最近十几年，随钻声波测井技术发展迅速，显示了很好的应用前景(唐晓明和郑传汉，2004).然而钻铤的隔声问题，即消除钻铤波对地层波测量的强烈干扰，一直是该技术的一个难题(崔志文，2004；唐晓明和郑传汉，2004；苏远大等，2011；王兵等，2012).Tang等(2002)指出在随钻环境下采用四极子声源，当工作频率低于钻铤波截止频率时，地层横波不受钻铤波的影响，不需要专门的隔声装置.因此对随钻 隔声的研究主要是针对随钻单极子纵波的隔声问题.

目前市场上商业化应用的随钻声波测井仪隔声方式均是采用在钻铤上刻槽的方法，如威德福ShockWave、哈里伯顿BAT/QBAT、贝克休斯APX(Freitag et al.，2004)、斯伦贝谢SonicVision(Alford et al.，2005)、斯伦贝谢SonicScope(Kinoshita et al.，2010; Alford et al.，2012). 尽管其刻槽方式各不相同，但均是以牺牲钻铤强度为代价来获得一定的隔声效果.测井科研人员一直在寻找一种对钻铤强度破坏小、甚至无破坏的隔声技术.唐晓明等(2012)、Su等(2012;2015)提出了一种在钻铤上变径隔声的随钻声波测井方法，利用拉伸波在钻铤中存在固有阻带的现象，对不同横截面的钻铤进行组合使组合后的阻带得到拓展，这种组合式的隔声方式降低了对钻铤强度的破坏.Zhan等(2005;2006)提出基于震电效应原理的随钻声波测井技术，来解决钻铤的隔声问题.但目前该方法的工业化应用还面临很多困难.王华等(2009)提出在信号处理环节将钻铤波减掉的方法，但这种方法需要用刻槽钻铤和不刻槽钻铤实际测量数据进行标定.

对于装置在钻铤上的随钻单极子声波测井仪器来说，如果钻铤不做隔声，声波信号采集量化时电路的增益将被较大幅度的钻铤波所控制，这样采集的地层声波信号的信噪比较低，很难准确提取到地层的声速.本文提出采用双源反激方法，在数据采集过程中对钻铤波进行压制从而提高地层波的信噪比;在后续数据处理上采用声波干涉法来进一步消除钻铤波的干扰，从而形成一种无需隔声装置的随钻声波测井技术.

如图 1所示，该方法采用两个发射，分别是远发射T_f和近发射T_n，二者在钻铤轴向的间距为D.测井时，T_f首先激发，发射幅度为A₁，T_n延时一段时间τ之后激发(发射时序见图 2)，发射极性与T_f相反，发射幅度为A₂.在双源发射的同时，对接收器阵列(R₁，R₂，…，R_N)上的信号进行采集并记录.通过选择合适的参数A₁、A₂及τ，使得在接收器的位置上T_f和T_n 所激发的二钻铤波同时到达，但极性相反、幅度相当.这样，接收波形中的钻铤波相互叠加后相消，即钻铤波得到压制.而对于接收波形中T_f和T_n产生的地层信号，只要地层波和钻铤波速度存在差异，其到达接收器的时间就不一致，相互叠加后仍能保留.相对于钻铤波，地层波就得到了增强.对于给定钻铤，钻铤波的波速是固定和已知的.因此，在双源激发过程中，只要固定发射间距并选取适当的延迟时间，即可实现压制钻铤波的隔声效果，达到不用隔声装置来进行隔声的目的.

图 1

Fig. 1

图 1 随钻双源反激声波测井方法示意图 Fig. 1 Schematic diagram of LWD sonic well logging using the dual source of opposite polarity

图 2

Fig. 2

图 2 双源反激发射时序示意图 Fig. 2 Fire timing of the dual source of opposite polarity

随钻声波测井可以用图 1所示的径向分层的模型模拟(唐晓明和郑传汉，2004；崔志文，2004).从井轴向外依次是：钻铤内流体、钻铤、钻铤外流体，最外层是无限大的弹性地层.对此模型建立 (r，θ，z) 柱坐标系.

