Page 126 - 《应用声学》2022年第3期

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化规律研究比较少，为此有必要对低频随钻四极子
0 引言 偏心声源激发波场的特性进行研究，有助于进一步
丰富完善随钻四极子波场理论及地层横波速度测
声波测井是获取地层纵波速度、横波速度和孔
量技术。
隙度的重要手段 [1] 。电缆测井中采用偶极横波测井
来测量低速地层的横波速度 [2−3] 。对于随钻声波测
1 低频随钻四极子声源激发波场的有限
井(Logging while drilling, LWD)而言，因钻铤占据
元模型
了井孔中的大部分空间，并且声波测量设备都固定
在钻铤上，原有的偶极横波测井理论已不适用随钻 利 用 多 物 理 场 耦 合 有 限 元 软 件 包 Comsol-
过程中低速地层横波速度的测量 [4−5] 。为解决这个 multiphysics 构建软地层井孔中低频随钻四极子
问题，国内外学者对随钻过程中低速地层横波速度 源激发波场的有限元模型如图 1 所示。图 1 中 T 为
的测量进行了理论探究，提出了采用低频随钻四极 声波发射换能器，它由 4 个圆心角为 90 的圆柱面
◦
子波测量低速地层的横波速度 [6−10] 。考虑到随钻 组成，发射单元分别记为 (T + , T − )，其中 T + 两个
声波测井仪器用于斜井或者水平井测量时，随钻声 单元、T − 两个单元相对放置，并且 T + 两个单元与
波测量仪器的偏心会对井孔中波场特性产生影响。 T − 两个单元施加反向激励信号，R 1 ∼ R 6 为接收
文献 [11–12] 利用有限差分法对含偏心点源随钻声 换能器阵列，间距为 0.1524 m，每组接收换能器 R i
波声波测井偶极子波场及随钻偏心单极子源波场 由 4 个圆心角为 90° 的圆柱面组成接收单元，并按
进行了研究 [13] ；文献[14] 给出了随钻单极子波场的 照一定的运算规则输出换能器 R i 的测井接收波
解析解，并对高速地层、低速地层的波场的频散特 形。发射、接收换能器都安装在钻铤上，钻铤内半
性进行了深入讨论；文献 [15] 讨论了水平井和大斜 径 r 0 = 0.027 m，外半径 r 1 = 0.089 m，井孔半径
度井中多极声波随钻测井的波场，并对低频四极子 r 2 = 0.12 m，地层外半径0.5 m，地层外表面为吸收
波源偏心角度与接收波形相位角之间的关系进行 边界。在发射换能器T 上加载余弦高斯激励脉冲信
了分析。但上述文献对随钻低频四极子偏心声源激 号，激励信号的主频为 2000 Hz，其时域波形及归一
发波场频散特性及各模式波幅度随偏心距离的变 化频谱如图2所示。
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图 1 圆形井孔四极子源波场计算的有限元模型示意图及井孔俯视图
Fig. 1 The profile view and vertical view of finite model

1.0 1.0
0.8
0.5
ॆʷӑࣨए 0 ॆʷӑࣨए 0.6
0.4
-0.5
0.2
-1.0 0
0 1 2 3 4 0 1000 2000 3000 4000
௑ᫎ/ms ᮠဋ/Hz
(a) ௑۫ฉॎ (b) ᮠ៨ڏ
图 2 激励波源时域波形及其频谱图
Fig. 2 Excitation source waveforms in time domain and normalized frequency spectrum