国产随钻单极声波测井仪的设计及应用*
时间：2023-02-08 18:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李 杰，刘西恩，罗 博，孙志峰，仇 傲，罗瑜林
(中海油田服务股份有限公司 北京 101149)
随钻声波测井目前是钻井工程和油气勘探等方面的关键技术之一，测量数据可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力学参数计算、井眼稳定性评价等[1-2]。因此，随钻声波测井技术在油气勘探开发中具有明显的技术优势。随钻声波测井可实时提供精确的地层纵横波时差，因为时差测量结果不受井眼环境变化、泥浆侵入等因素的影响。随钻声波测井与地震结合，可预测超压地层，优化钻井泥浆密度，降低钻井作业风险[3-4]。
然而，随钻声波测井技术与电缆声波测井技术相比有很多技术难点需要克服[5]。声波测井仪器需要消除声波沿仪器传播的直达波，电缆声波测井仪通常用单独的柔性隔声短节仪器消除直达波的影响。随钻声波测井仪必须安装到高强度的钻铤上，在满足钻铤机械强度基础上，最大程度消除钻铤直达波信号，因此隔声体的设计是一项技术难点。随钻环境下换能器的安装设计也是技术难题，电缆声波仪器通过在仪器外表面开声窗，橡胶皮囊里充硅油的方式保证换能器与仪器外泥浆的压力平衡，而随钻声波测井仪换能器的安装不易采用这种方式[6-8]。
国外油田服务公司早已推出商业化的随钻声波测井仪器，而国内随钻声波测井技术研发起步较晚，目前国内很多研究机构正在进行随钻声波测井关键技术的研发，如随钻发射及接收换能器的设计、随钻隔声体的优化设计等，然而目前未见国产随钻声波测井仪研制成功并进行实钻测量的报道[9-13]。中海油田股份有限公司在国内首次成功研制出随钻单极声波测井仪(MAST)，该仪器可以在各种地层获取地层纵波信息，已经在多次实钻测量中取得了满意的声波测井波形资料。本文简要介绍仪器的结构及该仪器分别在软地层及硬地层实钻测量效果。
图1为MAST仪器的结构示意图，MAST由一个单极子发射换能器、四个单极接收换能器及隔声体组成。仪器测量时可采用两种工作模式，在硬地层声源采用激发频率为13 kHz正弦波信号；
在软地层为了测量高质量的声波信号，采用声源激发频率为4 kHz正弦波信号。随钻测井时采用时间驱动方式，每隔一个时间采样点仪器采集4道单极全波信号。
图1 MAST仪器结构示意图
以下为仪器的技术指标：仪器直径175.4 mm；
发射换能器为压电陶瓷，单极，带宽1.5～20 kHz；
接收换能器为压电陶瓷，单极，带宽500～23 kHz；
隔声幅度为40 dB；
抗震为20 m/s2；
抗冲击为250 m/s2；
最大钻压为6.3×105N；
最大泥浆流量为2.4 m3/min；
最大张力14.5×105N；
最大内外压差30 MPa；
耐温150 ℃；
耐压140 MPa；
测量范围纵波时差为2 000～7 500 m/s；
仪器测量分辨率为203.2 mm；
仪器井眼适用范围215.6～250 mm。
2.1 发射换能器
图2为随钻发射换能器结构设计图，由4个瓦片状的压电陶瓷晶体组成，整体形成一个近似圆环状的单极发射。图3为随钻发射换能器实物图，内部为图2所示的压电陶瓷晶体，外部为玻璃纤维或者环氧树脂封装，由两个半圆环组成，采用半圆环扣合式，组成一个整体圆管，安装在钻铤外壁凹位。两半圆环务必在相位上正确连接，避免供电激励时相互抵消，而导致发出非常低的纵波信号[14]。
