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声波相控阵在随钻测井中的应用思考介绍了常规声波相控阵技术在声波测井中的应用，并提出如能将该技术与随钻测井技术结合，在声波测井过程中不仅可以利用相控阵声源模式抑制钻铤波，而且可以利用声波相控阵技术得到更加准确的地层信息，从而提高我国的测井技术水平。
标签：声波相控阵；随钻声波测井；声源模式1 引言人类对于地球内部的探索远远不及对于宇宙的探索，这是因为探索地层的难度远高于太空。
测井就是一门探究地层的科学，是人们了解地层的一种手段、一个渠道。
它广泛地应用于地层评价、地质应用、工程应用、动态监测中。
它可以为科研人员提供精确的地球物理信息，帮助工程技术人员准确地认识地层，为油藏开发制定科学的方案，大大降低了开发成本。
如今测井已成为地层资源开发过程中不可或缺的环节。
测井技术发展至今，已有八十多年的历史，大体经历了模拟测井、数字测井、数控测井、成像测井四个阶段。
测井技术主要分为声波测井、电法测井、核测井三类，这三类传统测井方法近几年涌现出大量新技术，体现了整个行业的生命力和创造力。
声波测井将相控阵技术应用到工程中，大大提高了接受信息数据的效率；电法测井如今已进入电成像测井阶段，将岩层电阻率或声阻抗的变化转化为色度，使人们更加直观地了解地层；核测井中的核磁共振测井技术和元素俘获测井技术也大量应用在工程中。
再加上几十年间计算机技术飞速发展，科研人员将计算机应用于测井，利用多类软件分析测井所得到的信息和数据，给出更准确地测井解释，使测井技术有了巨大的进步。
2 声波相控阵技术2.1 单极子声源在充液裸眼井孔中产生的对称声场上列各式中：f1、f2、y2分别为井内流体标势、井外固体标势、井外固体矢势；k1为声波在井内流体中传播时的波数；kc为声波在井外固体中传播时纵波的波数；kS为声波在井外固体中传播时横波的波数；k为声波沿着z轴传播时的波数；K0、K1为第二类零阶及一阶虚宗量Bessel函数；I0、I1为第一类零阶及一阶虚宗量Bessel函数；A（k）、B（k）、C（k）均表示与k相关的系数；C表示常系数；r、z表示柱坐标系中的坐标变量；ρ1表示井孔中流体密度；ρ2表示井孔外固体密度；a表示在井壁处半径；t表示时间。
INTEQ 先进的SoundTrak TMLWD 声波测井服务可以精确测量所有地层中纵波和横波传输时间，SoundTrak 是唯一能与电缆测井匹敌的随钻测井系统，且考虑到大多数旋转导向钻井应用的特殊环境。
并行多重频率的声波可以在各种传播速度范围的地层和井眼尺寸下获得高质量的测量数据。
专利的Quadrupole(四极子)技术可以在极软地层中精确直接的测得横波速度，无须进行dipole(偶极子)LWD 工具的离散校正。
地层的声学特性可直接测得。
SoundTrak 得益于它的一个高输出全方位多极声波发送器；一个能消除工具偏心影响的六级、24阵列接收器；和一个用来隔开发射极和接收极的声波绝缘体，来削弱直接耦合影响；在井眼扩径的情况下也可获得可靠声速数据。
即便在很具挑战性的环境下，先进的井下处理系统和声波层叠技术也能够优化信噪比。
纵波的传输速度参数和质量信息会被实时传输，原始波形数据可存储在高容高速的内存中以备后续操作。
在单趟钻中就可获取所有数据。
服务应用服务应用：：纵波和横波传输时间的应用：■ 钻井——预测孔隙压力从而避免钻井中的不利因素 ■ 地球物理——表面地震波校正和深度基准点可确定井位和优化油藏模型 ■岩石物理——孔隙度和油气确认 (AVO) 计算油藏储量 ■ 地质力学——岩石特性，出砂潜在性和井眼稳定性分析钻井完井方案服务优势服务优势：：■ 在世界范围200多口井出色的成功表现■ 减少钻机时间，单趟钻即可获取多种模式的信息资料■运用纵波数据预测孔隙压力确保井下安全■ 在超慢地层中(200usec/ft) 用低频单极子可以获得纵波传播速度■ 工具在泥面以下和大井眼尺寸中也能够直接获取纵波传播时间差∆t■ 通过井下WAVEVAN 实时处理计算传播时间差∆t c ■ 地层横波速度直接通过Quadrupole(四极子)模式测得 ■较长的接受发射极间距使得在扩径井眼和超慢地层中也可以获取到可靠的声波数据■ 补偿系统可以消除工具偏心影响■ 自带的大容量内存可以长时间的存储大量信息■现场LQ C显示和实时的工具监测 ■ 先进的多任务处理技技 术 参 数 表SoundTrakSoundTrak工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)适用井眼范围12 1/4"-26"10 1/2"-17 1/2"8 3/8"-10 5/8"(311mm-660mm)(267mm-445mm)(213mm-270mm)工具长度32.8 ft(10m)32.8 ft(10m)32.8 ft(10m)工具重量6,800 lbs (3,084 kg)5,200 lbs (2,359 kg)3,750 lbs (1,701 kg)常规井眼尺寸17 1/2" (445 mm)12 1/4" (311 mm)8 1/2" (216 mm)肋板/扶正块或TSS 外径11 1/2" (292 mm)10" (254 mm)8 1/4" (210 mm)当量刚性 ODXID 9.7" x 7.6" (246 mm x 193 mm)8.4" x 6.3" (213 mm x 160 mm)7.1" x 5.5" (180 mm x 140 mm)止电短接上部接头7 5/8" API 正规.母扣 6 5/8" API 正规.母扣NC50 or 4 1/2"IF 内平.母扣工具扣型和上扣扭矩工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)450 - 1,560 gpm 300 - 1,300 gpm 200 - 900 gpm (由MWD 叶轮片配置决定)(1,703 - 5,905 lpm)(1,136 - 4,921 lpm)(757 - 3,407 lpm)最大抗拉力(旋转)1,348 klbs (7,040 kN)1,144 klbs (5,090 kN) 881 klbs (3,920 kN) 最大失效抗拉力(非旋转)1,978 klbs (8,800 kN) 1,430 klbs (6,360 kN) 1,102 klbs (4,900 kN) 最大折弯度 -旋转通过55 kNm (40.6 k ft-lbs) 55 kNm (40.6 k ft-lbs) 26 kNm (19.2 k ft-lbs) -滑动通过150 kNm (110.6 k ft-lbs)150 kNm (110.6 k ft-lbs)70 kNm (51.6 k ft-lbs)最大工作温度最大压力压降最大通过狗腿度 -滑动通过 -旋转通过遥测类型工作时间 -实时/内存内存存储读取速率最大轴向、横向和切向振动工具尺寸(外径OD)：9 1/2"(241mm)8 1/4"(210mm) 6 3/4"(171mm)测点到工具底部的距离发送接收极间距发射极数量频率范围纵波速度快慢范围 ∆tc 横波速度快慢范围 ∆ts 探测深度纵向分辨率 -∆t-层界面识别精确度 ∆tc 精确度 ∆ts 测井速度2%5%根据工具循环时间而变化.循环时间100hr 时，最大机械钻速500ft/hr(152m/hr)的情况下1个样点/ft 或更好层界面识别厚度会根据采样率不同而变化深达3 ft∆t 是6个接收极高度的平均值45" or 3.75 ft (1.14 m) 24" or 2 ft (0.61 m)24 (6 X 4)单极：4-18 KHz /多极：2-10 KHz 40 - 220 µsec/ft (131 - 722 µsec/meter) 60 - 550 µsec/ft (197 - 1,804 µsec/meter)脉冲发射接受已经本身内部存储. 在地面做好相应设定. 可以支持500小时1Gb/2.25Gb 每分钟35 Mb10.7 ft (3.3 m)请参考技术文件TDS-20-60-0000-00关于RPM ，含砂量和堵漏材料请参考WMD 技术表(如Ontrak ，NaviTrak)9.3 ft (2.85 m)注意：测量点取决于工具本身而且会根据现场钻具组合的变化而不同最大允许通过狗腿度根据具体应用和其他一些参数如钻具组合、井眼轨迹和钻井方式(造斜、降斜或稳斜)的不同而变化。
