Page 134 - 《应用声学》2020年第5期

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0 引言
随钻测井技术可用于常规电缆测井无法适用
的大斜度井、水平井等复杂井况，而且 “边钻边测”
的工作模式可大幅节省海洋油气资源探测过程中
钻井平台占用所产生的高额成本，加之随钻测井技
术可实时测量未受泥浆污染的原始地层的信息，因
而在近年来得到了快速发展，并已在国内外得到广
泛的应用；随钻声波测井得到的地层参数信息可以
用来预测地层压力、判断井壁稳定性以及估计地层
孔隙压力等；在油气探测和评价过程中，随钻测井
技术相比于随钻中子和密度测井，测量孔隙度时更
安全环保，是近年来国内的一个研究热点。与电缆
测井相比，随钻声波测井中会有直接沿着钻铤传播
的钻铤波，钻铤波会严重干扰接收到的地层波信息，
因此，隔声体的设计是随钻声波测井的关键技术之
一 [1] 。它用于阻隔钻头在钻井过程中所产生的噪声
以及发射换能器工作时在钻铤中所产生的钻铤波。
国内外学者对随钻声波测井中的钻铤波传播
特性以及隔声体设计进行了很多研究工作。Tang
等 [2] 提出钻铤波在频率域中存在一个固有阻带，频
谱阻带的位置与钻铤的尺寸相关，但是这个固有
阻带的带宽比较小，难以满足测量地层波的需求。
Aron等 [3] 提出在声源发射器和接收器之间的钻铤
上进行刻槽来衰减直接在钻铤上传播的钻铤波，可
以拓宽隔声体的频率域的阻带。杨勇等
有限差分法对随钻声波测井隔声体的隔声效果进
行数值模拟，结果发现周期性交错排列的凹槽结构
的隔声体在测量地层纵波速度时具有较好的效果。
闫向宏等 [5] 利用二维有限元方法数值模拟研究了
周期性轴对称凹槽的尺寸和结构对隔声效果的影
响。刘彬等 [6] 对周期性非对称空槽结构隔声性能
进行数值模拟，给出了隔声效果与空槽结构尺寸的
关系。Su 等 [7] 提出了一种在钻铤上变径隔声技术。
Zheng 等 [8] 通过计算声场函数极点和支点的贡献
单独分析了钻铤波和纵波的激发强度，并指出在地
层的影响下钻铤波固有阻带将会消失。Wang 等
分析了钻铤波的参数对钻铤波的影响并提出波阻
抗大的材质制作的钻铤有利于实现钻铤波和地层
纵波的分离。Yang 等 [10] 利用有限差分模拟了不同
钻铤的随钻声场并通过对比表明钻铤波的一些传
播特性：(1) 内刻槽在一定频率范围内好于外刻槽；
(2) 干扰波不仅有直达的钻铤波，还有反射的钻铤
2020 年 9 月
波和转化的斯通利波等。Wang 等 [11] 创造性地提
出了广义钻铤波理论，该理论认为接收器接收到的
钻铤波包括两部分：一部分是直接沿着钻铤传播到
达的直接钻铤波，另一部分是由于井孔的作用而产
生的间接钻铤波。He 等 [12] 通过波场分离计算了两
种钻铤波的波形，揭示了两种钻铤波的传播机制。
Ji等 [13] 研究不同频率段钻铤波在径向的激发幅度，
表明高频 (17 kHz 以上) 时外刻槽要好于内刻槽，但
是并没有考虑均匀凹槽深度对结果的影响。
虽然很多学者通过理论和数值模拟结果揭示
了钻铤波的传播规律 [14] ，但是仍然还有部分问题
尚未解决或者还有部分争议的地方。He 等 [12] 和 Ji
等 [13] 的研究工作表明钻铤波径向位置激发幅度峰
值偏向内径，则说明内刻槽要好于外刻槽，实际上考
虑的只是凹槽深度为 2 cm 的情形。刻槽隔声体虽
然可以衰减钻铤波，同时也会产生幅度较大的散射
波，这些波同样会干扰后续的地层横波、伪瑞利波
以及斯通利波。所以也有必要研究散射波是怎么形
成的，以及不同隔声体刻槽的影响。
本文利用二维有限元数值模拟方法首先研究
了单个凹槽隔声体在无限大流体中的散射波，分析
了凹槽界面散射波的类型。然后研究了不同频率下
均匀内外刻槽衰减钻铤波的效果，同时考虑槽深的
变化对均匀内外刻槽效果的影响。最后研究了不同
刻槽结构对散射波的影响，对比分析了均匀凹槽和
[4] 利用三维 渐变凹槽后散射波对后续波的影响。
1 井孔模型和参数
随钻声波测井模型可以简化为如图1所示的柱
状径向分层结构。整个径向分层结构从内到外分别
是钻铤内部的内环流体、钻铤、钻铤外部的外环流
体以及地层，介质参数和尺寸如表1所示。本文以文
献 [15] 使用的二维柱坐标时域有限差分法 (Finite-
difference time-domain, FDTD)研究地层各向异性
的算法为基础，研究随钻情况下的井孔声场。由置
[9] 于钻铤外表面的单极子声源激发轴对称波场，声源
波形为余弦包络脉冲，具体表达式见文献 [16]。本
文有限差分计算模型的参数如下：径向 R 方向最大
为 0.75 m，轴向 Z 方向最大为 5.1 m。隔声体尺寸
如表 1 所示。R 方向和 Z 方向的采样空间间隔均为
0.002 m。声源与接收器的径向位置为0.09 m，接收
器阵列的轴向位置无特殊说明为 3.0 ∼ 4.0 m，相邻