朱祖揚(yáng)， 陸黃生， 張 衛(wèi)， 吳海燕， 吳金平

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)的研制與測(cè)試

朱祖揚(yáng)， 陸黃生， 張 衛(wèi)， 吳海燕， 吳金平

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

為滿足鉆井過(guò)程中對(duì)地層壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和地質(zhì)力學(xué)計(jì)算的需要，開(kāi)展了隨鉆聲波測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究，研制了隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)。該短節(jié)內(nèi)外徑分別為57.2 mm和171.0 mm，采用“一發(fā)兩收”的工作模式，發(fā)射聲系安裝一個(gè)單極子發(fā)射換能器，接收聲系安裝2個(gè)接收器，每個(gè)接收器由4個(gè)寬頻接收換能器組成。發(fā)射聲系和接收聲系采取分離式設(shè)計(jì)，聲波發(fā)射器和接收器之間的距離可以調(diào)整，接收器之間的距離固定為200 mm。利用聲波測(cè)量試驗(yàn)裝置測(cè)試發(fā)現(xiàn)，發(fā)射聲系的聲波激發(fā)頻率為12.92 kHz，聲場(chǎng)指向性圖近似于一個(gè)橢圓，接收聲系的8個(gè)接收換能器的諧振頻率為30.84～33.53 kHz，平均諧振頻率為32.23 kHz；利用該短節(jié)和隨鉆聲波測(cè)量電路獲得了試驗(yàn)套管井的聲波全波列波形，計(jì)算得到套管的聲速為5 100 m/s。隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)的成功研制，為國(guó)內(nèi)隨鉆聲波測(cè)井儀器的開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)思路。

隨鉆聲波測(cè)量 聲波換能器 采集電路 套管井

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向復(fù)雜儲(chǔ)層發(fā)展，水平井、大斜度井和分支井鉆井技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，水平井已作為常規(guī)技術(shù)應(yīng)用于裂縫性碳酸鹽巖、頁(yè)巖和砂巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)。為了控制水平井井眼軌跡，使鉆頭沿儲(chǔ)層的走向鉆進(jìn)，需要進(jìn)行水平井測(cè)井和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井等。因?yàn)闇y(cè)井儀器很難下放到水平段以及測(cè)井儀器在水平段很難居中從而影響測(cè)井效果，電纜測(cè)井技術(shù)在水平井測(cè)井中受到限制。隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)可以在鉆井過(guò)程中測(cè)量地層的縱橫波速度，間接測(cè)量地層的壓力和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層巖性識(shí)別、地層過(guò)壓監(jiān)測(cè)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井等目的[1-4]，已成為非常規(guī)頁(yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的技術(shù)手段。

目前，國(guó)外石油公司研制出了隨鉆聲波測(cè)井儀，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用[5-7]；國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了隨鉆聲波測(cè)井儀的研究工作，在聲波測(cè)井理論等方面形成了很多研究成果[8]，但總體上處于起步階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。筆者進(jìn)行了隨鉆聲波測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)的探索，研制了隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)，為國(guó)內(nèi)隨鉆聲波測(cè)井儀器開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)思路。

1 隨鉆聲波測(cè)井基本原理

隨鉆聲波測(cè)井是把聲波發(fā)射器和聲波接收器陣列安裝在鉆鋌上，在鉆井作業(yè)時(shí)，聲波發(fā)射器向地層輻射聲波信號(hào)，聲波接收器陣列接收來(lái)自地層的反射波信號(hào)。根據(jù)接收器陣列接收到的聲波信號(hào)，可以估算地層的慢度等聲波信息。它與電纜聲波測(cè)井的主要區(qū)別是：1)鉆鋌占據(jù)井眼大部分空間；2)鉆井噪聲會(huì)對(duì)接收到的聲波信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