声源和接收器位于钻铤外环.由于随钻测井具有一定的尺度，这里用环状声源来模拟.假设随钻声波测井仪是一个外径为a的圆柱状系统，那么单极子环状声源可以表述为沿半径为a的圆周上分布的一系列子点源.则声源处在波数域内的径向位移为(唐晓明和郑传汉，2004)：

图 1中各层介质中的位移矢量 U 满足矢量波动方程，其通解为

对环状单极子声源T_f，距离声源z处钻铤外环上的声压可以表示为(唐晓明和郑传汉，2004)：

式中， S(ω) 为T_f声源频谱. 同理，对距T_f声源D处的声源T_n，同一接收上的声压为

将(5)式和(6)式叠加并整理得该双源系统激发时的声压为

调节延迟时间τ，使之等于钻铤波在距离D上的传播时间:

为了得到较好的钻铤波压制效果，幅度比 c 的值需要进行优选.这主要由钻铤波的幅度衰减决定.而钻铤波幅度的衰减主要与传播距离(几何衰减)、工作频率及钻铤尺寸等参数有关.实际测量中可以采用实验的方法进行标定.

将(9)式代入(8)式，取c=1(c通常接近于1).并与(5)式对比，可以发现，双源反激激励和传统单源激励的区别在于其接收声压表达式中被积函数里增加了一个滤波因子：

这相当于在频率-波数域 (ω-k) 内嵌入了一个带阻滤波函数.当响应函数 A(k，ω) 中含有速度为 v_t 的波(如钻铤波)时，这种波将被压制.从此式，我们也可以看出，当地层波波速接近于钻铤波波速时，地层波也会被削弱.因此，这种方法在纵波速度较低的软地层中应用效果较佳，在速度高的硬地层中应用效果会变差.但是，只要地层波和钻铤波的速度存在差异，地层波幅度相对于钻铤波幅度就能得到相对的增强.这样，通过增大声源的发射功率来增加信号强度，并针对地层波到达的时段进行数据采集，就能得到信噪比较高的地层声波信号.这为后续进行 数据处理提取地层波的速度提供了较高质量的数据.

用理论模拟的例子说明这种双源反向激励的效果.取D=0.15 m，v_t=5000 m·s^-1，从(9)式得到τ=30 μs. 接收阵列第一个接收器距T_f的距离TR=3 m，接收间距d=0.15 m.理论模拟的模型参数见表 1，采用的声源函数为Ricker子波.

表 1( Table 1)

表 1 随钻单极子测井的理论模拟参数 Table 1 Parameters of LWD monopole well logging model 介质参数 纵波速度/(m·s -1) 横波速度/(m·s -1) 密度/(kg·m -3) 外径/m 钻铤内流体 1500 0 1000 0.027 钻铤 5860 3130 7850 0.060 钻铤外流体 1500 0 1000 0.085 硬地层 4000 2300 2500 ∞ 软地层 2300 1000 2000 ∞

表 1 随钻单极子测井的理论模拟参数 Table 1 Parameters of LWD monopole well logging model

用图 1的模型计算(4)式中的响应函数 A(k，ω)， 再用实轴积分方法计算(8)式，便可以得到理论接收波形.图 3是一个软地层中的例子，从下到上各个波列源距依次为3~4.05 m.声源中心频率取5 kHz，图 3a是单源激励时理论计算得到的阵列波形图(即(8)式中令c=0时)，在2500 μs时段内能看到两种振型的波，分别是钻铤波(波至由标识为Collar的斜线给出)和地层纵波(波至由标识为P的斜线给出).图 3b是双源反向激励时理论计算得到的阵列波形图，由于双源反激激励对钻铤波的压制作用，接收波列中观测不到钻铤波，只有地层纵波.这个例子直观地展示了双源反激激励对钻铤波的压制效果.

