随钻声波测井声系短节的研制与测试

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一种随钻测井仪器的研制及应用

中国西部科技２１年０月（００９上旬）第０卷第２期总第２２９５２期
徐凤玲
（利石油管理局钻井工艺研究院钻井测量仪器研究所，山东东营２７１）胜５０７
摘
要：随钻测井是电缆测井、钻井和录井技术的综合体，是迈向自动化、智能化钻井的重要环节和关键技术。本文论
释模型，能够实现地质导向。
关键词：地质导向；随钻测井；自然伽马；电阻率；ＬＤＷ
ＤＩ１．９９Ｊｓｎ１７ —６９．ｏ．５ｏ９Ｏ：５６／．ｓ．６１５６２ｏ２．ｏ０ｉ１
随着石油工业的不断发展和油气勘探开发难度的不断
量更大、可靠性更高、地面软件功能更强等，基本上能够满
足各种井型的需要，丰要用于随钻地层评价和地质导向钻
井。
层、确定岩性、进行泥岩含量评价等；在水平井、大位移
井中，随钻测井能够及时分辨油、气、水层及其界面，预
增大，石油勘探开发工业已逐渐转向开发规模更小、油层更薄、物性更差、非均质性强的油藏，定向井、水平井等
突破了录井、测井、钻井单项技术的局限性，打破了原有行
业界限，形成了新的技术体系和新的行业，是迈向自动化、
智能化钻井的重要环逐年增多，在这些特殊工艺井的施工过

基于ANSYS的随钻声波测井隔声体强度分析

差分法、限元法对钻铤上刻槽构成的随钻声波测有
（）隔声体三维模型图（）凹槽横截面示意图ａｂ
井隔声体的隔声量进行了数值分析．。钻井工程ｏｊ中因钻铤上承受轴向力、擦力、力矩等作用，摩扭钻铤材料缺陷、构缺陷等都会导致钻铤疲劳损结坏。Ｊ因此钻铤上刻槽构建随钻声波测井隔声体。，时，对刻槽参数与截面突变处最大等效应力间的关
５．ｍ、径为１７８ｍ的７ｉ通合金钢钻７２ｍ外７．ｍｎ普铤¨ ，忽略摩擦力、力矩的作用，声体承受轴向扭隔力载荷为１０ｋ０Ｎ。
摘
要利用ＡＳＳ对周期性非轴对称凹槽结构随钻声波测井隔声体上最大等效应力进行了数值计算。建立了凹槽参数与ＮＹ
最大等效应力之间关系。数值计算结果表明：凹槽深度、渡弧半径以及凹槽圆心角大小对随钻声波测井隔声体上最大等效过
应力影响较大。相关研究结果对设计随钻声波测井隔声体有重要参考价值。关键词随钻声波测井隔声体最大等效应力凹槽参数
基金（Ｒ０９Ｌ０）中央高校基本科研业务费专项资金Ｚ２０Ｅ０６及
（０Ｘ４４Ａ）１Ｃ００５资助
第一作者简介：苏远大（９８）男，１７一，吉林榆树人，士，究方向：硕研
声波测井方法。
出其最大应力的结果，只能借助于数值计算或者物
构声波的原理。ＢｋｒＨｇｅａｅｕｈｓ公司的ＥｉＭｏ，ｒｌｃｚ

随钻声波测井新技术

波和斯通利波，这些都可从声波信号中识别出来ｎ。
图１
很多物质都有各自具体的声波慢表（见表１）。
国外测井技术
２０１３年４月
管和偶极子波有些相似，但四极子波的传播方式不
ｔ
。
｜
ｂ
一
同，且难以进行概念化描述。四极子波还用另外一
电缆声波测井仪在相对低噪音环境中记录高质量资料，但他们也有不足之处。钻井和测井作业直径
存在滞后，加上需要特殊方法传送电缆测井仪器，使得情况更加复杂。尽管近些年已开发出了多种传送技术，但是将测井仪器传送到大位移水平井的井底并
工程师根据声波测井仪记录的声波资料以更高的安全系数提高钻井效率，优化完井方式。ＬＷＤ声波测井仪是在上世纪９Ｏ年代中期问世的，能够记录纵波资料，但不能记录所有地层的横波资料。新型ＬＷＤ声波测井仪能记录以前无法得到的横渡资料，工程师正在利用横渡资料优化钻井作业，确定最佳钻进方向，识别具有更好完井特征的岩层。井下钻井环境给随钻测井（ＬＷＤ）仪器制造了个非常不利的应用条件。一方面钻头随旋转钻杆于深度的资料和地面记录的基于时间的地震资料。电缆声波测井仪采用了不同的声源，并且因为它们能够高速处理和传播数据，其能力是早期同类ＬＷＤ测井仪无法比拟的。这种能力包括记录高质量纵波和横波资料，用来估算松软地层的地质力学属性，以及确定各向异性地层岩石属性走向的能力。最近问世的ＬＷＤ声波测井仪实时提供的地层纵波和横波资料是早期测井仪无法提供的。

声频谱测井仪器的研制和野外实验

距０５用三种不同的频率的声波进行测量记录目的是获得井壁径向深度不同处介质的声学信．ｍ．息，而且不同频率的声波信号在岩石中传播过程中频谱变化也是井壁岩层的可用声学信息．井在下的信息采集、数据传输、面记录和监控全部由计算机控制．地该仪器已经在大庆油田的三口井
中成功的进行了野外实验．
关键词：声频谱测井；器研制；外实验仪野
中图分类号：Ｐ３．６１５文献标识码：Ａ５０ｍｓ的地层中的探测深度进行考察，择出００／选
０引言
现有声波测井仪器发射和接收探头间的距离（源距）多种，未见到从不同源距的声波测井有但资料中识别出井壁径向深度不同处地层声学性质
思路引．
发双收，源距２１８２６８间距０５有激．６ｍ，．６ｍ，．ｍ，
发和接收低频管波功能．种频率的声波都用数字每
记录，采样点的间隔是声波波长的１１（／０每个周期采ｌＯ个数据点）每个波列采样点数为５２点，，１每点记录１２位数据．
２ｋｚ波信号的声系有一个发射和四个接收探头，０Ｈ声源距为２１～．６ｍ，．２５８间距为０１６发射．５ｍ；
和接收４ｋｚ０Ｈ声波信号的声系由一个发射和两个接收探头组成，源距１０— ．ｍ，．１５间距０５发．ｍ；射和接收１ｋｚ０Ｈ声波信号的声系由一个发射和两个接收探头组成，源距为２１８— ．６间．６２６８ｍ，

声波测井声速测井

第二节声波速度测井
一单发双收的测量原理 1 声系
T：发射探头－电能转化为声能。 R：接收探头－声能转化为电能；
声波在介质中的传播主要指声速、声幅和频率特性
井筒
TA
源距
间距
R2 岩石的声速特性及影响因素
(1)VP、VS与、、E间的关系
VP
E(1) (1)(12)
③ 当R1和R2都处于井径扩大或缩小井段时，t1、t2同时增加或下降，或不变。
2 岩层厚度的影响
(1) 厚层（h>l间距),曲线的半幅点为层界面,曲线幅度的峰值为时差。
惠更斯原理介质中波所传播到的各点都可以看成新的波源，称为子波源；可认为每个子波源都可以向各个方向发出微弱的波，称为子波；这种子波是以所在介质的声波速度传播的，新的波前就是由这些子波相互叠加而形成的，这些子波所形成的包络决定了新的波前。这就是惠更斯原理。根据惠更斯原理，利用已知的波前可求得后来时刻的波前。
VS
E
2(1)
当=0.25，VP/VS=1.73, E VP(S)
(2) 传播速度与岩性的关系
岩性不同
弹性模量不同
VP、VS的影响
不同
VP、VS不同
(3) 孔隙度的影响流体的弹性模量和密度都不同于岩石骨架，相对讲，即使岩性相同，其中的流体也不同。孔隙度增大，传播速度就降低。
(4)岩层的地质时代影响
一折射波与临界角
二产生滑行波的条件
折射定律:
Sin VP1 Sin1 VP2
VP2 > VP1时,折射角 = 90°时产生滑行纵波
第一临界角:1*=arcsin(VP1/VP2)
同理可得出:当折射产生横波时有