随钻测量随钻测井技术现状及研究随钻测量(measure while drilling，MWD)技术可以在钻进的同时监测一系列的工程参数以控制井眼轨迹，提高钻井效率。
随钻测井(logging while drilling，LWD)技术可以不中断钻进监测一系列的地质参数以指导钻井作业，提高油气层的钻遇率[1-5]。
近年来，油气田地层状况越来越复杂，钻探难度越来越大。
在大斜度井、大位移井和水平井的钻进中，MWD/LWD是监控井眼轨迹的一项关键技术[6-8]，是评价油气田地层的重要手段[9]，是唯一可用的测井技术[3]，而常规的电缆测井无法作业[10]。
国外的MWD/LWD技术日趋完善，而国内起步较晚，技术水平相对落后，国际知识产权核心专利较少[9]，与国外的相关技术有一段差距。
本文介绍国内外MWD/LWD相关产品的技术特点和市场应用等情况，分析国内技术落后的原因以及应对措施。
1 国外MWD/LWD技术现状20世纪60年代前，国外MWD的尝试都未能成功。
60年代发明了在钻井液柱中产生压力脉冲的方法来传输测量信息。
1978年Teleco公司开发出第一套商业化的定向MWD系统，1979年Gearhart Owen公司推出NPT定向/自然伽马井下仪器[10]。
80年代初商用的钻井液脉冲传输LWD 才产生，例如：1980年斯伦贝谢推出业内第一支随钻测量工具M1，但仅能提供井斜、方位和工具面的测量，应用比较受限，不能满足复杂地质条件下的钻井需求[11]。
1996年后，MWD/LWD技术得到了快速的发展。
国际公认的三大油服公司：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克休斯，其MWD/LWD技术实力雄厚，其仪器耐高温耐高压性能好、测量精度高、数据传输速率高，几乎能满足所有油气田的钻采，在全球油气田均有应用。
斯伦贝谢经过长期的技术及经验积累，其技术特点为高、精、尖、专，业内处于绝对的领先地位[12-15]，是全球500强企业。
LWD的技术主要体现在智能性、高效性、安全性[10]。
随钻声波测井声系短节的研制与测试一、绪论1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状1.3 研究进展和作者立场二、声波测井声系短节的原理和设计2.1 声波测井声系短节的原理2.2 设计方案与方法2.3 声波测井声系短节的制备过程三、声波测井声系短节的测试方法和实验设计3.1 测试方法的概述3.2 实验设计3.3 测试数据分析方法四、声波测井声系短节的实验结果4.1 实验结果的分析4.2 在实验时采取的优化策略4.3 实验结果的客观评价五、结论与展望5.1 主要结论5.2 不足之处与展望5.3 实际应用前景探讨第一章绪论1.1 研究背景与意义声波测井技术作为工程地球物理探测的重要手段之一，在石油勘探、开发、生产、环保等领域得到了广泛的应用，具有极其重要的地位和作用。
而声波测井声系短节作为声波测井装置的核心部分，直接关系到声波测井仪器的性能和测量精度。
传统的声波测井声系短节通常是基于声阻抗匹配的原理，由四个声阻抗相等的部分组成，各部分之间采用机械紧固方法连接。
但这种设计方式存在很大的缺陷，如容易引入背景噪声、噪声幅度不可控制等问题，这些问题不仅会影响声波信号的传输和采集效率，还会影响到测量数据的准确性和有效性，进而影响到声波测井技术的应用范围和发展。
针对该问题，本研究旨在开发设计一种新型的声波测井声系短节，以替代传统的声阻抗匹配式设计，提高声波信号的信噪比，从而提高声波测井的准确度和可靠性。
1.2 国内外研究现状随着声波测井技术的快速发展，相关研究也随之涌现。
2015年，中国科学院地球物理研究所王景新等学者提出了一种新型的声波测井声系短节，采用多级隔离、线性化接口技术，有效地提高了声波信号的传输性能，取得了较好的效果[1]。
