地球物理测井简称测井，是在石油、煤及金属矿体的勘探和开采过程中，利用各种仪器测量井下岩层物理参数及井的技术状况，分析所记录的资料，进行地质和工程方面的研究。一般而言，测井都是在钻井之后下套管之前进行，但近年来过套管测井的市场需求日益增加，这一方面是因为随着复杂井、风险井增多，在裸眼井中进行测井存在工程风险；另一方面是因为老油田剩余油气再开发或现有油田中后期开发挖潜改造需要进行过套管测井^[1–4]。目前过套管声波测井技术发展缓慢，这是由于钢质套管和水泥环的存在，尤其是套管与地层胶结不好时，地层波往往被幅度较大的套管波淹没，无法采集到有用的地层信号，进而影响到数据质量和分析结果。目前全球各大油田服务公司均缺乏压制套管波的普适技术，因此，如何压制套管波是过套管声波测井研究的重要问题^{[3, 5–7]}。

陈雪莲、乔文孝等人^[8–13]将相控线阵声源引入过套管声波测井，调节相邻振源激励的延迟时间，使激励信号有利于激发地层信号，来增强地层信号信噪比，通过数值模拟及物理试验证明了该方法的准确性。唐晓明等人^[14]提出了波形相干法，该方法利用管波与地层波的干涉对阵列波的功率谱产生调制作用来提取地层信息，并通过数值模拟及现场数据验证了该方法的正确性。唐晓明、张博等人^[14–17]采用数值模拟方法模拟了双源反激过套管声波测井，结果表明，通过调节远、近发射的时间间隔和发射幅度可以压制套管波，并利用实验室模型井和现场实际井的测井数据验证了模拟结果的准确性。同时也把双源反激应用于随钻声波测井压制钻铤直达波，双源反激对于套管波和钻铤波的压制都取得了明显的效果。刘汇鑫和张泽阳等人^[18–19]在双源反激的基础上引入有源噪声控制，提出了用声源延迟反向激励消除钻铤直达波的方法。相较于双源反激，该方法用单源延迟反向激励实现双源反激的效果，解决了双源发射一致性的问题，同时使测井仪器的结构更加简单，但是该方法对于2次反向激励的时间间隔和发射距离都需要精确把控。以上不论是从增强地层波还是压制套管波的方法都表明在地层和套管胶结不好的情况下，采集到的波形数据中含有微弱的地层波信号，只是地层波信号往往被能量更强的套管波淹没，导致地层信号信噪比较低。为此，笔者提出了在接收端波形信号量化通过前相控消声来抵消套管波的方法，无需改变传统过套管声波测井仪的结构，仅调整数据采集模块中信号调理的部分电路，使相邻接收换能器采集到套管波的到时与幅度相同，相互叠加对套管波进行压制，从数据采集源头上提高地层信噪比。

1.   基本原理

在过套管声波测井中，套管和地层的胶结程度会对声波信号的传播产生影响。套管与地层胶结不好时会导致套管波信号远大于地层波信号，使地层波信号被淹没。同时，在数据采集系统中，套管波信号的幅度较大，通常会主导信号调理中增益的调整，而且在声波信号转化为数字信号时，相对于套管波信号，地层波信号的幅度较小，使地层波信号在低位量化，容易被量化过程中的噪音淹没。综合来看，地层与套管胶结不好时，地层波信号的信噪比较低，在后续数据处理过程中提取地层波变得困难。为了解决该问题，可以在数据采集之前对套管波信号进行压制，使地层波信号相对于套管波信号变大，从而增强地层波信号的信噪比，笔者提出了通过相控消声来压制套管波。

