丁浩然， 崔志文， 呂偉國， 劉金霞， 王克協(xié)

吉林大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)與微波物理系， 長春 130000

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雙聲源激發(fā)隨鉆測(cè)井聲電耦合波理論模擬

丁浩然， 崔志文， 呂偉國， 劉金霞*， 王克協(xié)

吉林大學(xué)物理學(xué)院聲學(xué)與微波物理系， 長春 130000

隨鉆單極源聲波測(cè)井中，由于鉆鋌模式波的干擾而使地層縱波速度的測(cè)量變得困難.孔隙地層的聲電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)給我們提供了通過測(cè)量轉(zhuǎn)換電信號(hào)實(shí)現(xiàn)聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的可能性.針對(duì)隨鉆聲電測(cè)井，采用Pride聲電耦合方程組描述井外孔隙地層的聲電耦合波場(chǎng)，考慮隨鉆環(huán)境條件下的邊界條件，采用實(shí)軸積分法計(jì)算出了隨鉆聲電測(cè)井瞬態(tài)響應(yīng)的波場(chǎng).計(jì)算結(jié)果表明，聲電轉(zhuǎn)換比與電纜聲電測(cè)井量級(jí)相同，也說明隨鉆環(huán)境下聲電效應(yīng)是可應(yīng)用的.但是，從得到的電場(chǎng)波形圖中可以觀察到，鉆鋌模式波成分雖有壓制，但仍然存在.為了削弱鉆鋌模式波，鑒于鉆鋌的聲波速度已知，我們嘗試?yán)秒p發(fā)射源測(cè)井方法，通過控制源間距及合適的發(fā)射延遲時(shí)間對(duì)鉆鋌模式波進(jìn)行進(jìn)一步壓制.結(jié)果表明，采用雙源后的井內(nèi)轉(zhuǎn)換聲場(chǎng)和電場(chǎng)波形中，鉆鋌模式波被有效地抑制，殘余鉆鋌波的相對(duì)振幅明顯減小，壓制效果在電場(chǎng)波形中尤為明顯，地層波的信噪比顯著增強(qiáng)，有利于地層縱波速度的提取.

隨鉆聲波； 聲電耦合； 雙源激勵(lì)； 鉆鋌模式

1 引言

隨鉆測(cè)井技術(shù)(logging while drilling technique，簡(jiǎn)稱LWD)已經(jīng)在商業(yè)性油汽開采中得到廣泛應(yīng)用，是測(cè)井和鉆井領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，尤其在近海鉆井平臺(tái)上展示了很好的應(yīng)用前景(Bargach et al., 2000).隨鉆測(cè)井摒棄了傳統(tǒng)電纜測(cè)井技術(shù)的諸多不利因素，擁有井眼條件良好，泥漿侵入少，在鉆井的同時(shí)獲取地層信息，測(cè)量的地層信息與真實(shí)值非常接近等優(yōu)點(diǎn)，通過該地層信息可以及時(shí)調(diào)整鉆井方向使其能更好地到達(dá)儲(chǔ)層，極大地提高了勘探效率，降低了成本.

市場(chǎng)上有很多LWD儀器已經(jīng)在進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用，然而，由于鉆桿占據(jù)了井內(nèi)較大一部分空間，嚴(yán)重影響了聲波傳播特征(唐曉明和鄭傳漢，2004)，因此，隨鉆測(cè)井還有一些技術(shù)性問題函需解決.對(duì)于裝置在鉆鋌上的隨鉆單極子聲波測(cè)井儀器來說，當(dāng)聲源發(fā)出的聲波通過鉆鋌返回到接收器的過程中，全波波形中有明顯的鉆鋌模式波，這種鉆鋌模式波具有較強(qiáng)的振幅并有很強(qiáng)的持久性，它覆蓋了部分地層信息(Tang et al.，2002；崔志文，2004; 蘇遠(yuǎn)大等，2011；王兵等，2012).楊玉峰等(2016)通過有限差分模擬指出，鉆鋌模式波是一種導(dǎo)波，他不僅在鉆鋌內(nèi)傳播，也在地層和井孔中傳播，即使截去鉆鋌的一段，鉆鋌波信號(hào)仍然會(huì)出現(xiàn)在地層中，并可到達(dá)位于鉆鋌表面的接收器.聲波信號(hào)采集量化時(shí)電路的增益將被較大幅度的鉆鋌模式波所控制，這樣采集的地層聲波信號(hào)的信噪比較低，鉆鋌模式波的出現(xiàn)使得通過隨鉆信號(hào)拾取地層縱波和橫波變得異常困難，必須采用隔聲技術(shù)削弱鉆鋌波的影響.目前市場(chǎng)上商業(yè)化應(yīng)用的隨鉆聲波測(cè)井儀均是采用在鉆鋌上刻槽的方法達(dá)到隔聲效果，如威德福、哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝.盡管其刻槽方式各不相同，但均是以犧牲鉆鋌強(qiáng)度和硬度為代價(jià).

