張博，唐曉明，蘇遠大，祁曉

1 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 COSL-UPC聲學測井聯(lián)合實驗室，青島　266580　2　中國電波傳播研究所，河南新鄉(xiāng)　453003

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一種利用雙源反激的隨鉆聲波測井方法

張博1,2，唐曉明1*，蘇遠大1，祁曉1

1 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 COSL-UPC聲學測井聯(lián)合實驗室，青島2665802中國電波傳播研究所，河南新鄉(xiāng)453003

摘要隨鉆單極子縱波測井時存在很強的鉆鋌波的干擾.針對這一問題，提出了一種雙源反激隨鉆聲波測井方法，從數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)對鉆鋌波進行壓制；在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中結合聲波干涉法，從而實現(xiàn)一種無需隔聲裝置的隨鉆聲波測井方法.理論模擬表明雙源反激方法可以有效壓制鉆鋌波，地層波的信噪比也能得到相對增強.對鉆鋌波壓制后的數(shù)據(jù)進一步用聲波干涉法處理可以從中提取地層縱波信息.設計了實驗樣機，并在空氣中進行了實驗.結果表明不同工作頻率下該方法對鉆鋌波均有明顯的壓制效果，即使在5 kHz低頻情況下鉆鋌波也能壓制到原來的25%.驗證了該方法的可行性.應用該方法的好處是可以避免對鉆鋌強度的破壞，并能擴展現(xiàn)有隨鉆聲波測井儀縱波測量的工作頻帶范圍.

關鍵詞雙源反激方法; 隨鉆聲波測井; 鉆鋌波壓制; 隔聲技術; 聲波干涉法

1引言

最近十幾年，隨鉆聲波測井技術發(fā)展迅速，顯示了很好的應用前景(唐曉明和鄭傳漢，2004).然而鉆鋌的隔聲問題，即消除鉆鋌波對地層波測量的強烈干擾，一直是該技術的一個難題(崔志文，2004；唐曉明和鄭傳漢，2004；蘇遠大等，2011；王兵等，2012).Tang等(2002)指出在隨鉆環(huán)境下采用四極子聲源，當工作頻率低于鉆鋌波截止頻率時，地層橫波不受鉆鋌波的影響，不需要專門的隔聲裝置.因此對隨鉆隔聲的研究主要是針對隨鉆單極子縱波的隔聲問題.

目前市場上商業(yè)化應用的隨鉆聲波測井儀隔聲方式均是采用在鉆鋌上刻槽的方法，如威德福ShockWave、哈里伯頓BAT/QBAT、貝克休斯APX(Freitag et al.,2004)、斯倫貝謝SonicVision(Alford et al.,2005)、斯倫貝謝SonicScope(Kinoshita et al.,2010; Alford et al.,2012).盡管其刻槽方式各不相同，但均是以犧牲鉆鋌強度為代價來獲得一定的隔聲效果.

測井科研人員一直在尋找一種對鉆鋌強度破壞小、甚至無破壞的隔聲技術.唐曉明等(2012)、Su等(2012;2015)提出了一種在鉆鋌上變徑隔聲的隨鉆聲波測井方法，利用拉伸波在鉆鋌中存在固有阻帶的現(xiàn)象，對不同橫截面的鉆鋌進行組合使組合后的阻帶得到拓展，這種組合式的隔聲方式降低了對鉆鋌強度的破壞.Zhan等(2005;2006)提出基于震電效應原理的隨鉆聲波測井技術，來解決鉆鋌的隔聲問題.但目前該方法的工業(yè)化應用還面臨很多困難.王華等(2009)提出在信號處理環(huán)節(jié)將鉆鋌波減掉的方法，但這種方法需要用刻槽鉆鋌和不刻槽鉆鋌實際測量數(shù)據(jù)進行標定.