随钻声波测井隔声体性能评价实验研究

能器产生不同主频的声波信号沿隔声体传播，量并计算出不同频率的钻铤直达波经隔声体前、的声幅曲线。测后
给出了实际随钻声波测井隔声体短节的实验室测量实例，并确定出了该结构隔声体的钻铤直达波最佳隔声阻带及最大衰减系数。
关键词：随钻声波测井；波隔声体；铤波；衰减；衰减系数；实验声钻声
ＳＹｕｎａ，ＺＵａｄＨＵＡＮＧｕＭ，ＤＥＮＧｎ，ＬｘａＣｈｎＬｉ２ＩＹｕｉ，ＱＩＹｕｕＮｋｎ
（．Ｓｈｏｆｏｃｎｅ，ＣｉａＵｎｖｒｉｆＰｔｏｅｍ，Ｑｉｇａ，Ｓａｄｎ６５５ｈｎ１ｃｏｌｓｉｃｓｈｎｉｅｓｙｏｅｒｌｕｏＧｅｅｔｎｄｏｈｎｏｇ２６５，Ｃｉａ
ｒｔｅｕｔｎｏｈｏｎｖｈｏｇｈｓｌｔｒＴｈｒｎｍｉｉｇｔａｓｕｅｓｅｅｇｚｄｙａｔｎａｉｆｔｅｓｕｄｗａｅｔｒｕｈｔｅｉｏａｏ．ｏｅｔａｓｔｎｒｎｄｃｒｉｎｒｉｅｔｂｓ－ｌＰｏｒＡｍｐｉｉｒａａｉｕｒｑｅｃｅｎｏｄｒｔｅｅｍｉｅｔｅｉｏａｏ ’ ｅ — ｙａＰｕｈＰｕｌｗｅｌｅｔｖｒｏｓｆｅｕｎｉｓｉｒｅｏｄｔｒｎｈｓｌｔｒＳｐｒｆｆｒａｃｓａｆｎｔｎｏｒｑｅｃ．Ｔｈｉｅｔｗａｅｌｎｒｌｃｌｒｂｆｒｎｆｅｈｓｌ — ｏｍｎｅａｕｃｉｆｆｅｕｎｙｏｅｄｒｃｖｓａｏｇｄｉｏｌｅｏｅａｄａｔｒｔｅｉｏａｌａｔｒａｅｒｃｒｅｎｈｍｐｉｄｕｖｓａｅｃｌｕａｅ．Ｔｈｓｐｐｒｐｅｅｔｈａｏａｏｙｏｒｅｏｄｄａｄｔｅａｌｕｅｃｒｅｒａｃｌｔｄｔｉａｅｒｓｎｓｔｅｌｂｒｔｒ

声波相控阵在随钻测井中的应用思考

声波相控阵在随钻测井中的应用思考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。

标签：声波相控阵；随钻声波测井；声源模式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。

基于ARM的声波测井仪发射声系测试方法研究

文卢俊强，鞠晓东，门百永，吴河
（中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，京１２４北０２９）摘要：设计了一种用于调试多极子阵列声波测井仪（Ａ）ＭＰＬ发射声系的工装测试设备。通过分析ＭＰＡＬ发射声
系的结构，出具体的测试要求。采用主从式结构，机和前端机通过以太网互联，端机基于Ａ提主前ＲＭ７技术，理处
ｂａｄｂｘａｄｄＩｏｂｓｏｔｏｏｏｒｙｅｐｎｅ／ｕ．Ｃｎｒｌｍｍａｄｒｎｍｉｂａｓｏｅｉｌｉｅｅｔｌｒｅｐｃｎｓａｓｔｙｍｅｎｆｒｆｒｎｉ — ｉｎａ — ｔｓａｄｆａｄｖ
ＡｂｔａｔＡｉｄｏｏｌｇｔｓｑｉｍｅｔｕｅｎｔｓｏｒｎｍｉｔｒｍａｄｅｆｍｕｔｐｌａ — ｓｒｃ：ｋｎｆｔｏｉｅｔｅｕｐｎｓｄｉｅｔｆｒｔａｓｔｅｎｒｌｏｌ — ｏｅｒｎｉｒｙａｏｓｉｏｇｎｏｌ（ＰａｃｕｔｃｌｇｉｇｔｏＭＡＬ）ｉｉｔｏｕｅ．Ｔｈｐｃｆｅｔｇｒｑｉｅｎｓａｅｐｔｆｒｓｎｒｄｃｄｅｓｅｉｉｔｓｉｅｕｒｍｅｔｒｕｏ — ｃｎｗａｄａｃｒｉｇｔｎｌｚｎｒｈｔｃｕｅｏｒｎｍｉｔｒｍａｄｅｆＭＰＡＬＩｙｔｍｅｉｎｒｃｏｄｎｏａａｙｉｇａｃｉｅｔｒｆｔａｓｔｅｎｒｌｏ．ｎｓｓｅｄｓｇ。ｐｉｃｐｌａｄｓｂｒｉａｅｓｒｃｕｅｉｓｄｔｅｈｓｎｒｎ — ｏｐｔｒａｅｉｔｒｏｎｃｅｉｒｎｉａｎｕｏｄｎｔｔｕｔｒｓｕｅ：ｈｏｔａｄｆｏｔｃｍｕｅｒｎｅｃｎｅｔｄｖａＥｔｅｎｔＴｈｒｎ — ｏｐｔｒｉａｅｎＡＲＭ７ｅｈｉｕ，ａｄｔｅＡＲＭ７ｒｃｓｏｒｎｈｒｅ．ｅｆｏｔｃｍｕｅｓｂｓｄｏｔｃｎｑｅｎｈｐｏｅｓｒｕｓｕｉｕｉｈｉａｋｎｆｅｅｄｄｏｅａｉｇｓｓｅ．ＦｉｉｇｉｔｒａｅｃｒｕｔｒｉｋｄｔｏｅＣｌｘｗｈｃｓｉｄｏｍｂｄｅｐｒｔｎｙｔｍｎｒｎｎｅｆｃｉｃｉｓａｅｌｅｏｃｒｎ

随钻声波测井系统技术参数

INTEQ 先进的SoundTrak TMLWD 声波测井服务可以精确测量所有地层中纵波和横波传输时间，SoundTrak 是唯一能与电缆测井匹敌的随钻测井系统，且考虑到大多数旋转导向钻井应用的特殊环境。