由于開槽給鉆桿帶來的不良影響，迫切需要一種技術(shù)在不影響鉆鋌強(qiáng)度的前提下，最大化地減小鉆鋌模式波，提高信噪比.Zhan等(2005)提出基于震電效應(yīng)原理的隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)來解決鉆鋌的隔聲問題.王華等(2009)提出在信號(hào)處理環(huán)節(jié)將鉆鋌模式波濾除的方法.唐曉明等(2012)、Su等(2012)提出了在鉆鋌上變徑隔聲的隨鉆聲波測(cè)井方法，主要是將鉆鋌中的拉伸波的阻帶現(xiàn)象進(jìn)行拓展，這種隔聲方式降低了對(duì)鉆鋌強(qiáng)度的破壞.Zhu等(2012)在隨鉆測(cè)井的環(huán)境下間接從震電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)中提取地層P、S波速度.鄭曉波等(2014)在不刻槽條件下，先計(jì)算隨鉆測(cè)井聲場(chǎng)，再計(jì)算低頻極限下聲波引起的電磁場(chǎng)，考察了利用動(dòng)電效應(yīng)獲得地層縱橫波速度的可行性，發(fā)現(xiàn)隨鉆聲誘導(dǎo)徑向電場(chǎng)中存在鉆鋌模式波，但其相對(duì)幅度小于隨鉆聲場(chǎng)中鉆鋌模式波的相對(duì)幅度.Zheng 等(2014，2015)進(jìn)一步考察實(shí)際測(cè)井頻率下隨鉆聲波引起的電場(chǎng)，結(jié)果表明軸向電場(chǎng)波形中也存在鉆鋌模式波.張博等(2016)提出一種雙源反向激勵(lì)方法，對(duì)鉆鋌模式波的抑制有明顯效果.

綜上所述，聲電效應(yīng)、刻槽、雙源這三種手段都能在一定程度上降低鉆鋌模式波，人們希望并一直在不斷地努力尋找能夠有效消除鉆鋌模式波影響的方法或手段.因此，我們?cè)陔S鉆聲電效應(yīng)測(cè)井技術(shù)中，通過運(yùn)用雙源激勵(lì)方法(張海瀾等，2004；張博等,2016)，在數(shù)據(jù)采集過程中對(duì)電信號(hào)里存在的鉆鋌模式波進(jìn)行壓制，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高地層波的信噪比.

2 基本原理

為研究隨鉆環(huán)境下波場(chǎng)，建立柱狀徑向分層結(jié)構(gòu)的隨鉆聲波導(dǎo)物理模型.徑向上最內(nèi)層為鉆鋌內(nèi)流體(泥漿)，然后依次為有足夠強(qiáng)度的鉆鋌(鋼制的厚壁圓管)、井內(nèi)流體(泥漿)、井外孔隙地層.我們將較厚的鋼制鉆鋌看作為質(zhì)地均勻的彈性固體，并假設(shè)地層是各向同性介質(zhì).環(huán)狀聲源鑲嵌在鉆鋌的外邊緣.表1給出了鉆鋌內(nèi)流體、鉆鋌、井內(nèi)流體的相關(guān)參數(shù).

本文采用鉆鋌邊沿上局部有一定高度的環(huán)狀曳力源，聲波隨鉆測(cè)井儀鉆鋌上的聲源的數(shù)學(xué)描述可以參考文獻(xiàn)(Tang et al.，2002；崔志文，2004)，其中心在圓柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)上.