對于裝置在鉆鋌上的隨鉆單極子聲波測井儀器來說，如果鉆鋌不做隔聲，聲波信號采集量化時電路的增益將被較大幅度的鉆鋌波所控制，這樣采集的地層聲波信號的信噪比較低，很難準確提取到地層的聲速.本文提出采用雙源反激方法，在數(shù)據(jù)采集過程中對鉆鋌波進行壓制從而提高地層波的信噪比;在后續(xù)數(shù)據(jù)處理上采用聲波干涉法來進一步消除鉆鋌波的干擾，從而形成一種無需隔聲裝置的隨鉆聲波測井技術.

2基本原理

如圖1所示，該方法采用兩個發(fā)射，分別是遠發(fā)射Tf和近發(fā)射Tn，二者在鉆鋌軸向的間距為D.測井時，Tf首先激發(fā)，發(fā)射幅度為A1，Tn延時一段時間τ之后激發(fā)(發(fā)射時序見圖2)，發(fā)射極性與Tf相反，發(fā)射幅度為A2.在雙源發(fā)射的同時，對接收器陣列(R1,R2,…,RN)上的信號進行采集并記錄.通過選擇合適的參數(shù)A1、A2及τ，使得在接收器的位置上Tf和Tn所激發(fā)的二鉆鋌波同時到達，但極性相反、幅度相當.這樣，接收波形中的鉆鋌波相互疊加后相消，即鉆鋌波得到壓制.而對于接收波形中Tf和Tn產(chǎn)生的地層信號，只要地層波和鉆鋌波速度存在差異，其到達接收器的時間就不一致，相互疊加后仍能保留.相對于鉆鋌波，地層波就得到了增強.對于給定鉆鋌，鉆鋌波的波速是固定和已知的.因此，在雙源激發(fā)過程中，只要固定發(fā)射間距并選取適當?shù)难舆t時間，即可實現(xiàn)壓制鉆鋌波的隔聲效果，達到不用隔聲裝置來進行隔聲的目的.

圖1　隨鉆雙源反激聲波測井方法示意圖

圖2　雙源反激發(fā)射時序示意圖

3理論模擬

隨鉆聲波測井可以用圖1所示的徑向分層的模型模擬(唐曉明和鄭傳漢，2004；崔志文，2004).從井軸向外依次是：鉆鋌內(nèi)流體、鉆鋌、鉆鋌外流體，最外層是無限大的彈性地層.對此模型建立(r,θ,z)柱坐標系.

聲源和接收器位于鉆鋌外環(huán).由于隨鉆測井具有一定的尺度，這里用環(huán)狀聲源來模擬.假設隨鉆聲波測井儀是一個外徑為a的圓柱狀系統(tǒng)，那么單極子環(huán)狀聲源可以表述為沿半徑為a的圓周上分布的一系列子點源.則聲源處在波數(shù)域內(nèi)的徑向位移為(唐曉明和鄭傳漢，2004)：

(1)

圖1中各層介質中的位移矢量U滿足矢量波動方程，其通解為

(2)

其中，Φ為縱波位移勢函數(shù)，Γ為橫波位移勢函數(shù)，下標I、C、O、F分別對應鉆鋌內(nèi)流體、鉆鋌、鉆鋌外流體、地層.ez是z方向單位向量.縱波位移勢Φ、橫波位移勢Γ在頻率波數(shù)域可表示為

(3)

邊界條件，根據(jù)上述邊界條件及環(huán)狀聲源(式(1))建立方程組，可求出各待定系數(shù)(唐曉明和鄭傳漢，2004；崔志文，2004；許松等，2014).由此可確定鉆鋌上聲波的響應函數(shù)：

(4)

其中，ρf為流體密度.

對環(huán)狀單極子聲源Tf，距離聲源z處鉆鋌外環(huán)上的聲壓可以表示為(唐曉明和鄭傳漢，2004)：

(5)

式中，S(ω)為Tf聲源頻譜.

同理，對距Tf聲源D處的聲源Tn，同一接收上的聲壓為

-iωt]dkdω,

(6)

其中Sn(ω)為Tn聲源頻譜.

對聲源Tn，除采用同樣的頻譜S(ω)外，還在時間上對源信號延遲τ，這樣，Tn的聲源函數(shù)可表示為

(7)

其中，c為Tn波譜與Tf波譜的振幅比，當c=0時，只有遠發(fā)射，即傳統(tǒng)的單源方式.上式中的負號“-”表示Tn相對于Tf是極性相反的反向激勵.

