孫志峰， 盧華濤， 李國梁

(中海油田服務(wù)股份有限公司， 北京 101149)

近些年隨鉆測量技術(shù)在提高作業(yè)時效、實時決策鉆井效率與風險管理及地質(zhì)導向方面取得了巨大的進步。隨鉆聲波測井技術(shù)作為其中一項高端測井技術(shù)可提供實時井眼穩(wěn)定性分析、鉆井優(yōu)化、協(xié)助孔隙壓力優(yōu)化、優(yōu)化井位及為地震資料反演提供速度參數(shù)。因此隨鉆聲波測井儀器在油氣勘探開發(fā)與地層評價中具有重要的作用。

隨鉆聲波測井時，由于鉆鋌占據(jù)井眼大部分空間，電纜聲波測井理論不再適用于隨鉆環(huán)境，因此需要研究隨鉆環(huán)境下地層波速測量方法及復(fù)雜地層中的隨鉆多極子聲場理論，才能實現(xiàn)隨鉆多極子儀器的設(shè)計及應(yīng)用。Tang等[1-2]研究表明，隨鉆偶極子聲源在鉆鋌上整個測量頻段會激發(fā)很強的鉆鋌模式波，嚴重干擾了地層橫波的測量，因此提出了利用隨鉆四極子進行地層橫波測量的理論及方法，為隨鉆環(huán)境下地層橫波測量奠定了理論基礎(chǔ)。崔志文[3]給出了井外為彈性地層或Biot孔隙介質(zhì)中的隨鉆多極井孔內(nèi)外聲場的數(shù)學表達式，得出隨鉆多極子井孔聲場傳播特點及規(guī)律。蘇遠大等[4]研究了軟地層中隨鉆多極子聲波的全波波形及其頻散特性。Zhu等[5]、王兵等[6]和王軍等[7]設(shè)計了隨鉆多極子聲波等比例縮小模型進行了實驗研究，認為利用隨鉆偶極子聲源測量到的沿鉆桿模式波與巖石速度相近，因此無法獲取巖石的地層橫波速度；而隨鉆四極子聲源雖然在高頻段也會產(chǎn)生鉆鋌四極子波，但是采用低頻激勵的方式可以減小鉆鋌模式波的影響，可以精確的獲取地層橫波速度。Wang等[8]采用FFEM(frequency-domain finite-element method)方法研究了隨鉆多極子聲源在水平井和大斜度井中聲場，計算了由于儀器偏心導致各種模式波強度的變化規(guī)律，提出了一種定量評價隨鉆聲波儀器偏心度的方法。許松等[9]理論上推導了隨鉆多極子聲波測井在孔、裂縫介質(zhì)環(huán)境中的井孔聲場表達式，研究了隨鉆多極子模式波的速度、衰減、靈敏度與地層裂隙密度、含氣飽和度的變化關(guān)系，結(jié)果表明，隨鉆四極子聲波在含氣地層會產(chǎn)生強烈的衰減，可以利用這一特征作為判斷地層含氣的標志，且理論模擬與實測數(shù)據(jù)有很好的一致性。Wang等[10]研究了隨鉆單極子聲源在儀器偏心狀態(tài)下，快速及慢速地層中不同方位接收器波形的變化規(guī)律對地層聲速測量的影響。Fang等[11]通過數(shù)值模擬的方法采用惠更斯原理解釋了隨鉆單極子聲波在慢速地層也可以測量到非頻散的滑行橫波信號。Su等[12]進一步在實測的軟地層隨鉆單極聲波數(shù)據(jù)中觀測到了透射滑行橫波，且其橫波的慢速與四極子橫波慢度吻合。Xu等[13]對隨鉆多極聲源進行了研究，表明隨鉆聲波聲源可以等價為包含單極、偶極及四極成分貢獻為特征的組合，其理論研究結(jié)果可以用作評價隨鉆多極子聲源性能。張正鵬等[14]模擬了隨鉆瓦片聲源在非均質(zhì)地層的聲學響應(yīng)，首次提出了利用方位速度差異可在隨鉆環(huán)境中進行地層界面識別，為隨鉆方位聲波測井技術(shù)提供了新理論。

隨鉆聲波測量理論的不斷完善和發(fā)展，推動了隨鉆聲波測井儀器研發(fā)的進步。近年來，中國在隨鉆聲波測井理論、方法及應(yīng)用等方面的研究有了較大的發(fā)展，隨鉆聲波儀器的研制也有了突破，如中海油田服務(wù)股份有限公司成功研制了隨鉆四極子聲波測井儀[15-16]。但是中國距離世界最先進的隨鉆聲波測井技術(shù)尚有較大差距。為此，主要針對制約中國隨鉆聲波測井儀器的隨鉆四極子發(fā)射換能器、鉆鋌隔聲技術(shù)、接收聲系設(shè)計及信號處理等技術(shù)進行深入討論，并對未來的隨鉆遠探測聲波測井技術(shù)進行展望。