图2 随钻发射换能器结构设计图
图3 随钻发射换能器实物图
由于换能器需要安装在钻铤上，针对这种复杂的结构，采用有限元软件对其进行了仿真分析。考虑到模型结构和电压的对称性，有限元建模只需建立二维模型的二分之一，如图4所示。
图4 换能器在空气中二维有限元模型
图4中，1区域为压电陶瓷层，2区域为重质量背衬层，3区域为柔顺匹配层，4区域为透声水密层，兼具耐压性，5区域为钻铤。输入单元类型，换能器的结构参数、材料特性参数，划分网格后即可生成有限元计算模型。
图5为换能器的中心点在空气中的频率响应曲线。由图可见，发射换能器在在18 kHz以下的频率范围里，有多个谐振峰。其中6 kHz附近的谐振峰为弯曲振动模态，不适用于随钻单极测量模式；
而15kHz附近的谐振峰为径向呼吸振动模态，径向振动位移最大，适用于随钻单极子测量模式。
图5 换能器在空气中频率响应曲线
2.2 隔声体设计
基于钻铤模式波传播规律与刻槽结构关系的理论研究[15-17]，利用有限差分模拟理论[18]，设计了钻铤规格为6.75 in(1 in=2.54 mm)的随钻声波测井隔声体数学模型，如图6所示。图6中的红色部分为井孔流体，白色部分为钻铤，蓝色部分为地层或水。
图6 随钻声波测井隔声体数学模型
隔声体模型尺寸：外径6.75 in，水眼内径3.2 in，刻槽的隔声体长度2.2 m。发射声源和接收换能器安装在钻铤外壁的10 mm深度的凹槽内。隔声体主要包含两组结构，一组为钻铤内外壁未刻槽；
另一组为钻铤内外壁轴向环形槽，槽宽30 mm，槽深25 mm，共10个。
图7和图8为钻铤刻槽前、后钻铤模式波时域波形图和频谱图，黑线与红线分别为发射和接收换能器之间钻铤未刻槽与刻槽后的钻铤模式波波形和频谱。波形时域图中，未刻槽的钻铤波幅度较大，且在不同接收器之间的衰减很小；
刻槽后的钻铤波幅度与未刻槽相比，明显降低。频谱图中，刻槽前钻铤波在13 kHz频率附近存在一个频带较窄的阻带，带宽为12～15 kHz，该阻带为钻铤的固有阻带。钻铤刻槽后，钻铤模式波幅度明显降低，钻铤波阻带变宽，为10～20 kHz，说明该类刻槽结构能实现10～20 kHz频率范围内的钻铤波完全衰减。
图7 钻铤刻槽前后钻铤模式波时域波形图
图8 钻铤刻槽前后钻铤模式波频谱图
由此可见，随钻声波测井隔声体设计的关键在于了解给定钻铤尺寸的固有阻带的中心频率和带宽，通过改变刻槽结构来拓宽该阻带，达到有效隔阻钻铤波的目的。
2.3 接收换能器
图9为随钻接收换能器结构设计图。在测试试验中发现，增加压电材料的表面积会提高接收灵敏度，因此加长压电材料长宽，但厚度不变。在试验中进行了压电材料不同连接方式的测试，最终采用串并结合的方式。图10为随钻接收换能器实物图，基本结构和封装方式与发射换能器相同，外观形状为腰带式，同样安装在钻铤外壁凹位。
图9 随钻接收换能器结构设计图
图10 随钻接收换能器实物图
同样采用有限元软件对接收换能器进行了灵敏度仿真计算。把换能器放置在半径为3 m的流体域中，最外层添加完全吸收匹配层。图11为计算的换能器的接收灵敏度曲线。由图11可见，接收灵敏度随着频率的增加而缓慢升高，在频率为3.8 kHz附近达到极大值为-189.2 dB；
随后又缓慢降低，在频率为15.4 kHz附近灵敏度达到极小值-186.2 dB；
随后又缓慢升高，在20.0 kHz附近达到最大值-168.2 dB。由于随钻单极子声波测井的频率范围为13～15 kHz，在该频率范围内灵敏度的变化范围小于3 dB，因此该接收换能器在测量频率范围内灵敏度变化起伏小，适用于随钻声波信号测测量。