隨鉆聲波測(cè)井模型如圖1所示，井眼內(nèi)充滿流體，鉆鋌直徑較大，鉆鋌把井眼內(nèi)流體分為鉆鋌內(nèi)流體和鉆鋌外流體(鉆鋌與地層之間的環(huán)形流體)。為了有效接收沿地層傳播的滑行波，聲波發(fā)射器和聲波接收器的距離一般為1.0～3.0 m。鉆鋌內(nèi)流體聲場(chǎng)是無(wú)源的，鉆鋌外流體聲場(chǎng)既有入射波又有反射波。聲波接收器放置在鉆鋌的外壁，處于鉆鋌和鉆鋌流體的耦合界面，接收到的聲波是來(lái)自鉆鋌的P波(鉆鋌流體入射波)和來(lái)自地層的反射波(鉆鋌流體反射波)。通常地層慢度估算使用4個(gè)接收器的陣列，陣列跨度1 000 mm左右，而使用的最短陣列只有2個(gè)接收器，陣列跨度150 mm左右。

2 隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)設(shè)計(jì)

按照聲波換能器的設(shè)計(jì)、聲波換能器在鉆鋌上的安裝和密封以及電路性能檢驗(yàn)的研究思路，設(shè)計(jì)了隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)，該短節(jié)包含發(fā)射聲系和接收聲系(見(jiàn)圖2)。發(fā)射聲系和接收聲系均由鋁質(zhì)材料加工而成，外徑均為171.0 mm，內(nèi)徑均為57.2 mm，長(zhǎng)度分別為417.0和543.0 mm，在發(fā)射聲系上裝有一個(gè)聲波發(fā)射換能器，換能器為圓管形狀，外徑、內(nèi)徑和長(zhǎng)度分別為170.0，140.0和120.0 mm。在接收聲系上安裝有2個(gè)接收器，接收器之間的跨度為200.0 mm，每一個(gè)接收器包含4個(gè)三疊片壓電換能器，4個(gè)換能器按照90°的夾角環(huán)形均勻分布，換能器為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，尺寸為51.0 mm×25.0 mm×6.0 mm。

為了給隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)提供高壓激勵(lì)信號(hào)和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，研制了隨鉆聲波測(cè)量電路，主要包含發(fā)射、接收、采集控制和電源電路(見(jiàn)圖3)[9-11]。

發(fā)射電路由開(kāi)關(guān)電源電路、CMOS門(mén)電路和大功率驅(qū)動(dòng)電路組成，提供高壓脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲波發(fā)射換能器振動(dòng)，向地層輻射聲波信號(hào)。接收電路由前置放大電路、多通道信號(hào)選擇電路、程控放大衰減電路和帶通濾波電路組成，通過(guò)多通道開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的接入，并根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，濾波電路的帶寬為1～20 kHz。采集控制電路采用“ADC+DSP”的控制結(jié)構(gòu)，ADC電路對(duì)接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行高精度采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。利用采集控制電路設(shè)置通道增益、采集深度、采集速率等參數(shù)，發(fā)送發(fā)射啟動(dòng)脈沖、采集啟動(dòng)命令，并對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和存儲(chǔ)，提供與MWD通訊的接口。

3 隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)性能測(cè)試

利用聲波測(cè)量試驗(yàn)裝置對(duì)該短節(jié)進(jìn)行了測(cè)試。聲波測(cè)量試驗(yàn)裝置主要包括水池、主機(jī)、定位控制系統(tǒng)、多通道大功率激勵(lì)和采集系統(tǒng)、增益控制放大器、水聽(tīng)器、單極子發(fā)射器和示波器等(見(jiàn)圖4)[12]。

水池的尺寸為5 000 mm×5 000 mm×4 000 mm，水的密度和聲波在水中的速度分別是1 000 kg/m3和1 500 m/s，作為自動(dòng)測(cè)試裝置，定位控制系統(tǒng)有2個(gè)工作頭，每個(gè)工作頭有4個(gè)自由度，即笛卡爾坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)方向，主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和定位控制系統(tǒng)相連，可以控制工作頭靈活移動(dòng)，從而精確調(diào)整單極子發(fā)射器和水聽(tīng)器之間的位置。大功率激勵(lì)和采集系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵(lì)電壓高于800 V，激勵(lì)脈沖寬度為20～50 μs且可調(diào)，采集時(shí)延為0.5～127.5 μs且可調(diào)，數(shù)據(jù)采集的位數(shù)是16 bit，采樣頻率和連續(xù)采樣點(diǎn)數(shù)量可選，最大值分別為1 MHz和8 192。單極子發(fā)射器安裝在工作頭1(可選)，水聽(tīng)器安裝在工作頭2。在進(jìn)行換能器發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，大功率激勵(lì)和采集系統(tǒng)輸出的激勵(lì)電壓驅(qū)動(dòng)換能器，同時(shí)水聽(tīng)器接收聲波信號(hào)；在進(jìn)行換能器接收試驗(yàn)時(shí)，換能器與增益控制放大器相連，同時(shí)單極子發(fā)射器作為發(fā)射源。在水池底部有一個(gè)套管試驗(yàn)井，可用于模擬快速地層的聲波測(cè)量。

