随钻声波测井资料在钻井施工和油气储层评价中有着广泛的应用^{[1, 2, 3, 4]}。近年来，随钻声波测井技术取得了巨大进步，由单极测量方式逐步发展到多极(单极、偶极、四极、正交偶极)测量方式^{[5, 6, 7, 8, 9]}。国外以Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes公司等为代表的油田技术服务公司都已研制出随钻多极声波测井仪器并投入商业使用。国内随钻声波测井技术研发起步相对较晚，主要围绕着随钻单极声波测井仪器开展了一系列研究工作^{[10, 11]}，目前仍然处在起步与试验阶段。由于随钻测井作业环境的特殊性，相比于电缆声波测井仪器，随钻声波测井仪器的研制面临着更加复杂的技术难题，必须解决换能器及装配、隔声体结构设计与制造、钻井噪声抑制与衰减以及井下波形实时处理、存储与传输等方面的技术难点。

换能器是声波测井仪器的核心部件之一，直接决定了仪器的整体性能。因此，随钻声波测井仪器的研制首先需解决换能器转化效率低、带宽窄、一致性及密封性差的问题。中国石化石油工程技术研究院于2014年开始对随钻声波测井换能器进行研究，2015年3月研制出随钻声波测井声系短节模拟样机^[12]，并在室内以指向性、接收响应、单极测量功能3个指标对声系短节各组成部分及整机性能进行了测试和分析，为加快随钻声波测井仪样机的研制提供了试验数据。

随钻声波测井声系短节是基于厚壁铝管结构的声学测量系统，包括发射声系和接收阵列，结构如图1所示。其中，发射声系包含有4个沿着铝管外壁的圆环形凹槽周向排列的圆弧片状发射器，4个发射器以同相位工作可组合形成单极声波发射器；接收阵列包含上、下2个接收站，且每个接收站由4个周向间隔90°的叠片式接收器沿着铝管外壁的矩形凹槽排列组成，4个接收器接收的声波信号相加即可形成单极声波接收器；铝管上下两端带有标准接口，可通过隔声体将发射声系和接收阵列连接成一体。随钻声波测井声系短节以单极发射、单极接收测量模式工作，可模拟随钻声波测井单极子工作模式。

图1 随钻声波测井声系短节结构示意 Fig.1 Structural sketch of LWD acoustic nipples

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随钻声波测井声系短节的关键部件是发射器和接收器。发射器由径向极化且内外表面镀有银层的圆弧压电陶瓷片构成，陶瓷片外层包覆了一层环氧树脂以实现电绝缘，发射器的上下两端用卡环固定于圆环形凹槽中。接收器是由2个矩形压电陶瓷片和3个金属薄片粘接而成，嵌入充满硅油的矩形凹槽中且用橡胶套和开窗压盖进行密封，并用弹性垫实现隔声和电绝缘。

随钻声波测井声系短节最大外径171.5 mm，水眼直径57.2 mm，源距可调，相邻接收站间距200 mm；发射声系长417.7 mm，接收阵列长543.8 mm。发射声系中，4个发射器的编号分别为LWD_T01#，LWD_T02，LWD_T03和LWD_T04#。接收阵列中，上接收站4个接收器的编号分别为LWD_UR01#，LWD_UR02#，LWD_UR03#和LWD_UR04#，下接收站4个接收器的编号分别为LWD_DR01#，LWD_DR02#，LWD_DR03#和LWD_DR04#。