图11 换能器接收灵敏度曲线
3.1 实验室水槽测试
为了验证随钻单极子声波测井仪器的测量指标，把仪器放置在实验室半开口水槽中进行了声学试验。仪器水平放置在实验室水槽中，水槽中充满水。对换能器施加2 000 V的激励脉冲信号，仪器的接收换能器可以测量套管波信号。图12为4组换能器测量的波形信号，对其做STC分析如图13所示。由图可见，仪器可测量到高质量的套管波信号，波形信号中首先到达的为套管波信号，随后到达的为钻铤波及各种反射波信号。套管波信号的波形质量良好，信噪比很高,且测量的时差为57 ms/ft。该测量结果与套管波的时差一致，因此在实验室证明了仪器测量的可靠性。
图12 实验室测量的波形信号
图13 时间慢度相关图
3.2 硬地层实钻测量
图14为MAST仪器在新疆某井硬地层实钻测量曲线，并与电缆声波测井仪测量的时差曲线进行对比。
图14 MAST仪器在硬地层测量曲线
图14中,从左往右第1列为原始单极全波列曲线，第2列为频率范围为10～15 kHz的滤波后的波形及纵波横波到时曲线，第3列为纵波慢度相关曲线及纵波时差曲线，第4列为横波慢度相关曲线及横波时差曲线，第5列为频率范围为2～6 kHz的滤波后的波形及斯通利波到时曲线，第6列为斯通利波的相关曲线及斯通利波时差曲线，第7列为纵波、横波和斯通利波的时差对比曲线，同时绘制了电缆声波测井仪测量的纵波时差曲线。
由图14可见，在原始波形曲线中可明显观测到仪器钻铤波信号，通过不同频率的滤波处理，地层的纵波、横波及斯通利波信号波至明显，波形信噪比良好。提取的纵波、横波及斯通利波时差有很好的相关性。MAST仪器测量的纵波时差与电缆仪器测量的纵波时差吻合很好。
3.3 软地层实钻测量
图15为MAST仪器在新疆某井软地层实钻测量曲线。图中从左往右第1列为原始单极全波列曲线，第2列为频率范围为10～15 kHz的滤波后的波形及纵波到时曲线，第3列为纵波慢度相关曲线及其时差，第4列为频率范围为2～6 kHz的滤波后的波形及斯通利波到时曲线，第5列为斯通利波的相关曲线及时差曲线，第6列为纵波和斯通利波的时差对比曲线。
图15 MAST仪器在软地层测量曲线
由图15可见，在原始波形曲线中可明显观测到仪器钻铤波信号，通过滤波处理，地层的纵波及斯通利波信号波至明显，波形信噪比良好。提取的纵波及斯通利波时差有很好的相关性。
1)国内首次成功研制随钻单极声波测井仪器(MAST)，具备在硬地层激发频率为13 kHz和软地层激发频率为4 kHz的声源信号。
2)发射换能器在15 kHz附近的振动模态适用于随钻单极测量模式；
675型钻铤的钻铤波固有阻带在13 kHz附近，刻槽后阻带为10～20 kHz。接收换能器的接收频率范围为13～15 kHz，灵敏度变化范围小于3 dB。
3)仪器通过实验室水槽实验测得时差为57 ms/ft，与套管波的固有时差一致，证明仪器测量的可靠性。仪器在新疆某井实钻测量，在硬地层可测量到纵波、横波及斯通利波信号，波形信噪比良好，且时差具有很好相关性。在软地层可测量到纵波及斯通利波信号，无法测量地层横波信号。随钻测量纵波时差结果与电缆声波测量结果有很好的一致性。
4)目前随钻单极子声波测井仪器无法在软地层测量地层横波速度，下一代的随钻声波测井工具应着重解决地层横波速度测量问题，为地层的孔隙压力预测、井眼稳定性分析提供必要的参数。
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