表1 隨鉆測(cè)井井孔模擬參數(shù)Table 1 Parameters of the LWD Model

2.1 井孔內(nèi)外聲電耦合柱面波場(chǎng)的理論解

在隨鉆測(cè)井環(huán)境下，井內(nèi)存在流體(泥漿)和彈性鉆鋌儀器.流體和鉆鋌可視為均質(zhì)單相彈性體，井外為流體飽和孔隙地層.井中單極聲源激發(fā)時(shí)，井孔內(nèi)外就會(huì)激發(fā)相應(yīng)的單極聲波場(chǎng)，當(dāng)彈性波在孔隙地層中傳播時(shí)，聲波又會(huì)誘導(dǎo)滲流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生伴隨電磁場(chǎng)(Pride and Morgan, 1991)，Pride采用體積平均法推導(dǎo)出了描述孔隙結(jié)構(gòu)的耦合彈性波-電磁波控制方程組(Pride，1994).胡恒山和王克協(xié)(1999，2000：測(cè)井技術(shù))基于Pride方程組，最早推導(dǎo)了聲電效應(yīng)測(cè)井的井內(nèi)外波場(chǎng)表達(dá)式，并計(jì)算了聲電測(cè)井響應(yīng)的全波波形，國外學(xué)者更多引用的是英文文章(Hu et al., 2000：MIT年度報(bào)告).Guan等(2013)理論模擬了隨鉆聲電測(cè)井的電磁場(chǎng)，其結(jié)果表明鉆鋌波仍存在于電場(chǎng)信號(hào)中.本文從Pride方程組出發(fā)，導(dǎo)出當(dāng)曳力源在鉆鋌上激發(fā)聲波時(shí)各層介質(zhì)的聲場(chǎng)和電磁場(chǎng)的計(jì)算公式.在圓柱坐標(biāo)系(r,θ,z)中，各層介質(zhì)基本場(chǎng)量的亥姆霍茲勢(shì)函數(shù)解為(胡恒山，2000；崔志文，2004；Guan et al., 2013)

(1)

其中，φ為縱波位移勢(shì)函數(shù)，Γ為橫波位移勢(shì)函數(shù)，下腳標(biāo)I,C,O,F分別代表鉆鋌內(nèi)流體、鉆鋌、井內(nèi)流體、孔隙地層.ez是z軸方向的單位向量.αi(i=pf,ps,sv,em)是無量綱的復(fù)數(shù)，表示滲流位移與固相位移的比值，βi(i=pf,ps,sv,em)表示電場(chǎng)勢(shì)與固相位移勢(shì)的比值.縱波位移勢(shì)φ、橫波位移勢(shì)Γ在頻率波數(shù)域可以表示為

(2)

2.2 井內(nèi)電磁場(chǎng)

在井內(nèi)單相流體介質(zhì)中，聲場(chǎng)和電磁場(chǎng)可以同時(shí)存在，但它們是非耦合的.對(duì)聲電測(cè)井而言，電磁場(chǎng)屬于無源區(qū)域.因此，在均勻、各向同性、無源介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度滿足約束方程(胡恒山和王克協(xié)，1999)：

由上述方程可以得到，井內(nèi)電磁場(chǎng)分量的具體表達(dá)式為

Ez=Ae(k,ω)K0(ηer)+Be(k,ω)I0(ηer),

(4)

2.3 邊界條件

各介質(zhì)層邊界分別為液體與固體、固體與液體、液體與孔隙地層的邊界，通過彈性場(chǎng)和電磁場(chǎng)滿足的邊界條件確定井內(nèi)外波場(chǎng)勢(shì)函數(shù)的系數(shù)，在加入兩個(gè)井內(nèi)流體電磁場(chǎng)系數(shù)后，對(duì)于隨鉆聲電效應(yīng)測(cè)井模型內(nèi)外場(chǎng)共有13個(gè)未知系數(shù)，這些系數(shù)可由13個(gè)邊界條件確定.這些邊界條件是：

在鉆鋌和鉆鋌內(nèi)流體介質(zhì)邊界處，有

切向應(yīng)力的連續(xù)性 0=τrz；

在鉆鋌和鉆鋌外流體介質(zhì)邊界處，有

切向應(yīng)力的連續(xù)性 0=τrz，

鉆鋌外流體介質(zhì)和地層邊界處，有

其中上角標(biāo)i,o分別表示鉆鋌內(nèi)外介質(zhì)， l表示孔隙介質(zhì).利用這些邊界條件，可將上述未知系數(shù)確定.將邊界條件寫成矩陣形式為

其中，

{bi}13×1={0,0,0,0,0,σs,0,0,0,0,0,0}

是與場(chǎng)源輻射貢獻(xiàn)的項(xiàng).

