声波测井是传统油气勘探方法，主要利用记录的地层波信号(纵波、横波和斯通利波)的时差、幅值、频率响应及衰减等信息进行储层评价，如孔隙度和渗透率反演(He et al., 2013)，各向异性程度的分析(Zhang et al., 1994; He et al., 2010)和套管井的固井质量判定等(Song et al., 2012; Xu and Hu, 2017; Wang and Fehler, 2018).随着测井技术的不断提高，随钻情况下的声波测井——随钻声波测井(LWD)成为当前主流测井技术之一，其边钻进-边测量的测井模式显著提高了探测效率和数据可靠性，降低了经济成本，尤其对于薄储层和海上油气开采的大斜度井和水平井钻探，效果更加突出，受到各大石油公司青睐(Tang et al., 2002；崔志文，2004；王瑞甲等, 2012; Wang H et al., 2016, 2017；杨玉峰等，2016; Yang et al., 2017；Zheng and Hu, 2017).但随钻声波测井也存在一个技术缺陷，那就是幅度较大的钻铤波对地层波的干扰，导致无法准确获取地层波的波速和振幅等信息.

为了解决钻铤波影响地层波测量的问题，国内外学者开展了相关的理论模拟和实验测量研究.Tang等(2006)较早地指出四极子随钻声波测井可有效测量地层横波速度.Sinha等(2009)模拟了单极、偶极和四极源随钻声波测井中钻铤波的频散、衰减和激发特性.苏远大等(2011)依据钻铤波的衰减模式分析了隔声体对钻铤波的影响，之后提出通过设置声阻带的方式来抑制钻铤波，并将理论分析与现场测井数据进行对比(Su et al., 2015).Zhu等(2008)通过小尺寸模型井中随钻声波测井实验，分析了多极子钻铤波的传播规律.之后基于孔隙介质动电效应的形成机理(金属钻铤无法激发动电效应)，提出随钻动电测井有望消除钻铤波的思想(Zhu et al., 2012).王军等(2016)实验记录了单极源和偶极源随钻声波测井的时域全波信号，分析了钻铤波的频率响应，并指出采用高频激励可大幅降低钻铤波在全波中比重.之后又采用不同的声源/接收探头和实验测量系统，进行了单极源钻铤波的频率响应分析，获得了类似的实验测量结果(王军等，2017).

不过，早期研究中人们认为钻铤波只沿着金属钻铤传播，又将其称为仪器波.但近年研究发现钻铤波不仅在钻铤内部传播，与此同时还要向钻铤外部流体/地层中辐射能量，这两部分钻铤波共同构成泄漏钻铤模式波.为了叙述方便，本文中将钻铤内部传播的钻铤波称为“直达钻铤波”，泄漏到钻铤外部的钻铤波称为“泄漏钻铤波”.Guan等(2013)和郑晓波等(2014)较早地注意到泄漏钻铤波的影响，他们模拟发现随钻动电测井全波中存在显著的伴随钻铤波电场.为了进一步解释此现象，杨玉峰等(2016)模拟了钻铤外表面及地层中钻铤波的时域波形，结果表明：伴随钻铤波的动电转换信号是由泄漏钻铤波引起.随后，Yang等(2017)又分析了钻铤内外刻槽尺寸对直达/泄漏钻铤波辐射能量的影响.Wang X M等(2016)通过不同模型的随钻声波测井模拟分析指出，正是泄漏钻铤波的存在，使得对金属钻铤本身进行的物理隔声手段，无法完全消除测井全波中钻铤波的影响.其他学者也认识到泄漏钻铤波对随钻声波测井分析的重要性，并逐渐展开相关研究工作，但截至目前本文未见有关泄漏钻铤波实验测量方面的研究报道.此外，直达钻铤波和泄漏钻铤波之间的量级关系，以及泄漏钻铤波是否可被忽略的问题，缺乏相应的实验或现场测量数据支撑.因此，本文针对泄漏钻铤波的传播规律，在实验室内进行了缩小模型的随钻声波测井实验，记录了4种模型下两种钻铤波的时域波形，讨论了泄漏钻铤波的幅值特性及沿着井轴方向和直径方向的衰减规律.