3.1 聲波發(fā)射換能器聲場(chǎng)特性測(cè)試

聲波發(fā)射換能器[13]由4個(gè)發(fā)射壓電振子沿著空心圓柱體的外表面周向排列組成。采用阻抗特性分析儀對(duì)發(fā)射換能器的電導(dǎo)和電納特性進(jìn)行了測(cè)量，得出發(fā)射換能器在水中的諧振頻率為12.92 kHz，如圖5(a)所示。

水平指向性測(cè)量時(shí)，采用發(fā)射換能器固定不動(dòng)、水聽(tīng)器圍繞發(fā)射換能器的聲場(chǎng)中心在水平定向平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的測(cè)量方式。因受水池空間大小的限制，僅在每個(gè)振子的主瓣方向附近測(cè)量振子的指向性。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)發(fā)射換能器和水聽(tīng)器的距離為1 500 mm，基本滿足自由遠(yuǎn)場(chǎng)條件。發(fā)射換能器輻射聲場(chǎng)指向性類(lèi)似于一個(gè)橢圓，最大和最小兩點(diǎn)的聲壓比值為1.5(3.52 dB),如圖5(b)所示。對(duì)于單極子聲波測(cè)量，由于聲波測(cè)量結(jié)果是各個(gè)方向上信號(hào)的疊加，因此設(shè)計(jì)的換能器能夠滿足要求。

3.2 聲波接收換能器聲場(chǎng)特性測(cè)試

聲波接收換能器[14]采用三疊片壓電結(jié)構(gòu)，利用阻抗特性分析儀對(duì)接收換能器的電導(dǎo)、電納特性進(jìn)行了測(cè)量。8個(gè)接收換能器(記為R1,R2，…，R8)的諧振頻率分別為32.76，30.84，32.68，32.68，31.94，31.56，33.53和31.81 kHz，平均為32.23 kHz，偏離程度小于4.3%，電導(dǎo)、電納特性一致性良好(見(jiàn)圖6)。

接收換能器的諧振點(diǎn)遠(yuǎn)離發(fā)射換能器的諧振點(diǎn)，保證了接收響應(yīng)在整個(gè)工作頻段內(nèi)變化相對(duì)緩慢，使接收信號(hào)可靠。將8個(gè)接收換能器分成2組，R1—R4位于接收聲系的上部，R5—R8位于接收聲系的下部。在水池內(nèi)對(duì)接收換能器的一致性進(jìn)行了測(cè)量，水池內(nèi)的單極子發(fā)射器固定不動(dòng)，每一個(gè)接收換能器位于1 500 mm的距離接收聲波信號(hào)，這個(gè)距離基本滿足自由遠(yuǎn)場(chǎng)條件，在測(cè)試過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)聲波接收短節(jié)，使每一個(gè)接收換能器能夠?qū)?zhǔn)單極子發(fā)射器。8個(gè)接收換能器的波形峰峰值分別為345.44，319.01，400.04，315.79，408.63，356.06，421.11和298.03 mV，平均為358.01 mV，偏離程度控制在17.6%，接收靈敏度基本相近，一致性良好。其中R1—R4出現(xiàn)了后續(xù)波形，是因?yàn)榻邮章曄档纳喜扛拷?，?dǎo)致水面產(chǎn)生了反射波信號(hào)(見(jiàn)圖7)。