1 隨鉆聲波測井儀器關(guān)鍵技術(shù)研究進展

1.1 隨鉆聲波測井儀結(jié)構(gòu)特點

國外隨鉆聲波測井儀器主要經(jīng)歷了從隨鉆單極聲波測井儀、隨鉆四極子橫波測井儀(Schlumberger 公司的SonicScope[17]、BakerHughes公司的APX[18]及Halliburton公司的XBAT[19-20])到隨鉆方位聲波測井儀(Weatherford公司的Cross-Wave[21])的發(fā)展過程。圖1[17-20]繪制了目前國外3種主流的商業(yè)化隨鉆四極子聲波測井儀?？梢钥闯?，這3種儀器從左到右依次為發(fā)射換能器、隔聲體及接收聲系，電子線路系統(tǒng)都安裝在鉆鋌內(nèi)部。為了保證儀器居中測量，儀器兩端安裝了扶正器。各家公司的發(fā)射換能器、隔聲體及接收聲系的設(shè)計方案均不同。APX儀器與XBAT儀器的發(fā)射換能器兼顧單極和四極功能，而SonicScope儀器分別有兩個獨立的單極和四極發(fā)射換能器。APX儀器隔聲體是在鉆鋌外壁進行刻周期性的凹槽，XBAT儀器隔聲體是鉆鋌外壁設(shè)置了多個周期性的孔眼，而SonicScope儀器采用了鉆鋌內(nèi)壁刻槽的方式，鉆鋌外壁光滑。APX儀器與XBAT儀器的接收聲系共有24個(4列×6個)接收換能器，而SonicScope儀器接收聲系共有48個(4列×12個)接收換能器，這3種儀器任意相鄰兩列接收器相位差均為90°。

圖1 3種隨鉆四極子聲波測井儀[17-20]Fig.1 Instrument structure diagrams[17-20]

1.2 隨鉆四極子發(fā)射換能器研究

隨鉆四極子發(fā)射換能器研制在世界上屬于核心商業(yè)機密，國外服務(wù)公司對中國常年實行技術(shù)封鎖，該技術(shù)嚴重阻礙了中國隨鉆聲波測井技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。該技術(shù)涉及換能器的聲場理論仿真設(shè)計、壓電晶體材料研制、高溫高壓下?lián)Q能器的封裝及制造等多學科交叉領(lǐng)域，制造工藝非常復(fù)雜；另外隨鉆聲波發(fā)射換能器需要安裝在鉆鋌上，與電纜聲波測井發(fā)射換能器安裝方式有很大差異，需要在機械安裝方式上有特殊的設(shè)計。國外油田服務(wù)公司僅公開了少數(shù)技術(shù)專利，中國研究機構(gòu)僅針對隨鉆四極子換能器的理論聲場模擬、實驗室樣品試制及實驗研究開展工作，但尚未研制出可應(yīng)用于實際井下作業(yè)的商業(yè)化產(chǎn)品。

目前，國際上成熟的隨鉆四極子發(fā)射換能器的設(shè)計方案主要有兩種：一種方案是鉆鋌周向上安裝多個壓電晶體，改變不同方位激勵信號的相位實現(xiàn)隨鉆四極聲源發(fā)射，為了保證壓電晶體在井下高壓下正常工作，需要把壓電晶體安裝在一個充滿硅油的空腔中，確保腔內(nèi)外壓力平衡，這種發(fā)射換能器的機械安裝方式非常復(fù)雜，不利于維修保養(yǎng)，稱為充油型發(fā)射換能器；另外一種方案是機械安裝方式非常簡單，不需要硅油保證壓力平衡，采用的設(shè)計思路是把壓電晶體封裝在非導電材料中[如環(huán)氧樹脂、橡膠或聚醚醚酮(PEEK)等材料]，這種設(shè)計方案的難點是封裝材料的選擇以及如何保證晶體在封裝過程中無氣泡，因此對制造工藝提出了很高要求，稱之為非充油型發(fā)射換能器。

對于充油型的隨鉆四極子發(fā)射換能器，壓電晶體的形狀及安裝方式也有不同的設(shè)計。Tang等[22]發(fā)明了一種隨鉆扇區(qū)環(huán)狀多極子發(fā)射換能器，該換能器在鉆鋌周向上安裝3層壓電晶體，每層由8片徑向極化的圓弧狀壓電晶體組成，晶體放置在充滿硅油的管狀密封結(jié)構(gòu)單元中，通過隔聲材料與鉆鋌安裝，相鄰的兩個壓電晶體為一組發(fā)射單元，通過對四組發(fā)射單元施加不同相位的激勵信號實現(xiàn)四極子聲源的發(fā)射。目前BakerHughes公司的商業(yè)化的APX隨鉆聲波儀器主要采用了該技術(shù)。