图 3

Fig. 3

图 3 软地层理论单源波形(a)与双源波形(b) Fig. 3 Comparison of theoretical waveforms from single source excitation (a) and dual source excitation (b) in slow formation

这里需要指出的是，通常对于软地层来说，地层纵波速度与钻铤波差别较大，因此在到时上能够很好区分开来，而且地层纵波幅度较大，通常在测量中容易识别.但在实际应用中，由于软地层中地层波的衰减往往比较严重，导致地层波幅度变小，采用双源反激方法对钻铤波压制后有利于地层纵波信号的采集.此外，对于目前商业应用的采用刻槽方式的随钻声波仪器，在应用中发现这种隔声方式有时并不能满足实际应用要求.通常是在一些软地层中，残余钻铤波幅度与地层波相比仍占主导地位，在数据采集时控制着接收电路的增益，使得地层信号的信噪比降低，这样采集到的声波波列无法有效提取出地层波的速度.图 3的例子表明，双源反激方法为这种问题提供了一种有效的解决方案.

图 4以一个硬地层为例.图 4(a，b)中声源中心 频率为5 kHz，图 4(c，d)中声源中心频率为10 kHz.图 4(a，c)中虚线表示的波形为采用传统单源激励时的理论阵列波形图，接收波形中首先到达的是钻铤波(波至由标识为Collar的斜线给出)，由于其幅度大且持续时间较长，地层纵波完全淹没在钻铤波中无法识别.图 4(a，c)中实线表示的波形为采用双源反激激励时接收到的阵列波形图，可以看出，钻铤波的幅度被大大压制.图 4(b，d)分别为图 4(a，c)中双源波形放大5倍后的效果.图 4b中5 kHz双源激励时的阵列波形基本消除了钻铤波，因此波列成分主要是地层纵波(波至由斜线P标识).而图 4d中10 kHz双源激励时的阵列波形中仍存在较强的残余钻铤波.

图 4

Fig. 4

图 4 硬地层理论单源波形与双源波形对比(a)5 kHz单源波形(虚线)与双源波形(实线)；(b)5 kHz放大后的双源波形； (c)10 kHz单源波形(虚线)与双源波形(实线)；(d)10 kHz放大后的双源波形 Fig. 4 Comparison of theoretical waveforms from single source excitation and dual source excitation in fast formation (a) waveforms from single source excitation (dash line) and dual source excitation (solid line) with 5 kHz center frequency; (b) enlarged waveforms from dual source excitation with 5 kHz center frequency; (c) waveforms from single source excitation (dash line) and dual source excitation (solid line) with 10 kHz center frequency; (d) enlarged waveforms from dual source excitation with 10 kHz center frequency

造成5 kHz和10 kHz双源反激钻铤波压制效果差异的主要原因是钻铤波的频散效应.图 5所示的钻铤波频散曲线表明，在5~15 kHz的频段内波速随频率明显下降.但(8)式中的双源反激理论采用的是一个恒定速度对应的时间延迟，没有考虑频散效应.对于5 kHz范围的低频激发，钻铤波频散效应较小，因此钻铤波的压制效果较好.而对于10 kHz左右的频率范围，频散效应已相当明显，双源反激不能完全消除钻铤波的影响.图 4d波形中的首波为残余的钻铤波，后续波形中包含地层波的成分(波至由斜线P标识).尽管10 kHz双源反激激励时钻铤波仍有较大的幅度，但是采用双源反激方法压制钻铤波之后，地层波的相对幅度已经得到很大的增强，便于后续的数据处理.对于数据的量化采集，这时接收电路的增益由地层波控制(图 4(b，d))，而不是由压制前的钻铤波控制(图 4(a，c))，有益于提高地层信号的信噪比.

