近年来，随钻声波测井技术被广泛用于大斜度井、水平井以及深水井中地层纵、横波速度测量(Tang et al., 2003; Mohammed et al., 2011; Nazlan et al., 2015).尤其是在深水钻井中，随钻声波测井可用来实时预测地层孔隙压力和岩石力学参数等，进而对指导安全钻井具有重要意义(Asadi et al., 2015; Brown et al., 2015).与电缆测井相比，随钻声波测井中会激发出一种沿着钻铤传播的导波，若不作隔声处理，这一钻铤波将会在测量的波形中占主导地位，从而会严重妨碍地层波的测量(Tang and Cheng, 2004).因此，隔声体的设计与隔声效果评价是随钻声波测井的核心技术.

国内、外学者针对随钻声波中钻铤波传播规律及其隔声技术开展了较多研究工作(Tang and Cheng, 2004; Sinha et al., 2009; 王华等，2009; 苏远大等，2011).Tang和Cheng (2004)指出钻铤波在频率域上存在一个固有阻带，具体的频率位置由钻铤尺寸所决定.这个固有阻带的带宽较窄(大约有2~3 kHz的带宽)，难以达到随钻声波的测量要求.Aron等(1994)和Joyce等(2001)提出在发射声源和接收器之间的钻铤上刻槽可以衰减钻铤波，进而来拓宽隔声阻带.苏远大等(2011)和Matuszyk和Torres-Verdín (2014)数值模拟研究了钻铤刻槽前、后的钻铤波衰减规律，给出了钻铤波衰减与刻槽结构和尺寸的关系，并在此基础上设计了一种随钻声波测井隔声体结构.考虑到钻铤刻槽会损害机械强度以及加工成本高等因素，唐晓明等(2012)和苏远大等(2015a, 2015b)提出了一种不需要在钻铤上刻槽的变径隔声技术.根据钻铤波存在固有阻带这一声学现象，对长度大于声波波长的不同横截面积的钻铤加以最优化组合来拓宽有效隔声阻带.这一新的变径隔声技术的隔声效果也得到了实验室声衰减测量实验的验证.迄今为止，国外随钻声波测井仪器大都采用钻铤刻槽结构的隔声技术(Aron et al., 1994; Joyce et al., 2001; Kinoshita et al., 2010)，国内也正在开发类似的技术.从现场实际应用效果来看，现有的刻槽式隔声体在中、高速压实地层中应用效果较好(Tang et al., 2007; Market, 2007; Murray et al., 2014)，但在钻遇的疏松软地层中，普遍存在隔声效果较差的情况，进而导致地层波信噪比低，不利于地层波速度的测量(Sollie, 1999; Izuhara et al., 2013; Blyth et al., 2013).因此，进一步深入研究这种刻槽式隔声体的隔声阻带形成机理以及实验室隔声效果评价方法，这对优化和改进隔声体设计具有重要意义.

本文针对这一问题，利用数值模拟方法研究了一种周期性刻槽钻铤中的声场特性，分析了钻铤波在其传播过程中隔声阻带的形成机理与拓宽过程.基于上述刻槽结构的隔声机理，综合考虑隔声效果和钻井机械强度等因素，优化设计并加工了一种刻槽式隔声体的随钻声波测井实验样机.利用声衰减测量验证了其隔声效果，将其进一步置于实验井中，在设计的最佳有效阻带内激发并测量声波，验证了该隔声体在井孔中的隔声效果.最后，开展了实际随钻测井环境的现场实验验证，实验结果测量得到了信噪比较高地层波信号，处理后得到的地层波时差与电缆测井吻合较好.详细的理论与实验研究表明，该刻槽隔声体可以推广应用于随钻声波测井的生产实际.本文的工作为随钻刻槽式隔声体的设计提供了理论依据，同时也为隔声体的测试提供了一套全面的实验验证方法.

苏远大等(2011)利用有限差分数值模拟了刻槽前、后钻铤波的衰减特征，结果表明钻铤刻槽后可有效地拓宽钻铤波的隔声阻带.这里重点模拟分析声波在周期刻槽钻铤中由近及远传播时有效隔声阻带形成并拓宽的物理过程.建立刻槽结构钻铤的有限差分模型，在钻铤外壁加载环状声源和接收器分别用来激发和记录钻铤波.数值模拟记录不同时刻的声场分布及距离声源不同位置处钻铤波的波形和振幅谱，进而分析刻槽钻铤的隔声阻带形成过程.