设计缩小尺寸的随钻声波测井实验探头如图 1所示，主要包括声源和接收器两部分，主体材料为不锈钢，外径25 mm，约为实际测井仪器的1/10，其中声源探头内径10 mm，长度32 mm如图 1a所示，由4块材料相同的圆盘状压电片构成，间隔90°分布在同一圆周上，并用环氧树脂将其与钻杆胶结固定.压电片的极化方式如图 1b所示为单极源激发模式.接收阵列为6组压电片(图 1c)，其材料和极化方向(图 1d)均与声源相同，每组2片，嵌于钢管圆周凹槽内，表面用环氧树脂封装，相邻两个接收器之间的距离为2 cm.连接杆长度为8 cm，内径15 mm，若将声源和接收器用连接杆紧密固定在一起，则可模拟随钻测井过程，而且实验过程中始终保持1-1′和3-3′压电片处于同一直线上，从而避免因方位角变化引起的测量误差.此外需说明的是本文中连接杆未进行刻槽处理.

图 1

Figure 1

图 1 随钻测井设备：声源探头(a)；极化方式(b); 接收探头(c)；极化方式(d) Figure 1 The detector of LWD: the source (a), the polarization of source (b), the receivers (c), the polarization of receiver (d)

实验测量系统如图 2所示，主要设备及功能如下：

图 2

Figure 2

图 2 随钻声波测井实验测量系统 Figure 2 The test system for the acoustic LWD

(1) 高压脉冲源(SP801)：其作用是给声源换能器提供激励电压，使其激发出高能量的声波信号.脉冲源的输出为负方波脉冲信号，幅值范围可在40~400 V之间进行调节.由于本文测井探头直径约为实际仪器的1/10，因此，脉冲信号的中心频率约为实际测井频率的10倍左右.通过粗略的实验观测得出：当声源中心频率选为90 kHz时，激发直达波的幅度达到最大.因此，本文声源的中心频率选为90 kHz，电压幅值为200 V.

(2) NI数据采集系统：包括基于PXIe总线的机箱/控制器(1082/8880)和6通道高精度数据采集卡(4480).其中4480采集卡的分辨率为24位，远高于数字示波器及一般采集卡的分辨率(8-16位).通常情况下，高分辨率的采集卡往往无法兼顾高采样率，因为它们是相互矛盾的两个参数.但4480采集卡在具有24位分辨率的同时还具有1.25 MS/s采样率，该采样率超过了本实验中声源主频90 kHz的10倍，因此，该采集系统将很好地胜任本文实验的测量工作.

(3) 函数信号发射器(Tektronic3022)：主要作用是在实验测量时为脉冲源和采集卡提供触发信号，保证两者同步工作.其输出为5 V方波脉冲信号，重复频率为10次/秒.

(4) 前置放大器(OL5660C)：用于放大被测信号，它有40/60 dB两个档位，分别代表放大100倍和1000倍，由于声波测井中有用信号幅度较强且清晰明显，所以放大100倍即可.值得注意的是，前置放大器在放大有用信号的同时也会放大干扰噪声，因此，需要对放大的信号进行滤波处理，同时采用多次放大取平均的方式削弱随机噪声，以提高被测信号的信噪比.

(5) 滤波器(NF3628)：用于消除工频和其他噪声干扰.该滤波器无法直接调节成带通滤波器，因此采用低通滤波器和高通滤波器组合的方式构成带通滤波器，实验中带通滤波器范围是1 kHz到300 kHz.

进行随钻声波测井实验之前，我们首先测试了声源探头和实验系统的有效性，直接将声源探头裸露于水池中如图 3所示，然后用BK-8103水听器记录水中声波信号，图中S表示声源，R表示接收器.图 4是实验测量到声波信号的时域波形，可以看出6条曲线声波信号的一致性很好，通过到时计算该声波的传播速度约为1500 m·s^-1，与流体速度相同，这与实验预期的结果相吻合，说明本文设计声源探头和实验测量系统是有效的.