图1（a）为过套管声波测井模型示意图，右侧部分为套管井模型，从内向外依次包括井孔、井内流体、套管、流体环、水泥和地层。在套管井模型中，相控消声过套管声波测井仪器从下到上依次是发射换能器T、隔声体I和接收换能器R₁—R₈。相邻的接收换能器组成一组相控接收，其包括远接收R_f以及近接收R_n。若R_f和R_n的间距确定，那么远接收R_f和近接收R_n上采集到套管波的相位差是一定的，但在传播过程中幅度会有所衰减。图1（b）为相控接收波。由图1（b）可以看出，R_f和R_n波中套管波的幅度最大、到时最早，容易识别。近接收R_n波中套管波的到时为t₁，幅度为A₁，而远接收R_f波中套管波的到时为t₂，幅度为A₂。对R_n波进行相位延时得到延时波R_ndealy，对R_f波进行幅度调整得到R_fAmp波，此时R_fAmp和R_ndealy波中套管波的到时与幅度都相同，然后经过减法器相互叠加得到R'₁波，此时R'₁波中的套管波会被压制。8个阵列接收换能器可以构成7组相控接收，以此类推可以得到R'₁到R'₇7道阵列波形。

图  1  过套管声波测井相控消声示意

Figure  1.  Schematic diagram of phased-controlled acoustic attenuation for sonic waveforms through cased Hole

下载: 全尺寸图片 幻灯片

相控消声过套管声波测井方法中，相控接收波中套管波的相位差等于相位延迟角度φ。

式中：$f$为套管波信号的频率，Hz；$D$为相邻接收器之间的间距，m；${v}_\text{t}$为套管波速度，m/s。

放大倍数${A}_\text{mp}$为

通常情况下，过套管声波测井仪器中相邻接收器之间的间是距确定的，频率是由发射主频确定的，且套管波速度可以在现场测量。当待测地层波速度与套管波速存在一定差异时，R_n和R_f波中套管波与地层波的相位差是不同的。根据套管波的相位差选择合适的相位延迟角度φ以及放大倍数${A}_\text{mp}$，经过减法器使R'₁波中套管波被大幅度压制，地层波在相互叠加后保留下来。

2.   电路设计

2.1   采集电路结构

图2为相控接收采集模块的结构。R_n和R_f采集到的声波经过前置放大器由双端信号转变为单端信号，压制长距离传输过程中的共模干扰并方便后续处理，处理后的R_n波经过相移电路完成相位延迟调整，R_f波经过同相比例放大电路完成幅度调整，然后进入减法器完成叠加，此时套管波幅度已经被压制，地层波相对于套管波得到了增强。同时在后续的程控增益中，增益主要由地层波幅度控制，并且放大之后地层波会更加接近数模转换器ADC的最大量程，使地层波在ADC的高位被采集，减少了ADC量化过程中的噪声干扰，此时采集到地层波的信噪比增大，方便后续准确的提取地层纵波。

图  2  相控接收采集模块

Figure  2.  The phased array reception module

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   相移电路设计

模拟信号的相位延迟可以理解为电信号在传播过程中速度变慢的现象。目前通常采用的方法是将电信号转换成声信号或光信号，再将其转换成电信号以进行信号延时。但该方法需要使用大量电子器件，且不耐高温，在井下实现困难。另一种方法是通过延长线来实现信号延时。然而，针对井下采集电路，空间有限，而且对于不同的套管和测井仪器，需要采用不同的延时时间，因此改变延长线的长度并不可行。

在模拟电路中，可以利用储能元件，如电容和电感，通过充电和放电的方式来实现信号的相位延迟。常见的相移电路包括无源相移电路和有源相移电路。无源相移电路通过电容和电阻的组合来实现相位变化，同时对信号的幅值有一定的衰减作用。有源相移电路则利用放大器等主动元件来实现相位延迟，可以更灵活地控制信号幅值和相位的变化。

有源相移电路是由低噪声的运放、电容和电阻搭建而成，如图3（a）所示。根据运放两端的虚短和虚断可以写出输入R_n和输出R_ndealy的传递函数：

图  3  相移电路及其特性

Figure  3.  Phase shift circuit and its radiation curve

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中：${V}_{{\mathrm{{R}_{n}}}}$为输入信号；${V}_{{\mathrm{{R}_{ndealy}}}}$为相移之后的信号。