2.4 雙聲源激勵(lì)法

在測(cè)井的時(shí)候，為了較好地提取我們所需要的信號(hào)，這一部分信號(hào)需要被加強(qiáng)，其他信號(hào)需要被相應(yīng)減弱，通過采用增加多個(gè)聲源的方法可以達(dá)到這個(gè)目的.但在實(shí)際應(yīng)用中，多聲源對(duì)儀器硬件要求較高，而雙聲源在實(shí)際應(yīng)用中比較容易實(shí)現(xiàn)，因此，一般多采用雙聲源激勵(lì)法(張海瀾等，2004；張博等，2016).

隨鉆環(huán)境下的雙聲源激勵(lì)法是將兩個(gè)發(fā)射聲源分別放置在鉆鋌邊緣，遠(yuǎn)聲源Sf和近聲源Sn，軸向的間距為d.兩個(gè)聲源分別發(fā)出不同步的信號(hào)，本文采用余弦包絡(luò)作為聲源時(shí)間函數(shù)，記聲源為S(z,t)，其頻率-波數(shù)譜為S(k,w).接收信號(hào)的頻率-波數(shù)譜是聲源的頻率-波數(shù)譜和井孔響應(yīng)參數(shù)的乘積，而不同的信號(hào)在井孔響應(yīng)函數(shù)的頻率-波數(shù)譜有不同的位置，當(dāng)聲源的頻率-波數(shù)譜在某些信號(hào)對(duì)應(yīng)的位置比較強(qiáng)的時(shí)候，接收到的這些信號(hào)就加強(qiáng)，反之，信號(hào)則被抑制.因此，聲源信號(hào)的頻率-波數(shù)譜對(duì)控制接收信號(hào)的增抑有很大意義.

測(cè)井時(shí)，Sf首先激發(fā)，Sn延時(shí)一段時(shí)間τ之后反向激發(fā),鉆鋌表面的聲源信號(hào)為

(7)

式中h是聲源的半高度，即d/2，負(fù)號(hào)代表反向激勵(lì)，由式(7)可得其頻譜為

(8)

k是波數(shù).由于聲源信號(hào)表達(dá)式(7)為實(shí)奇函數(shù)，根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)，在進(jìn)行傅里葉變換后，其結(jié)果為一個(gè)虛奇函數(shù)，在公式(8)體現(xiàn)為增加了一個(gè)純虛部“i”.這個(gè)表達(dá)式(8)的重要意義在于其中的正弦項(xiàng)，它在頻率-波數(shù)域(ω-k)內(nèi)的斜率為w/k=h/τ.在已知鉆鋌模式波速度c的情況下，通過適當(dāng)調(diào)整源距和延遲時(shí)間的大小，可以削弱我們不需要的鉆鋌模式波信號(hào)，就能得到信噪比較高的地層聲波信號(hào).

首先，給定遠(yuǎn)、近聲源之間距離d為0.15 m.同時(shí)，為了達(dá)到濾波效果的最優(yōu)化，我們選擇合適的延遲時(shí)間τ.由圖1可以看出，當(dāng)延遲時(shí)間為40、50 μs時(shí)，可以觀察到，鉆鋌模式波沒有被很好地壓制，振幅較強(qiáng)，在后續(xù)波形中縱波的振幅被壓制得較為明顯.在兩條虛線范圍內(nèi)，即鉆鋌模式波存在的區(qū)域，當(dāng)延遲時(shí)間為30 μs時(shí)，鉆鋌模式波的壓制效果比較明顯，與理論(公式(8))預(yù)期一致，因此下文的算例中我們均選擇τ=30 μs.

圖1 不同延遲時(shí)間下的波形圖Fig.1 The waveforms of different delay time

3 模擬分析

本節(jié)主要考察了兩種地層，既快速地層和慢速地層，兩種地層參數(shù)見表2.通過單極子曳力源的激發(fā)，觀察聲壓波形和電磁波形中鉆鋌模式波振幅與衰減情況.將結(jié)果與加入雙源激勵(lì)方法后的波形進(jìn)行對(duì)比，可以說明雙源激勵(lì)法確實(shí)對(duì)壓制鉆鋌模式波能夠產(chǎn)生實(shí)際作用，尤其在軸向電磁波形中的效果明顯優(yōu)于聲波波形.記錄聲場(chǎng)和電磁信號(hào)的位置是相同的，在偏離井軸0.1 m處,聲源中心頻率為6 kHz，聲源脈沖長度0.5 ms，從不同電場(chǎng)與全波圖形的相關(guān)性角度考慮，我們僅選取聲壓波形和軸向電場(chǎng)波形作為考察對(duì)象.