图 5

Fig. 5

图 5 钻铤波速度频散曲线 Fig. 5 Velocity dispersion curve of collar wave

图 6为上述理论模拟的硬地层中阵列波形的慢度时间相关(STC)处理结果.STC慢度时间相关法利用波形相干叠加方法得到以时间和慢度为变量的二维相关函数(Kimball et al.，1984).图中的横坐标代表波形中某个振型在第一接收器上的到达时间，纵坐标代表慢度，相关函数的峰值对应该振型的到时及慢度.图 6(a，b)分别对应5 kHz激励时单源阵列波形和双源阵列波形，图 6(c，d)分别对应10 kHz激励时单源阵列波形和双源阵列波形.单源激励时，钻铤波占主导地位，从图 6(a，c)单源波形的STC图可以看出，钻铤波波的相关性很强，对于图 6c在100~400 μs·m^-1范围内只能看到钻铤波对应的峰，慢度约为200 μs·m^-1.图 6a中尽管能看到地层纵波的相关性，但是相关性非常弱，在实际测量中可能无法识别.采用双源反激激励后，钻铤波被压制，地层纵波幅度得到相对增强，从图 6(b，d)的双源波形的STC相关图中已经能够清晰识别出地层纵波对应的峰，其慢度约为250 μs·m^-1，与模型参数一致.由于存在残余的钻铤波(这主要是钻铤波的频散效应所致)，在双源阵列波形对应的STC图中仍然存在钻铤波的相关性；5 kHz激励时，该相关性较弱，但是在10 kHz激励时，残余钻铤波的相关性甚至占主导地位.

图 6

Fig. 6

图 6 理论模拟波形的STC图 (a)5 kHz单源；(b)5 kHz双源；(c)10 kHz单源；(d)10 kHz双源. Fig. 6 STC correlogram contour plots of theoretical waveforms (a) Single source with 5 kHz center frequency; (b) Dual source with 5 kHz center frequency; (c) Single source with 10 kHz center frequency; (d) Dual source with 10 kHz center frequency.

针对残余钻铤波的相关性，在后续数据处理中，我们采用一种波干涉法(唐晓明等，2015；Qi et al.，2014)进一步消除双源反激后的残余钻铤波的影响. 波干涉法的适用条件是测量数据中存在振幅量级相当的两个声波，其中之一的声速已知，另一波的声速则利用二波在阵列中的 干涉原理提取.在双源反激方法测量的波形数据中，钻铤波速度已知，钻铤波经压制后振幅大为降低，地层波振幅相对提升，二波幅度相当，能够满足声波干涉法的适用条件.图 7为硬地层10 kHz双源反激接收到的阵列波形(图 4d所示)采用声波干涉法进行处理的结果.在100~400 μs·m^-1范围内只有一个峰与地层纵波相对应，其慢度值为250 μs·m^-1，而钻铤波的相关性则完全消失.这个例子表明，采用上述双源反向激励的随钻声波数据采集技术和声波干涉方法进行数据处理，可以实现一种无需隔声装置的随钻声波测井技术.

图 7

Fig. 7

图 7 声波干涉法处理结果 Fig. 7 Processing result of wave interference method

以上例子考察了软地层和硬地层情况下双源反激的效果.对于软地层，钻铤波和地层波在时间上能较好的分离，采用双源反激的方法，提高地层波信噪比后，可以直接采用STC法提取地层纵波时差.而对于硬地层的情况，由于地层纵波和钻铤波在时间上重叠，采用双源反激的方法，提高地层波信噪比后，通常再结合波干涉法这一处理方法获取地层纵波的慢度.

在实际测井中也会遇到地层纵波速度大于和接近于钻铤波速度的硬地层.当地层纵波速度大于钻铤波速度时，在接收波列中地层纵波首先到达，在实际测井中采用单源激励方法可以识别出地层纵波，但采用双源激励方法对钻铤波压制后更有利于地层纵波的提取.而对于地层纵波速度接近钻铤波速度的情况，采用双源反激方法在压制钻铤波的同时也会对地层波产生较强的压制，该方法不适用，目前只能采用在钻铤上刻槽进行隔声的随钻声波仪器.尽管如此，本文方法仍具有较大的应用前景.随钻声波测井技术主要应用于海上的油气勘探，通常地层纵波速度不是很高，从以上例子可以看出，即使在地层纵波速度高达4000 m·s^-1的硬地层，双源反激方法在不用刻槽的情况下仍具有很好的效果，因此这种方法能够满足大多数海上油气田的随钻声波测井的需求.