并行多重频率的声波可以在各种传播速度范围的地层和井眼尺寸下获得高质量的测量数据。

专利的Quadrupole(四极子)技术可以在极软地层中精确直接的测得横波速度，无须进行dipole(偶极子)LWD 工具的离散校正。

地层的声学特性可直接测得。

SoundTrak 得益于它的一个高输出全方位多极声波发送器；一个能消除工具偏心影响的六级、24阵列接收器；和一个用来隔开发射极和接收极的声波绝缘体，来削弱直接耦合影响；在井眼扩径的情况下也可获得可靠声速数据。

即便在很具挑战性的环境下，先进的井下处理系统和声波层叠技术也能够优化信噪比。

纵波的传输速度参数和质量信息会被实时传输，原始波形数据可存储在高容高速的内存中以备后续操作。

在单趟钻中就可获取所有数据。

服务应用服务应用：：纵波和横波传输时间的应用：■ 钻井——预测孔隙压力从而避免钻井中的不利因素 ■ 地球物理——表面地震波校正和深度基准点可确定井位和优化油藏模型 ■岩石物理——孔隙度和油气确认 (AVO) 计算油藏储量 ■ 地质力学——岩石特性，出砂潜在性和井眼稳定性分析钻井完井方案服务优势服务优势：：■ 在世界范围200多口井出色的成功表现■ 减少钻机时间，单趟钻即可获取多种模式的信息资料■运用纵波数据预测孔隙压力确保井下安全■ 在超慢地层中(200usec/ft) 用低频单极子可以获得纵波传播速度■ 工具在泥面以下和大井眼尺寸中也能够直接获取纵波传播时间差∆t■ 通过井下WAVEVAN 实时处理计算传播时间差∆t c ■ 地层横波速度直接通过Quadrupole(四极子)模式测得 ■较长的接受发射极间距使得在扩径井眼和超慢地层中也可以获取到可靠的声波数据■ 补偿系统可以消除工具偏心影响■ 自带的大容量内存可以长时间的存储大量信息■现场LQ C显示和实时的工具监测 ■ 先进的多任务处理技技术参数表SoundTrakSoundTrak工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)适用井眼范围12 1/4"-26"10 1/2"-17 1/2"8 3/8"-10 5/8"(311mm-660mm)(267mm-445mm)(213mm-270mm)工具长度32.8 ft(10m)32.8 ft(10m)32.8 ft(10m)工具重量6,800 lbs (3,084 kg)5,200 lbs (2,359 kg)3,750 lbs (1,701 kg)常规井眼尺寸17 1/2" (445 mm)12 1/4" (311 mm)8 1/2" (216 mm)肋板/扶正块或TSS 外径11 1/2" (292 mm)10" (254 mm)8 1/4" (210 mm)当量刚性 ODXID 9.7" x 7.6" (246 mm x 193 mm)8.4" x 6.3" (213 mm x 160 mm)7.1" x 5.5" (180 mm x 140 mm)止电短接上部接头7 5/8" API 正规.母扣 6 5/8" API 正规.母扣NC50 or 4 1/2"IF 内平.母扣工具扣型和上扣扭矩工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)450 - 1,560 gpm 300 - 1,300 gpm 200 - 900 gpm (由MWD 叶轮片配置决定)(1,703 - 5,905 lpm)(1,136 - 4,921 lpm)(757 - 3,407 lpm)最大抗拉力(旋转)1,348 klbs (7,040 kN)1,144 klbs (5,090 kN) 881 klbs (3,920 kN) 最大失效抗拉力(非旋转)1,978 klbs (8,800 kN) 1,430 klbs (6,360 kN) 1,102 klbs (4,900 kN) 最大折弯度 -旋转通过55 kNm (40.6 k ft-lbs) 55 kNm (40.6 k ft-lbs) 26 kNm (19.2 k ft-lbs) -滑动通过150 kNm (110.6 k ft-lbs)150 kNm (110.6 k ft-lbs)70 kNm (51.6 k ft-lbs)最大工作温度最大压力压降最大通过狗腿度 -滑动通过 -旋转通过遥测类型工作时间 -实时/内存内存存储读取速率最大轴向、横向和切向振动工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)测点到工具底部的距离发送接收极间距发射极数量频率范围纵波速度快慢范围 ∆tc 横波速度快慢范围 ∆ts 探测深度纵向分辨率 -∆t-层界面识别精确度 ∆tc 精确度 ∆ts 测井速度2%5%根据工具循环时间而变化.循环时间100hr 时，最大机械钻速500ft/hr(152m/hr)的情况下1个样点/ft 或更好层界面识别厚度会根据采样率不同而变化深达3 ft∆t 是6个接收极高度的平均值45" or 3.75 ft (1.14 m) 24" or 2 ft (0.61 m)24 (6 X 4)单极：4-18 KHz /多极：2-10 KHz 40 - 220 µsec/ft (131 - 722 µsec/meter) 60 - 550 µsec/ft (197 - 1,804 µsec/meter)脉冲发射接受已经本身内部存储. 在地面做好相应设定. 可以支持500小时1Gb/2.25Gb 每分钟35 Mb10.7 ft (3.3 m)请参考技术文件TDS-20-60-0000-00关于RPM ，含砂量和堵漏材料请参考WMD 技术表(如Ontrak ，NaviTrak)9.3 ft (2.85 m)注意：测量点取决于工具本身而且会根据现场钻具组合的变化而不同最大允许通过狗腿度根据具体应用和其他一些参数如钻具组合、井眼轨迹和钻井方式(造斜、降斜或稳斜)的不同而变化。

随钻测量随钻测井技术现状及研究

随钻测量随钻测井技术现状及研究随钻测量(measure while drilling，MWD)技术可以在钻进的同时监测一系列的工程参数以控制井眼轨迹，提高钻井效率。

随钻测井(logging while drilling，LWD)技术可以不中断钻进监测一系列的地质参数以指导钻井作业，提高油气层的钻遇率[1-5]。

近年来，油气田地层状况越来越复杂，钻探难度越来越大。

在大斜度井、大位移井和水平井的钻进中，MWD/LWD是监控井眼轨迹的一项关键技术[6-8]，是评价油气田地层的重要手段[9]，是唯一可用的测井技术[3]，而常规的电缆测井无法作业[10]。

国外的MWD/LWD技术日趋完善，而国内起步较晚，技术水平相对落后，国际知识产权核心专利较少[9]，与国外的相关技术有一段差距。

本文介绍国内外MWD/LWD相关产品的技术特点和市场应用等情况，分析国内技术落后的原因以及应对措施。

1 国外MWD/LWD技术现状20世纪60年代前，国外MWD的尝试都未能成功。

60年代发明了在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。

1978年Teleco公司开发出第一套商业化的定向MWD系统，1979年Gearhart Owen公司推出NPT定向/自然伽马井下仪器[10]。

80年代初商用的钻井液脉冲传输LWD 才产生，例如：1980年斯伦贝谢推出业内第一支随钻测量工具M1，但仅能提供井斜、方位和工具面的测量，应用比较受限，不能满足复杂地质条件下的钻井需求[11]。

1996年后，MWD/LWD技术得到了快速的发展。

国际公认的三大油服公司：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，其MWD/LWD技术实力雄厚，其仪器耐高温耐高压性能好、测量精度高、数据传输速率高，几乎能满足所有油气田的钻采，在全球油气田均有应用。

