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。车小花[7]，苏远大[8]等人对隔声体设计的隔声效果和机械强度分析进行了数值模拟和实验。此外，唐小明，乔文孝，王海澜等人在随钻声波测井基础理论研究方面做了许多有益的探索。

2随钻声波测井仪工作原理和技术性能

目前国际上主要的随钻声波测井仪有贝克休斯的APX，哈里伯顿的CLSS和斯伦贝谢的sonicVISION。以贝克休斯的APX测井仪为例，介绍一下仪器工作原理和结构。

APX测井仪的结构如下图1所示。从右到左由上部短节，声源电子线路部分，全向声源，声波隔离器，接收器阵列，接收器电子线路部分，下部短节等组成，全长9.82m （32.3ft），其中声波测量点到底部短节的距离为 2.83m（9.3ft），最短源距为 3.26m （10.7ft）。

其工作原理为：位于钻铤上部的声源发射器以最佳频率向井眼周围地层发射声能脉冲，在沿井壁及周围地层向下传播的过程中被阵列接收器接收到首播信号，接收信号后，系统首先用先进的嵌入式技术，将接收到的声波模拟信号转换成数字信号，并采用有限元等方法将数字信号转换为声波时差（data）值。最后将原始声波波形数据和预处理的声波波形数据存储在精心设计的高速存储器内或者以实时方式通过钻井液脉冲遥测技术传输到地面[9]。

该仪器的主要技术性能介绍如下：

（1）全向发射器该仪器使用一组圆柱形压电晶体，对井眼和周围地层提供360°的覆盖，其声源可以在10-18000Hz频率范围内调频，并可以以单极子和偶极子发射（2）全向接收器阵列6乘4接收器阵列，间距为228.4mm。接收器阵列与声源排成一条直线，以实现径向多极子声源激发。

（3）隔声带避免声波从仪器的发射器直接向接收器传播。APX的隔声带设计为3m，其有多频调节的功能，信号隔声能力可达-40dB，隔声效果极好。

（4）接收器该仪器的声源具有优化发射频率功能，其接收器有几个比仪器本身低很多的波段，可以显著减少接收器和钻杆连接的干扰。在关掉发射源的情况下，该仪器测到的信号主要是低于5kHz的PDC钻头噪声。

（5）用于噪声探测的加速度计在接收器上安装了3个加速度计，用来捕捉钻井液流动和钻进时钻柱振动产生的噪声，然后通过优化滤波技术提取地层新号

（6）四极子波技术首次采用四极子波发射技术，同时兼容单极子和偶极子的信号发射与接收。这种多组合发射器使仪器对不同地层，采用不同的测量模式，有更好的实用性[10]。

下表1[10]将国外主要的三大随钻仪器的性能做了对比。从表中，我们可以看出，斯伦贝谢的sonicVISION和贝克休斯的APX仪器功能非常类似，二者又优于哈里伯顿的CLSS 仪器。

3发展随钻声波测井的关键技术和现有解决方法及问题

王国平[11]统计了90年代以来随钻声波测井技术专利数据，指出随钻声波测井技术目前正处于发展成熟期，技术创新活动主要集中在压电元件改进及材料研究，声波换能器及声系改进，隔声体结构设计及材料研究，井下波形处理及数据采集处理方法等方面。而这几点，也这是目前发展随钻测井的关键和难点所在。

3.1 随钻测井基本理论研究

由于钻铤的存在占用了井眼的大部分空间，恶劣的钻井环境等因素严重影响声波的传播特征，因而不能将常规电缆测井的方法和结论直接应用到随钻声波测井上。目前研究表明：在快地层纵波测量中，钻杆波起致命的干扰作用，通过设计隔声体可以解决；在慢底层纵波测量中，有可能能利用漏能P波计算地层纵波速度；偶极子技术在随钻测井中由于钻杆的存在而受限；四极子随钻声波测量时，低频段不存在沿钻杆传的钻杆波[1]。此外，还需要确定最佳的源距，发射频率等参数。这样一系列的研究是研制随钻测量系统的关键，仪器研发的先导。

3.2随钻声波测井中降噪方法和隔声体设计研究

随钻测井中，对采集到的声波信号产生影响的噪声源主要有两大类：一个是井下钻井环境产生的噪声，另一个是电子器件产生的电子噪声。由于两种噪声产生的机制不同，其对应的降噪方法也不同。针对电子噪声，鞠晓东等人提出了一种基于V系统的声波信号数据降噪算法，该算法通过对声波信号进行V系统变换，然后将高频成分消除，反变换后得到降噪后的声波信号[3]。