表2 孔隙地層參數(shù)Table 2 Parameters of the porous formation

注：ε0為真空介電常數(shù).

3.1 隨鉆聲電效應(yīng)測(cè)井單極源響應(yīng)特點(diǎn)

圖2是單極源激發(fā)下偏離井軸0.1 m處井內(nèi)陣列接收器接收的聲壓P和軸向電場(chǎng)Ez的歸一化陣列波形.從圖2a中可以看出，按照到達(dá)接收器時(shí)間的不同，一共存在5種波群(a，b，c，d，e),首先是以介質(zhì)中電磁波速度傳播的電磁首波(a)，其次是幅度明顯且速度略低于鉆鋌縱波的鉆鋌模式波(b)，接著是從井孔地層界面折射回來的與鉆鋌模式波發(fā)生混疊的地層縱波(c)，后兩者分別是存在于鉆鋌外流體環(huán)面地層橫波和偽瑞利波(d)、以及斯通利波(e).我們主要關(guān)注鉆鋌模式波的情況，鉆鋌模式波是一種導(dǎo)波，從聲壓波形中可以看出，鉆鋌模式波控制著整個(gè)全波波形，它的振幅明顯大于其他三個(gè)波，并且和地層縱波發(fā)生混疊，這使得從全波圖上提取地層縱波變得異常困難.從軸向電場(chǎng)圖形可以觀察到，對(duì)應(yīng)每一個(gè)聲波波群，軸向電場(chǎng)都有相應(yīng)的波群，兩者的頻率和到達(dá)時(shí)間接近，這是因?yàn)榈貙又新暡〝_動(dòng)的地方存在局域電場(chǎng)，局域電場(chǎng)伴隨聲波傳播.同時(shí)，從圖2b我們可以看到，在軸向電場(chǎng)波形中，由鉆鋌模式波引起電場(chǎng)的振幅相對(duì)于聲壓信號(hào)中的振幅要減弱許多，鉆鋌模式波引發(fā)電場(chǎng)的原因是鉆鋌模式波的部分能量通過井壁到達(dá)孔隙地層中，在孔隙地層中產(chǎn)生耦合電場(chǎng)，由于鉆鋌模式波大部分能量在鉆鋌上形成導(dǎo)波，只有小部分傳導(dǎo)到孔隙地層中產(chǎn)生耦合電場(chǎng)，因此產(chǎn)生的電場(chǎng)相對(duì)較小.同時(shí)，由圖2b可以得出，將電場(chǎng)強(qiáng)度最大幅度與聲壓最大幅度做比值，即電聲轉(zhuǎn)換比(胡恒山，2003)的量級(jí)為10-6V/m·Pa，與電纜聲電測(cè)井的電聲轉(zhuǎn)換比的量級(jí)相同.這意味著在隨鉆聲電效應(yīng)測(cè)井中，從電場(chǎng)信號(hào)中提取地層信息較聲壓波形存在優(yōu)勢(shì).

3.2 加入雙源激勵(lì)后的波形

為驗(yàn)證加入雙源激勵(lì)后的效果，先設(shè)定飽和流體孔隙地層為快速地層，將單源和雙源激勵(lì)下的聲壓和電場(chǎng)曲線進(jìn)行對(duì)比.從圖3a、3b中的虛線可以觀察到，聲壓和軸向電場(chǎng)中的鉆鋌模式波都被壓制，殘余的鉆鋌模式波振幅與地層波相比主導(dǎo)地位減弱，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，使得地層信號(hào)的信噪比增加.在聲壓圖形(圖3a)中，通過比較單源與雙源的波形圖可以得到，壓制后的鉆鋌模式波與地層縱波相對(duì)幅度比由13.6降低為2.4，而圖3b軸向電場(chǎng)中的鉆鋌模式波壓制的效果更加明顯，鉆鋌模式波與地層縱波相對(duì)幅度比由1.9降低為0.44.