3.3 試驗(yàn)套管井聲波測(cè)量

水池底部的試驗(yàn)套管井直徑320.0 mm，深度3 200 mm，管壁厚度6 mm，套管內(nèi)充滿了水，套管外是水和砂巖層。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)射聲系位于套管井的下部，接收聲系位于套管井的上部，發(fā)射聲系和接收聲系在套管井內(nèi)居中，采用了“一發(fā)兩收”的工作模式，即T發(fā)射，R1和R2接收，發(fā)射器和最近的接收器的距離為1 200 mm，接收器之間的距離為200 mm，如圖8(a)所示。利用隨鉆聲波測(cè)量電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射器工作，發(fā)射電路將12 V的脈寬信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大電路轉(zhuǎn)換為高壓脈沖信號(hào)，瞬時(shí)電壓達(dá)到1 000 V，采集和控制電路每5 s定時(shí)向發(fā)射電路輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，電路的采樣間隔為5 μs，每一次連續(xù)采樣2 000個(gè)點(diǎn)。R1和R2接收到的聲波全波列波形如圖8(b)所示，從接收到的波形可以看出，沿套管井壁傳播的縱波首先到達(dá)接收器，后續(xù)波形是橫波、導(dǎo)波和反射波等疊加的結(jié)果，R1接收到首波的到達(dá)時(shí)間是480 μs，R2接收到首波的到達(dá)時(shí)間是519 μs，2個(gè)接收器之間的時(shí)差是39 μs，計(jì)算得到套管壁的聲速為5 100 m/s，這與鋼管的縱波速度是一致的。由于聲波接收部分和發(fā)射部分之間沒(méi)有鉆鋌，中間介質(zhì)是水，因此接收器接收到的波形沒(méi)有鉆鋌波。

4 結(jié)論及建議

1) 隨鉆聲波測(cè)井聲系短節(jié)采用“一發(fā)兩收”的工作模式，滿足了聲波測(cè)量的基本要求，發(fā)射聲系和接收聲系采用分離設(shè)計(jì)，解決了鉆鋌波的干擾問(wèn)題。

2) 室內(nèi)測(cè)試得到的發(fā)射聲系聲場(chǎng)指向性圖近似于一個(gè)橢圓，能夠滿足單極子聲波測(cè)量的要求，接收聲系的換能器頻帶寬、一致性良好。利用該短節(jié)獲取到了套管井的聲波全波列波形，計(jì)算得到的套管井聲速和實(shí)際聲波傳播速度一致。

3) 為了適應(yīng)下井要求，建議對(duì)該短節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是換能器在鉆鋌上的安裝和密封，進(jìn)一步開(kāi)展短節(jié)的耐溫、抗振動(dòng)測(cè)試。

References

[1] 唐曉明，鄭傳漢.定量測(cè)井聲學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004：158-161. Tang Xiaoming，Zheng Chuanhan.Quantitative borehole acoustic methods[M].Beijing:Petroleum Industry Press，2004：158-161.

[2] 王秀明，張海瀾，何曉，等.聲波測(cè)井中的物理問(wèn)題[J].物理，2011，40(2)：79-87. Wang Xiuming，Zhang Hailan，He Xiao，et al.Physical problems in acoustic logging[J].Physics， 2011，40(2):79-87.

[3] 王華，陶果，張緒健.隨鉆聲波測(cè)井研究進(jìn)展[J].測(cè)井技術(shù)，2009，33(3)：197-203. Wang Hua，Tao Guo，Zhang Xujian.Review on the development of sonic logging while drilling[J].Well Logging Technology，2009，33(3):197-203.

[4] 喬文孝，鞠曉東，車(chē)小花，等.聲波測(cè)井技術(shù)研究進(jìn)展[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35(1)：14-19. Qiao Wenxiao，Ju Xiaodong，Che Xiaohua，et al.Progress in acoustic well logging technology[J].Well Logging Technology，2011，35(1):14-19.

[5] Degrange J M，Hawthorn A，Nakajima H，et al.Sonic while drilling:multipole acoustic tools for multiple answers[R].SPE 128162，2010.

[6] Tang X M，Wang T，Patterson D.Multipole acoustic logging-while-drilling[R].SEG-2002-0364，2012.

[7] Tang Xiaoming，Dubinsky V，Wang T， et al.Shear-velocity measurement in the logging-while-drilling environment:modeling and field evaluations[J].Petrophysics，2003，44(2)：79-90.

[8] 喬文孝，鞠曉東，車(chē)小花，等.從換能器技術(shù)的變化看聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展[J].物理，2011，40(2)：99-106. Qiao Wenxiao，Ju Xiaodong，Che Xiaohua，et al.Transducer and acoustic well logging technology[J].Physics， 2011， 40(2):99-106.