斯伦贝谢经过长期的技术及经验积累，其技术特点为高、精、尖、专，业内处于绝对的领先地位[12-15]，是全球500强企业。

LWD的技术主要体现在智能性、高效性、安全性[10]。

MWD随钻测井仪定向短节常见故障分析及维护

动器短节（信号传输部分）组成。测量短节实时测量
图２定向仪短节结构示意图
钻井工程参数（井斜、方位、工具面、井温等），对
测量的参数进行脉冲数据编码，由驱动器短节控制脉冲发生器电磁阀的关闭和打开，使脉冲发生器的主阀
１．００４之间，说明井下加速度计基本没问题。ＴＭＦ在不同的区域值不同，有磁干扰或磁通门故障时ＴＭＦ
明显不对。电路模来自组成）和定向探管传感器（由三轴重力计和三轴磁力计及相应的电路组成），定向传感器上的重力计和磁力计组装方向如图１所示，三轴重力计和三
轴磁力计两两相互垂直，对应方向相反。
电子线路ｌ一定向传感器
三轴重力计‘
｝
三轴磁力计
图１定向传感器组装示意图
定向测量短节的主要功能是探管将采集到的井眼方位、倾角、井温等数据信号送人Ａ／Ｄ模数转换板，
文献标识码：Ｂ文章编号：１００４－９１３４（２０１３）０４ — ００８５ — ０２
关键词：维修；故障；分析
中图法分类号：ＴＥ２４３
０引言
ＭＷＤ随钻测量仪从安装在钻头上的传感器采集数据，并借助于泥浆循环系统的压力脉冲将数据传送到地面。ＭＷＤ随钻测量仪的实际应用给定向钻井工艺带来了一次新的飞跃，它对井下钻具是一个实时监测系统，能随时给定向钻井工作者提供井斜、方位、工具面方向和井底温度等参数，使定向钻井工作者随时都能了解井下钻具的去向和工作状态，便于控制井眼轨迹。这样钻出的井眼轨迹圆滑、井身质量好、减

