随钻声波深探测技术中声源的研究进展
发布时间：2021-09-25
摘要：随钻声波深探测技术实现了钻井学、测井学、地质学、声学等学科的交叉融合，对提升测井作业效率和测井数据的实时性、可靠性起到了至关重要的作用，影响其深度和精度的关键因素包括声源类型、频率、性能。以单极子声源、偶极子声源、相控阵声源、冲激声源为例，分析其在声波深探测技术的工作机制，进而总结出各声源在声波深探测技术的不同应用场景中的适用性。单极子声源工作频率是10kHz左右，声源频率高、探测距离浅，只在特定情况下具有一定的方位识别能力;偶极子声源工作频率是2~5kHz，探测距离远，但方位具有180°不确定性;相控阵声源工作频率一般是14kHz左右，可以显著增强信号信噪比和分辨率，但在井下探测距离受到一定限制;冲激声源是一种能量大、频带宽、参数可控的声源，可较好地实现定向探测。随着智能甄别技术研究的不断发展，随钻声波深探测技术必将有更多可用于勘探的声源，声源的机制原理、性能提升等研究将逐步成熟。
关键词：声波深探测技术;随钻声波;单极子声源;偶极子声源;相控阵声源;冲激声源;180°不确定性
引言
随钻声波深探测技术(以下简称“声波深探测技术”)是一种先进的随钻测井技术[1]，它综合了多个学科，如钻井学、测井学、地质学、声学等[2]。声波深探测技术拥有钻井和测井同时进行的应用特点[3]，缩短了钻机在井场上作业的时间，提高了测井作业效率和测井数据的实时性、可靠性。即使在复杂的地质环境，如松软、高压地层中，声波深探测技术也可以在保证井眼完整性的前提下完成测井[4]。
当前，声波深探测技术经过不断发展，已经可以探测到井外几米甚至数十米距离外的地质特征[5]，就探测范围而言，兼顾了常规声波勘探和井中地震的优势[6]。声波深探测技术不仅可以探测井外异常体是否存在，还可以评价裂缝对井孔声场的影响[7]。声波深探测技术已经成为一种关键的随钻测井技术[8]。
本文立足于对国内外学者相关研究的回顾和理解，对单极子声源、偶极子声源、相控阵声源、冲激声源在声波深探测技术中的工作机制进行分析;进而总结出各声源在声波深探测技术的不同应用场景中的适用性。
1单极子声源
声波深探测技术也存在一些尚待解决的问题。由于钻铤占据了大部分井眼空间，因此在钻井过程中产生的噪音等因素较大程度上制约了测井的准确性和可靠性[9]。因此，传统电缆声波测井的方法或结论在声波深探测技术中不一定适用或成立。此外，声源类型、幅度、频率不同，探测深度和探测精度也不尽相同。声波深探测仪器中应用的声源主要包括单极子声源、偶极子声源、相控阵声源、冲激声源等。对基础声源进行组合还可以得到新的声源，如四极子声源和偏心点声源等。
其中，单极子声源是半径远比声波波长小的脉动球源，如图1所示。单极子声源主要应用于探测井外的地质构造体[10]。
单极子声源深探测技术已基本成熟，主要代表仪器是斯伦贝谢在1998年提出的BARS[11]。但是，该仪器仅能判断反射体和井孔之间的距离，无法确定反射体所在的具体方位。1989年，Hornby在理论分析的基础上，使用f-k滤波和逆映射成像方法对模拟数据和测量数据进行了处理和解释，表明在单极子纵波成像源距固定的情况下，信噪比和探测深度受到了很大的限制[12]。1998年，Esmersoy等对源距和波形的关系进行了分析，并且在DSI(偶极子声波成像仪)的基础上进行了改进仪器的研制[13]。2002年，薛梅等提出深探测声波反射波测井仪器的总体设计方案，其采用单极子声源发射，理论分析其探测范围达到10~15m[14]。2009年，柴细元等以4kV的窄脉冲激发单极子声源，以谐振频率较低的探头作为接收器，模拟探测到的井外7~10m的反射体[15]。2005年，何峰江和陶果等对由单极子声源发射的声波进行了大量的研究工作，主要涉及波场的模拟、仪器的设计以及数据的处理等[16-17]。在此基础上，同年，陶果等研制出了新型深探测声波反射波测井仪器。