圖2 在快速地層中，由單極源激發(fā)，聲源中心頻率6 kHz，實(shí)線是聲壓波形，虛線是軸向電場(chǎng)波形(a) z=3.5到5 m的歸一化陣列波形; (b) z=3.5 m處的波形.Fig.2 Full waveforms of the seismoelectric LWD in the fast formation with a 6 kHz momopole source. The solid and dash lines denote the waveforms of the acoustic pressure and the electric fields, respectively(a) Normalized waveforms from z=3.5 to 5.0 m; (b) Waveforms at z=3.5 m.

如圖4所示，對(duì)于飽和流體孔隙地層為慢速地層情況，可以明顯看到鉆鋌模式波被壓制，振幅減小，而且軸向電場(chǎng)中效果更加明顯，通常對(duì)于慢度地層來說，地層縱波速度與鉆鋌模式波差別較大，因此在全波圖形上很容易區(qū)分開來，通常在測(cè)量中也比較容易識(shí)別.但在實(shí)際勘測(cè)過程中，軟地層往往存在比較嚴(yán)重的衰減現(xiàn)象，地層波的衰減幅度較大，導(dǎo)致地層波幅度變小，而鉆鋌模式波受到地層參數(shù)變化影響較小，因此信噪比降低，采用雙源激勵(lì)方法對(duì)鉆鋌模式波壓制后有利于地層縱波信號(hào)的采集.

我們應(yīng)用STC方法(Kimball and Marzetta, 1984)對(duì)上述理論模擬的快速地層中聲場(chǎng)和電場(chǎng)的陣列波形進(jìn)行處理，圖5為慢度時(shí)間相關(guān)(STC)處理結(jié)果.STC慢度時(shí)間相關(guān)法利用波形相干疊加方法得到以時(shí)間和慢度為變量的二維相關(guān)函數(shù).本文采用時(shí)間和速度(慢度的倒數(shù))作為函數(shù)做圖.圖5a、5c分別對(duì)應(yīng)單源激勵(lì)時(shí)聲壓陣列波形和電場(chǎng)陣列波形，從單源波形的STC圖可以看出，聲壓和電場(chǎng)中鉆鋌模式波占主導(dǎo)地位，鉆鋌模式波的相關(guān)性很強(qiáng)，同時(shí)，電場(chǎng)中鉆鋌模式波的紅色陰影面積明顯小于聲壓中的鉆鋌模式波，說明電場(chǎng)中鉆鋌模式波的相關(guān)性較弱.圖5b、5d分別對(duì)應(yīng)雙源激勵(lì)時(shí)聲壓陣列波形和電場(chǎng)陣列波形，采用雙源激勵(lì)后，鉆鋌模式波明顯被壓制，地層縱波相關(guān)性得到相對(duì)增強(qiáng)，尤其在電場(chǎng)中，鉆鋌模式波的減小幅度非常明顯.從圖5d中可以觀察到仍然存在殘余的鉆鋌模式波，這種鉆鋌模式波可能由于鉆鋌模式波自身的頻散效應(yīng)所致，或者是在鉆鋌上，由于引入雙聲源條件下產(chǎn)生的多余能量進(jìn)入地層引起耦合的電場(chǎng)，原因有待進(jìn)一步深入考察.因此，在雙源陣列波形對(duì)應(yīng)的STC圖中仍然存在鉆鋌模式波的相關(guān)性.

圖3 快速地層單源和雙源激勵(lì)響應(yīng)波形.(a) 聲壓波形； (b) 電場(chǎng)波形實(shí)線代表單源結(jié)果，虛線為雙源結(jié)果，p線代表地層波.Fig.3 Comparison of theoretical waveforms from single source excitation and dual source in the fast formation. (a) Acoustic pressure； (b) Electric fieldsThe solid and dash lines denote the waveforms by single soure and dural soure, respectively. The p line denotes P waves.

圖4 慢速地層單源和雙源激勵(lì)響應(yīng)波形.(a) 聲壓波形； (b) 電場(chǎng)波形實(shí)線代表單源結(jié)果，虛線為雙源結(jié)果，p線代表地層波.Fig.4 Comparison of theoretical waveforms from single source excitation and dual source in the slow formation. (a) The acoustic pressure； (b) The electric fieldsThe solid and dash lines denote the waveforms by single soure and dural soure, respectively. The p line denotes P waves.