還有一些學者提出了一些探索性方案，但都未形成商業(yè)化的產(chǎn)品。Miyamoto等[23]提出了一種隨鉆四極子發(fā)射裝置，該裝置由4個等間隔封裝在鉆鋌上的單極圓柱晶體組成，圓柱晶體被厚度1 mm的聚苯砜材料封裝，最外層采用波紋管技術(shù)保證腔內(nèi)外壓力平衡，在激勵電壓的作用下，利用單極圓管d31模式產(chǎn)生膨脹或收縮。Mickael等[24]發(fā)明了一種由一個或多個矩形壓電平板晶體黏接而成的隨鉆多極子發(fā)射換能器，多個壓電晶體采用并聯(lián)的方式，安裝在鉆鋌4個方位的凹槽中，通過改變壓電晶體的極性產(chǎn)生單極、偶極或四極子聲源的激勵。叢健生等[25]發(fā)明了一種隨鉆四極子發(fā)射換能器，該換能器采用偶數(shù)個疊加的壓電晶體陶瓷片，且相鄰壓電晶體的極化方向相反，同時多個壓電陶瓷片被金屬塊和金屬板夾持。Wei等[26]采用有限元分析方法研究了一種三疊片圓形隨鉆四極子發(fā)射換能器，主要分析了基片材料屬性對發(fā)射響應(yīng)的影響，這種設(shè)計方案僅限于理論模擬，未考慮機械安裝方法。

對于非充油的隨鉆四極子發(fā)射換能器，主要采用了矩形板狀或圓弧狀壓電晶體，晶體個數(shù)及封裝方式各有差異。Hsu 等[27]發(fā)明了一種圓環(huán)狀的隨鉆四極子發(fā)射換能器，該換能器由4個1/4圓環(huán)組成，每個圓環(huán)采用環(huán)氧樹脂封裝了6個矩形板狀壓電晶體，通過控制每個圓環(huán)中壓電晶體的電壓激勵方向?qū)崿F(xiàn)四極子聲源發(fā)射。Garcia-Osuna等[28]發(fā)明了一種圓弧狀隨鉆四極子發(fā)射換能器，該換能器采用弧形的沿厚度方向極化的壓電材料，如單層或多層的1-3復(fù)合壓電陶瓷晶體，在鉆鋌周向分布若干個晶體，晶體采用非導電材料封裝(如玻璃纖維、合成橡膠或PEEK)；另外由于換能器采用了多個壓電陶瓷晶體，對不同的壓電晶體設(shè)置不同延遲的激勵信號，還可以實現(xiàn)換能器的相控發(fā)射，以達到能量聚焦的效果。目前Schlumberger公司的商業(yè)化的SonicScope隨鉆聲波儀器主要采用了該技術(shù)方案。

學者們以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進行數(shù)值仿真、優(yōu)化設(shè)計等工作，以提高該換能器的輻射效率。劉玉凱等[29]研究了圓弧狀壓電晶體的激發(fā)頻率為4 kHz時，鉆鋌存在對隨鉆多極發(fā)射換能器的影響，認為鉆鋌對四極子聲場的影響較小。Fu等[30]提出了在瓦片狀壓電陣子內(nèi)側(cè)黏接一片尺寸與陶瓷片完全一致的金屬片實現(xiàn)彎曲模式的激勵，該結(jié)構(gòu)確實可以增強壓電陶瓷片的彎曲振動模式，但該方案未考慮換能器的固定方式。吳金平等[31]設(shè)計制作了基于圓弧片壓電陣子的隨鉆多極子發(fā)射換能器，并進行了實驗研究，結(jié)果表明，徑向振動為主的耦合振動模式能夠用于隨鉆多極子聲源的發(fā)射。吳德林[32]提出了一種隨鉆復(fù)合圓管四極子發(fā)射換能器，主要利用了環(huán)向彎曲四極子模態(tài)和軸向彎曲四極子模態(tài)實現(xiàn)低頻四極子聲發(fā)射，該設(shè)計使四極子的測量頻段內(nèi)有較大的發(fā)射電壓級和較寬的頻率帶寬。陳俊園等[33]研究了一種適用于隨鉆方位聲波測井的瓦片狀隨鉆發(fā)射換能器，該換能器本質(zhì)是使隨鉆四極子發(fā)射換能器的某單片工作。孫志峰等[34]對應(yīng)用于隨鉆聲波發(fā)射換能器的圓弧狀壓電晶體進行了理論模擬，模擬結(jié)果表明，在聲波測井頻率范圍內(nèi)存在彎曲振動模態(tài)及徑向振動模態(tài)，通過優(yōu)化晶體幾何尺寸，可以設(shè)計滿足晶體在13 kHz附近有最大徑向振動響應(yīng)，然而晶體在低頻4 kHz附近彎曲振動效率較低，如果采用彎曲振動模態(tài)應(yīng)用于四極子聲源，需要進一步優(yōu)化設(shè)計提高其發(fā)射電壓級。以上的研究主要通過改變換能器的固定安裝方式、在晶體材料內(nèi)側(cè)黏接金屬層等方式實現(xiàn)換能器的大功率輻射。

非充油型隨鉆四極子發(fā)射換能器的機械安裝方式、制造工藝和造價上都具有較大的優(yōu)勢。實際的隨鉆聲波換能器工作在井下高溫高壓具有腐蝕性的鉆井液中，目前中國在換能器的真空封裝工藝方面還尚未實現(xiàn)技術(shù)突破。因此還需要加強壓電陶瓷晶體材料、換能器封裝工藝及制作等方面的基礎(chǔ)研究工作，保證換能器在高溫高壓下具備穩(wěn)定的聲學性。