將(5)式和(6)式疊加并整理得該雙源系統(tǒng)激發(fā)時的聲壓為

×S(ω)A(k,ω)exp(ikz-iωt)dkdω.

(8)

調(diào)節(jié)延遲時間τ，使之等于鉆鋌波在距離D上的傳播時間:

(9)

其中，vt為鉆鋌波速度.對于實際工業(yè)應用的鉆鋌來說，鉆鋌波速度通常為5000m·s-1左右.

為了得到較好的鉆鋌波壓制效果，幅度比c的值需要進行優(yōu)選.這主要由鉆鋌波的幅度衰減決定.而鉆鋌波幅度的衰減主要與傳播距離(幾何衰減)、工作頻率及鉆鋌尺寸等參數(shù)有關.實際測量中可以采用實驗的方法進行標定.

將(9)式代入(8)式，取c=1(c通常接近于1).并與(5)式對比，可以發(fā)現(xiàn)，雙源反激激勵和傳統(tǒng)單源激勵的區(qū)別在于其接收聲壓表達式中被積函數(shù)里增加了一個濾波因子：

(10)

這相當于在頻率-波數(shù)域(ω-k)內(nèi)嵌入了一個帶阻濾波函數(shù).當響應函數(shù)A(k,ω)中含有速度為vt的波(如鉆鋌波)時，這種波將被壓制.從此式，我們也可以看出，當?shù)貙硬úㄋ俳咏阢@鋌波波速時，地層波也會被削弱.因此，這種方法在縱波速度較低的軟地層中應用效果較佳，在速度高的硬地層中應用效果會變差.但是，只要地層波和鉆鋌波的速度存在差異，地層波幅度相對于鉆鋌波幅度就能得到相對的增強.這樣，通過增大聲源的發(fā)射功率來增加信號強度，并針對地層波到達的時段進行數(shù)據(jù)采集，就能得到信噪比較高的地層聲波信號.這為后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理提取地層波的速度提供了較高質量的數(shù)據(jù).

用理論模擬的例子說明這種雙源反向激勵的效果.取D=0.15m，vt=5000m·s-1，從(9)式得到τ=30μs.接收陣列第一個接收器距Tf的距離TR=3m，接收間距d=0.15m.理論模擬的模型參數(shù)見表1，采用的聲源函數(shù)為Ricker子波.

表1　隨鉆單極子測井的理論模擬參數(shù)

用圖1的模型計算(4)式中的響應函數(shù)A(k,ω)，再用實軸積分方法計算(8)式，便可以得到理論接收波形.圖3是一個軟地層中的例子，從下到上各個波列源距依次為3～4.05 m.聲源中心頻率取5 kHz，圖3a是單源激勵時理論計算得到的陣列波形圖(即(8)式中令c=0時)，在2500 μs時段內(nèi)能看到兩種振型的波，分別是鉆鋌波(波至由標識為Collar的斜線給出)和地層縱波(波至由標識為P的斜線給出).圖3b是雙源反向激勵時理論計算得到的陣列波形圖，由于雙源反激激勵對鉆鋌波的壓制作用，接收波列中觀測不到鉆鋌波，只有地層縱波.這個例子直觀地展示了雙源反激激勵對鉆鋌波的壓制效果.

這里需要指出的是，通常對于軟地層來說，地層縱波速度與鉆鋌波差別較大，因此在到時上能夠很好區(qū)分開來，而且地層縱波幅度較大，通常在測量中容易識別.但在實際應用中，由于軟地層中地層波的衰減往往比較嚴重，導致地層波幅度變小，采用雙源反激方法對鉆鋌波壓制后有利于地層縱波信號的采集.此外，對于目前商業(yè)應用的采用刻槽方式的隨鉆聲波儀器，在應用中發(fā)現(xiàn)這種隔聲方式有時并不能滿足實際應用要求.通常是在一些軟地層中，殘余鉆鋌波幅度與地層波相比仍占主導地位，在數(shù)據(jù)采集時控制著接收電路的增益，使得地層信號的信噪比降低，這樣采集到的聲波波列無法有效提取出地層波的速度.圖3的例子表明，雙源反激方法為這種問題提供了一種有效的解決方案.