图 3

Figure 3

图 3 水池中直达声场实验模型 Figure 3 The experimental model in liquid

图 4

Figure 4

图 4 水中声波信号的时域波形 Figure 4 The time domain acoustic waveforms in liquid

利用上述声源/接收探头和实验测量系统，我们在实验室内进行了缩小模型的单极源随钻声波测井实验，记录了4种不同测量模型下两种钻铤波的时域波形，其中针对泄漏钻铤波传播规律和衰减特性的研究是本文核心工作，但考虑到实际井孔存在情况下无法进行该波群的测量.因此，为了能够有效地记录泄漏钻铤波信号，我们将裸露的声源和接收探头放置于水池中，构建一种特殊的井孔模型，即井外地层也由水构成，井内流体和井外地层的参数完全相同，这样由钻铤辐射出来的钻铤波传播到“流体-地层”界面时，不会因“井壁”处声阻抗不同而产生反射效应(Yang et al., 2017)，辐射钻铤波将全部穿过“井壁”透射到地层中，避免了井壁反射钻铤波与直达钻铤波叠加，进而可将直达钻铤波和泄漏钻铤波相互分离，达到有效测量泄漏钻铤波的目的.详细实验测量过程及数据分析如下：

在验证了声源探头和实验测量系统的有效性之后，我们在水池中进行了模型1(图 5)的单极源随钻声波测井实验.图 6为内嵌压电片记录的测井时域波形，通过分析得出：时域波形中最先到达的波群为钻铤波信号，其传播速度约为4800 m·s^-1.由于钻铤未进行刻槽等隔声处理，导致钻铤波的能量非常强，以至于全波中除了钻铤波信号之外看不到其他波群.而且通过前文对本文实验设计的解释及图 5模型测量过程可知：由内嵌压电片记录到的钻铤波为纯净的直达钻铤波，该波群中不含有泄漏钻铤波信号.图 6给出了本文仪器直达钻铤波的传播速度和传播形态，为后续结果分析提供了参考依据.我们将在下文实验测量中利用BK水听器在钻铤外表面记录泄漏钻铤波信号，并将两种钻铤波特性进行对比.

图 5

Figure 5

图 5 随钻声波测井实验模型1 Figure 5 The acoustic LWD model 1

图 6

Figure 6

图 6 直达钻铤波的时域波形 Figure 6 The time domain waveforms of the direct collar wave

在获得了直达钻铤波的时域波形和传播速度后，采用BK水听器作为声波信号接收器，在钻铤外表面记录了图 7a模型的随钻声波测井信号(图 8).为了更好地分析泄漏钻铤波的传播规律，我们将图 6钻铤内部接收的直达钻铤波信号作为参考绘制成图 8a.图 8b、8c和8d分别为水听器距离钻铤外表面0 mm，5 mm和50 mm, 沿着钻铤轴线方向记录的测井时域波形，可以看出：3幅图中5道声波信号十分相似，都由两个波群组成，通过计算波群的到时发现：第一个波群到时连线的斜率与图 8a中直达钻铤波的相同(图中实线对应波群)，说明最先到达波群为钻铤波信号，其传播速度为4800 m·s^-1.不过与图 8a直达钻铤波不同的是：图 8b、8c和8d中钻铤波是在钻铤外表面接收到的泄漏钻铤波，若在现场测井过程中，该钻铤波将在井壁处发生波的反射和透射现象(Yang et al., 2017).但本文没有地层的特殊井孔模型下，可将上述钻铤波理解为井壁处反射/透射钻铤波的“源”.因此，针对该“源”的特性分析对认识井壁反射/透射钻铤波的传播规律以及测井数据解释具有重要意义.这是本文研究的重点内容.

图 7

Figure 7

图 7 随钻声波测井实验模型2 (a)实验1；(b)实验2. Figure 7 The acoustic LWD model 2 (a) Experiment one; (b) Experiment two.

图 8

Figure 8

图 8 不同接收距离处泄漏钻铤波的时域波形 (a)直达钻铤波信号；(b)间隔0 mm时泄漏钻铤波信号；(c)间隔5 mm时泄漏钻铤波信号；(d)间隔50 mm时泄漏钻铤波信号. Figure 8 The time domain waveforms of leaked collar wave with different distances (a) The direct collar wave; (b) The leaked collar wave connected with the collar; (c) The leaked collar wave 5 mm away from collar; (d) The leaked collar wave 50 mm away from collar.

另外，由于接收器位于钻铤外表面的流体中，因此，图 8b、8c和8d中第二个波群为实验记录的流体声波信号(图中虚线对应波群，其传播速度为1500 m·s^-1)，需说明的是：若在真实井孔存在情况下，该速度对应的波群应为斯通利波波群(Yang et al., 2017).至此我们观测到了干净的泄漏钻铤波信号，发现其速度与直达钻铤波的速度一致.