在钻井环境中，钻头，井底钻具组合，井内流动的泥浆都是噪声源，其中钻杆波对单极子和偶极子的测量影响巨大。这些噪声在相干性、能量、延迟、频率、衰减特征等方面表现出独特的特性。这类噪声可以有两种方法进行降噪：一种是利用在仪器上设计隔声体进行降噪；另一种是利用电子线路构成带通滤波器进行降噪。后一种降噪的原理是基于钻井噪声的主要成分都是低频的，在1~4kHz范围内，若使用5~25 kHz的带通滤波器，则可以去掉环境噪声[3]。而实际仪器设计中，更多的是从设计隔声体角度进行降噪，以此来消除钻杆波对纵波的覆盖。

隔声体的设计一般由两种方式，其一是在传感器和钻杆之间设置隔声体，将地层波和仪器波解耦；其二是在发射器和接受器之间设置隔声体来衰减钻杆波的幅度，或改变钻杆波的幅度和传播路径。对隔声体设计的研究，国内外都做了大量的工作。在国外，Aron（1994年），Leggett（2001年）等人先后用在传感器旁放隔声装置和周期性刻槽的方法，将钻杆波衰减到15-60dB[1]。在国内，苏远大等人通过有限元数值计算，指出凹槽槽深、过渡弧半径、凹槽圆心角对隔声体的机械强度影响最大，必要选择合适的凹槽参数，既满足钻井工程对强度的要求，又满足隔声体对钻杆波的隔声效果[9]。车小花等人也通过有限差分法得出，周期性交错排列的凹槽结构的隔声体在测量地层纵波时有良好的效果[8]。

3.3随钻声波测井中的数据存储，压缩和传输

随钻声波测井数据量大,同时需要兼顾分辨率和实时性，这就给数据的传输和存储带来了巨大的挑战。按照测量信息传输载体的差异，随钻数据传输可分为以下五种：泥浆脉冲传输技术、电磁传输技术、智能钻杆传输技术、光纤传输和声波传输技术。各种数据传输技术性能上的主要区别表现在数据传输速率和地面与井下的双向通信能力。其中，泥浆脉冲传输技术是目前随钻过程中普遍采用的一种数据传输方式，其最高传输速率只能达到4～10 bit/ｓ，在一定程度上满足了实时数据传输的需要。智能钻杆传输随钻测量数据的理论传输速率高达2 M bits/s。光纤遥测技术能以大约每秒 1Mbit/s 的速率传送数据[。

过低的泥浆脉冲遥传数据率的一个不利影响是降低了钻井作业进度，增加了作业费用。所以有必要在这方面作出改进。要提高随钻声波测井的数据传输质量和效率，国内外从研究新的传输载体和减少传输量两个方面作出了巨大的努力。其中，国外对这两方面的改进已经

取得重大进展。他们把需要实时处理的声波信息通过泥浆脉冲遥传到地面，而把大量处理结果和原始波形数据先暂时存储在高效存储器中，这样就减少了传输量。与此同时，他们不断致力于研究光纤，智能钻杆等载体，以期提高随钻声波测井数据的传输速率。在国内，肖红兵等人(2009年)采用NAND FLASH 芯片作为非易失数据存储,通过对NAND FLASH接口电路和存储程序的合理设计,实现了随钻声波测井的数据存储功能[4]。李传伟等人（2008年）在分析随钻声波测井信号特征的基础上,建立了基线和波形相结合的分段压缩模型,提出了预测编码与小波变换相结合的波列数据实时在线压缩算法，解决了随钻测井数据传输率低对随钻声波推广的瓶颈,具有广阔的应用前景[5]。另外，闫向宏等（2010年）对随钻数据声波传输技术进行了数值模拟，取得一定结果。

3.4随钻声波供电电源和换能器的研究

国外随钻测井仪器一般采用泥浆发电机和高温锂(Li)电池供电，由于技术原因，目前国内随钻测井仪器仍然采用高温锂电池供电，一般采用多节锂电池串联组成电池短节。由于安装空间限制，电池短节不能做得太长，因此其能量有限，持续供电时间短，无法满足实际钻井需要[7]。鞠晓东等人（2009年）提出，在保证地层分辨率的前提下，随钻声波测井仪可以采用间歇工作方式，这样就能够降低系统的平均功耗，大幅度提高电源的工作寿命，并实现了供电电源的控制，保证了仪器能够根据测量需要可靠地开启和关断。

