随钻四极子声波测井仪的设计及试验

刘西恩， 孙志峰， 仇 傲， 李 杰， 罗 博， 彭凯旋， 罗瑜林

（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京 101149）

随着油气勘探开发不断深入，水平井应用越来越广泛。为了提高水平井储层的钻遇率、降低钻井风险，需要采用地质导向技术，而随钻测井技术是地质导向技术的重要组成部分[1-7]。利用随钻声波测井技术实时测量的地层速度可以识别超压地层，降低钻井风险[8]。目前，商业化的随钻声波测井仪发展经历了2代：第一代随钻声波测井仪能实时测量地层纵波速度，例如斯伦贝谢公司的Isonic/sonicVISION、哈里伯顿公司的CLSS和威德福公司的ShockWave；第二代随钻声波测井仪利用四极子声源实现了地层横波速度的实时测量，如斯伦贝谢公司的SonicScope、贝克休斯公司的APX/SoundTrack和哈里伯顿公司的QBAT。国内的随钻声波测井技术研究起步较晚，相关科研单位进行了随钻声波仪设计及数据处理等相关研究[9-13]，目前，仅中海油田服务股份有限公司于2015年推出了随钻单极子声波测井仪（MAST），实现了国产随钻声波测井仪的商业化应用[14]，但这仅达到了国外第一代随钻声波测井仪的技术水平，与国际先进技术水平还有一定的差距。唐晓明等人[15]于2002年提出了利用四极子声源实现随钻地层横波速度测量的理论方法，但是研制可以实际应用的随钻四极声波测井仪尚需突破很多关键技术，如传感器技术、钻铤隔声技术、井下电路设计技术、井下信号实时处理及上传技术和波形数据处理方法等[16-19]。

笔者在随钻单极子声波测井仪的基础上，采用低频大功率的随钻四极子发射换能器、高性能的隔声体和高灵敏度的随钻声波接收声系[20-21]，设计了随钻四极子声波测井仪（QUAST）。现场实钻测量表明，该测井仪可测得高质量的地层横波信息。

1 结构设计

1.1 整体结构及技术特点

随钻四极子声波测井仪（QUAST）由Drilog®随钻测井系统[22]和井下部分组成。井下部分由接收电路、扶正器、接收声系、隔声体、发射声系、扶正器及发射电路组成，如图1所示。发射声系由一组单极子发射换能器和一组四极子发射换能器组成。隔声体采用了一种新型的隔声结构，其外表面光滑，内壁刻有周期性凹槽，测井仪可以测得高质量的地层波信号。接收声系采用了阵列接收方式，即每条接收声系内安装8个等间隔的接收换能器，相邻2个接收换能器的间距为0.152 4 m，仪器外壳圆周方向上每隔90°安装一条接收声系，因此该测井仪共有32个接收换能器。为了防止钻井液对传感器冲蚀，发射换能器及接收声系外面均安装了金属薄壁罩。为确保钻井过程中随钻四极子声波测井仪居中，发射声系上面和接收声系下面都安装了扶正器。发射电路和接收电路安装在仪器外壳内部，通过过线杆实现通讯。随钻四极子声波测井仪有3种测量模式，分别为单极子全波模式、四极子横波模式及低频斯通利波模式。

图1 随钻四极子声波测井仪井下部分的结构Fig.1 Downhole structure of QUAST

随钻四极子声波测井仪（QUAST）具有以下技术特点：1）Drilog®随钻测井地面系统可实时显示慢度相关投影图，且可以实时提取可靠的纵波、横波慢度曲线，为现场工程师第一时间提供地层地质信息；2）采用低频单极激励可以测得高质量的斯通利波信号，可评价井壁裂缝发育程度和反演地层渗透率；3）四极子横波模式采用低频激发技术，可有效避免四极子钻铤螺旋波对测量信号的影响，在超软地层中也可以测得高质量横波信号；4）利用四极子横波频散校正技术，可提取到地层横波的最大慢度为 2 300 μs/m；5）可在套管井进行测量，评价水泥胶结质量或计算水泥返高；6）配置了8 GB 的存储器，记录速度可以达到1次/s，所有模式的测量数据都可记录存储起来，最长工作时间可达200 h；7）QUAST可与电阻率、中子、密度等其他随钻测井仪组合，随钻声波测井资料可进行多种应用，包括地震相关分析、确定孔隙压力、复杂岩性测井解释及岩石力学特性分析等。