通过图 8还可看出：随着距离的增大，泄漏钻铤波的幅值逐渐变小.为了详细研究泄漏钻铤波的衰减规律，我们设计了图 7b实验，对泄漏钻铤波沿着轴线方向和直径方向的幅值变化进行了测量.图 9a是水听器沿着轴向记录声波信号的时域波形，实验中水听器紧靠钻铤外表面，间隔2 cm测量一次，共记录10条曲线，该模型与图 7a相同，所以图 9a与图 8中泄漏钻铤波的时域波形相似，首先到达的是幅值较小的泄漏钻铤波，之后是幅度较大的流体声波.这样根据泄漏钻铤波的振幅给出了图 9b归一化幅值图，从中可以看出，随着源距的增大，可近似认为泄漏钻铤波沿着轴向是单调递减的.图 10是水听器沿着径向间隔2 cm的测量结果，由于模型设计不同，图 10a记录泄漏钻铤波的时域波形与图 8和图 9不同，但两者的衰减规律很接近.我们将两者归一化的幅度图绘制在图 11中，通过数据拟合发现两者符合指数衰减模式，只是泄漏钻铤波沿着轴向衰减更快.而且分析发现：当源距超过5倍钻铤直径后，沿着两个方向的泄漏钻铤波都变得十分微弱了，其幅值已衰减到表面幅值的10%以下.上述结果表明在较远距离记录随钻声波测井信号是有利的，此时泄漏钻铤波将衰减掉绝大部分能量.

图 9

Figure 9

图 9 泄漏钻铤波沿着轴向的衰减规律 (a)归一化的时域波形；(b)归一化的振幅. Figure 9 The attenuation of leaked collar wave along axial direction (a) The normalized time domain waveforms; (b) The normalized amplitudes.

图 10

Figure 10

图 10 泄漏钻铤波沿着径向的衰减规律 (a)归一化的时域波形；(b)归一化的振幅. Figure 10 The attenuation of leaked collar wave along radial direction (a) The normalized time domain waveforms; (b) The normalized amplitudes.

图 11

Figure 11

图 11 泄漏钻铤波沿着轴向和径向衰减规律比较 Figure 11 The comparison of leaked collar wave attenuation along two directions

本节实验主要考察图 12模型中两种钻铤波的传播规律.实验过程中将声源和钻铤分离(即图 1a中声源右侧端面与图 1c中连接杆左侧端面分离)，先利用钻铤内嵌压电片记录直达钻铤波信号，然后将BK水听器放置在钻铤外表面(压电片所处的位置)，记录泄漏钻铤波信号.图 13给出了声源和钻铤断开1 mm和2 mm时，两种接收器记录到的测井时域波形.图 13a和图 13c为压电片记录的测井时域波形，这两图中只有一个非常明显的波群出现在全波信号里面，通过分析得出该波群的传播速度为4800 m·s^-1，表明压电片记录到了很强的直达钻铤波信号.图 13b和图 13d为BK水听器记录声波信号，图中可以看到非常清晰的流体声波信号，其前面有隐约的抖动出现，那应该是泄漏钻铤波信号，只是该波群的幅值很小.为了进一步分析声源和钻铤分离对钻铤波的影响，我们将图 13记录时域波形与前文实验结果进行比较.图 14a和图 14b为声源和钻铤相连情况下压电片和水听器记录声波信号，图 14c和图 14d为分离模型下两种接收器记录声波信号，图中实线对应钻铤波信号，虚线对应流体声波信号，并采用相同的归一化幅度.通过对比发现：当声源和钻铤断开微小距离时，依旧有钻铤波被激发，但两种钻铤波的响应效果不同，虽然直达钻铤波的幅值变小但其幅值仍然远大于流体声波，而泄漏钻铤波幅值却降低很多，这说明断开效应对泄漏钻铤波的影响更大，使得泄漏钻铤波的能量更少，幅值更低.