1.3 隨鉆聲波隔聲體研究

隨鉆聲波儀器與電纜聲波儀器不同，發(fā)射聲源需要安裝在剛性鉆鋌上，導致聲源會激發(fā)出很強的沿鉆鋌傳播的導波，若不做隔聲處理，鉆鋌模式波會嚴重干擾到地層波速測量。近年來，人們在鉆鋌波的產(chǎn)生、傳播機制及隔聲方法與結(jié)構(gòu)方面開展了大量深入研究。

楊勇等[35]采用三維有限差分方法研究了不同周期性凹槽鉆鋌結(jié)構(gòu)的聲場，對比了凹槽結(jié)構(gòu)對鉆鋌波時延及隔聲量的影響。閆向宏等[36]探討了鉆鋌周期性凹槽結(jié)構(gòu)尺寸對隔聲效果的影響，提出了一種最高為36 dB聲衰減的鉆鋌隔聲結(jié)構(gòu)。蘇遠大等[37]研究了鉆鋌尺寸與鉆鋌波固有阻帶的分布規(guī)律，鉆鋌波衰減頻率范圍與刻槽寬度及深度的關(guān)系，設(shè)計的隔聲體結(jié)構(gòu)有效消除了鉆鋌波。蘇遠大等[38]采用數(shù)值模擬的方法分析了刻槽式隔聲結(jié)構(gòu)鉆鋌波的物理傳播過程，優(yōu)化設(shè)計并加工了一種刻槽式的隔聲體，并在實驗室利用掃頻的方法測量了鉆鋌波的聲衰減，結(jié)果表明，該隔聲體有效地降低了鉆鋌波的干擾，圖2(a)為這種鉆鋌內(nèi)外刻槽的隔聲方案示意圖。在隔聲體測量方面，喬文孝等[39]提出了采用激震源和三軸加速度計進行電纜聲波測井儀器隔聲體的測量方法。蘇遠大等[40]在此基礎(chǔ)上提出了隨鉆聲波隔聲體聲衰減的測量方法。

在鉆鋌波的傳播機制方面，Wang等[41]研究了鉆鋌波的傳播機制，揭示了即使在鉆鋌上刻槽也無法完全消除鉆鋌波的原因。楊玉峰等[42]和He 等[43]采用有限差分方法研究了鉆鋌波的輻射特性和刻槽降低鉆鋌波對地層波干擾的方法，首次考察了井眼內(nèi)壁對鉆鋌波傳播的影響，結(jié)果表明，接收器接收的鉆鋌波信號不僅包含鉆鋌外表面?zhèn)鞑サ闹边_鉆鋌波，還包含從井壁反射回來的鉆鋌波信號，內(nèi)刻槽結(jié)構(gòu)相對于外刻槽結(jié)構(gòu)對壓制鉆鋌波有更好的表現(xiàn)，深的刻槽更能抑制鉆鋌波，但是更容易激發(fā)轉(zhuǎn)換斯通利波[42-43]，圖2(b)為這種鉆鋌內(nèi)刻槽的隔聲設(shè)計方案。Zheng等[44]首次在理論上采用了留數(shù)定理和割線積分的方法分離了鉆鋌波和地層縱橫波信號，認為鉆鋌波的傳播速度與地層性質(zhì)不相關(guān)，但是鉆鋌波的衰減和幅度譜受地層性質(zhì)的影響。王軍等[45]在實驗室進行了等比例隨鉆聲波實驗研究，考查了4種實驗?zāi)Ｐ拖碌你@鋌內(nèi)部直達鉆鋌波與鉆鋌外部泄露鉆鋌波的幅度差異及原因，討論了泄露鉆鋌波沿井軸和徑向方向的衰減規(guī)律，提出了有效削弱鉆鋌波的隨鉆多極子接收器布置方案。楊培年等[46]采用時域有限差分模擬了鉆鋌內(nèi)外刻槽的鉆鋌波衰減差異，提出了漸變刻槽產(chǎn)生的散射波對地層波的影響更小。

鉆鋌波傳播機制研究及凹槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔聲效果的影響都有助于設(shè)計最優(yōu)化的隨鉆聲波隔聲結(jié)構(gòu)。由于鉆鋌內(nèi)壁或外壁刻槽會導致對斯通利波信號有一定影響，因此近幾年還發(fā)展了一些創(chuàng)新型的隔聲方案。蘇遠大[47]提出了一種利用變徑組合方式拓寬隔聲體阻帶的方法，數(shù)值模擬和物理模擬均驗證了不同鉆鋌截面積只要大于聲波波長，同樣可以達到隔聲的效果。圖2(c)展示了這種鉆鋌變徑組合隔聲體示意圖，可以看出，這種隔聲體鉆鋌不需要加工狹小的凹槽，因此可以避免鉆鋌內(nèi)外的鉆井液流動對鉆鋌凹槽的沖蝕，延長了儀器的使用壽命，同時也易于機械加工，降低了制造成本，是一種非常理想的隔聲結(jié)構(gòu)。