2005年，贝克休斯通过XMAC(交叉偶极子阵列声波测井仪)，对单极子反射纵波处理和成像技术进行了研究，并将其应用于各向异性地层和斜井中[18-19]。2008年，麻省理工学院和CREWES项目团队对实验室合成树脂缩尺模型中单极子声源激发的波形进行了全波采集，分析了纵波和横波的传播特性，并使用已有的地震波处理软件对DSI测量数据进行了深探测处理[20]。2016年，Li等对成像方法进行了探索[21]。2019年，王军等研究了如何在钻铤不刻槽的情况下，利用去除能量的方法有效地减弱了钻铤波的幅度，实现了单极子声源对纵波速度的精准测量[22]。这些工作为单极子声源深探测技术奠定了基础。
单极子声源的工作频率处于10kHz左右[23]，频率过高，在地层中衰减较快。单极子声源深探测技术采用的仪器结构简单、研发容易、可以确定井周反射体位置，但不具有方位识别能力，不能精准确定反射体相对于井孔的方位。当单极子声源用于软地层环境下的声波深探测技术时，不能得到地层的横波信息。目前，已有学者从一定程度上解决了上述问题，即发射源采用单极子声源，接收端设置为方位阵列，此时进行深探测反射成像，既可以确定反射体的位置，又可以得到反射体的方位。单极子声源深探测技术目前在电缆声波测井中应用广泛，但在随钻声波测井中的应用还有很长的探究之路要走。
2偶极子声源
偶极子声源可以看作是相位相反且分布相隔180°的两个点声源的组合，如图2所示。进一步地，四极子声源可以看作是交叉对称排列的四个点声源的组合，如图3所示。在软地层中，地层横波的波速比偶极子模式波略高，却近似接近于四极子模式波[24]。如果单极子、偶极子以及四极子声源进一步组合，那么就形成了偏心点声源，如图4所示。在井孔中激发偏心点声源，就可以一次性获得三种模式波，即单极子模式波、偶极子模式波以及四极子模式波[25]，并且可以利用这些波的各阶模式对地层纵横波速度进行计算。
在地质评价中，反射体方位信息占据着很重要的位置。在油气资源开采中，明确反射体方位信息对了解裂缝发育情况是非常有利的。在空间分布上，单极子声源产生的声场是均匀分布的，无方向指向性。2004年，唐晓明研究团队将偶极子声源应用于声波深探测技术中，提出了将偶极子声源辐射的偶极子横波用于成像测井中[26-29]。
偶极子横波深探测技术就是利用偶极子声源所辐射的近似于横波的偶极子模式波对地质构造进行探测的。2009年，通过使用四分量偶极数据，Tang(即唐晓明)等实现了井旁裂缝精细构造的成像[30]。2014年，曹景记等研究了在套管井环境下利用偶极子声源进行反射横波深探测的可行性，为偶极子横波深探测技术奠定了理论基础[31]。2017年，唐晓明等使用四分量偶极子声波测井数据和偶极子横波深探测技术对井外反射体进行了成像处理，其结果对页岩气环境下使用水平井测量声波测井数据提供了可行性依据[32]。2019年，唐晓明等验证了套管井中偶极子横波深探测方法的可行性和可靠性[33]。2020年，李思亦等利用偶极子横波深探测成像对裂缝的流体疏导性能进行了有效的评价[34]。除此之外，唐晓明研究团队还对偶极子声源深探测技术的物理实验、成像方法、数据处理与解释等方面做了大量的研究，在此不再赘述。
偶极子声源的工作频率一般是2~5kHz[35]，频率较低，但探测范围较远。采用交叉偶极子声源，不仅可以判断出反射体的位置，还可以判断出反射体的方位。偶极子声源也有不可避免的劣势，如偶极子声源在方位上具有180°不确定性[36]，即使用偶极子声源得到的反射体方位可能与真实方位相差180°，并且方位分辨率不高。与SV型横波相比，SH型横波辐射覆盖面和反射灵敏度更优，对偶极子横波成像有着很好的效果。
3相控阵声源
相控阵声源是将多个声源按照一定的规律排列，并在不同的时刻激发的声源组合。当这些声源在介质中传播时，它们会产生具有相位差的声波。