图 12

Figure 12

图 12 分离模型随钻声波测井实验 Figure 12 The separated model for acoustic LWD

图 13

Figure 13

图 13 分离模型中随钻声波测井时域波形 (a)分离1 mm时直达钻铤波信号；(b)分离1 mm时泄漏钻铤波信号; (c)分离2 mm时直达钻铤波信号; (d)分离2 mm时泄漏钻铤波信号. Figure 13 The time domain waveforms of LWD in separated model (a) The direct collar wave with 1 mm between source and receiver; (b) The leaked collar wave with 1 mm between source and receiver; (c) The direct collar wave with 2 mm between source and receiver; (d) The leaked collar wave with 2 mm between source and receiver.

图 14

Figure 14

图 14 不同模型直达钻铤波和泄漏钻铤波时域波形比较 声源/接收器未分离情况下直达钻铤波信号(a)和泄漏钻铤波信号(b); 声源/接收器分离情况下直达钻铤波信号(c)和泄漏钻铤波信号(d). Figure 14 The comparison of direct and leaked collar waves in different models The direct collar wave (a) and the leaked collar wave (b) with source and receiver connected; the direct collar wave (c) and the leaked collar wave (d) with source and receiver separated.

前文实验结果表明：与直达钻铤波相比，泄漏钻铤波的幅值偏小一些，本节将定量分析两者之间的差异，并进一步讨论截断模型下钻铤波的传播规律.依据图 15截断模型，利用水听器分别在圆管状钻铤内部和钻铤外表面进行实验测量，共记录13条曲线, 其中前4条曲线是在钻铤截断之前记录，当钻铤截断之后，我们继续沿着轴线方向记录9条曲线.

图 15

Figure 15

图 15 截断模型下随钻声波测井实验 Figure 15 The cut off model for acoustic LWD

为了明确全波中各波群代表意义，以及钻铤截断后对钻铤波的影响，我们将实验记录声波信号进行分段处理，将钻铤截断前记录的4条曲线绘制成图 16a和图 16c，取截断之后记录的6道曲线绘制成图 16b和图 16d.通过到时计算各波群的传播速度如图 16所示，结果表明：

图 16

Figure 16

图 16 截断模型下钻铤内外记录时域波形比较 (a)截断前钻铤内部记录1-4位置声波信号；(b)截断后钻铤内部记录8-13位置声波信号; (c)截断前钻铤外部记录1-4位置声波信号; (d)截断后钻铤外部记录8-13位置声波信号. Figure 16 The comparison of acoustic waves in cut off model (a) The acoustic waves of 1-4 positions received in the collar before cutting off; (b) The acoustic waves of 8-13 positions received in the collar after cutting off; (c) The acoustic wave of 1-4 positions received out of collar before cutting off; (d) The acoustic wave of 8-13 positions received out of collar after cutting off.

(1) 钻铤被截断之前，在钻铤内外均记录到了明显的钻铤波，包括图 16a中的直达钻铤波和图 16c中的泄漏钻铤波，这与前文实验结果一致.

(2) 当钻铤截断后，图 16b和图 16d中只有两个以流体声波速度传播的波群出现在时域波形中，并没有看到钻铤波信号.

图 17是13条曲线绘制在一起的波形，通过整体对比图 17a和图 17b波形可以看出，除了幅值不同之外，水听器在钻铤内外表面记录的时域波形非常相近，这说明直达钻铤波和泄漏钻铤波的传播形态是一致的(见图中a和a′波群).通过图 17波形还可以看出，图 16b和图 16d中第一个流体声波波群是在钻铤截断之后才出现，截断之前没有记录到该波群，而且前文2.1—2.3节不截断模型中也没有记录到该波群.这说明钻铤截断后记录到的第一个流体声波波群是因为钻铤截断而产生，此时直达钻铤波和泄漏钻铤波却同时消失.由此得出：金属钻铤是激发钻铤波，并保障其存在的前提，当钻铤截断后，钻铤波失去了继续传导的媒介，进而传播到截断位置后转化成流体声波波群(见图中b和b′波群).此外，图 17a和图 17b中第二个流体声波波群(c和c′波群)与前文中流体声波一致，这里不做过多描述.

图 17

Figure 17

图 17 截断模型下钻铤内外表面记录时域波形 (a)钻铤内部记录声波信号；(b)钻铤外部记录声波信号. Figure 17 The time domain waveforms of collar waves received in and out of the collar in cut off model (a) The acoustic wave received in the collar; (b) The acoustic wave received out of the collar.