還有一些學者提出了一些隔聲新方法和結(jié)構(gòu)。張博等[48]首次提出了利用兩個相位相反的隨鉆單極子聲源激勵的雙源反激技術(shù)，該技術(shù)可以很好地壓制鉆鋌波，為實現(xiàn)寬頻帶隨鉆聲波地層速度測量提供一種新思路。Ji等[49]研究了一階模式的鉆鋌波隨激發(fā)頻率在鉆鋌徑向上的分布規(guī)律，結(jié)果表明，對于低頻激勵內(nèi)刻槽有利于壓制鉆鋌波，而對于高頻激勵外刻槽對壓制鉆鋌波更有利，根據(jù)這一結(jié)論在鉆鋌內(nèi)部設(shè)計一個不同于鉆鋌材料的夾層來壓制鉆鋌波。Yang 等[50]提出了一種基于聲子晶體結(jié)構(gòu)的隨鉆聲波隔聲體設(shè)計方法，最優(yōu)化的隔聲結(jié)構(gòu)包含8組刻槽單元，每組單元有11個3～5 mm寬的刻槽，相鄰刻槽單元距離0.2 m，數(shù)值模擬表明：這種隔聲體結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的均勻內(nèi)刻槽結(jié)構(gòu)有更好的隔聲性能[50-51]。這些隔聲技術(shù)在理論上確實有很好的隔聲效果，但是在實際應(yīng)用的角度，由于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而很難進行機械加工。

R1～R6為6個接收器的位置；T為隨鉆聲波發(fā)射換能器；d1～d3為不同的鉆鋌截面圖2 3種不同的隨鉆聲波隔聲體結(jié)構(gòu)[38,42- 43]Fig.2 Three different collar isolators of LWD sonic tool[38,42- 43]

1.4 隨鉆聲波接收聲系研究

隨鉆四極子聲波測井儀器接收端鉆鋌需要采集四方位的陣列聲波信號進行相位疊加才能獲取地層的四極子橫波信息，因此需要在鉆鋌狹小的空間上安裝若干個接收換能器(以斯倫貝謝公司SonicScope為例安裝了48個傳感器)，這涉及接收換能器設(shè)計、安裝方式、密封及壓力平衡等諸多問題。電纜多極子陣列聲波測井儀的接收聲系一般采用橡膠皮囊封裝壓電晶體，皮囊里面充滿硅油保證聲系內(nèi)外的壓力平衡。而隨鉆聲波測井儀器實鉆環(huán)境復(fù)雜惡劣，儀器在測量過程中劇烈振動，常規(guī)的電纜多極子陣列聲波測井儀接收換能器的懸掛安裝以及橡膠皮囊封裝方式不再適用隨鉆環(huán)境；另外為了克服儀器鉆井噪聲及鉆鋌直達波信號，還需要設(shè)計高精度的信號采集電路設(shè)計、鉆鋌壁厚優(yōu)化設(shè)計等，因此隨鉆四極子接收聲系設(shè)計已經(jīng)成為該儀器研制中的重要技術(shù)瓶頸。

關(guān)于隨鉆多極子接收換能器的研究因涉及核心技術(shù)機密，僅有少量文獻進行了報道。李振等[52]研究了隨鉆聲波測井儀疊片型接收換能器的晶體厚度與接收靈敏度關(guān)系，認為方形壓電晶體的接收靈敏度大于圓形晶體。Wei等[53]設(shè)計了一種基于霍姆霍茲共振腔型的寬頻帶、高靈敏度隨鉆接收換能器，該換能器不是利用傳統(tǒng)的單一彎曲振動模式，而利用了多種模式耦合，該接收換能器在 10～20 kHz頻率范圍接收靈敏度曲線平緩，因此適合單極信號的測量而不適合低頻四極子信號的測量。吳金平等[54]采用有限元和實驗相結(jié)合的方法研究了方形疊片式接收換能器，研究了陶瓷片長度及厚度與接收靈敏度的關(guān)系，加工制作的接收換能器靈敏度起伏小于2.3 dB，該換能器有望用于隨鉆多極子聲波測量。上述研究表明，隨鉆四極子聲波測井儀接收聲系采用方形晶體有較好的接收靈敏度。

鉆鋌的壁厚對隨鉆四極子測量有很大影響，蘇遠大等[55]研究發(fā)現(xiàn)，隨鉆四極子聲源在超軟地層會激發(fā)沿鉆鋌傳播的導波，該模式波存在截止頻率，當四極子聲源的激發(fā)頻率遠低于鉆鋌波的截止頻率，才可以避免激發(fā)干擾地層橫波測量的四極子鉆鋌波。而四極子鉆鋌波的截止頻率與接收端鉆鋌的壁厚有直接關(guān)系，利用隨鉆聲波測井等效簡化模型設(shè)計了一種鉆鋌截止頻率與隨鉆接收聲系鉆鋌壁厚關(guān)系的理論圖版，該圖版為隨鉆四極子聲波測井儀接收聲系鉆鋌壁厚優(yōu)化設(shè)計提供了理論指導。因此隨鉆四極子聲波測井儀接收段鉆鋌壁厚必須優(yōu)化設(shè)計才能避免四極子鉆鋌波的影響。