利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究

利用随钻正交偶极子声波测井评价地层各向异性的数值研究王瑞甲;乔文孝;鞠晓东【摘要】Because the drill collar takes most of the space in the borehole, the mode waves in LWD conditions propagating along the borehole axis are quite different from that of wireline logging. In this work, a cross dipole acoustic LWD model was established, and the acoustic field of borehole surrounded by anisotropy in LWD conditions excited by dipole source was simulated using a three-dimensional finite difference method, and the response characteristics of formation acoustic anisotropy in cross dipole acoustic LWD were studied. Numerical results show that when the borehole axis is perpendicular to the symmetry axis of TI formation in the LWD conditions,flexural waves splitting still exist, and the fast shear wave angle can be estimated by the cross-dipole measurements and appropriated inversion method, and the velocities of fast and slow shear wave and the acoustic anisotropy information can be obtained by an appropriate inversion algorithm combined with the theoretical model. For the situation that the angle between the borehole axis and the symmetry axis is not 90° or 0°, the problem becomes very complicated. The velocity of flexural waves is inconsistent with the velocity of corresponding shear body waves with the changes of the angle between the borehole axis and formation symmetry axis. However, the velocity of shear waves is still the main controlling factor of flexural waves in certain frequency range. For the model studied in this paper, when the angle between the borehole axisand the symmetry axis is greater than 60°, the anisotropy parameter measured by flexural waves can basically indicate the true velocity anisotropy of shear waves for the corresponding angle.%在随钻测井条件下,由于钻铤占据了井孔内的大部分空间,充液井孔中沿着井轴方向传播的模式波的特性与电缆测井非常不同.本文建立了随钻正交偶极子测井声学模型,采用三维有限差分方法模拟了偶极子声源在随钻条件下各向异性地层井孔内激发的声场,研究了地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征.数值模拟结果表明,在随钻测井条件下,对于井轴同TI地层对称轴垂直的情况,弯曲波分裂现象仍然存在,通过正交偶极子测量方式和合适的反演算法能够准确有效地确定地层的快横波方位角,可以考虑采用同正演理论相结合的反演算法来获得地层的快、慢横波速度及声学各向异性信息；对于井轴同介质对称轴呈一定夹角的TI地层井孔,情况变得非常复杂,不同井斜倾角下弯曲波的速度的变化趋势并非同对应的地层横波速度的变化趋势完全一致,不过在一定的频段内,地层横波速度仍然是弯曲波的最主要控制因素.对于本文研究的模型,当井轴同介质对称轴的夹角大于大于60°时,此时获得的弯曲波的各向异性值基本能够反映对应角度下地层横波速度的各向异性信息.【期刊名称】《地球物理学报》【年(卷),期】2012(055)011【总页数】13页(P3870-3882)【关键词】随钻声波测井;正交偶极子声源;横向各向同性;数值模拟【作者】王瑞甲;乔文孝;鞠晓东【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京 102249【正文语种】中文【中图分类】P6311 引言随钻声波测井在节省井架占用时间、利用测得的声波速度模型与地震勘探数据相结合实时确定地层界面的位置、估算地层孔隙压力等方面有着电缆测井无法比拟的优势[1］.关于随钻声波测井的研究，国内外已做了大量的工作.Minear和Legget成功实现了地层随钻纵波测量[2-3］；Tang等认为采用四极子声源进行随钻横波测量有着偶极子声波测井无法比拟的优势[4］；Sinha等也研究了随钻测井模型下各向同性地层井孔内导波的基本响应特征[5］.目前，随钻声波测井仪已基本实现了地层纵、横波测量的功能，下一步所面临的挑战是对地层的声学各向异性进行测量. 各向异性测量主要包括快横波面方位的确定和横波各向异性值的测量两个方面.尽管四极子声源在随钻地层横波测量方面取得了成功，但是限于其方位特性，很难利用四极子声源实现随钻地层各向异性测量.虽然部分学者已经在此方面开展了一些工作[6］，但是至今未见成功利用四极子声源实现地层各向异性测量的报道.采用正交偶极子声波测井方式评价地层各向异性的方法已经在电缆测井中得到了广泛的应用[7］.因为随钻四极子声波测井仪换能器的安装位置同正交偶极子声波测井仪器相同，且其接收站兼具备正交偶极子接收功能，通过合理的电路设计，可以较为方便地实现随钻正交偶极子声波测井，所以采用正交偶极子声源进行地层各向异性评价的方法为随钻地层各向异性测量的首选方式.研究各向异性地层随钻正交偶极子声波测井的响应特征，对偶极子声源在含钻铤各向异性地层井孔内激发的声场进行分析，可以帮助理解在随钻条件下各向异性地层井孔内沿井轴方向传播的弯曲波的特征，为新一代随钻声波各向异性测量仪器的设计及测量方案的设计提供理论指导.有关各向异性地层井孔声场的研究，国内外已经做了大量的工作.Cheng采用三维直角坐标系有限差分方法模拟了正交各向异性地层包围的井孔内多极子声源激发的声场[8］.Schmitt研究了介质对称轴同井轴平行情况下，多极子声源激发的模式波的频散曲线及衰减曲线，并分析了各地层参数对于井孔内导波的影响[9］.Sinha 采用三维柱坐标系有限差分方法模拟研究了典型的硬地层和软地层条件下，TI地层斜井情况下多极子声源激发的声场以及仪器的存在对于井内模式波频散特征的影响，他认为，各向异性地层中，弯曲波在低频下的传播速度为对应地层横波的相速度[10］.王秀明采用三维直角坐标系有限差分方法计算了TI地层斜井中的单极子声源和偶极子声源激发的声场，他的模拟结果表明声波测井所测得的弯曲波的速度同各向异性地层体波的群速度一致[11］.张碧星分别采用实轴积分和摄动积分的方法研究了TI地层中模式波的频散特性和激发强度[11］.陈雪莲和王瑞甲采用实轴积分法模拟了径向分层TI孔隙介质井孔内多极子声源激发的声场，并着重研究了渗透率对模式波衰减和幅度的影响以及井孔模式波的探测深度问题[12-13］.He和Hu等从理论上推导了井孔弯曲波的低频极限速度公式，并采用三维柱坐标系有限差分算法模拟了TI介质斜井中的弯曲波，他们的研究结果表明，大多数情况下，快、慢弯曲波的慢度近似等于沿井轴方向传播的地层快、慢横波的慢度[14-15］.闫守国和宋若龙等也模拟了横向各向同性斜井中偶极子声源激发的声场，并提出了采用守恒积分的方法解决柱坐标系波动方程在井轴上出现的奇异点的问题[16］.上述的研究均为电缆测井情况下各向异性地层声波测井模拟，鲜见有关在随钻条件下各向异性地层偶极子声源激发声场研究的报道.即使在地层为各向同性的情况下，由于钻铤占据了井内的大部分空间，随钻条件下的弯曲波的频散特性、激发特征均与电缆测井不同[1，17］.在地层为各向异性的情况下，偶极子声源激发的声场将更为复杂，无法采用解析的方法进行模拟.地层介质最为广泛存在的一种各向异性介质模型为横向各向同性（TI）介质.本文采用三维有限差分方法模拟研究了横向各向同性（TI）地层随钻正交偶极子声波测井，对地层的声学各向异性在随钻正交偶极子声波测井中的响应特征进行了分析，对采用随钻正交偶极子声波测井方式进行各向异性测量的可行性进行了评价.2 TI地层随钻声波测井声学模型与电缆测井不同，在随钻声波测井中，钻挺占据了井孔内的大部分空间.由于钻铤的存在，井孔内沿井轴方向传播的各种模式波的性质同电缆测井不同.图1a为TI 地层随钻测井声学模型示意图，S方向为TI介质的对称轴方向，它与井轴的夹角为α.如图1b所示，TI地层随钻测井声学模型可以简化为柱状径向分层声学模型，沿井径方向从内向外的介质依次为水、钢（钻铤）、水、地层，各介质的外径分别为r0、r1、r2和无穷大.井孔内充满流体.井孔外地层为无限大TI介质.钻铤位于井孔中央，钻铤中间的水眼中充满水.在实际测井中，尤其是在钻进过程中，钻铤并非完全居中，此时井中的声场将更为复杂.为了突出本文所关心的问题，本文的模型假设钻铤在井孔中完全居中.3 数值模拟方法3.1 波动方程的离散化由于地层为各向异性介质，该问题不存在解析解，必须采用数值方法来模拟地层中的声传播.三维有限差分方法是模拟复杂介质中声传播问题的常用方法[6，8，10-11，15-16，18］.本文采用三维有限差分方法来模拟随钻情况下的各向异性地层井孔中的声传播.任意各向异性介质中的运动方程和本构方程分别为式（1—3）和式（4）：图1 随钻测井声学模型示意图，包括（a）TI地层井孔随钻测井声学模型和（b）井孔横截面示意图Fig.1 Schematic of LWD acoustic model，including（a）acoustic model of borehole surrounded by TI formation in LWD conditions and（b）the cross section of the borehole其中vx、vy、vz 分别为x、y、z方向上质点振动速度分量；τxx、τyy、τzz分别为x、y、z方向上的正应力；τxy、τyz、τxz为剪切应力；ρ为介质的密度；cab （a=1～6，b=1～6）是各向异性介质的刚性系数.特别地，对于TI介质，当介质对称轴同z轴平行时，式（4）中仅c11、c12、c13、c22、c23、c33、c44、c55和c66不为零，且满足c12=c11-2c66、c23=c13、c22=c11和c44=c55，其它元素为零，这样采用c11、c13、c33、c44、c66五个参数即可描述TI介质中的波传播现象.通过Bond变换可以获得当介质对称轴同z轴呈一定夹角时介质的刚性系数矩阵[19］.对于TI介质，当介质对称轴在x-z平面内且同z轴呈一定夹角时，除上述几个参数之外，c15、c25、c35和c46也不为零.右侧的gab（a、b=x～z）表示力变化速度的体积源，和体力源fi（i=x～z）组合使用可以模拟各种声源.图2 交错网格1／8元胞示意图Fig.2 Schematic for 1／8cell of staggered grid 我们采用了交错网格的方式来实现差分的显式迭代过程.图2为采用的交错网格1／8元胞示意图.式（5）为速度和应力各分量在空间和时间上的位置，其中l表示网格的空间位置.正应力各分量τxx，τyy，τzz均位于整数网格节点上，切应力各分量和速度分量分别位于各自对应的半整数网格节点上.对于本文研究的TI地层与井轴斜交的情况，由于刚性系数矩阵元素c15、c25、c35和c46不为0，根据网格上各个物理量之间的位置关系，仅采用交错网格无法进行差分近似处理.如图2所示，在采用式（4）计算时，由于c15、c25、c35和c46不为零，需要网格（lx，ly，lz+1／2）处的速度值以及网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值，网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值针对此问题，一种解决方法是采用对速度场进行插值的方法获取上述点的速度值，另外一种方法是采用辅助交错网格的方法.本文采用了对速度场进行插值的方法.如式（6—9）所示，在计算时，首先计算该网格点上的应力值，应力值τxx的计算方法如式（6）所示，其他应力值的计算与式（6）类似，此处不做赘述.普通交错网格处的速度值仍旧按照式（1—3）进行计算，网格上（lx，ly，lz+1／2）处的速度值网格（lx+1／2，ly+1／2，lz+1／2）的速度值以及网格（lx+1／2，ly，lz）的速度值可以通过对速度场进行插值的方法获得，如式（7—9）所示.据此，可以完成差分算法的显示迭代.其中，式（7—9）中，I表示平移算子，其两个下标分别表述平移算子的空间阶数和平移算子的方向.N为差分算子所采用的空间阶数的一半.采用本文的网格划分方法对式（1—4，6—9）进行离散化处理，得到显式的差分迭代格式.式（10）和式（11）分别为速度分量vx和应力分量τxx离散差分格式，其他分量及辅助交错网格各分量的迭代格式形式类似.