图 1给出一种周期性刻槽结构的钻铤示意图.钻铤外径176 mm，内径为60 mm；槽宽25 mm，槽深15 mm，内、外槽间距均为85 mm.刻槽结构的起始和终止位置到源的距离分别为0.45 m和2.715 m.数值模拟时将钻铤置于液体(水)中，环状声源放置于刻槽的左侧(如图所示)，声源选取主频为15 kHz的宽带激发函数.

图 1

Fig. 1

图 1 周期刻槽结构的钻铤示意图 Fig. 1 The schematic diagram of carved drill collar

图 2给出了某一时刻刻槽隔声体的声场模拟快照，作为对比，我们也模拟了光滑钻铤情况的声场(如上部图所示).从模拟结果可以看出，声场快照中存在钻铤中和水中传播的两种声波模式，且钻铤中传播的模式要明显快于水中传播模式.通过与光滑钻铤声场分布的对比可以看出，刻槽钻铤中的钻铤波幅度相对于光滑钻铤情况发生了明显的衰减.主要原因在于，刻槽钻铤中存在很多声阻抗不连续界面，声波遇到刻槽会发生一系列反射、散射和透射现象，如图 2b中观察到明显的向后传播的反射波.因此，沿着刻槽钻铤传播的声波经过多次反射和透射波叠加，会使大部分频率成分的钻铤波衰减，从而导致沿刻槽隔声体透射过去的钻铤波幅度很弱，实现隔声的目的.

图 2

Fig. 2

图 2 刻槽(下)与光滑(上)钻铤的声场快照图 Fig. 2 Wavefield snapshots of the smooth collar (upper) and carved collar (lower)

分析表明，钻铤波在刻槽钻铤中传播时有一个隔声阻带逐步形成、拓宽并达到稳定的物理过程.为了说明这一过程，我们将一系列接收器放置于钻铤表面来考察刻槽钻铤中不同位置处的钻铤波频谱特征.图 3给出了不同位置接收器记录的钻铤波振幅谱，其中声源到第一个接收器的距离为0.25 m，两个接收器间距为0.15 m.下面我们详细分析声波经过刻槽钻铤的振幅谱变化特征.靠近声源时(TR=0.25 m)接收的钻铤波振幅谱与声源频谱基本保持一致.随着距离增加，出现了不同频率成分的钻铤波幅度衰减现象.当进入刻槽位置之前(TR＜0.45 m)逐渐形成了均匀钻铤的固有阻带(Su et al., 2015a)；声波进入刻槽钻铤后，固有阻带以外频率成分的钻铤波开始衰减，并且幅度衰减得很明显，但由于刻槽位置的钻铤波发生反射、散射和透射，使刚进入刻槽钻铤时振幅衰减特征比较复杂，具体表现在TR=0.55~1.75 m之间的钻铤波振幅变化；跨过刻槽构造(TR＞2.0 m)后形成了稳定的阻带，且随着距离增加这一阻带基本保持不变，该阻带即为刻槽隔声体的有效隔声阻带，如图中红色方框所示.上述数值模拟结果证明：刻槽可以使钻铤波的隔声阻带明显拓宽并最终稳定，进而达到隔声的要求.

图 3

Fig. 3

图 3 刻槽钻铤中钻铤波隔声阻带的形成过程 红框所示频段为刻槽隔声体最终形成的隔声阻带. Fig. 3 Variation of collar wave amplitude spectrum across carved collar The red rectangular marks the collar wave stopband after its propagating across the carved collar

基于上述刻槽结构钻铤的隔声机理，并综合考虑隔声效果和钻井机械强度等因素，我们利用有限差分数值模拟方法(Wang and Tang, 2003；苏远大等，2011)优化设计了一种刻槽式的随钻声波隔声体.图 4给出了该刻槽式隔声体结构的随钻声波测井实验样机.该样机的声系部分主要包括：发射声源、刻槽结构隔声体和接收器阵列.其中隔声体部分钻铤外径178 mm，内径84 mm，刻槽长度约2.2 m，槽宽26 mm，槽深13 mm，两种交替变换的槽间距分别为84 mm和104 mm.发射声源和接收器均采用瓦片状宽频带的压电陶瓷换能器.下面我们首先对实验样机隔声性能进行实验室内的实验验证.