为了验证上述方法及其工作原理，制作了外直径为4.75 in(1 in=2.54 cm)的随钻声波测井仪样机，并在实验室进行了初步的实验，图 8为实验框图.为了便于加工，钻铤由T和I两段组成，钻铤内外直径分别为30 mm和120 mm.图中T_f为远发射、T_n为近发射，为一致性较好的瓣状压电陶瓷换能器，固定在钻铤T加工的环形凹槽中，两发射之间的距离D为0.25 m.接收R采用压电陶瓷圆片状换能器，通过胶带固定在钻铤I的外壁上.发射及接收和钻铤之间均涂抹凡士林以便于声耦合.采用自制的双源发射电路作为激励，发射电路能产生两路高压脉冲分别激励两个发射换能器T_f、T_n.两路发射的发射延迟时间及幅度连续可调，延时参数在0~200 μs可控，最小步长为0.1 μs；最大幅度可达2000 V，幅度连续可调.声源的频率可调，图 9a为实测的4种发射频率(16、12、8、5 kHz)所对应的发射高压脉冲波形，图 9b为这4种频率发射高压脉冲对应的频谱.

图 8

Fig. 8

图 8 实验装置示意图 Fig. 8 Diagram of experimental setup

图 9

Fig. 9

图 9 激励高压波形(a)及频谱(b) Fig. 9 High voltage waveforms (a) and their spectrums (b)

实验时将钻铤置于空气中，固定远发射的延迟时间为0 μs，调整近发射的延迟时间，用数字示波器记录不同延迟时间下的接收波形.

图 10为在空气中测量到的四种频率(16、12、8 kHz、5 kHz)激励时不同延迟时间τ下(10~100 μs范围内)记录到的接收波形，“T_f”表示只有远发射被激励，“T_n”表示只有近发射被激励，“2T”表示是双源反向激励.从图中两虚线之间的波形可以看出，当双源延时为50 μs时，钻铤波的压制效果最好.四种实验频率条件下，将两条虚线之间的波形用只有远声源T_f激励时接收到的波形幅度进行归一化，可以看出当双源延迟为50 μs时，钻铤波分别被压制到只有远声源发射时的0.16、0.22、0.18、0.25倍.即使频率降低到5 kHz也有明显的压制效果.需要指出的是，虽然双源反激的理论模拟(见图 3、4)，可以比较彻底地压制接收波列中的钻铤波，但实际测量中，远、近声源很难做到完全一致，再加上其他因素如波的衰减和频散以及发射换能器及其工作载荷的差异等，难以将钻铤波完全抵消.尽管如此，实验测量中的钻铤波得到有效的压制，这在实际的随钻测量中是至关重要的.此外，由于实验中发射换能器距离仪器端面较近，反射波很强，由于反射波不满足双源反激的消声原理，导致接收到的后续钻铤波有很长的持续时间.但是，在直达波为主的时段内，钻铤波的压制效果还是十分明显的.

图 10

Fig. 10

图 10 实验记录到的接收波形 (a) 16 kHz； (b) 12 kHz； (c) 8 kHz； (d) 5 kHz. Fig. 10 Experimental waveforms

随钻单极子声波测井时，存在很强的钻铤波干扰.本文采用双源反激方法，在数据采集过程中对钻铤波进行压制从而提高地层波的信噪比；在后续数据处理上采用声波干涉法这一数据处理方法，从而形成一种无需隔声装置的随钻声波测井技术.对于声速低于钻铤波波速的地层，可以采用这种测井技术.通过理论模拟及实验研究得到以下结论及认识：

(1)理论模拟表明，采用双源反激方法能够有效压制钻铤波，提高地层波的信噪比，从数值模拟上验证了该方法的可行性.

(2)采用双源反向激励能够显著压制钻铤波，实验初步验证了该方法的有效性.实验表明，在16 kHz、 12、8、5 kHz工作频率下均有明显的压制效果.为满足传统隔声装置的频率要求，目前的随钻单极子声波测井的工作频率一般在10 kHz以上，利用双源反激方法可突破此限制，扩宽随钻单极子纵波测井的频带范围.

(3)采用该方法，在仪器制造上只需增加一个声源，避免了随钻声波测井仪的刻槽设计，降低了仪器的机械加工难度及制造成本.更为重要的是，该方法避免了常规仪器隔声装置对钻铤强度的破坏，从而大大提高了随钻测井作业的安全性，降低了随钻声波测井仪的维护费用.