[9] 肖紅兵，鞠曉東，盧俊強(qiáng).隨鉆聲波測(cè)井儀控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù)，2009，33(6)：555-558. Xiao Hongbing，Ju Xiaodong，Lu Junqiang.Design on control and data processing system of acoustic logging while drilling[J].Well Logging Technology， 2009， 33(6):555-558.

[10] 肖紅兵，鞠曉東，楊錦舟.隨鉆聲波測(cè)井儀高效電源設(shè)計(jì)[J].聲學(xué)技術(shù)，2009，28(5)：620-623. Xiao Hongbing，Ju Xiaodong，Yang Jinzhou.Design of high efficiency power supply for acoustic logging while drilling tool[J].Technical Acoustics，2009，28(5):620-623.

[11] 盧俊強(qiáng)，鞠曉東，喬文孝，等.方位聲波測(cè)井儀電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)井技術(shù)，2011，35(3)：284-287. Lu Junqiang，Ju Xiaodong，Qiao Wenxiao，et al.Electronic system design of azimuthally acoustic bond tool[J].Well Logging Technology，2011，35(3):284-287.

[12] Wu Jinping， Qiao Wenxiao， Che Xiaohua， et al.Experimental study on the radiation characteristics of downhole acoustic phased combined arc array transmitter[J].Geophysics，2013， 78(1):D1-D9.

[13] 楊錦舟.聲波測(cè)井偶極子發(fā)射換能器性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].聲學(xué)技術(shù)，2008，27(1)：141-144. Yang Jinzhou.Experimental investigation on properties of dipole transmitters for acoustic well logging[J].Technical Acoustics，2008，27(1):141-144.

[14] 吳金平，喬文孝，車(chē)小花，等.聲波測(cè)井壓電振子溫度性能一致性實(shí)驗(yàn)研究[J].測(cè)井技術(shù)，2012，36(2)：109-113. Wu Jinping，Qiao Wenxiao，Che Xiaohua，et al.Experimental investigation on temperature performance consistency of piezoelectric benders used in acoustic well logging[J].Well Logging Technology，2012，36(2):109-113.

[編輯 滕春鳴]

Development and Testing of Acoustic Nipples While Drilling

Zhu Zuyang, Lu Huangsheng, Zhang Wei, Wu Haiyan, Wu Jinping

(SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China)

In order to satisfy the requirement for real-time formation pressure monitoring and geomechanical parameters calculation, an acoustic nipple while drilling was developed based on the analysis of key technologies of acoustic measurement while drilling. The internal and external diameters of the nipple are 57.2 mm and 171.0 mm,respectively. It has one emitter and two receivers in operation mode. The emitting acoustic system is equipped with one monopolar sub-emitting transducer, and the receiving acoustic system is equipped with two receivers with four broad-band receiving transducers for each. The emitting and receiving acoustic systems consist of two separated parts. The spacing between the emitter and the receiver can be changed, but it is fixed at 200 mm among receivers. Based on the test of acoustic measurement,acoustic excitation frequency of emitting acoustic system is 12.92 kHz and its directivity pattern is similar to an ellipse. In the receiving acoustic system, the resonance frequency of eight receiving transducers is in the range of 30.84-33.53 kHz, averaging 32.23 kHz. The full wave form of the cased hole in the test was recorded by using the nipple and the acoustic measurement circuit while drilling, and the calculated acoustic velocity was 5 100 m/s. The successful development of the acoustic nipple while drilling will provide significant technical data for the development in China of acoustic logging devices while drilling.

acoustic logging while drilling; acoustic transducer; acoustic measurement circuit; cased hole

2015-05-16；改回日期：2015-08-27。

朱祖揚(yáng)(1981—)，男，江西南昌人，2004年畢業(yè)于云南大學(xué)地球物理專(zhuān)業(yè)，2007獲中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所固體地球物理專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2011年獲中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所聲學(xué)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，工程師，主要從事聲波測(cè)井技術(shù)和隨鉆儀器研發(fā)工作。

?測(cè)井錄井?

10.11911/syztjs.201505014

TE927

A

1001-0890(2015)05-0083-05

聯(lián)系方式：(010)84988092，zhuzuyang_2001@126.com。