式（10～11）中，δx、δy、δz 分别代表物理量在x、y、z方向的差分，Δt为计算采用的时间步长.3.2 稳定性条件在直角坐标系下，对于一般的各向异性介质，有限差分计算方法的稳定性条件为[11］式（12～13）中，vmax和vmin代表计算模型速度的最大值和最小值，am为采用的差分系数，Δx、Δy、Δz分别代表x、y、z方向的空间步长，fmax为声源覆盖的最高频率.3.3 声源的实现本文采用两个紧贴钻铤外侧振动相位相反的点声源来模拟偶极子声源.点声源的加载方法为式（14）所述形式[20］：式（14）中，I3为三维直角坐标系中网格的脉冲响应，sn为第n次迭代时加载的声源值，δ为单位脉冲函数，xs、ys 和zs分别为声源在x、y、z方向的坐标.声源函数采用了雷克子波函数，如式（15）所示.3.4 边界的处理在计算中，介质的刚性系数和密度均赋在整数节点上，对于非整数网格点的物理量，通过临近网格的物理量的平均得到.非整数网格点处的密度，通过式（16～18）所示的平均的方法获得.非整数网格点处的刚性系数通过如式（19～21）所示的计算方法获得.这样对于固液界面（钻铤-流体边界和流体-地层边界），通过式（16～21）所给出的平均的方法，边界条件自动满足.为了模拟无限大的地层，采用了完全匹配层（PML）技术来吸收向地层内传播的波[18］.PML层厚度选为地层纵波波长的一半.3.5 并行实现由于模型计算量较大，采用传统的串行计算方法无法满足计算需求.我们采用了OpenMP和MPI混合编程技术，将有限差分算法在集群上实现.MPI是目前在集群上应用最为广泛的并行计算技术.OpenMP虽然仅适用于单机多核计算，但是其计算效率高，易于编程实现，且目前大部分编译器都已经支持OpenMP技术.本文通过采用OpenMP和MPI混合编程技术，简化了并行算法的复杂性，提高了程序的执行效率.如图3所示，x和z分别代表直角坐标系的x方向和z方向，m和n分别代表采用的进程数和线程数，双向箭头表示相邻进程之间的通信.通过合理的计算区域划分，将计算任务分配到每个参与计算的节点上.通过MPI技术，在每个计算节点上开辟一个进程，通过进程间的通信和协作，实现计算的并行.在一个节点上，运用OpenMP技术，开辟多个线程，利用多核协同工作，加快计算的速度.图3 并行计算方案Fig.3 Parallel implementation of the algorithm对于240×240×300个网格，20000个时间步长的数值模型，采用5个CPU核心数为12的节点进行计算，每个节点开辟的线程数目为11，采用双精度进行计算时完成计算所需的时间大约为20h.4 数值模拟结果及分析4.1 数值模型参数图4为数值计算模型示意图，包括（a）模型主计算区域和（b）井孔横截面示意图.模型主计算区域的尺寸为1m×1m×4.8m，x、y、z方向的空间采样间隔分别为0.0075m、0.0075m和0.0125m.井孔位于模型中央，井轴与z轴平行.介质对称轴S位于x-z平面内，介质对称轴与井轴夹角为α.特别地，当α=0°时，井轴与介质对称轴平行，相当于竖直井井孔沿对称轴穿过VTI地层，当α=90°时，井轴与介质对称轴垂直，相当于竖直井井孔沿垂直于介质对称轴的方向穿过HTI地层.数值模拟时采用的地层参数为实验室内测量的各向异性介质的参数，该介质在TI 对称轴与z轴平行情况下的刚性参数如表1所示.井孔内流体及钻铤参数见表2，钻铤内径、外径及井眼直径分别为0.054m、0.180m和0.240m.声源加载在距离底界面0.8m处，采用在钻铤外径处加载两个震动相位相反的点声源的方法来模拟偶极子声源.偶极子接收器同样放置于钻铤外径处，接收器源距为2.0～3.5m，间距为0.15m.由于本文重点研究的对象为地层弯曲波，不涉及隔声及钻铤波问题的研究，为压制钻铤波，在发射器到源距最小的接收器之间将钻铤截断.表1 地层参数Table1 Formation parameters刚性参数c11（Gpa）c13（Gpa）c33（Gpa）c44（Gpa）c66（Gpa）密度（kg／m3）值13.83 5.89 9.39 2.60 2.99 1327.9表2 钻铤及钻铤内外流体的参数Table 2 Parameters of the collar and the fluid in and out of the collar参数纵波速度（m／s）横波速度（m／s）密度（kg／m3）钻铤5860 3130 7850流体1500 - 1000图4b为x-y平面内井孔横截面示意图.为描述方便，定义地层横向同性面和井轴垂直面之交线与偶极子声源偏振方向的夹角为β，发射探头和接收探头所对应的夹角分别为βT和βR.特别地，对于本文α=90°的井孔模型，β为偶极子声源偏振方向同快横波面的夹角.当βT=βR时，接收器与发射器偏振方向相同，测得波形为同向分量波形；当βR=βT+90°时，接收器与发射器偏振方向相差90°，测得波形为正交分量波形.特别地，当βT=0°时，声源的偏振方向与地层中传播的SH波偏振方向一致；当βT=90°时，声源的偏振方向与地层中传播的准SV波偏振方向一致.图4 数值模拟采用的模型示意图（a）及x-y截面示意图（b）Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation model（a）and diagram of x-ycross section（b）本文首先模拟了α=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°和90°情况下正交偶极子声波测井，借以研究在井轴与TI介质对称轴垂直的情况下，随钻正交偶极子声波测井对地层各向异性的评价能力，然后计算了α=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，βT=0°、90°情况下偶极子声源激发的声场，研究不同井斜情况下的随钻正交偶极子声波测井的响应特征.4.2 正交偶极子波形图5 α=90°时，βT=0°、90°偶极子在井孔中激励的偶极子波形，源距为2.0～3.5mFig.5 Dipole waveforms excited in the borehole by dipole source of source-receiver space 2.0～3.5m withα=90°，βT=0°、90°数值模拟了α=90°，βT=0°、90°情况下偶极子声源在井孔中激发的模式波.图5为数值模拟结果，其中实线为声源和接收器的方向βT，βR=0°时测得的偶极子波形，虚线为声源和接收器的方向βT，βR=90°时测得的偶极子波形.可以看到，βT=0°时偶极子声源激励的弯曲波的传播速度大于βT=90°时偶极子激励的弯曲波的传播速度，同对应的地层体波SH波和SV波（在α=90°时，纵波和SV波不耦合）的速度相一致.这表明，在钻铤存在的情况下，不同方向的偶极子声源激发的弯曲波速度的差异同地层横波速度的各向异性有关.数值模拟了α=90°，βT=0°、21.25°、45°和68.75°和90°情况下，偶极子声源在含钻铤井孔内激发的声场.图6为不同角度下偶极子声源在井孔中激发的同向分量波形（a）和正交分量波形（b）.从图6中可见，当βT=0°或者90°时，几乎接收不到正交分量波形信号，当βT=21.25°、45°、68.75°时，正交分量能量较强，且当βT=45°时正交分量能量最强；而同向分量波形能量在βT=0°或者90°时幅度较强，在βT=45°时幅度相对较弱.同向分量和正交分量的能量变化表明，在βT=0°或者90°时，弯曲波未发生分裂现象；βT=21.25°、45°、68.75°时，弯曲波发生了分裂现象.图6的模拟结果证实了，对于井轴同介质对称轴垂直的TI地层井孔，同电缆测井一致，在随钻条件下，弯曲波分裂现象仍然存在.图6 α=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°和90°时，模拟得到的（a）同向分量波形和（b）正交分量信号，源距为2mFig.6 Simulated inline componentwaveforms（a）and cross-line component waveforms（b）of source-receiver space 2mwithα=90°，βT=0°、21.25°、45°、68.75°and 90°图7 α=90°，βT=68.75°时，数值模拟得到的四分量偶极子波形，包括同向分量波形（a）XX 和（c）YY，以及正交分量波形（b）XY和（d）YX，源距为2～3.5mFig.7 Simulated four-component dipole waveforms including incline component waveforms（a）XXand（c）YY，and cross-line component waveforms（b）XYand（d）YXof source-receiver space 2～3.5mwit hα=90°，βT=68.75°假设正交偶极子声源的两个正交的方向分别标记为X和Y.模拟了X方向同快横波面的夹角分别为βT=0°、21.25°、45°、68.75°、90°几种情况下正交偶极子声源在含钻铤井孔内激发的四分量偶极子波形.图7为βT=68.75°情况下模拟的四分量偶极子波形，包括同向分量波形（a）（c）和正交分量波形（b）（d）.对于各向同性地层，由于各方向地层声学参数均相同，不会接收到正交分量信号；对于各向异性地层，当声源偏振方向同介质对称轴呈一定夹角时，由于各向异性地层的耦合作用，会接收到正交分量.从图7中可以看到，正交分量信号XY和YX 均有较强的幅度，说明发生了弯曲波分裂现象.综上所述，在含钻铤TI地层井孔中，βT=0°、90°时偶极子声源激励的弯曲波未发生分裂现象，分别以较快、较慢的速度沿井轴传播；当声源偏振方向同介质对称轴呈一定夹角的情况下，弯曲波分裂成以快、慢速度传播的两种模式波，能够接收到较强幅度的正交分量信号.以上分析表明，同电缆测井条件下各向异性地层井孔中偶极子声源激发的声场类似，随钻条件下偶极子声源激发的弯曲波也存在分裂现象，且βT=0°时偶极子声源激励的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激励的弯曲波的速度.4.3 快横波面的确定快横波面定义为快横波偏振方向与井轴确定的平面.采用各向异性分析方法，通过四分量偶极子波形的旋转，从模拟得到的阵列波形中提取了快横波面的方位，通过对比反演得到的方位角同正演模型采用的方位角，分析采用随钻正交偶极子测井进行快横波面方位测量的可行性.图8为α=90°井内，在快横波面同声源偏振方向的夹角βT=68.75°的情况下，通过Alford四分量波形旋转方法[12］得到的正交分量相对能量随仪器旋转角度的变化图，其极小值对应着目的快横波面方位.正交分量的相对能量定义为正交分量波形能量占四分量波形总能量的比例.从图8中反演得到的快横波面同声源的偏振方向的夹角β′T为69.71°.图9为采用图8所示方法从模拟得到的阵列波形中反演得到的快横波面的方位同模型实际采用的方位的对比图，其中实线为模拟时实际的快横波面同声源的偏振方向的夹角βT，空心圆圈为从数值模拟的波形中反演得到的声源的偏振方向同快横波面的夹角β′T.从图9中可见，反演得到的快横波面方位同模型实际的方位一致性非常好.数值模拟结果证明，在随钻条件下采用正交偶极子声波测量方式能够对地层的快横波方位进行评价.在这一点上，随钻条件下的正交偶极子声波测井同电缆测井情况一致.图8 α=90°井内，βT=68.75°情况下，正交分量相对能量随仪器旋转角度变化图Fig.8 The relative energy of cross-line component waveforms with the changes of rotation angle of tools，whenα=90°，βT=68.75°图9 从数值模拟得到的波形中提取的快横波面方位同模型实际的方位的对比Fig.9 Comparison of the fast shear wave direction obtained from simulated waveforms with the actual direction4.4 频散分析采用矩阵束方法[21］从α=90°，βT=0°、90°时偶极子声源激发的波形中提取了各模式波的频散曲线，提取的结果如图10所示，其中黑色实线和虚线分别为βT=0°、90°时偶极子声源激励的弯曲波的频散曲线，白色实线和虚线分别为该角度下地层体波SH波和SV波的慢度.图10a和图10b分别为βT=0°时偶极子声源激励的声场的频散图和βT=90°时偶极子声源激励的声场的频散图.人们在HTI地层井孔中的数值模拟结果表明，对于电缆测井，在大多数情况下，弯曲波的低频传播速度接近于对应的快、慢横波的传播速度[10，15］.从图10可见，与电缆测井相比，随钻条件下的弯曲波的频散规律有两点不同：在随钻条件下，弯曲波的低频速度并非趋近于地层的横波速度；弯曲波随着频率的变化并非单调变化.对于低频段（0～1kHz）的弯曲波，其速度随着频率增加而增加，且βT=0°时偶极子声源和βT=90°时偶极子声源激发的弯曲波的速度差异不大；在频率1.5～8kHz下，βT=0°时偶极子声源激发的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激励的弯曲波的传播速度，二者差异较大，同电缆测井情况一致.数值模拟的结果表明，对于我们所研究的地层，由于在随钻条件下弯曲波的低频速度不再趋近于地层的横波速度，无法通过弯曲波的测量直接获得地层横波速度；不过，在某些频段内βT=0°时偶极子声源激发的弯曲波的速度大于βT=90°时偶极子声源激发的弯曲波的速度，地层弯曲波的各向异性仍然能够反应地层横波速度的各向异性.在图10中，可以观察到随频率增加慢度变小的钻铤波和随频率降低慢度逐渐趋近于地层横波慢度的六极子波.之所以能够接收到六极子波，是因为在本文的模拟中，偶极子声源装在钻铤的外侧，极距较大，对于近场而言并非理想的偶极子源，激发的模式波中含有六极子和更高极性的成分[17］.另外一点，在图10所示的频散图中，我们观察到了以地层横波的速度传播的模式（图中圆圈标注区域）.该模式在整个计算的频率段内都能够观察到，在低频段和钻铤波混合在一起，难以区分.该模式的速度同地层横波速度一致，当βT=0°时，该模式的速度同地层的SH波一致；当βT=90°时，该模式的速度同地层的SV波速度一致.SV波的速度为1399.3m／s，小于本文模型中的井内流体速度1500m／s，这说明，该模式能够。