图 4

Fig. 4

图 4 刻槽隔声体结构的随钻声波测井实验样机 Fig. 4 The LWD prototype model with a carved collar isolator

为了测量和分析刻槽隔声体的有效隔声阻带，我们利用扫频技术来测量钻铤波声衰减随频率的变化(苏远大等，2010；Su et al., 2015b).用窄带Chirp信号源来激励发射声源产生沿钻铤传播的声波信号.将声源的中心频率从2 kHz变到24 kHz进行扫频测量，扫频间隔1 kHz.两个声波接收换能器分别安装在隔声体两侧的钻铤外表面，如图 4中R_n和R_f所示.对比声源扫频激励下经过刻槽隔声体前、后所记录的钻铤波信号.图 5(a，b)分别给出靠近声源的接收器R_n记录的声源主频从6 kHz到20 kHz的波形和对应的频谱.图 5(c，d)是经过隔声体后接收器R_f所记录的波形和频谱.从图中可以看出，近接收器R_n记录的波形振幅较大，且其频率和幅度主要由声源主频所决定；然而，远接收器R_f记录的波形在10~18 kHz频带范围内振幅大幅度降低.

图 5

Fig. 5

图 5 隔声体两侧远、近接收器记录的波形和对应的频谱 Fig. 5 Sweep acoutic signals (left) and spectra (right) before (a, b) and after (c, d) transmission across the carved collar isolator

根据以上两组频谱数据，钻铤波经过隔声体前、后的声衰减量或系数可由下式计算得到(乔文孝等，2002；苏远大等，2010)：

(1)

其中A_n和A_f分别表示近、远接收器记录的不同频率的钻铤波振幅.

图 6给出了实验测量的随频率变化的钻铤波声衰减曲线(点线).作为对比，也给出了理论计算的钻铤波振幅谱曲线(实线).从结果中可以看出，实验测量的钻铤波最大衰减达到60 dB，其中钻铤波衰减较大(大于30 dB)的频率范围与理论设计的有效阻带(10~18 kHz，如图中实线振幅谱能量几乎为0的频段)对应得很好.这说明我们所设计的刻槽隔声体的实验结果与理论设计吻合，达到了隔声体设计的要求.接下来，将刻槽隔声体置于井孔中来进一步测试其在地层条件下的隔声性能.

图 6

Fig. 6

图 6 实验测量的钻铤波声衰减(点线)和理论振幅谱(实线) Fig. 6 Comparison of experimental attenuation curve (dotted curve) and theoretical amplitude spectrum (solid curve)

选取两口有代表性的软、硬地层的实验井来测试刻槽式隔声体的隔声效果，同时考察该仪器所测地层信号的有效性.实验时选取在有效隔声阻带10~18 kHz的频率范围内激发和接收声波信号.发射声源选用主频13 kHz的3个周期幅度锥化正弦波作为激励信号源；接收信号采集电路的滤波范围也选择在有效阻带范围.图 7为凝灰岩硬地层实验井中测量的结果，其中图(a，b)分别为测量波形和速度分析结果.从波形图中可看出，波列中主要存在地层纵、横波振型，钻铤波基本被压制，地层声波信号的相关性很好.采用时差-时间相关法(STC)处理得到的相干图存在两个明显的相关性极大值，分别对应于地层纵、横波时差.图 8给出了疏松砂岩地层实验井中测量的波形和速度分析结果.从图中可看出软地层井孔中也测量到了质量较高、相关性较好的地层纵波信号.实验井的测试结果表明：我们所设计的刻槽隔声体在软、硬地层中的隔声性能良好.

图 7

Fig. 7

图 7 硬地层实验井测量的波形及速度分析结果 Fig. 7 Measured array waveforms (a) and STC result (b) in experimental well with a fast formation

图 8

Fig. 8

图 8 软地层实验井测量的波形及速度分析结果 Fig. 8 Measured array waveforms (a) and STC result (b) in experimental well with a slow formation

上述实验室的测量结果初步验证了刻槽隔声体的有效隔声阻带及其井孔中隔声效果.实际钻井环境与实验室相比非常恶劣，钻铤的扭曲、振动以及与井壁的撞击及泥浆循环等都会产生声波测井中的环境噪声.有必要进一步对刻槽隔声体的声波测井仪器在实际钻井过程中进行实验，以考察其在随钻测井环境下的工作性能及应用效果.