隨鉆多極子接收換能器需要安裝在鉆鋌端接收來自地層信號，關(guān)于接收聲系研究這方面研究僅國外有相關(guān)專利報道。Birchak等[56]發(fā)明了一種圓形陶瓷片的充油腔體結(jié)構(gòu)接收聲系，該結(jié)構(gòu)在鉆鋌接收端設(shè)置了32個充滿硅油的腔體，腔體中安裝了壓電陶瓷晶體，為了保證晶體內(nèi)與井外流體壓力平衡，腔體上設(shè)計了一種特殊的波紋管結(jié)構(gòu)，更換壓電陶瓷晶體時，需要抽真空裝置對腔體抽真空，然后重新加注硅油，這種設(shè)計方案機械結(jié)構(gòu)和維保都很復(fù)雜。Tang 等[57]發(fā)明了一種矩形陶瓷片的充油腔體結(jié)構(gòu)接收聲系，該結(jié)構(gòu)在鉆鋌接收端周向上每隔90°，在軸向安裝6個接收單元，每個接收單元充滿了硅油，包含了壓電晶體材料、彈性隔聲裝置及外殼保護罩等。Nakajima 等[58]發(fā)明了一種細長充滿流體的可安裝到鉆鋌凹槽內(nèi)的隨鉆多極子接收聲系，每個條帶接收聲系內(nèi)部的矩形接收晶體被一種夾持裝置固定在接收聲系骨架上；接收聲系外殼采用了非規(guī)則形狀的波紋管金屬材料，當井下溫度壓力變化時，通過波紋管柔性體積變化保證晶體內(nèi)外壓力平衡；波紋管與鉆鋌凹槽之間放置了用于聲系減震的橡膠材料。

前兩種接收聲系結(jié)構(gòu)由于是在鉆鋌的接收端開槽，陣列方向沒有隔聲裝置，但是第3種接收聲系結(jié)構(gòu)是在鉆鋌4個方位上開長槽，陣列方向有一定的隔聲作用。因此國外較為成熟的接收聲系采用的是方形長管設(shè)計結(jié)構(gòu)，該設(shè)計可保證高質(zhì)量信號采集，機械安裝、維保等方面都很方便。中國在隨鉆多極接收換能器研制方面已經(jīng)有較成熟技術(shù)，但目前尚需要攻克聲系中的壓力平衡設(shè)計技術(shù)及近探頭的信號采集電路系統(tǒng)等技術(shù)難題。

2 隨鉆聲波數(shù)據(jù)處理方法研究進展

2.1 隨鉆測井地層各向異性波形反演方法研究

在隨鉆聲波測井中，對鉆頭附近應(yīng)力情況的評價非常重要，直接關(guān)系鉆井作業(yè)的安全、鉆頭的地質(zhì)導向和施工方案的抉擇。橫波速度的各向異性能夠反映井周應(yīng)力大小和方向、裂縫帶分布形態(tài)。電纜陣列聲波測井儀器利用正交偶極測量四分量偶極橫波數(shù)據(jù)，采用波形旋轉(zhuǎn)或波形反演的方法可以評價地層的各向異性，而隨鉆聲波由于鉆鋌模式波干擾及儀器旋轉(zhuǎn)的影響，隨鉆正交偶極激發(fā)模式已經(jīng)不適用于隨鉆測井儀器，因此人們一直探索解決隨鉆地層各向異性測量的方法。

Wang等[59]模擬了隨鉆四極子聲源在TI(transverse isotropy)不同傾角地層中聲場，認為在這種地層隨鉆四極子會分裂為快慢橫波。王瑞甲等[60]利用三維有限差分方法模擬了隨鉆正交偶極聲波測井儀在各向異性地層的聲場響應(yīng)，討論了利用隨鉆偶極子模式進行橫波速度各向異性評價與快橫波方位的反演可行性。李希強等[61]理論推導了隨鉆多極子聲波在TI地層中波場，并考查了隨鉆多極子的頻散特征、激發(fā)強度與靈敏度特性。Wang等[62]提出了一種利用隨鉆偶極發(fā)射聲波而正交方向接收彎曲波信號的測量方法，利用正交分量波形能量在兩個本征函數(shù)定義的子空間投影的最大值反演地層的各向異性，該方法對人工合成波形及現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)均有一定效果。衛(wèi)建清等[63]提出了在橫向各向同性TI地層，利用隨鉆四極子聲源激發(fā)，多模式采集方式進行地層各向異性反演方法，研究結(jié)果表明這種數(shù)據(jù)采集記錄方式可以反演地層快慢橫波的偏振方向及地層的各向異性大小。以上研究均基于隨鉆偶極或四極聲源的探測方法。