1.2 随钻声波发射换能器设计

随钻声波发射换能器是随钻声波测井仪的核心部件，其涉及压电晶体理论设计、晶体的真空封装工艺和耐高温高压技术等，目前国内外没有该方面的公开资料。笔者以一种圆弧状压电晶体为核心，采用环氧树脂或橡胶作为封装材料，应用了真空封装工艺，研制了一种耐高温高压的随钻声波发射换能器，如图2所示。随钻单极子换能器由2个半圆环组成，随钻四极子换能器由4个四分之一圆环组成。每片圆环有2条引线，分别对应压电晶体的正负极，供电激励时采用不同的组合方式可产生单极子声源、偶极子声源或四极子声源。该换能器最高工作压力 140 MPa，最高工作温度 150 ℃。

图2 随钻声波发射换能器Fig.2 Transmitting transducers while drilling

孙志峰等人[23]对圆弧状压电晶体随钻声波换能器进行了理论分析，笔者在此主要分析随钻声波换能器的实测效果。把随钻单极子换能器和随钻四极子换能器分别安装在测试短钻铤的凹槽内，并进行机械固定，放入消声水池进行声学测试，随钻单极子和四极子换能器发射电压级曲线和水平指向性曲线分别如图3和图4所示。

图3 随钻声波换能器发射电压级Fig.3 Transmitting voltage level of transmitting transducers while drilling

图4 随钻声波换能器指向性曲线Fig.4 Directivity of transmitting transducers while drilling

从图3可以看出：随钻单极子换能器的谐振频率在10 kHz附近，此时发射电压级较高，约130 dB；四极子换能器在4 kHz附近没有发生谐振，发射电压级较低，约95 dB，只能采用高电压受迫激励方式产生较强的激发能量。测量时，随钻单极子和四极子换能器水平指向曲线的激发频率分别为10和4 kHz。

从图4可以看出：随钻单极子换能器的声压幅度在0°～360°变化不大，其指向性接近一个圆形，符合单极子声场辐射特性；随钻四极子换能器的声压幅度在 59.1°、174.2°、260.2°和 353.1°处有极大值，而在 24.9°、126.5°、220.0°和 319.2°处声压幅度有极小值，指向性曲线近似2个正交的“∞”形，符合四极子声源的辐射特性。

1.3 隔声体设计

随钻声波测井仪工作时，声源激发出一种沿着钻铤传播的导波[24]，若不作隔声处理，钻铤波将会在测量信号中占主导地位，从而严重干扰地层波速的测量。迄今为止，所有的随钻声波隔声都采用在发射和接收换能器之间周期性刻槽的方法来阻隔沿着钻铤传播的波[25-26]，但都是采用经验方法或数值模拟方法设计刻槽方案[27]。笔者采用在外表面光滑钻铤内部刻周期性凹槽的方法制作隔声体，其结构如图5所示。隔声体中间部位安装过线杆，过线杆与隔声体内壁之间是钻井液通道。

图5 隔声体结构示意Fig.5 Structure of the isolator

笔者采用柱坐标系下的三维有限差分方法，模拟了隔声体和钻铤的声场分布，得到了某时刻的声场快照。数值模拟时，隔声体和钻铤居中放置在半径为0.50 m的水柱中，水柱高度4.00 m，声源为主频10 kHz的Richer子波，水柱外表面为完全吸收边界条件。图6 所示为t=580 μs和t=880 μs时隔声体、钻铤的声场快照。由图6可知，钻铤波的传播速度最快，隔声体极大地削弱了钻铤波的能量。

图6 隔声体和钻铤的声场快照Fig.6 Acoustic field snapshots of the isolator and drill collar

图7所示为数值模拟的隔声体和钻铤的时域波形、频谱曲线及其声衰减曲线，图7（a）和图7（b）中的黑色曲线分别为钻铤的阵列接收波形和频谱曲线，红色曲线分别为隔声体的阵列接收波形和频谱曲线。从图7（a）可以看出，隔声体会使钻铤波信号幅度明显衰减。从图7（b）可以看出，钻铤的钻铤波固有阻带为11～14 kHz，隔声体的隔声阻带为8～15 kHz。单极子声源的激发频率只需在此隔声阻带内，就可避免钻铤波对测量信号的干扰。由图7（c）可知，在隔声体的钻铤波隔声阻带内，最大隔声量可达-28 dB。

图7 隔声体数值模拟结果Fig.7 Numerical simulation results of the isolator

1.4 随钻声波接收声系设计

电缆多极子阵列声波测井仪的接收换能器安装在声系骨架上，骨架外围采用橡胶皮囊包裹，内部充满硅油，以保证测量时接收换能器内外压力平衡。而随钻声波测井仪的接收声系需要固定在仪器外壳上，测量时要考虑振动、隔声和压力平衡等诸多因素的影响，因此随钻声波测井仪不适于采用电缆声波测井仪的橡胶皮囊密封方式。