利用所研制的随钻测井仪器，在新疆进行了现场随钻测井环境下的野外试验.该井井深1900 m，井斜27°，钻井用PDC钻头，ROP在65~85 m/h，泥浆排量20000方左右，井内压力约60 MPa，温度100 ℃.图 9给出了随钻测井环境下现场实测的原始波形及其处理分析结果.图中第1道是随钻测井时井下存储记录的原始波形.从原始波形的变密度图中可看到明显的到时和幅度随深度变化的地层波信号，同时也观察到了直达钻铤波的干扰.为了分析测量原始波形的频率成分，图中第2道给出了原始波形的频谱图.从频谱的分布可看出，原始谱中包含了两个主要能量频段，即10 kHz以上的幅度较大的高频成分和10 kHz以下的低频成分，对10 kHz以下低频滤波后的波形由图中第3道给出，此时可见在所设计隔声阻带以外频率成分的波主要是直条状的低频钻铤直达波和钻井噪声.前述理论设计和实验结果表明，该实验样机的隔声体有效隔声阻带为10~18 kHz，因此我们对原始波形进行10~18 kHz的带通滤波，滤波后波形由图中第4道给出.从变密度波形可看出滤波后的波形基本没有直条状的钻铤波的干扰，信号的到时随深度的变化而变化，表明实钻环境下的确测量到了井下地层的声波信号.对此声波数据所作的速度相关分析(第5道)可见地层波的信号质量和相关性都较好，从相干图中提取的地层纵波时差由图中第6道红线给出.为了证明该随钻测量地层时差的可靠性，图中第6道给出了该井段随钻纵波时差(红线)和电缆纵波时差(黑线)的对比.对比结果表明随钻与电缆测井的纵波时差符合很好.现场随钻实验进一步证明我们设计的刻槽式隔声体有效地隔阻了钻铤波的干扰，获得了较高质量的地层声波数据和可靠的地层纵波时差.

图 9

Fig. 9

图 9 实钻环境下随钻声波样机的现场测量数据及处理结果. 第1道为原始波形，第2道为其波谱，第3道为10 kHz以下滤波后的钻铤波及随钻噪声，第4道为10~18 kHz带通滤波后的地层波，第5道是地层纵波的STC相关图，第6道为随钻测量时差与电缆测量结果的对比 Fig. 9 Field test result of the LWD acoustic tool in drilling environment Panel 1 is the raw data. Panel 2 is the raw wave spectrum. Panel 3 shows the collar wave (plus some drilling noise) after filtering the raw data below 10 kHz. Panel 4 shows the formation acoustic wave after band-pass filtering the raw data within 10~18 kHz. Panel 5 is the STC correlogram of formation wave data. Panel 6 is the formation P-wave slowness from the STC correlogram compared with its counterpart from the wireline measurement after drilling

本文理论模拟并分析了周期性刻槽结构隔声体中钻铤波有效阻带的形成过程和机理.在此基础上，将优化设计的刻槽式隔声体用于随钻声波测井实验样机.分别在实验室、典型实验井和随钻测井现场进行了隔声效果的验证.得到的主要结论和认识如下：

(1) 钻铤波在刻槽隔声体传播过程中，会产生多次反射、散射和透射的声波叠加现象，钻铤波能量衰减形成了隔声阻带，阻带沿钻铤逐渐拓宽并最终达到稳定.在此阻带中进行随钻声波测量便可达到隔声的目的.

(2) 实验室内利用声波频率扫描方法测量的钻铤波声衰减量最大达到60 dB，其中衰减量大于30 dB的频率范围与理论设计的有效隔声阻带(10~18 kHz)对应良好.

(3) 将实验样机声源的工作频带设计在该阻带之内，在典型的软、硬地层实验中均测量到了信噪比高、相关性好的地层声波信号.

(4) 现场随钻声波测井实验表明：本文设计的刻槽隔声体降低了钻铤直达波的干扰，获得了高质量的地层声波信号和可靠的地层纵波时差，能够满足随钻测井的要求.

本文工作得到国家自然科学基金和中海油田服务股份有限公司的资助.感谢中海油服刘西恩首席专家、孙志峰高工、仇傲高工、罗瑜林高工、李辉高工、王春艳工程师、李杰工程师、罗博工程师等在现场随钻测井实验方面的支持和帮助.