随钻声波测井技术发展历程与研究现状

44随钻声波测井技术发展历程与研究现状古锐瑶防灾科技学院【摘　要】随钻声波测井作为一门大斜度井或水平井中评价储层物性与裂缝发育程度的技术，能够有效的对碳酸盐岩储层物性与裂缝发育程度进行评价，从而提高优势储层的钻遇率，从而保证油气田高产稳产。

因此，研究随钻声波测井技术的发展历程与现状为油气田的勘探开发提供了有力的技术指导。

【关键词】随钻声波测井；裂缝发育；勘探开发一、引言声波测井作为评价储层物性的一门技术，能够有效识别孔隙与裂缝发育的优势储层。

对于直井而言，采用电缆声波测井便可满足储层物性评价，而对于大斜度井或水平井，电缆声波测井已不能满足施工要求，急需采用随钻声波测井技术对储层物性和裂缝发育程度进行评价。

因此，本文针对随钻测井技术的发展历程与研究现状进行了详细的研究。

二、国外随钻声波测井仪器研究现状为了评价大斜度井或水平井下地层的物性特征，需要获取地层的纵波时差，进而发展了随钻单极声波测井技术，其原理是通过体声源膨胀压缩激发纵波信号，沿井在地层中传播后被接收器阵列接收，再根据时间-慢度相关法处理得到地层的纵波时差。

基于此，斯伦贝谢公司首先研制出了单发单收的ISONIC随钻单极声波测井仪器，并后续改进推出了单发四收的Sonic Vision随钻声波测井仪器；另外，哈里伯顿公司研制了补偿长源距CLSS随钻单极声波测井仪器，以及威德福公司研制了Shock Wave随钻单极声波测井仪器。