笔者设计了一种金属壳的长方体状随钻声波接收声系，如图8所示，8个接收换能器采用机械方式固定在接收声系骨架上[28]，相邻2个接收换能器的间距为0.152 4 m。声系骨架采用了“三明治”结构的包裹方式，以保护接收晶体及电路板；利用平衡活塞解决金属壳内外压力平衡问题。金属外壳采用异形橡胶包裹，既能起到减振作用，又能更好地隔离钻铤直达波。该设计不但解决了接收换能器安装、固定、封装和减振等难题，而且采用了模块化设计，便于安装和保养。

图8 随钻声波接收声系示意Fig.8 Receiving acoustic system while drilling

将随钻声波接收声系置于消声水池中进行了接收灵敏度测量，采用与标准水听器作比较的方法进行测量[29]。测量时，以4个周期的Burst 信号激励圆管状单极子发射器，电压峰峰值为200 V。为了保证换能器能够达到稳态条件，扫频范围设为5 ～40 kHz。图9所示为随钻声波接收声系在消声水池测量的接收灵敏度曲线。从图9可以看出，接收声系在频率为10 kHz时的接收灵敏度最高，为-201.5 dB，在频率为19 kHz时的接收灵敏度最低，为-206.8 dB，灵敏度起伏量为5.3 dB。该接收声系在整个频率范围内，接收灵敏度幅度变化很小，非常有利于单极子或四极子等不同频率信号的接收。

图9 随钻声波接收声系接收灵敏度曲线Fig.9 Sensitivity curve of receiving acoustic system while drilling

2 现场试验

新疆轮台 KS3-B1Sa 井 1 495.00～1 615.00 m 井段进行了随钻四极子声波测井仪试验。钻进该井段的钻具组合为φ215.9 mmPDC钻头+旋转导向测量仪+随钻四极子声波测井仪+随钻电阻率测井仪+定向测量仪+工程参数测量仪+高速率钻井液传输短节，机械钻速 40～60 m/h，钻井液排量 1 700 L/min，井底压力约50 MPa，温度80 ℃。试验时首先将钻具组合下至井深1 495.00 m，开泵测试，地面系统显示井下随钻四极子声波测井仪工作正常，然后进行旋转导向钻进，钻至井深 1 615.00 m，试验结束，起钻，读取随钻四极子声波测井仪内存中的测井数据，进行处理分析。随钻四极子声波测井仪测得的原始波形及处理分析结果如图10所示。

图10 随钻四极子测井仪(QUAST)实钻测量结果Fig.10 Field drilling measurements of QUAST

图10中，第1道是井下内存记录的单极子全波原始波形变密度图，从原始波形可看到钻井低频噪声信号、到时基本不随井深变化的钻铤波信号、到时较晚的低频斯通利波信号及地层波信号。随钻四极子声波测井仪的最佳隔声阻带是8～15 kHz，对原始波形进行8～15 kHz的带通滤波，得到第2道的滤波后波形和第3道的速度分析结果。从第2道可以看出，滤波后的波形纯净，无钻铤波干扰，为来自地层的声波信号；进一步进行速度分析表明，地层波信号包含纵波和横波成分，信噪比和相关性很好（见第3道）。第4道为原始四极子全波波形，可以清晰观察到随地层速度变化的低频四极子横波信号，速度分析表明，四极子横波的相关性很好（见第5道），具有明显的低频特征，无钻铤四极子波干扰信号。第6道为单极子测量的纵波、横波时差与四极子横波时差，可以看出，单极子全波测量的横波时差与四极子横波测量的时差吻合很好，这证明随钻四极子横波测量模式及时差测量结果是正确的。

以上对随钻四极子声波测井仪现场实钻测量数据的处理分析表明，该测井仪测得的地层纵波及横波信息可靠，测量结果可为准确评价地层提供依据。

3 结论与建议

1）介绍了随钻四极子声波测井仪（QUAST）的结构和技术特点，阐述了该测井仪传感器、隔声体及接收声系等关键部件的设计方法。现场试验结果表明，该测井仪的电路系统、机械性能和声波时差实时上传等稳定可靠。

2）在硬地层，QUAST采用单极子全波模式可测得高质量的地层纵波及横波信号，测量结果不受钻铤波信号的影响。四极子横波模式测得横波信噪比高，波形相关性好，与单极子横波吻合，无钻铤四极子横波干扰。因此，采用四极子横波模式测井不需要对隔声体进行特别设计，就能测得地层的横波速度。

3）未来随钻声波测井仪的研究重点，应该是解决地层周向速度成像问题、探测地层边界附近不同方位测量的地层纵波速度的差异，进而描述井周围三维岩石力学特征。