圖5 理論模擬波形的STC圖(a) 聲壓-單源； (b) 聲壓-雙源； (c) 電場(chǎng)-單源； (d) 電場(chǎng)-雙源.Fig.5 Time domain semblance of theretical waveforms(a) Acoustic pressure-single source; (b) Acoustic pressure-dual source; (c) Electric fields-single source; (d) Electric fields-dual source.

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

隨鉆單極子聲波測(cè)井時(shí)，存在很強(qiáng)的鉆鋌模式波干擾，因此地層信息不容易被提取，但是，由于在孔隙地層中存在聲電耦合現(xiàn)象，鉆鋌模式波的部分能量會(huì)傳導(dǎo)到孔隙地層中產(chǎn)生耦合電磁場(chǎng)，可以觀察到這種軸向電場(chǎng)信號(hào)中的鉆鋌模式波影響相對(duì)較弱，振幅較小，這就給我們進(jìn)一步降低鉆鋌模式波的影響提供了理論依據(jù).本文采用雙源激勵(lì)方法，在數(shù)據(jù)采集過程中對(duì)聲場(chǎng)和電場(chǎng)信號(hào)中的鉆鋌模式波進(jìn)行壓制，鉆鋌模式波振幅明顯減弱，尤其在電場(chǎng)信號(hào)中效果更加明顯，從而提高地層波的信噪比，形成一種無需隔聲裝置的隨鉆聲電效應(yīng)測(cè)井方法. 同時(shí)，正如張博等(2016)所指出采用雙源激勵(lì)方法有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在儀器制造過程中只需增加一個(gè)聲源，避免了以往隨鉆聲波測(cè)井儀的刻槽設(shè)計(jì)，降低了儀器的機(jī)械加工難度及制造成本，同時(shí)避免了常規(guī)儀器隔聲裝置對(duì)鉆鋌強(qiáng)度上的不良影響，從而大大提高了隨鉆測(cè)井作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性.

致謝 感謝兩位匿名審稿專家提出的寶貴意見和建設(shè)性建議！

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(本文編輯 胡素芳)

Theoretical simulation of the seismoelectric logging while drilling technique using the dual source

DING Hao-Ran, CUI Zhi-Wen, Lü Wei-Guo, LIU Jin-Xia*, WANG Ke-Xie

CollegeofPhysics,JilinUniversity,Changchun130012,China

Although the Logging While Drilling (LWD) acoustic technology has been developed over two decades，it still remains challenge to derive compressional-wave transit time from the LWD measurements due to the disturbance of collar waves, especially in relatively weak formation. The results from this study demonstrate feasibility of extracting acoustic parameters (e.g., compressional-wave transit time) from the measurements of electric field induced by the electrokinetic effect. To investigate the characteristics of seimoelectric waves in LWD environments, Pride′s seimoelectric coupling equations are exploited. By applying the boundary conditions at the borehole wall and mandrel surface, the transient response of seismoelectric wave field can be simulated using real-axis integral. The results show that the seimoelectric conversion ratio in LWD is similar to that in wireline logging. Seimoelectric effect could be useful in LWD. However, it is found that considerable residual collar waves exist in the converted electric field, even most of collar waves are suppressed. To further suppress collar waves, dual transducers are proposed. The distance between transducers and their firings can vary to maximize reduction of collar waves. Numerical results show that relative amplitude of collar wave in the full waveforms is significantly reduced. It has shown promising that using dual-transducers in LWD deliver better quality compressional-wave transit time logs than the current LWD technologies.

Logging while drilling; Seismoelectric effect; Dual source; Collar wave

10.6038/cjg20160934.

國家自然科學(xué)基金(40974067，11134011，41474098)資助.

丁浩然，1985年生，男，吉林長春人，博士研究生，研究方向是聲波測(cè)井理論與方法.E-mail:171802558 @qq.com

*通訊作者 劉金霞，1977年生，女，副教授，從事聲波測(cè)井理論與方法及巖石聲彈性研究工作.E-mail:jinxia@jlu.edu.cn

10.6038/cjg20160934

P631

2015-10-19，2016-04-19收修定稿

丁浩然， 崔志文， 呂偉國等. 2016. 雙聲源激發(fā)隨鉆測(cè)井聲電耦合波理論模擬. 地球物理學(xué)報(bào)，59(9):3524-3532,

Ding H R, Cui Z W, Lü W G, et al. 2016. Theoretical simulation of the seismoelectric logging while drilling technique using the dual source.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3524-3532,doi:10.6038/cjg20160934.