声波相控阵在随钻测井中的应用思考

摘 要：介绍了常规声波相控阵技术在声波测井中的应用，并提出如能将该技术与随钻测井技术结合，在声波测井过程中不仅可以利用相控阵声源模式抑制钻铤波，而且可以利用声波相控阵技术得到更加准确的地层信息，从而提高我国的测井技术水平。

关键词：声波相控阵；随钻声波测井；声源模式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.066

1 引言

人类对于地球内部的探索远远不及对于宇宙的探索，这是因为探索地层的难度远高于太空。测井就是一门探究地层的科学，是人们了解地层的一种手段、一个渠道。它广泛地应用于地层评价、地质应用、工程应用、动态监测中。它可以为科研人员提供精确的地球物理信息，帮助工程技术人员准确地认识地层，为油藏开发制定科学的方案，大大降低了开发成本。如今测井已成为地层资源开发过程中不可或缺的环节。

测井技术发展至今，已有八十多年的历史，大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。测井技术主要分为声波测井、电法测井、核测井三类，这三类传统测井方法近几年涌现出大量新技术，体现了整个行业的生命力和创造力。声波测井将相控阵技术应用到工程中，大大提高了接受信息数据的效率；电法测井如今已进入电成像测井阶段，将岩层电阻率或声阻抗的变化转化为色度，使人们更加直观地了解地层；核测井中的核磁共振测井技术和元素俘获测井技术也大量应用在工程中。再加上几十年间计算机技术飞速发展，科研人员将计算机应用于测井，利用多类软件分析测井所得到的信息和数据，给出更准确地测井解释，使测井技术有了巨大的进步。

2 声波相控阵技术

2.1 单极子声源在充液裸眼井孔中产生的对称声场

上列各式中：f1、f2、y2分别为井内流体标势、井外固体标势、井外固体矢势；k1为声波在井内流体中传播时的波数；kc为声波在井外固体中传播时纵波的波数；kS为声波在井外固体中传播时横波的波数；k为声波沿着z轴传播时的波数；K0、K1为第二类零阶及一阶虚宗量Bessel函数；I0、I1为第一类零阶及一阶虚宗量Bessel函数；A（k）、B（k）、C（k）均表示与k相关的系数；C表示常系数；r、z表示柱坐标系中的坐标变量；ρ1表示井孔中流体密度；ρ2表示井孔外固体密度；a表示在井壁处半径；t表示时间。

2.2 多极子声源在充液裸眼井孔中产生的非对称声场

我们可以看出，单极子声源在充液裸眼井孔中可以激起无限多种模式波，每种模式波都是频散波。声源频率越高，激起的模式波种类越多。单极子声源在硬地层充液井孔中可以产生折射纵波、折射横波和斯通利波等波动模式，但单极子声源在软地层充液井孔中无法激励起折射横波。

我们如果使用多极子声源，比如偶极子声源，可以在充液裸眼井孔中激励起弯曲波，再比如四极子声源，可以在充液裸眼井中激励起螺旋波。偶极子波和四极子波都具有截止频率，并且在截止频率附近，多极子波的速度等于地层横波的波速。基于这一特性，我们可以利用非对称声源测量地层横波波速。

2.3 声波相控阵技术原理

常规声波测井使用单极子声波探头，这种声波没有指向性，声波在地层中四面八方的辐射，只有少部分能量被声波探测器接受，大部分的能量都损失在了地层中，而且使用单极子源会产生干扰信号，影响对地层信号的接收。偶极子声源和四极子声源已经具有明确的指向性，声波相控阵技术则更加灵活，它将多个单极子源组合起来，使声源的指向性更易于被控制。研究人员调整每个单极子发射声波的时间，形成一定的时间差，使辐射声场可以向某一方位集中辐射，提高了测量信号的信噪比和分辨率。

上列各式中：θ为场点的指向角；J0为零阶Bessel函数；J1为一阶Bessel函数；D为圆管换能器的平均半径；λ为声源所在介质的波长；d为相邻阵元之间的距离；H为圆管换能器的高度；θS为相控线阵辐射器声束主瓣的偏转角[2]。

基于声波相控阵的原理，出现了大量声波测井新技术，如：方位固井质量评价技术、三维声波测井技术、反射横波成像测技术、方位反射声波测井技术等。科研人员研发出了方位声波固井质量检测仪（AABT），它是具有方位分辨率的、工作在音频范围内的固井质量声波测井系统。声波相控阵技术的出现提高了声波测井的效率和效果，可以得到更准确的数据资料。

3 声波相控阵在随钻测井中的应用

随钻测井（LWD）是最近几年在国外迅速崛起的新型测井技术，在国内的使用还并不广泛。相较于普通的电缆测井，随钻测井有许多优点。首先随钻测井得到的地层测井曲线是被钻井液轻微侵入或者根本没有侵入时测得的，大大减少了泥饼对于测井曲线的影响，使测量结果更为准确。其次，对于水平井或者一些其他恶劣条件比如松软的地层，电缆测井下放测井仪器困难，随钻测井则完全没有这个问题。随钻测井在钻井的同时测井，不仅减少了工程时间，而且减少了工程成本，是将来测井的主要方向。

随钻测井在钻井过程中产生的钻铤模式波会将我们需要的地层声波完全掩盖，所以怎样消除钻铤模式波是随钻测井中最需要攻克的技术问题，也是目前随钻测井最主要研究的问题。在随钻纵波测井中，为了消除钻铤模式波对地层纵波的影响，我们需要设置合适的隔声体来解决这个问题[3]。在随钻横波测井中，国外学者Tang在发表的论文中指出[4]，如果在随钻声波测井中采用四极子源，并且在钻铤波的截止频率以下得到測量数据，计算数据时利用地层四极子波的二阶模式，这样得到地层横波速度将不受仪器波的影响。

声源模式（单极、偶极和四极子源）和声源频率深深地影响着钻铤波的形成[5]，声源模式或声源频率一旦改变，钻铤波的模式、传播速度及其在全波中的相对幅度都会随之变化。在单极和偶极情况下，也可以通过对声源频率的控制，降低钻铤波对地层声波的影响。

4 结语

如果将声波相控阵技术与随钻声波测井技术结合起来，这样在声波测井过程中，不仅可以利用相控阵声源模式抑制钻铤波和干扰信号，而且可以利用声波相控阵技术减少声源能量损失，得到更加准确的地层信息，从而提高我国的测井技术水平。

参考文献：

[1]楚泽涵，黄隆基，高杰，肖立志.地球物理测井方法与原理[M]. 石油工业出版社，2007.

[2]陈雪莲，乔文孝，李刚.声波测井相控线阵声波辐射器的指向性测量[J].石油地球物理勘探，2003，38（06）：661-665.

[3]王华，陶果，张绪健.随钻声波测井研究进展[J].测井技术，2009，33（03）：197-203.

[4]Tang X M，Dubinsky V，Wang T，et al.Shear-velocity measurement in the Logging-While-Drilling environment： Modeling and field evaluations[J].Petrophysics，2003， 44（02）：79-90.

[5]王军，Zhu Zhenya，郑晓波.多极源随钻声波测井实验分析[J]. 地球物理学报，2016，59（05）：1909-1919.

作者简介：吴嘉宝（1996-），女，山西太谷人，本科，从事测井专业的学习与研究工作。