目前，随钻单极声波测井技术已经发展很成熟，并且广泛应用于大斜度井或水平井中来获取地层的纵波时差，进而获取地层的孔隙度参数。

为了进一步评价地层岩石物理参数，除获取地层纵波信息外，还需要获取地层横波信息。

对于快速地层而言，随钻单极声波测井既可以获取地层的纵波时差，也可以得到地层的横波时差。

但对于慢速地层而言，利用随钻单极声波测井无法获取地层的横波信息，为了解决这一难题，随钻偶极声波测井技术应用而生。

偶极声源作为正负相反的换能器偏振声源，既可以通过改变电路的连接方式进行传统的单极声波测井，也可以进行偶极切向偏振获取地层的横波信息。

随钻声波遥测及其关键问题分析

16.6.4　油气处理技术a)　柴油罐、润滑油罐排空搬运。

b)　放喷原油收集净化再利用,废润滑油净化再生利用。

c)　伴生天然气和除气器及油气分离器产出天然气,除海上、沙漠中采取点燃处理外,陆地一般可采取管道输送、油气混输,有条件可利用小型液化装置,罐装再利用。

天然气就近用于天然气发动机和锅炉。

d)　杜绝油、气、水跑冒滴漏,采用优质密封装置,定期检查维护更新。

e)　设置硫化氢气体监测系统。

16.6.5　井场化学药品处理技术a)　井场化学药品、有毒危险物品集中严格管理,避免漏失造成危害。

b)　选购无公害刹车材料、无毒油漆和溶剂,无铅燃料。

16.6.6　钻井施工现场处理技术a)　钻井施工尽量减少植被破坏,保护野生动物,保护文物古迹和自然景观。

b)　井场营地不乱丢废弃物,保持清洁卫生。

c)　完井后,如果探井为干井,则应负责恢复植被更新土壤,如为生产井,则应准备建设花园式采油井场。

16.6.7　特殊地域钻井处理技术a)　海洋钻机要有设备防腐系统、废弃物处理系统。

b)　沙漠钻机要有防沙系统。

c)　丛林钻机要有完善的防火系统。

d)　极地钻机要有保温系统及废弃物处理系统。

e)　城市钻机要有降噪系统。

16.6.8　钻井环境资料汇总钻井设备(钻井)环境治理总结报告,环保计划完成情况、污染防治情况、环境影响程度报告,环境顶端事故(着火,硫化氢排放等)报告。

参考文献:[1]　窦贻俭,李春华.环境科学原理[M ].南京:南京大学出版社,2003.[2]　陈如恒.破除旧观念,创造新钻机(六)[J ].石油矿场机械,2008,37(8):129.[3]　鲍泽富,刘江波,王江萍.钻井液回收净化再利用系统的设计[J ].石油机械,2006,34(6):46249. 收稿日期:2008202225基金项目:中石化科技攻关项目“近钻头无线随钻测斜技术研究”部分研究成果(J P05006)作者简介:李志刚(19702),男,河南偃师人,博士,主要从事井下测量和信息传输方面的研究工作。

随钻声波测井技术综述

随钻声波测井技术综述随钻测井的研究从20世纪30年代开始研究，在1978年研究出第一套具有商业价值的随钻测井仪器。

在那以后，随钻测井在国外取得迅速发展并获得广泛应用，我国对随钻测井的重视达到了前所未有的程度。

随钻声波测井也是如此。

1发展随钻测井的意义和随钻声波测井发展现状随钻测井（LWD）是近年来迅速崛起的先进技术。

它集钻井技术，测井技术和油藏描述等技术于一体，在钻井的同时完成测井作业，减少了钻机占用井场的时间，从钻井测井一体化中节省成本[1]。

跟常规电缆测井相比，除了节省成本外，随钻测井有如下优势：（1）从测量信息上讲，随钻测井是在泥浆尚未侵入或者侵入不深时测量地层信息，泥饼和冲洗带尚未形成，所测得到的曲线更加准确，更能反映原始地层的真实信息，如声波时差等。

（2）从对钻井的指导作用来讲,随钻测井可以提前检测到超压地层，以指导钻井泥浆的配制，提高钻井安全系数。

它也可以根据测井信息，分析出有利的含油气方向，确定钻井方向，增强地质导向功能。

（3）从适应环境上讲，在大斜度井，水平井或特殊地质环境（如膨胀粘土和高压地层），电缆测井困难或者风险大以致不能进行作业时，随钻测井可以取而代之。

目前在海上，几乎所有钻井活动都采用随钻技术[2]。

正因为这些优点，作为随钻测井的重要组成部分的随钻声波测井近年来也获得了巨大的发展。

总体而言，国外无论在随钻声波测井的基础理论研究方面还是在仪器研发方面都比较成熟，而国内近年来也对随钻声波测井的相关难题进行了大量的工作。

具体而言，从上世纪90年代起，贝克休斯、哈里伯顿、斯伦贝谢三大公司就率先开始了随钻声波测井的研究，并逐渐占领随钻测井的国际市场份额。

APX随钻声波测井仪,CLSS随钻声波测井仪,sonicVISION随钻声波测井仪的相继出现，更加巩固了他们的垄断地位。

在国内，鞠晓东，闫向宏[等人在随钻测井数据降噪[3]，存储[4]，压缩[5],传输特性[6]和电源设计[7]等方面做出了大量的工作。

科技成果——随钻声波测井关键技术

科技成果——随钻声波测井关键技术技术开发单位中国科学院声学研究所适用范围油田勘探与开发成果简介（1）课题来源与背景：随钻声波测井技术在我国油田勘探与开发，特别是在非常规油气藏的水平井钻井测井中有着重大需求。

她可以实时评价地层岩性和孔隙性，进行地层孔隙压力异常预测，给出岩石力学参数，为钻井施工安全提供决策依据。

在我国该项技术与装备属于技术空白，一直被对国外油田技术服务公司长期垄断。

（2）技术原理及性能指标：随钻声波测井基本测量原理主要是由发射换能器产生声波，经过钻井泥浆进入地层，在地层中传播，再由接收换能器组合通过泥浆接收到包含地层信息的压力信号。

然后通过数字处理的方法，分析和提取地层信息。

存储式单极子随钻声波测井实验样机主要包括发射换能器1只、接收换能器4只、隔声体1个、电池插件1个、发射电路插件1个、数据采集与处理电路插件1个。

仪器主要性能指标：最高耐温150℃，最高耐压100MPa，工作频率10-15kHz。

（3）技术的创造性与先进性：仪器核心部件如换能器技术获得发明专利1项，申请在审1项，机械结构短节测量装置获得实用新型专利3项；在我国较早地获得了随钻声波测井实际资料，填补了国内空白。

（4）技术的成熟程度，适用范围和安全性：目前该项技术处在工程应用示范阶段。

（5）应用情况及存在的问题：该项技术已经在我国某油田完成了三口井的测试检验，最大井深1250米，承受住了井下连续工作72小时、耐高温、耐高压、强震动和泥浆冲蚀等恶劣环境考验，并且能在井下存在钻柱系统的振动与冲击的实时钻进过程中依然可以正常工作。

在我国，我们较早地获取了第一手的随钻声波测井资料，目前处于国内领先水平，具有较强的应用前景。

（6）历年获奖情况：“随钻声波测井关键技术及实验样机研发”项目曾获得2015年度中国科学院声学研究所“科研项目重大进展奖”。

效益分析由于国内石油公司对随钻声波测井技术存在着迫切需求，势必会加速推动该成果的应用示范与成果转化，这将节省钻井成本，应用前景十分广阔。