圖4以一個硬地層為例.圖4(a，b)中聲源中心頻率為5 kHz，圖4(c，d)中聲源中心頻率為10 kHz. 圖4(a，c)中虛線表示的波形為采用傳統(tǒng)單源激勵時的理論陣列波形圖，接收波形中首先到達的是鉆鋌波(波至由標識為Collar的斜線給出)，由于其幅度大且持續(xù)時間較長，地層縱波完全淹沒在鉆鋌波中無法識別.圖4(a，c)中實線表示的波形為采用雙源反激激勵時接收到的陣列波形圖，可以看出，鉆鋌波的幅度被大大壓制.圖4(b，d)分別為圖4(a，c)中雙源波形放大5倍后的效果.圖4b中5 kHz雙源激勵時的陣列波形基本消除了鉆鋌波，因此波列成分主要是地層縱波(波至由斜線P標識).而圖4d中10 kHz雙源激勵時的陣列波形中仍存在較強的殘余鉆鋌波.

圖3　軟地層理論單源波形(a)與雙源波形(b)

圖4　硬地層理論單源波形與雙源波形對比(a)5 kHz單源波形(虛線)與雙源波形(實線)；(b)5 kHz放大后的雙源波形；(c)10 kHz單源波形(虛線)與雙源波形(實線)；(d)10 kHz放大后的雙源波形

造成5 kHz和10 kHz雙源反激鉆鋌波壓制效果差異的主要原因是鉆鋌波的頻散效應.圖5所示的鉆鋌波頻散曲線表明，在5～15 kHz的頻段內(nèi)波速隨頻率明顯下降.但(8)式中的雙源反激理論采用的是一個恒定速度對應的時間延遲，沒有考慮頻散效應.對于5 kHz范圍的低頻激發(fā)，鉆鋌波頻散效應較小，因此鉆鋌波的壓制效果較好.而對于10 kHz左右的頻率范圍，頻散效應已相當明顯，雙源反激不能完全消除鉆鋌波的影響.圖4d波形中的首波為殘余的鉆鋌波，后續(xù)波形中包含地層波的成分(波至由斜線P標識).盡管10 kHz雙源反激激勵時鉆鋌波仍有較大的幅度，但是采用雙源反激方法壓制鉆鋌波之后，地層波的相對幅度已經(jīng)得到很大的增強，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理.對于數(shù)據(jù)的量化采集，這時接收電路的增益由地層波控制(圖4(b，d))，而不是由壓制前的鉆鋌波控制(圖4(a，c))，有益于提高地層信號的信噪比.

圖5　鉆鋌波速度頻散曲線

圖6為上述理論模擬的硬地層中陣列波形的慢度時間相關(STC)處理結果.STC慢度時間相關法利用波形相干疊加方法得到以時間和慢度為變量的二維相關函數(shù)(Kimball et al.,1984).圖中的橫坐標代表波形中某個振型在第一接收器上的到達時間，縱坐標代表慢度，相關函數(shù)的峰值對應該振型的到時及慢度.圖6(a，b)分別對應5 kHz激勵時單源陣列波形和雙源陣列波形，圖6(c，d)分別對應10 kHz激勵時單源陣列波形和雙源陣列波形.單源激勵時，鉆鋌波占主導地位，從圖6(a，c)單源波形的STC圖可以看出，鉆鋌波波的相關性很強，對于圖6c在100～400 μs·m-1范圍內(nèi)只能看到鉆鋌波對應的峰，慢度約為200 μs·m-1.圖6a中盡管能看到地層縱波的相關性，但是相關性非常弱，在實際測量中可能無法識別.采用雙源反激激勵后，鉆鋌波被壓制，地層縱波幅度得到相對增強，從圖6(b，d)的雙源波形的STC相關圖中已經(jīng)能夠清晰識別出地層縱波對應的峰，其慢度約為250 μs·m-1，與模型參數(shù)一致.由于存在殘余的鉆鋌波(這主要是鉆鋌波的頻散效應所致)，在雙源陣列波形對應的STC圖中仍然存在鉆鋌波的相關性；5 kHz激勵時，該相關性較弱，但是在10 kHz激勵時，殘余鉆鋌波的相關性甚至占主導地位.