既然单极子声源的辐射能量比较均匀，无法评价地层的非均质性，而偶极子声源方位分辨率又有一定的限制，为了使这些问题得到解决，乔文孝研究团队提出了相控圆弧阵技术。相控圆弧阵声源将多个单极子声源组合起来，易于控制声源的指向性[37-40]。通过对每个单极子发射声波的时刻进行控制，形成时间差，让辐射声场向某一方位集中辐射，从而优化信号信噪比和分辨率。乔文孝将线性相控阵声源用于裸眼井中取得了良好的效果。陈雪莲首次将线性相控阵声源用于套管井中，调整发射器辐射能量方向，从而提高了模式波的强度。2018年，吴嘉宝对“相控阵声源应如何应用在随钻声波测井中”[41]这一问题进行了深入思考。
相控阵声源的工作频率是14kHz左右[42]，优势在于可以确定反射体的位置和方位，实现全覆盖探测。对相控阵声源进行参数优化，可以实现定向发射，提高方位分辨率。但是，目前相控阵声源的理论方法和处理手段还不成熟。此外，由于井下空间有限，相控阵声源的发射功率很小，探测距离受到限制。
4冲激声源
冲激声源是通过高功率脉冲电源实现水中电极间隙瞬时放电的声源，主要通过储能电容的高压脉冲放电，将电能转换为声能[43]。储能电容放电一般有电弧放电和电晕放电两种形式[44]。其中，电弧放电产生的声脉冲压力幅值相比电晕放电更高[45]，但是在介质的击穿时间上，电晕放电也有不可忽视的弱点——随机性，使得电晕放电很难准确控制声波相位[46]。因此，电弧放电使用更普遍。电弧放电基于尤金(Yutin)所提出的液电效应原理，其过程一般分为先导形成、预击穿、剧烈放电和球形气泡膨胀四步。液电效应原理如图5所示，电容C经过开关S和电极间隙G放电时，电极表面的局部电场增强会在高压作用下发生，而在电极间隙G附近的水分子会因高温产生气化，不断发生电离。电极表面在平均场强为200kV/cm时出现须状流注[47]，此时称为放电先导，而因水分子会持续气化和电离，已存在的须状先导会缓慢延伸到另一个电极。预击穿是使电弧附近的水介质长期处于高温气化的过程。接下来，通过剧烈放电和气泡膨胀，会产生压力冲激波，此时的冲激波具有一定的幅度[48]。
结合声波深探测技术实际，为了提高钻井成功率，主要关注两个问题：一是近钻头处的信息如何传输到地面;二是井下钻进方位和速度该如何实时控制。由于在随钻声波传输时，常规声源不能实现远距离传输，因此使用冲激声源具有显而易见的优势：如较大的发射功率可以使信息传输更远，重复激发冲激声源可以很容易控制重复频率等。
冲激声源是一项新兴技术，冲激声源产生的脉冲声压级比传统声源大得多，且具有尺寸小、强度大、频带宽、参数可控等特点，除了用于声波深探测技术外，还广泛应用在污水处理、海上勘探、医学碎石等[49]。此外，冲激声源可通过定向辐射技术实现冲激波聚焦，从而形成能量集中的定向声能[50]，是如今水下作业的前沿技术。
5结论和展望
本文立足于对国内外学者相关研究的回顾和理解，对单极子声源、偶极子声源、相控阵声源、冲激声源在声波深探测技术中的工作机制进行了分析，进而总结了各声源在声波深探测技术的不同应用场景中的适用性。单极子声源深探测技术采用的仪器结构简单、开发容易，声源频率高、探测距离浅;偶极子横波深探测技术可以采集得到可靠的横波波速，但具有180°不确定性，且在不同方位上分辨率不同;相控阵声源可以定向发射，方位分辨率高，但受到井下空间限制，影响了探测长度和精度;冲激声源是一种具有大能量、宽频带、参数可控等特点的新型声源，满足定向探测功能。
如今，国内外声波深探测技术已经取得了实质性的进展，结合随钻声波测井技术，其已经成为油气勘探开发以及储量评价等方面必不可少的工具。随着油气勘探研究的不断深化发展，在声波深探测技术中必将探索出更多类型的声源，声源的机制、性能研究也将越来越成熟。——论文作者：高静，尚海燕，王莹，刘豪
相关期刊推荐：《核电子学与探测技术》刊登核仪器、核电子学、核探测器与测试技术方面的研究成果和论文。读者对象为核电子学、核探测技术方面的研究人员及大专院校师生。设有：综述、研究简报、科技消息等栏目。