基于导纳圆图法^[13]，采用阻抗特性分析仪测量了发射声系中4个发射器的阻抗特性，结果表明，4个发射器的阻抗一致性良好，符合阵列发射技术的要求，可组合成单极声波发射器。为了评价发射器辐射声能量的方位特性，在室内测量了发射声系以单极发射器向外辐射声场的指向特性。试验场地是尺寸(长、宽、深)5.0 m×5.0 m×4.0 m的非消声水池，水的密度为1.0 g/cm³，声波在水中的传播速度为1 500 m/s。测量系统主要由计算机、定位控制系统、多通道大功率信号源及采集系统、可控增益信号放大器、数字示波器和标准水听器等组成，如图2所示。采用发射器固定不动、水听器在以发射器几何声中心为圆心远场区的一个圆周上旋转的测量方式进行发射声系的指向性测量。测量时，发射声系几何声中心和水听器几何声中心位于同一水平面内，两者的距离为1 500 mm，满足自由远场条件，并且测量过程中两者的位置都远离反射界面，以减少边界的影响；水听器旋转移动的范围为0°~360°，步进角为5°。以脉冲变压器激励发射声系向全方位发射声脉冲，水听器旋转移动到不同方位接收声波信号，通过统计分析接收波形的幅度就可得到发射声系的指向特性。

图2 发射声系的指向性测量系统 Fig.2 Directivity measurement system of transmitter sonde

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发射声系向外辐射声波，水听器在不同方位接收到的时域波形如图3所示。

图3 水听器接收到的时域波形 Fig.3 Time-domain waveform received by hydrophones

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从图3可以看出，水听器在不同方位接收到波形的初始相位一致，幅度随方位角有一定的起伏，但变化不明显，发射声系周向辐射声场的分布有一定的均匀性。统计图3中时窗900~1 250 μs范围内波形的幅度，并提取频率9.6 kHz的辐射指向性，结果如图4所示。由图4可知，发射声系的指向性图案不规则，有多个旁瓣存在，整体上类似于一个椭圆，这与点声源的指向性图案有一定差异，原因可能是4个发射器与激励电路不完全匹配，致使4个发射器的发射响应一致性变差。然而，幅度的极大值与极小值的比为1∶0.7，0°~360°范围内幅值差异不大，可认为发射声系的指向性图接近于一个圆，具有单极声源的指向特性，表明发射声系可以组合成单极声波发射器。

图4 发射声系频率9.6 kHz的指向性 Fig.4 Directivity pattern of transmitter sonde at 9.6 kHz

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与发射声系类似，同样采用阻抗特性分析仪测量了接收阵列中8个接收器的阻抗特性，结果表明，8个接收器的阻抗一致性良好。为了评价接收器的接收一致性，在实验室内对接收阵列中8个接收器的接收响应特性进行了测试。测量系统主要由计算机、定位控制系统、多通道大功率信号源及采集系统、可控增益信号放大器、标准单极声源和水听器等组成，如图5所示。测量方式采用与标准水听器作比较的校准方法^[13]，即将接收器和已知接收灵敏度的标准水听器先后放入非消声水池同一声场位置进行比较，并由标准水听器的接收灵敏度求得接收器的接收灵敏度。测试时，接收器与单极声源保持正对，且两者的几何声中心位于同一水平面内，源距为1 500 mm，满足自由远场条件。以脉冲变压器激励单极声源向外发射声脉冲，接收器和水听器先后在同一位置处接收声波，对接收到的声波进行时域分析和频谱分析就可判断接收器的接收响应是否具有一致性。

图6和图7为上、下接收站中各个接收器接收到的时域波形及相应的直达波(时窗900~1 200 μs)的频谱曲线。水听器接收的时域波形及相应的频谱曲线如图8所示。由于试验条件的限制，接收器接收波列中直达波的后续波列会受到水面反射波的干扰，但对接收灵敏度的测量没有影响。

图5 接收器的接收响应特性测量系统 Fig.5 Measuring system for the receiving response characteristics of receivers

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图6 上接收站中各接收器接收的时域波形及频谱曲线 Fig.6 Time-domain waveform acquired by receivers at the upper receiving station and its frequency spectrum curve