針對殘余鉆鋌波的相關性，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，我們采用一種波干涉法(唐曉明等,2015；Qi et al.,2014)進一步消除雙源反激后的殘余鉆鋌波的影響.波干涉法的適用條件是測量數(shù)據(jù)中存在振幅量級相當?shù)膬蓚€聲波，其中之一的聲速已知，另一波的聲速則利用二波在陣列中的干涉原理提取.在雙源反激方法測量的波形數(shù)據(jù)中，鉆鋌波速度已知，鉆鋌波經(jīng)壓制后振幅大為降低，地層波振幅相對提升，二波幅度相當，能夠滿足聲波干涉法的適用條件.圖7為硬地層10 kHz雙源反激接收到的陣列波形(圖4d所示)采用聲波干涉法進行處理的結果.在100～400 μs·m-1范圍內(nèi)只有一個峰與地層縱波相對應，其慢度值為250 μs·m-1，而鉆鋌波的相關性則完全消失.這個例子表明，采用上述雙源反向激勵的隨鉆聲波數(shù)據(jù)采集技術和聲波干涉方法進行數(shù)據(jù)處理，可以實現(xiàn)一種無需隔聲裝置的隨鉆聲波測井技術.

以上例子考察了軟地層和硬地層情況下雙源反激的效果.對于軟地層，鉆鋌波和地層波在時間上能較好的分離，采用雙源反激的方法，提高地層波信噪比后，可以直接采用STC法提取地層縱波時差.而對于硬地層的情況，由于地層縱波和鉆鋌波在時間上重疊，采用雙源反激的方法，提高地層波信噪比后，通常再結合波干涉法這一處理方法獲取地層縱波的慢度.

圖6　理論模擬波形的STC圖(a)5 kHz單源；(b)5 kHz雙源；(c)10 kHz單源；(d)10 kHz雙源.

圖7　聲波干涉法處理結果

在實際測井中也會遇到地層縱波速度大于和接近于鉆鋌波速度的硬地層.當?shù)貙涌v波速度大于鉆鋌波速度時，在接收波列中地層縱波首先到達，在實際測井中采用單源激勵方法可以識別出地層縱波，但采用雙源激勵方法對鉆鋌波壓制后更有利于地層縱波的提取.而對于地層縱波速度接近鉆鋌波速度的情況，采用雙源反激方法在壓制鉆鋌波的同時也會對地層波產(chǎn)生較強的壓制，該方法不適用，目前只能采用在鉆鋌上刻槽進行隔聲的隨鉆聲波儀器.盡管如此，本文方法仍具有較大的應用前景.隨鉆聲波測井技術主要應用于海上的油氣勘探，通常地層縱波速度不是很高，從以上例子可以看出，即使在地層縱波速度高達4000 m·s-1的硬地層，雙源反激方法在不用刻槽的情況下仍具有很好的效果，因此這種方法能夠滿足大多數(shù)海上油氣田的隨鉆聲波測井的需求.