当r₁和r₂相等时：

从传递函数可以看出，当r₁和r₂相等时，信号经过电路时的幅度将保持不变。然而，相位将随着频率f、电容C₂和电阻r₃的变化而改变。在确定了发射主频后，套管波与地层波的频率可以确定，并且它们通常在发射主频附近。在井下电路中，改变电容的容值相对来说比较困难，但可以通过滑动变阻器或数字电位器来改变电阻的大小，从而实现相位延迟角度的调节。通过调整电阻，可以改变电路中信号的相位延迟角度，以便更好地消除套管波的影响。

从相移电路幅频曲线（见图3（b））可以看出，在幅值不变的情况下，可以实现相位延迟。选择合适参数的元器件，固定发射频率可以得出可变电阻r₃与相位延迟角度φ的关系，如图3（c）所示，可变电阻在0～10 kΩ变化时，相位延迟角度φ可以在0°～170°变化。

在过套管声波测井中，采用了单极子发射，套管波的速度为5 500～6 000 m/s，接收器的间距在0.1～0.2 m。通过计算得到的相邻接收器套管波的到时时差为16～36 μs。单极子的激励频率大约为10 kHz，因此将到时时差转换为相位差时，相位差为60°～130°。该相移电路实现了0°～170°的相位延迟，可以满足过套管声波测井相位延迟的调整。

3.   试验验证

3.1   试验装置

为了验证相控消声方法和相移电路的准确性，在实验室制作了简易的相移电路，其包括R_n和R_f两路前置放大电路、R_n相移电路、R_f同向比例放大电路以及将2路信号叠加的减法器，如图4（a）所示。分别在相移电路以及同向比例放大电路中加入滑动变阻器来调节信号幅度及相位延迟。通过改变滑动变阻器的电阻来调节R_n的相位以及R_f的幅度，并通过示波器观察R_ndealy和R_fAmp波中套管波到时及幅度是否相同，以此来判断抵消效果，然后进行电路测试及模型井中的测试。

图  4  简易的相移电路

Figure  4.  Phase Shift Circuit Diagram

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图5为相控消声方法和相移电路验证试验的试验装置，其包括发射及采集系统、相移电路、直流电源以及示波器。该试验装置的声系由2段不同直径的PVC圆管组成，一个PVC圆管上安装了发射换能器，另一个圆管上则是安装了接收换能器。接收换能器之间的间距为0.1 m。通过调节这两段圆管的长度来改变发射换能器和接收换能器之间的距离，每次调节0.1 m。通过进行5次测量，可以得到0.70～0.12 m不同源距离下的6道阵列原始波。经过相控相消处理后，可以得到源距在0.80～0.12 m的5道阵列抵消波。

图  5  相控消声和相移电路验证试验的试验装置

Figure  5.  Experimental Setup Diagram

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图6为自由套管模型井试验示意图。模型井井深为4 m，自由钢质套管长度为3 m，其内径为260 mm、外径为330 mm。钢质套管和地层之间全部充满了水，以模拟真实的自由套管情况。模型井周围的地层是用一定配比的混凝土浇筑而成的，地层的纵波速度为3 623 m/s，横波速度为2 064 m/s（对应的纵波慢度分别为275 μs/m和484 μs/m）。

图  6  自由套管模型井试验示意

Figure  6.  Model well parameters and experimental diagram

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   相移电路特性测试

在过套管相控消声的抵消过程中，需要调节放大倍数${A}_\text{mp}$和相位延迟角度φ使套管波抵消效果最好。首先固定放大倍数${A}_\text{mp}$，然后调节相位延迟角度φ，在相位调节过程中，抵消波形中套管波幅度会出现由大变小再变大的过程，在这个过程中套管波幅度最小时就是相位调节抵消效果最好的。此时，固定相位延迟角度φ，调节放大倍数${A}_\text{mp}$，同理在调节过程中，套管波幅度最小时就是抵消效果最好的。