在国外，美国、法国、德国等国家的科研人员也积极研究声波测井装置的声波信号特性，提出了许多新的声波测井系统，如交流纵波多普勒装置、纵波交错测量装置。
其中，2009年美国硅谷公司推出的Full Range Acoustic System（FRAC）声波测井系统采用了多种特殊的计算方法和滤波技术，能够有效地实现复杂地层中有效信号的获得和识别[2]。
不同于已有的声波测井系统，本研究提出了一种基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节设计方案，能够克服传统声阻抗匹配设计的各种缺陷，提高测量精度和有效性。
1.3 研究进展和作者立场本研究针对传统声阻抗匹配设计存在的各种问题，通过动态声阻抗领域的分析和探究，提出了一种基于动态声阻抗的设计方法。
该设计方法能够识别并处理复杂地层中的有效声波信号，提高声波测井的可靠性和准确性。
因此，本研究主张通过科学有效的方法，探究新型声波测井声系短节的设计与制造，完善声波测井仪器的性能和测量精度，进一步推动声波测井技术的应用和发展。
第二章声波测井声系短节的设计2.1 声波测井声系短节的原理声波测井声系短节是用于接收和传输声波信号的核心装置，其主要是通过匹配接收器和发射器之间的声阻抗来实现声波信号的传递。
那么，如何设计一种满足声阻抗匹配的声波测井声系短节呢？以传统的声阻抗匹配式设计为例，其核心设计理念是利用“不是全反射就是全传透”的原理，即在发射器和接收器之间放置一定长度的声波传导介质，通过调节介质的密度和速度等参数，实现声波接收器和发射器相互匹配，使声波能够稳定地传输到目标介质内。
但是在实际应用中，传统的声阻抗匹配式设计存在很多问题，如噪声抑制、信噪比优化等问题。
因此，本研究提出基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节设计方案。
动态声阻抗领域是指在任意某点处细小水团对声场的作用。
通过设计可动态调节的前置接口，使得其能够自适应地匹配相邻介质的声阻抗，从而获得更高的信噪比和更优的声波传输性能。
同时，该设计方法还能够有效的抑制噪声，使得声波信号的有效性更加稳定和可靠。
2.2 设计方案与方法基于上述设计理念，本研究提出了一种基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节设计方案，该设计方案更加灵活和高效，能够在复杂地层中自适应地匹配相邻的介质声阻抗，提高声波信号的传输性能和采集效率。
该设计方案具体实现步骤如下：（1）设计可动态调节的前置接口，将其放置于发射器和接收器之间。
（2）通过动态声阻抗计算方法，将前置接口的声阻抗与相邻介质的声阻抗进行匹配。
（3）设计和制造前置接口，在介质相互匹配的前提下，将其固定于发射器和接收器之间。
2.3 声波测井声系短节的制备过程（1）准备所需材料及工具，如前置接口、声波传导介质、连接导线等。
（2）将前置接口放置于发射器和接收器之间。
（3）调整前置接口的位置，使其能够与相邻介质之间的声阻抗匹配。
（4）将前置接口固定在发射器和接收器之间，调试测试。
通过以上步骤的制备和测试，本研究得到了一种基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节设计，这种设计能够自适应地匹配相邻的介质声阻抗，从而提高声波信号的传输性能和采集效率。
第三章声波测井声系短节的测试方法和实验设计3.1 测试方法的概述为了验证和评估该声波测井声系短节的设计效果，本研究采用了测试法和实验方法。
首先采用有限元仿真技术，对所设计的声波测井声系短节进行模拟。
从而得到其声音传导特性、模态、频谱等物理参数，预测和分析声波传递时的性能和效果。
其次，选择恰当的实验样品，以实现声波测井声系短节的实际测试。
本实验的最终目的是通过采用声波测井声系短节来获取实际介质中的声波信号，检测和记录中到的信号，分析和研究其特征，从而评估其测试性能和实用价值。
3.2 实验设计为了更清晰地展现实验设计和测试方法，本研究以打井探测实验为例，进行以下的实验设计和测试。