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从图6—图8可以看出：各个接收器接收的直达波的波形形态相近，相位一致，幅度大小相近；各个接收器接收到波的幅度均比水听器接收到的要大，但是波形振动周期数明显较多，接收器的带宽比水听器的带宽要窄；各个接收器接收到直达波的频谱曲线比较相近，频谱中包含频率成分与水听器基本相同，覆盖了频率30 kHz以下的声波信号，接收器能够不失真地接收频率30 kHz以下的声波信号，工作频带为1~30 kHz。以主频13.0 kHz标准水听器的自由场电压灵敏度－215 dB作为参考，通过对比换算各接收器主频13.0 kHz的接收灵敏度发现，上接收站中4个接收器的接收灵敏度均值为－207.71 dB，偏差为1.88 dB；下接收站中4个接收器的接收灵敏度均值为－208.30 dB，偏差为0.90 dB；上、下接收站中接收器的接收灵敏度均值在－208.0 dB附近，偏差小于2.0 dB。对波形幅度、相位、带宽和接收灵敏度的分析表明，上、下接收站中接收器的接收响应一致性良好，其中下接收站中接收器的接收响应一致性更优；上、下接收站中，每4个接收器可组合相加接收单极声波信号。

图7 下接收站中各接收器接收的时域波形及频谱曲线 Fig.7 Time-domain waveform acquired by receivers at the lower receiving station and its frequency spectrum curve

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图8 水听器接收到的时域波形及相应的频谱曲线 Fig.8 Time-domain waveform acquired by hydrophone and its frequency spectrum curve

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在评价了发射声系、接收阵列的性能特性后，在模型井中对随钻声波测井声系短节进行了整机联调测试。模型井是由钢套管、流体环等组成的自由套管试验井，钢套管的内外侧都充满流体，其中，自由套管长2 900 mm，套管壁厚6.5 mm，流体环厚2.0 mm。为方便将整个短节挂接下入模型井中，发射声系与接收阵列之间用软绳连接，发射声系在下，接收阵列在上，最近源距(发射器与接收器间的距离)1.1 m。为了避免测试过程中声系短节严重偏心，发射声系与接收阵列的上端均加了简易稳定器，以保证发射声系与接收阵列的中心过井轴。测试时，将整个短节下入到模型井中某一固定深度且保持不动，采用类似于电缆测井点测的单发双收的方式进行测量。图9为随钻声波测井声系短节下井测试的示意图。

图9 随钻声波测井声系短节下井测试示意 Fig.9 Downhole test sketch of acoustic nipples for acoustic LWD

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图10 经剔除电干扰处理后的上、下接收站单极接收模式接收到的时域波形 Fig.10 Time-domain waveforms acquired by the upper and lower receiver stations in the mode of monopole receiving after the removal of electrical interference

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从图10可以看出，整个波列仅包含有套管波，且幅度大、持续时间长，类似于振铃信号。这是由于套管两侧都是流体介质，声阻抗不匹配，套管中的能量不易传播到其他介质中，再加上发射器辐射的声脉冲持续时间长以及源距较短，导致套管波幅度大、持续时间长、传播距离远，从而掩盖了其他模式波。根据波形相似相关法提取到套管波的传播速度为5 245.6 m/s，略低于套管纵波波速，相对误差小于3%，这与中国石油大学(北京)自主研制开发的AABT测井仪器^{[14, 15]}的测量结果相吻合。

1) 随钻声波测井声系短节模拟样机的发射声系以单极发射向外辐射的声场具有一定的周向均匀性，其指向性接近于一个圆，可组成单极声波辐射器。接收器的接收灵敏度均值在－208.0 dB附近，偏差小于2.0 dB，接收响应一致性良好，可组合相加接收单极声波信号。

2) 声系短节在模型井中的整机联调测试结果表明，声系短节可以采集到套管井波列，提取到套管波的传播速度为5 245.6 m/s，相对误差小于3%。表明声系短节模拟样机具有单极发射、单极接收的测量功能，有望应用于模拟随钻单极声波测井。

3) 建议从数值模拟、物理模拟、机械制造等方面对隔声体进行研究，并将声系短节与隔声体装配成一体进行相应的测试与性能评价。

致谢：实验测量工作在中国石油大学(北京)声波测井实验室完成，并得到了实验室乔文孝教授、鞠晓东教授以及实验室其他成员的大力帮助和指导，在此表示衷心感谢！