另外，前文实验结果表明：在钻铤某一位置处直达钻铤波的幅度要比泄漏钻铤波幅度大得多，但由于这两种钻铤波是采用不同压电转换效率的换能器记录(压电片和水听器)，所以前文只定性说明了两者之间幅值的大小关系，并没有给出定量分析结果.因此，为了定量分析两者幅值的差异性，在截断模型实验中，钻铤内部的直达钻铤波和外表面的泄漏钻铤波均由BK水听器记录，这样便保证了接收换能器的转换效率一致，进而可对两种钻铤波的幅值特性进行定量分析.图 18给出了图 17中第一个位置处记录的直达钻铤波和泄漏钻铤波信号，其幅值分别为3.52 V和0.83 V, 这说明：泄漏钻铤波虽小，但其幅值仍与直达钻铤波处于同一量级(前者约为后者的1/4), 因此，泄漏钻铤波对纵横波测量的干扰是不可忽略的，这一结论验证了前人理论预测结果.

图 18

Figure 18

图 18 直达钻铤波(a)和泄漏钻铤波(b)幅值比较 Figure 18 The amplitude comparison of (a) the direct collar wave and (b) the leaked collar wave

因此，若要在现场随钻声波测井过程中提取到有效的地层声波信号，必须同时考虑直达钻铤波和泄漏钻铤波的影响.但由于对泄漏钻铤波的认识不足，使得现有措施都是围绕如何削弱直达钻铤波展开，忽略了泄漏钻铤波的影响.虽然削弱直达钻铤波会减少钻铤向外辐射的能量，间接削弱泄漏钻铤波，但这些措施无法从根本上消除泄漏钻铤波对纵横波测量的干扰.因此，需要提出新的测井仪器设计方案以满足同时削弱两种钻铤波的要求.在本文实验研究的启发下，我们提出一种随钻声波测井接收器的设计新方法，那就是将接收压电片布置在钻铤外表面，在钻铤和井壁之间的流体中记录随钻声波测井信号，这种设计可达到同时抑制两种钻铤波的效果.首先，处于钻铤外表面的压电片只能记录钻铤向外辐射的泄漏钻铤波，记录不到直达钻铤波信号，如本文图 9等结果，从而达到消除直达钻铤波的目的.其次，考虑到泄漏钻铤波沿轴向是按指数函数衰减(图 11)，那么在较远距离进行随钻测量则可大幅减弱泄漏钻铤波信号.重要的是该设计将能量最强的直达钻铤波信号完全消除，这是现有隔声及其他措施无法实现的, 从而有望实现对地层纵横波的准确测量.

本文在钻铤不刻槽情况下，进行了特殊井孔模型下的随钻声波测井实验，观测到了4种不同实验中直达钻铤波和泄漏钻铤波的时域波形，比较分析了两种钻铤波的传播特性，主要结论如下：

(1) 当声源和钻铤断开一定距离后，在钻铤内外表面依然能够记录到很强的钻铤波信号，但当钻铤被截断后，两种钻铤波同时消失，并在截断位置处转化成流体声波波群继续向前传播.

(2) 在钻铤外部观测到泄漏的钻铤波信号，分析了泄漏钻铤波沿着轴向和径向的传播规律，结果表明：随着距离的增大，沿这两个方向传播泄漏钻铤波的幅值逐渐减弱，并且均符合指数形式衰减规律.

(3) 直达钻铤波和泄漏钻铤波的波形和传播形态相近，但幅值相差较大，定量分析结果表明：泄漏钻铤波是直达钻铤波的1/4左右，因此，若要在现场随钻声波测井过程中提取有效的地层声波信号，必须同时考虑直达钻铤波和泄漏钻铤波的影响，泄漏钻铤波对地层纵横波测量的干扰是不可忽略的.

此外，基于本文实验结果，我们提出一种随钻声波测井仪器的设计方法，即将接收换能器布置到钻铤外表面的流体中，进行随钻声波测井测量.不过考虑到制造随钻测井仪器涉及的影响因素较多，如这种外置接收器的安全性如何保证等问题，上述思想能否得以实现还需仪器设计者进一步论证，希望本文工作对改进随钻声波测井仪器有帮助.