Page 113 - 《应用声学》2021年第5期

第 40 卷 第 5 期 季运佳等： 钻具遇卡声波检测理论与实验研究 757

5 ft 5 ft
5 ft
1000 kg/m 3 1000 m/s 0 m/s
1500 kg/m 3 1500 m/s 200 m/s
2000 kg/m 3 2000 m/s 500 m/s
3 ft
3 ft 3 ft

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
௑ᫎ/ms ௑ᫎ/ms ௑ᫎ/ms
(a) ጫഷฉᤴएᄱՏ ˀՏࠛए (b) ࠛएˁഷฉᤴएᄱՏ ˀՏጫฉᤴए (c) ࠛएˁጫฉᤴएᄱՏ ˀՏഷฉᤴए
图 3 不同卡钻介质参数下记录的钻铤波信号
Fig. 3 Recorded collar waves with different parameters of the stuck material
地层用红色桶中的固结水泥来代替，钻具外环空间
2 实验验证
加入水来模拟钻具自由状态，加入干沙和湿沙模拟

下面建立实际模型并进行实验，验证以上理论 钻具遇卡状态。示波器中从上到下分别显示了 R1、
模拟结果。图 4(a) 展示了建立的实验模型及装置， R2、R3 接收的 3 道波形，可明显看到其到时逐渐延
实验中使用的是单发三收声系，声源主频为20 kHz。 迟且幅度降低。为更清晰地理解此模型，图4(b) 对
3 个接收器按照源距由近及远分别为 R1、R2、R3。 实验模型抽象化并显示成二维示意图的形式，各长
声系置于加满水的钢管内，并使用扶正器使其居中。 度参数均标注在图中。

r
r 
r 
R1 R2 R3 r 
r 
r 
ܦູ ʼ˔ଌஆ٨
T
ᨛ
Ѧ஝ ᨛ Ц r  =53.5 mm
ԧၷ٨ ᇨฉ٨ 325 mm ᨿ ܱ r =59.5 mm
ᨛЦ ฉ ̮ r =115.5 mm
R1 ᠏ r =116.5 mm
152.4 mm
r =286.5 mm
R2
̌ߘ ᇨฉ٨ʼ˔ଌஆฉॎ௭ᇨ 152.4 mm
R3
ڡࡏ
z
(a) ࠄᰎവیԣᜉᎶ (b) ࠄᰎവیእӑᄊ̄፥ᇨਓڏ
图 4 实验模型、装置及简化二维示意图
Fig. 4 Experiment model

为更清晰地显示幅度变化和衰减情况，这里仅 时，两个接收器幅度差最大；其次为干沙情况，自由
使用 R1 和 R3 两个接收器，间距为 30.48 cm。图 5 钻具时幅度差异最小。
分别给出了钢管 (钻具) 外为水、干沙和湿沙 3 种介 以上实验结果表明相对于自由钻具，遇卡钻具
质时两接收器记录的钻铤波信号。计算的衰减率同 的钻铤波衰减更为明显，可以此来判断钻具是否遇
样置于每个子图的左下方。对比钻具外不同介质情 卡及遇卡深度，因此本实验验证了上述理论模拟结
况下的衰减率可以看到，钻具外为干沙和湿沙时的 果的正确性。实际计算过程中，窗长的选取影响计
衰减率明显大于钻具外为水的情况，且湿沙卡钻的 算的衰减率，合理的选择窗长有利于扩大钻具自由
衰减率要大于干沙卡钻的衰减率。通过对图 5 中窗 和遇卡的计算衰减差异，从而更清晰地识别钻具遇
长为 60 µs 内的波形做傅里叶变换可以得到其幅度 卡事故。图7 给出了钻具外为水、干沙和湿沙时，选
谱，如图 6 所示。从图 6 中可以看出，钻具外为湿沙 取的窗长从 60 µs 到 110 µs 对应的衰减率，并绘制