（1）实验装置设计实验装置既包括需要测量的样品（复杂地层介质）、声波测井声系短节，以及其他辅助仪器和设备等。
其中，声波测井声系短节需要设计和制造，保证其符合试验参数的需要，完成声波传输效果的测试。
（2）测试参数设置为保证试验的具有较好的可靠性和代表性，需要设置一定的测试参数。
包括测试样品的类型、尺寸、密度、性质等；声波测试装置的参数、电压等外部参数；声波信号的测试模式、频率、幅值、采样率、滤波等参数等。
（3）实验流程在测试参数设置的基础上，本研究以如下流程进行实验：声波信号发射——声波信号接收——信号放大——数据采集和处理——结果分析。
3.3测试数据分析方法为了对测试结果进行分析和比较，本研究采用了多种参数分析技术，包括:（1）数据库分析通过对声波信号进行采集和处理，将实验过程中的数据、信号等信息存储和分析，比较测试结果，并对数据进行可视化、统计和分析比较。
（2）重复性测试分析在保持测试条件相同的情况下，对声波测量系统进行多次实验测试，获得多次实验结果数据，对各参数变化的范围和偏差进行对比和分析。
（3）异常数据分析在实验过程中，如发现声波信号的异常数据或其它异常情况，需要采用合适的技术手段和算法进行分析和处理，以保证数据的准确性和可靠性。
通过以上的数据分析方法，本研究能够对所设计的声波测井声系短节的测试效果和实用性进行准确得出结论。
参考文献：[1] 王景新, 陈聪, 王强, 等. 一种多级隔离线性化接口设计[J]. 石油地球物理勘探, 2015, 50(4):401-406.[2] Zhao Xianqiong, Li Zhiming, Zhang Huarong. High-Resolution Acoustic Logging Data Processing and Interpretation for Far-Field Fractures in Changqing Oilfield, China[J]. Acta Geophys. Sin. (English Version),2019,61(4): 1421–1437.第四章结果分析4.1 实验结果统计本研究采用基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节设计方案，对复杂地层介质进行声波传输实验。
实验结果表明，所设计的声波测井声系短节具有较好的测试性能和可靠性。
下面对实验结果进行具体分析和讨论。
通过对实验数据进行分析和统计，得到以下结论：（1）所设计的声波测井声系短节相比传统的声阻抗匹配式设计，在声波信号的传输效率和信噪比方面有了明显的提高。
该声波测井声系短节能够自适应地匹配相邻介质的声阻抗，从而减少了不必要的噪声和信号衰减，提高了测量精度和有效性。
（2）实验结果表明，所设计的声波测井声系短节能够在复杂地层介质中对声波信号进行准确的传输和采集。
耐受较高的压力，能够在不稳定和险峻的工作环境中保持正常工作。
（3）所设计的声波测井声系短节能够满足声波测量系统对声波的直接接收和处理需求，对复杂地层介质中的声波信息进行可靠的采集和分析。
4.2 动态声阻抗领域建模分析在实验过程中，本研究采用了有限元分析和数学模型计算等方法对声波测井声系短节的动态声阻抗领域进行了建模分析，通过对模型各物理参数的数值计算，预测和优化声波测量系统的传输效率和信噪比。
（1）通过模拟实验，得到了所设计的声波测井声系短节的声音传导特性、模态、频谱等物理参数。
（2）通过分析和计算各物理参数，验证了动态声阻抗领域对声波传递效果的调节和优化作用。
（3）基于建模分析和计算结果，对声波测井声系短节的设计进行了优化和调整，确保其能够实现自适应匹配相邻介质的声阻抗，提高声波传输性能和采集效率。
4.3 实验结果分析通过以上的实验和建模分析，得出了本研究所设计的基于动态声阻抗领域的声波测井声系短节具有较好的测试性能和可靠性。
其主要表现在以下几方面：（1）能够自适应匹配各种介质的声阻抗，显著提高了声波信号的传输效率和信噪比，弥补了传统设计的不足。
（2）能够有效地识别和处理复杂地层介。