4鉆鋌波壓制原理的實驗驗證

4.1實驗裝置

為了驗證上述方法及其工作原理，制作了外直徑為4.75 in (1 in=2.54 cm)的隨鉆聲波測井儀樣機，并在實驗室進行了初步的實驗，圖8為實驗框圖.為了便于加工，鉆鋌由T和I兩段組成，鉆鋌內(nèi)外直徑分別為30 mm和120 mm.圖中Tf為遠發(fā)射、Tn為近發(fā)射，為一致性較好的瓣狀壓電陶瓷換能器，固定在鉆鋌T加工的環(huán)形凹槽中，兩發(fā)射之間的距離D為0.25 m.接收R采用壓電陶瓷圓片狀換能器，通過膠帶固定在鉆鋌I的外壁上.發(fā)射及接收和鉆鋌之間均涂抹凡士林以便于聲耦合.采用自制的雙源發(fā)射電路作為激勵，發(fā)射電路能產(chǎn)生兩路高壓脈沖分別激勵兩個發(fā)射換能器Tf、Tn.兩路發(fā)射的發(fā)射延遲時間及幅度連續(xù)可調(diào)，延時參數(shù)在0～200 μs可控，最小步長為0.1 μs；最大幅度可達2000 V，幅度連續(xù)可調(diào).聲源的頻率可調(diào)，圖9a為實測的4種發(fā)射頻率(16、12、8、5 kHz)所對應的發(fā)射高壓脈沖波形，圖9b為這4種頻率發(fā)射高壓脈沖對應的頻譜.

實驗時將鉆鋌置于空氣中，固定遠發(fā)射的延遲時間為0 μs，調(diào)整近發(fā)射的延遲時間，用數(shù)字示波器記錄不同延遲時間下的接收波形.

4.2實驗結果及分析

圖10為在空氣中測量到的四種頻率(16、12、8 kHz、 5 kHz)激勵時不同延遲時間τ下(10～100 μs范圍內(nèi))記錄到的接收波形，“Tf”表示只有遠發(fā)射被激勵，“Tn”表示只有近發(fā)射被激勵，“2T”表示是雙源反向激勵.從圖中兩虛線之間的波形可以看出，當雙源延時為50 μs時，鉆鋌波的壓制效果最好.四種實驗頻率條件下，將兩條虛線之間的波形用只有遠聲源Tf激勵時接收到的波形幅度進行歸一化，可以看出當雙源延遲為50 μs時，鉆鋌波分別被壓制到只有遠聲源發(fā)射時的0.16、0.22、0.18、0.25倍.即使頻率降低到5 kHz也有明顯的壓制效果.需要指出的是，雖然雙源反激的理論模擬(見圖3、4)，可以比較徹底地壓制接收波列中的鉆鋌波，但實際測量中，遠、近聲源很難做到完全一致，再加上其他因素如波的衰減和頻散以及發(fā)射換能器及其工作載荷的差異等，難以將鉆鋌波完全抵消.盡管如此，實驗測量中的鉆鋌波得到有效的壓制，這在實際的隨鉆測量中是至關重要的.此外，由于實驗中發(fā)射換能器距離儀器端面較近，反射波很強，由于反射波不滿足雙源反激的消聲原理，導致接收到的后續(xù)鉆鋌波有很長的持續(xù)時間.但是，在直達波為主的時段內(nèi)，鉆鋌波的壓制效果還是十分明顯的.

圖8　實驗裝置示意圖

5結論及認識

隨鉆單極子聲波測井時，存在很強的鉆鋌波干擾.本文采用雙源反激方法，在數(shù)據(jù)采集過程中對鉆鋌波進行壓制從而提高地層波的信噪比；在后續(xù)數(shù)據(jù)處理上采用聲波干涉法這一數(shù)據(jù)處理方法，從而形成一種無需隔聲裝置的隨鉆聲波測井技術.對于聲速低于鉆鋌波波速的地層，可以采用這種測井技術.通過理論模擬及實驗研究得到以下結論及認識：

(1) 理論模擬表明，采用雙源反激方法能夠有 效壓制鉆鋌波，提高地層波的信噪比，從數(shù)值模擬上驗證了該方法的可行性.

圖9　激勵高壓波形(a)及頻譜(b)

圖10　實驗記錄到的接收波形(a) 16 kHz； (b) 12 kHz； (c) 8 kHz； (d) 5 kHz.

(2) 采用雙源反向激勵能夠顯著壓制鉆鋌波，實驗初步驗證了該方法的有效性.實驗表明，在16 kHz、12、8、5 kHz工作頻率下均有明顯的壓制效果.為滿足傳統(tǒng)隔聲裝置的頻率要求，目前的隨鉆單極子聲波測井的工作頻率一般在10 kHz以上，利用雙源反激方法可突破此限制，擴寬隨鉆單極子縱波測井的頻帶范圍.