有學者還提出了利用隨鉆偏心聲源測量地層各向異性的新思路。衛(wèi)建清等[64]采用三維有限差分方法研究了隨鉆偏心聲源在HTI(horizontal transverse isotropy)慢速地層中的井孔聲場問題，結(jié)果表明：隨鉆偏心聲源能夠同時激發(fā)快慢橫波，且當激發(fā)頻率為3 kHz，快慢橫波的相速度與地層的水平和垂直剪切模量最為敏感，因此利用地層快慢橫波的頻散曲線可以反演地層的各向異性。Wei等[65]對該方法進一步研究，結(jié)果表明：在HTI地層，采用頻率大于3 kHz的偏心聲源可以激發(fā)出快慢兩種波形，快波對地層參數(shù)c66靈敏度最大，而慢波對地層參數(shù)c44靈敏度最大，利用一種各向同性解析解的最小二乘擬合法，可反演地層的各向異性大小。

地層的各向異性對儲層評價具有重要意義，目前利用隨鉆聲波技術(shù)存在技術(shù)缺陷。從目前的研究進展來看，隨鉆偏心聲源有可能解決這一難題，但是僅處于理論探索及實驗階段，尚未見較為成熟的商業(yè)化應(yīng)用案例。

2.2 其他隨鉆聲波波形反演新技術(shù)

利用隨鉆多極子聲波測井儀可以實時提供巖石力學參數(shù)，優(yōu)化鉆井作業(yè)，確定最佳鉆進方向，識別具有更好完井特征的巖層。在拓展隨鉆多極子聲波測井儀器的應(yīng)用范圍方面，新的研究熱點如下。

隨鉆四極子聲波有很強的頻散特征，通常需要頻散校正才能獲取地層的真實橫波速度。該技術(shù)發(fā)展趨勢從傳統(tǒng)的基于理論模型的頻散校正方法[66-69]，發(fā)展為數(shù)據(jù)驅(qū)動的頻散校正方法[70-72]，主要核心解決的問題是排除由于鉆鋌噪聲導致四極子頻散曲線產(chǎn)生奇異值的影響。Su等[73]提出了一種利用隨鉆四極子橫波數(shù)據(jù)約束反演地層徑向速度剖面的方法，該方法利用了高頻四極子橫波探測深度淺，能反映近井眼地層的變化特性，進而可以探測由于鉆井導致的井眼地層的破裂。Aeron等[74]利用離散點的Radom變換提出了一種魯莽的隨鉆噪聲環(huán)境下地層縱橫波時差提取方法，解決鉆井噪聲對測量信號影響。Su等[75]研究了一種利用隨鉆多極數(shù)據(jù)提取地層縱橫波速度的聯(lián)合反演方法，該方法的優(yōu)勢是避免了提取縱橫波速度的不確定性，且能消除隨鉆四極子橫波及泄露模式縱波的頻散特性。莊春喜等[76]提出了隨鉆環(huán)境下的斯通利波滲透率反演方法，該方法基于簡化的 Biot-Rosenbaum 理論和鉆鋌等效模型，對斯通利波的頻移和時滯進行聯(lián)合反演，證明了利用隨鉆斯通利波比電纜更有效的評價地層滲透性。黑創(chuàng)等[77]利用微擾法建立了隨鉆四極子頻散曲線與地應(yīng)力之間的關(guān)系，為隨鉆環(huán)境下的地應(yīng)力識別提供了理論依據(jù)。利用隨鉆四極子儀器在水平井或大斜度井進行固井質(zhì)量評價，也是近幾年國際上的研究熱點，該技術(shù)利用了隨鉆單極測量波形的首波幅度和陣列信號的衰減聯(lián)合計算水泥膠結(jié)指數(shù)曲線，應(yīng)用實例表明：隨鉆聲波膠結(jié)指數(shù)曲線與電纜CBL儀器的固井質(zhì)量曲線有很好的一致性[78-80]。

由此可見，隨鉆聲波數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用技術(shù)主要集中在四極子頻散校正、滲透率反演、地應(yīng)力識別及固井質(zhì)量評價。由于隨鉆聲波儀器可用于大斜度井或水平井等復(fù)雜環(huán)境，因此隨鉆聲波儀器比電纜聲波更具有良好的應(yīng)用前景。

3 隨鉆聲波測井技術(shù)展望

隨鉆方位電阻率成像測井已經(jīng)實現(xiàn)了鉆井過程中的實時地質(zhì)導向，然而基于聲學測量的隨鉆聲波遠探測技術(shù)在這一領(lǐng)域還未實現(xiàn)技術(shù)突破。盡管基于電纜遠探測聲波測井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，但隨鉆聲波遠探測目前僅僅進行了一些理論探索。Wei等[81]首次理論研究了隨鉆偶極聲波進行遠探測成像方法，根據(jù)理論計算的SV波及SH波的指向性曲線優(yōu)化計算了隨鉆偶極激發(fā)頻率，認為隨鉆偶極進行遠探測存在一個優(yōu)勢的激發(fā)頻帶，在該頻帶內(nèi)可以使SH波進行遠探測或鄰井成像時具有寬角度的能量覆蓋范圍。曹景記等[82]對隨鉆偶極橫波遠探測進行了深入研究，隨鉆環(huán)境下的SV和SH橫波輻射能量比電纜情況降低了約70%，且最優(yōu)勢的激發(fā)頻率由電纜的3.5 kHz降到2.5 kHz，從理論上驗證了隨鉆偶極橫波遠探測在技術(shù)上的可行性。譚寶海等[83]推導了隨鉆偶極聲源輻射的遠場漸進解，研究了鉆鋌存在時隨鉆偶極激發(fā)的井內(nèi)及井外聲場，利用三維有限差分算法計算井外存在聲阻抗不連續(xù)界面時的井內(nèi)隨鉆偶極SH反射橫波特征，為隨鉆偶極遠探測成像的工程應(yīng)用提供了理論指導。以上研究主要利用隨鉆偶極子聲源進行遠探測成像。