图7为实际套管井测井信号，其中R_f为未抵消之前的远接收原始信号，R_ndelay35°～R_ndealy160°为近接收相位延迟35°～160°与远接收R_f经过减法器叠加之后的信号。

图  7  相控相消试验波形

Figure  7.  Experimental waveform diagram of Phased-controlled acoustic suppression

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过示波器观察到抵消效果最佳的时刻，在这个时刻，测量滑动变阻器的电阻，并计算出此时相位延迟角度。由于滑动变阻器的电阻可以连续变化，因此相位延迟角度可以在0°～170°进行调整。这样，就可以找到最佳的相位延迟角度，从而实现最佳的抵消效果。通过不断观察和调整，可以找到最佳的相位延迟，以确保2路信号中套管波到时与幅度基本相同，从而达到最佳的抵消效果。为了更加直观的体现抵消效果，在抵消效果最好的附近选择不同的相位延迟角度进行抵消效果对比。

图7相控相消试验波形中，A和B两直线之间为一个周期的套管波信号，图5中的a为抵消之后套管波能量与原始波形能量之比，其可以反映套管波的抵消效果，从图5可以看出，当相位延迟35°时，套管波被大幅度压制，最大可以压制到原有波形的15%左右。这是因为对于实测测井数据中的套管波，其在井内传播过程中会出现频散和衰减，以及接收换能器之间一致性略有差异，使套管波无法完全抵消，但相对于未抵消之前的套管波，套管波幅度大幅降低，这对于实际的过套管声波测井至关重要。

3.3   模型井试验结果及分析

图8为自由套管模型井中不同源距下的原始阵列波和抵消阵列波。由图8可以看出：在原始阵列波中，套管波T的幅度非常高，几乎看不到地层波；在抵消阵列波中，尽管套管波T没有完全被压制，但其幅度已经大大降低，可以清楚地观察到地层纵波P的到时。图9为自由套管模型井中不同源距下的原始阵列波和抵消阵列波的STC图。由图9可以看出，原始阵列波的STC图中，套管波的慢度约为180 μs/m；抵消阵列波的STC图中，套管波的慢度为100～500 μs/m，除了套管波外，还能看到地层纵波对应的峰，其慢度约为290 μs/m，与实验室自由套管井地层纵波速度基本相同。

图  8  自由套管模型井中不同源距下的原始阵列波和抵消阵列波

Figure  8.  Original array waves and cancelled array waves at different source distances in a free casing model well

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  9  自由套管模型井中不同源距下的原始阵列波和抵消阵列波的STC图

Figure  9.  STC diagrams of original array waves and cancelled array waves at different source distances in a free casing model well

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验结果表明，相控消声可以压制套管波并清晰地识别出地层纵波，并且验证了相移电路的可行性。

4.   结论及认识

1）在自由套管模型井条件下，通过接收端相控消声的方法可以大幅度压制套管波，识别地层纵波。

2）在压制套管波时，可以将套管波幅度压制85%，剩余的15%是由于套管波在井孔内部传播过程中会发生频散以及衰减，同时相控接收中2个接收换能器的一致性也会影响压制效果。

3）在现有套管声波测井仪的结构上，只需在接收电路的信号调理部分添加相移和放大电路，就可以实现所需功能。同时，由于套管波速度是可以现场测量，发射频率也是固定的，所以可以准确确定相位延迟角度，因此该方法在工程上非常简单易行，且在实验室通过制作的接收电路也验证了该方法的可行性。

4）后续还需针对井下高温高压等因素对相移电路的影响，设计负反馈控制自动调整相位延迟角度，使整个测井过程中的相位延迟角度与预设相同，从而降低各种干扰对整个系统输出的不利影响。