(3) 采用該方法，在儀器制造上只需增加一個聲源，避免了隨鉆聲波測井儀的刻槽設計，降低了儀器的機械加工難度及制造成本.更為重要的是，該方法避免了常規(guī)儀器隔聲裝置對鉆鋌強度的破壞，從而大大提高了隨鉆測井作業(yè)的安全性，降低了隨鉆聲波測井儀的維護費用.

致謝感謝兩位匿名審稿專家提出的寶貴意見和建設性建議.

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(本文編輯汪海英)

基金項目國家自然科學基金(41474092)資助.

作者簡介張博，男，1982年生，在讀博士，研究方向是聲波測井理論、方法與技術.E-mail:zhangbo_upc@163.com *通訊作者唐曉明，男，1955年生，教授，多年來一直致力于地球物理(特別是聲波)測井、巖石物理學、地震波傳播及測量等方面的研究和技術開發(fā)工作.E-mail:tangxiam@aliyun.com

doi:10.6038/cjg20160335 中圖分類號P631

收稿日期2014-11-20，2016-01-12收修定稿

An acoustic logging while drilling technique using the dual source of opposite polarity

ZHANG Bo1,2,TANG Xiao-Ming1*,SU Yuan-Da1,QI Xiao1

1COSL-UPCAlliedBoreholeAcousticLaboratory,SchoolofGeosciencesandTechnology,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China2ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,HenanXinxiang453003,China

AbstractDuring monopole acoustic logging while drilling (LWD),there is a strong tool wave propagating along the drill collar,which,when recorded by the receivers on the LWD tool,strongly interferes with the elastic wave from the surrounding formation and adversely affects the measurement of formation elastic wave velocity.Existing LWD acoustic technology suppresses the tool wave by building an isolator along the collar using groove cutting techniques,which often results in reduction of the tool′s mechanic integrity.This study proposes a new technique to solve the tool wave problem in the LWD acoustic measurement.This technique uses the dual source of opposite polarity to enhance the Signal to Noise Ratio of the formation wave signal.Two identical acoustic sources having opposite excitation polarity are placed along the LWD tool,with respective source-receiver distances.The source with longer distance is first fired,exciting elastic wave propagating in the formation and tool wave propagating along the collar.When the tool wave arrives at the second source,the source is actuated,exciting another tool wave with opposite polarity.By this firing scheme,the tool wave along the drill collar can be largely suppressed.Numerical simulation shows that the tool wave can be removed if the wave′s dispersion effect is minimal.In the presence of significant wave dispersion,the tool wave after suppressing may still exist,but the much reduced tool-wave amplitude allows for obtaining the formation elastic wave velocity using a wave interference method in the subsequent data processing.To prove the concept of using dual source in LWD,an experimental LWD model was built and a laboratory experiment was conducted.Various excitation frequencies,ranging from 5 to 16 kHz,were used and the waveforms excited by the dual source system were measured.The results show that the collar wave can be suppressed for different working frequencies.Even down to 5 kHz frequency,the collar wave can be reduced to 25% in the experiment condition.Both the theoretical modeling and experiment results demonstrate the feasibility and practicality of the proposed technique.Compared with the traditional LWD technique,the dual source technique removes the need for sound isolation and therefore maintains the mechanic integrity of the tool.Besides,by suppressing tool wave from low to high frequencies,the new technique can operate in a broad frequency range for the LWD acoustic measurement.

KeywordsDual source of opposite polarity; Acoustic logging while drilling; Collar wave suppressing; Sound isolation; Wave interference method

張博，唐曉明，蘇遠大等.2016.一種利用雙源反激的隨鉆聲波測井方法.地球物理學報，59(3):1151-1160,doi:10.6038/cjg20160335.

Zhang B,Tang X M,Su Y D,et al.2016.An acoustic logging while drilling technique using the dual source of opposite polarity.Chinese J.Geophys.(in Chinese),59(3):1151-1160,doi:10.6038/cjg20160335.