有學者還提出了利用隨鉆單極或隨鉆相控聲源實現(xiàn)這一技術(shù)的理論方法。Wang等[84]提出了一種基于HPML(hybrid perfectly matched layer)吸收邊界的頻域有限元方法，建立了井外為裂縫的隨鉆單極子遠探測反射成像模型，結(jié)果表明，隨鉆單極遠探測成像比電纜有更高的成像分辨率，但該技術(shù)無法評價裂縫方位。王瑞甲等[85]提出了一種應(yīng)用于隨鉆三維反射聲波成像儀的非對稱圓弧片聲源，采用三維有限差分方法研究了聲源的輻射聲場及不同地質(zhì)構(gòu)造對三維反射聲波儀器的影響，結(jié)果表明，該聲源的3 dB角較窄，分辨率高，可以實現(xiàn)向井中定向輻射。Yang等[86]、楊書博等[87]采用三維有限差分方法研究了用于隨鉆遠探測反射聲波測井的相控線陣輻射器，認為通過調(diào)整輻射器控制參數(shù)可以增強遠場PP反射波的幅度，該技術(shù)有望用于隨鉆遠探測反射聲波測井。Pan等[88]對隨鉆反射聲波測井進行了理論研究，認為隨鉆聲波儀器激發(fā)的信號在井底產(chǎn)生強烈的反射，可以等價為一個散射聲源，這個散射聲源激發(fā)的聲波在井外地層界面處反射，利用界面反射波可以計算地層界面的傾角，但是實際在鉆井過程中，如何記錄反射波并實時進行反射波信號反演并上傳傾角信息將非常困難。

由此可見，隨鉆聲波遠探測聲波測井主要有兩種聲源類型：一種是利用類似與電纜正交偶極聲源，另外一種利用單極或相控線陣聲源。無論哪種技術(shù)方案，隨鉆遠探測儀器無法避免鉆鋌波信號對反射聲波信號的干擾。隨鉆遠探測聲波儀器與電纜儀器不同，儀器測量過程中高速旋轉(zhuǎn)，這樣會導致發(fā)射聲源的方位與反射回波信號的方位不一致，如何正確評價探測反射體的方位是一個巨大的難題。隨鉆遠探測聲波儀器主要用于隨鉆地質(zhì)導向，由于泥漿脈沖傳輸速率的限制，儀器無法把井下的測量的大數(shù)據(jù)量波形數(shù)據(jù)實時長傳地面系統(tǒng)，因此需要儀器在井下根據(jù)測量信號實時反演地層邊界，這對井下電路實時處理系統(tǒng)及反射波反演算法提出了非常高的要求。因此若實現(xiàn)隨鉆遠探測聲波儀器的商業(yè)化應(yīng)用，還需要突破很多關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

(1)綜述了近十幾年隨鉆聲波測井技術(shù)在測井理論、傳感器研制、隔聲體及信號處理反演方法等關(guān)鍵技術(shù)的研究進展。主要側(cè)重了研究內(nèi)容比較豐富的方面，而未面面俱到，比如隨鉆聲波資料的應(yīng)用雖然很重要但是點到為止。同時也使有的內(nèi)容能較詳細地體現(xiàn)從理論、方法到應(yīng)用的全過程，使讀者對隨鉆聲波測井研究有一個總體印象。

(2)還有一些隨鉆聲波測井的重要方面文中未展開介紹，如套管井聲波固井質(zhì)量評價問題，該項技術(shù)利用電纜聲波測井技術(shù)已經(jīng)能好的解決。但是隨著測量需求的提高，如何評價水平井或大斜度井固井質(zhì)量是當前面臨的難題。而利用隨鉆聲波儀器或許能解決這個問題，這方面國外油田服務(wù)公司已經(jīng)在方法和技術(shù)方面有所突破，且有很好的應(yīng)用效果，對該項技術(shù)進行了簡要概述，但未深入展開詳細討論。

(3)隨著勘探開發(fā)需求的增加，下一代的隨鉆聲波測井技術(shù)一定向著地層深處目標進行探測。這方面電纜偶極聲波遠探測技術(shù)較為成熟，然而在隨鉆聲波方面實現(xiàn)遠探測技術(shù)將面臨很多難題，比如如何消除鉆鋌偶極橫波影響、鉆井噪聲問題及儀器高速旋轉(zhuǎn)導致的目標方位探測問題等都亟待解決。因此隨鉆遠探測技術(shù)還有很多關(guān)鍵問題需要突破。