由于随钻测井是在钻进过程中进行测井的，钻杆的剧烈震动，井壁的摩擦等恶劣环境要求换能器要有良好的机械性能。另外，钻遇地层的复杂性和不确定性，使换能器随时要经受高温高压的考验，因此仪器必须要有良好的稳定性。换能器的发展是制约随钻测井向更深度发展的重要因素。

4随钻声波测井的应用

随钻声波测井仪和常规电缆测井仪的工作原理大致相同，只是在地层蚀变前进行的实时测井，能得到更加准确的和实时的t 值。随钻声波测井的信息主要用于：地层孔隙度的计算，地震资料时深转换与合成地震记录，岩石机械特性分析，岩性识别，气层识别，与常规测井资料做相关分析对比等[12]。

随钻声波测井与其他随钻方法相比，最特别之处在于可以较准确地预测超压地层和进行岩石机械特性分析。随钻声波测井和地震相结合，通过将合成地震记录与地面地震道资料进行相关处理，根据计算得到的钻头相对地震标准层和反射层的空间位置，准确定位地层压力异常的存在。这样工程师们可以提前确定最佳泥浆比重窗口，不仅提高钻井效率和钻井安全系数，而且有可能把套管下到最佳深度处，提高油井产量[13]。而进行岩石机械特性分析，一方面有助于安全钻井和钻井方法的最优化，另一方面可以与油井生产时的测井数据做相关分析，判断出砂程度及压裂效果等。

5随钻声波测井发展展望

随钻测井相对于常规电缆测井的优越性日益得到体现，大力发展随钻测井已成共识。可以预见，随钻声波测井未来的发展趋势如下：

（1）对钻井环境下声波仪器波场特征和探测系响应进行数值仿真模拟及物理实验研究，寻找最佳测量条件和最佳测量模式是关键[1]。

（2）进行随钻声波测井高效隔声体和换能器，稳定性好的声系材料等方面的研究。（3）探索新载体和新方法，以提高随钻声波数据的实时传输速率，同时加大对井下波形数据的处理量，减少需要实时传输的数据。

（4）仪器近钻头化设计，耐高温和耐高压特性的不断提高。

（5）随钻声波测井配套处理解释软件的开发

（6）与随钻地震和其他随钻仪器的组合使用更加科学。

1王华，陶果，张绪健. 随钻声波测井研究进展[J].测井技术,2009,33（3）:197-203.

2张辛耘，王敬农，郭彦军随钻测井技术进展与发展趋势[J].测井技术，2006,30（1）：11-15.

3肖红兵，鞠晓东，乔文孝等. V系统在随钻声波测井数据降噪中的作用[J].中国石油大学学报，2009,33（2）：58-63.

4肖红兵，鞠晓东，杨锦舟。随钻声波测井数据存储技术研究【J】.科学技术与工程，2009,9（11）：3065-3068.

5李传伟，穆德俊，李安宗等。随钻声波测井实时数据压缩算法[J]。西南石油大学学报，2008,30（5）：81-84.

6闫向宏。随钻测井声波传输特性数值模拟研究(博士学位论文)。中国石油大学(华东)，2010。

7肖红兵，鞠晓东，杨锦舟。随钻测井高效电源设计【J】。声学技术，2009,28（5）：620-623. 8杨勇，车小花，李俊等，基于时域有限差分法的随钻声波测井仪隔声体隔声效果的数值模拟[J]。中国石油大学学报，2009,33（3）：66-70.

9苏远大，毕新帅，闫向宏等。基于ANSYS的随钻声波测井隔声体强度分析[J]。科学技术与工程，2011,11（15）:3404-3406.

10林楠，王敬萌，亢武臣等。最新随钻声波测井仪的技术性能与应用实例[J]。石油钻探技术，2006,34（4）：73-76.

11王国平。随钻声波测井技术专利分析[J].石油仪器，2010,24（4）：1-3；

12牛林林，张小兵，李海龙等。随钻测井的现状与展望[J].国外测井技术。2008,168:7-12.

13 Jeff Alford,Jay Cooke,Ron Thoma等，随钻声波测井新技术，国外测井技术，2007,22（1）：53-60