次采集数据的最大幅度值计算并设置下次采集时信号调理电路的增益(通常认为相邻两次采集地层参数变化不大，因此声波幅度变化不大)。总控电路采用声波干涉法进行数据处理，获取地层声波速度，并实时上传地面。在本发明的仪器生产制造中，可以将声波干涉法在仪器的井下数字处理器中编程实现，对双源反激测量的波形数据进行实时处理。也可以将该方法形成处理软件，待钻铤上提至地面时读出仪器存储器中的数据后进行处理。

图5‐a、5‐b为实施本发明的一个例子。地层为硬地层，其纵波速度为4000m/s(对应慢度为250μs/m)，仪器声源工作的中心频率为10kHz。图5‐a中细线对应的波形为采用单源激励时接收到的阵列波形图，接收波形中首先到达的是钻铤波(波至由标识为Collar的虚线给出)。对于该硬地层例子来说，由于地层纵波幅度较小，钻铤波幅度很大且持续时间较长，致使地层纵波完全淹没在钻铤波中无法识别。图5‐a中粗线对应的波形为采用双源反激激励时接收到的阵列波形图，由于双源反激的压制作用，钻铤波的幅度明显被压制。图5‐b为图5‐a中双源波形放大5倍后的效果。这时能从后续波形中看到地层波的成分(波至由标识为P的虚线给出)。钻铤波虽然没有被完全压制(波至由标识为Collar的虚线给出)，但相比于双源反激压制前(图5‐a细线),地层波幅度已经得到很大的增强，可用于后续的数据处理中提取地层信息。从波形的数字化采集的角度来说，对双源反激前(图5‐a细线)、后(图5‐b)的波形进行量化采集，后者数据中地层波幅度的相对大小和信噪比比前者要强很多，这正是双源反激技术要达到的效果。

图6‐a、6‐b为采用行业熟知的慢度时间相关(STC)法对上述随钻测井波形的处理结果。STC慢度时间相关法利用波形相干叠加方法得到以时间和慢度为变量的二维相关函数。图中的横坐标代表波形中某个振型在第一接收器上的到达时间，纵坐标代表慢度，相关函数的峰值对应该振型的到时及慢度^[2]。图6‐a是单源激励时阵列波形的STC图。单源激励时由于钻铤波占主导地位，STC相关图中在100μs/m-400μs/m范围内只有一个峰与钻铤波(慢度约为200μs/m)相对应。波幅较小的地层纵波的相关性被钻铤波完全屏蔽，不能体现出来。图6‐b是双源反激激励时阵列波形的STC图。采用双源反向激励后，在STC相关图中能够看到与地层波对应的峰，其慢度值为250μs/m，证明地层波的信噪比在压制钻铤波的基础上的确得到了增强。但是，尽管钻铤波被压制，其波幅和相关性仍然很强，甚至会严重干扰地层信号的提取。采用前述的声波干涉法可以很好地解决这一问题。

图7为双源反激接收到的阵列波形采用声波干涉法进行处理的结果。在100μs/m-400μs/m范围内只有一个峰与地层纵波相对应，其慢度值为250μs/m，而钻铤波的相关性则完全消失。以上的例子表明，采用本发明的双源反向激励的随钻声波数据采集技术和声波干涉方法进行数据处理，可以实现一种无需隔声装置的随钻声波测井技术。

需要指出的是，采用双源反激方法压制钻铤波的同时对地层波也有影响，当地层波的速度和钻铤波速度比较接近时，对地层波也有较强的压制作用，此时应用效果会变差。但是，在实际海上随钻测井中，通常地层的纵波速度并不很高。从以上例子可以看出，即使在地层纵波速度高达4000m/s的硬地层，采用本专利的方法仍具有很好的效果。因此，该方法能够满足目前海上油气勘探开发的应用需求。

参考文献

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[2]唐晓明，郑传汉.定量测井声学[M].赵小敏译.第一版.北京：石油工业出版社，2004.

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[4]崔志文.多孔介质声学模型与多极源声电效应测井和多极随钻声测井的理论与数值研究[D].长春：吉林大学,2004.

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[10]Xin Zhan,Zhenya Zhu,Shihong Chi,M.Nafiand Rama Rao.Anexperimental study of seismoelectric signals in logging while drilling andfiltering out of tool waves,SEG Technical Program Expanded Abstracts2005.January 2005,396-399.

[11]Xin Zhan,Zhihong Chi,and M.Nafi Simulation of the convertedelectric field during multipole logging while drilling(LWD),SEG TechnicalProgram Expanded Abstracts 2006.January 2006,446-450.

[12]一种利用管波与地层声波干涉原理提取地层声速的方法[P].中国发明专利申请：CN201410372976.1

Claims (2)

1.一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法，采用放置于钻铤上的轴向间距为D的远、近两个发射T_f和T_n，测井前首先进行标定，通过反向延迟阻激来达到压制钻铤直达波的幅度干扰，提高来自地层声波信号的信噪比；

所述近发射和远发射的发射幅度及最佳延迟时间按以下步骤确定：

1)将随钻声波测井仪置于充液井孔中低速地层；

2)设置只有远发射或者只有近发射工作，发射幅度为A₁，声源主频设为f₀，记录R1、R2,…RN上接收到的波列；

3)对阵列接收波形，计算每一道接收波形中钻铤波的幅度；

4)根据各列波形中钻铤波的幅度，通过线性拟合方法获取钻铤波衰减系数α(f₀)；

5)按下式选取近发射的幅度：

A₂(f₀)＝(1-α(f₀)D)A₁ (1)

6)根据步骤2)获取的阵列波形计算出钻铤波速度v_t；

7)最佳延迟时间τ为钻铤波在距离D内的传播时间，按照公式(2)计算：

<mrow> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <msub> <mi>v</mi> <mi>t</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，D为远发射和近发射在轴向的间距。

2.根据权利要求1所述的一种基于双源反激技术的随钻声波测井方法，将声波干涉法在仪器的井下数字处理器中编程实现，对双源反激测量的波形数据进行实时处理；或将该方法形成处理软件，待钻铤上提至地面时读出仪器存储器中的数据后进行处理。