CN100349017C - 向井外地层中扫描辐射三维声场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是反射声波成像测井或井间声波勘探中向井旁地层中扫描辐射三维声场的方法，由三个以上的圆弧阵声波辐射器在井下沿井轴线方向排列成组合圆弧阵，对圆弧阵声波辐射器的阵元沿井轴线方向、井径周方向分别进行激发，调整各个阵元的激励信号的延迟时间，使得合成主波束沿垂向、水平偏转；不断改变组合圆弧阵不同阵元的组合，增加或减小组合圆弧阵声波辐射器的相邻圆弧阵激励信号的延迟时间，实现向井外地层全方位扫描辐射三维声场。用于井下声波仪器在井眼中不同深度点的测量或地层连续扫描声波测量，尤其对于地层构造比较复杂的小型化的复杂油气藏勘探，其结果准确，提高了可靠性和精确度。

Description

向井外地层中扫描辐射三维声场的方法

技术领域

本发明专利属于应用地球物理声波测井技术，涉及一种反射声波成像测井或井间声波勘探中向井旁地层中扫描辐射三维声场的方法。

技术背景

以往的声波测井中使用的声波测井仪的技术主要用于单井或局部地层的测量和勘探，随着技术的发展目前已可以向井外辐射的声场，进而对井旁地层进行声波测量。

中国专利01268574.7公开了一种井下阵列式换能器，由多个以上圆管状换能器(阵元)沿同一轴线排列而成，各换能器(阵元)之间有一个橡胶夹层以实现相邻阵元之间的声电隔离，各个阵元可以是压电圆管或其它类似于点声源的换能器。试图利用这种井下阵列式换能器激发相位控制，实现调整辐射器辐射的合成主波束的垂直偏转。中国专利03137596.0公开了一种井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，由10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子(或其它类似于点声源的换能器)沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，各换能器(阵元)之间留有间隙以进行声电隔离。试图通过调整各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度，调整各个阵元的发射相移，获得声波辐射的合成波束的偏转，控制其在井周水平向方位的偏转。

在反射声波成像测井和井间地震勘探等声波勘探工程中均涉及由井内向井外地层中辐射声场的问题，辐射声波的方向性和声束宽度的控制是声波辐射器最主要的性能。上述装置在单一应用时只能分别对声波传播方向的垂直方向或井周水平方位方向分别控制，有一定局限性，尤其是在地层构造比较复杂的小型化的复杂油气藏情况下，尚不能满足对井外地层进行高分辨率测量的要求。

随着对油气藏勘探准确性要求的不断提高，全方位定向扫描辐射有助于对井外声波测量的准确解释，尤其对复杂地层构造，可以提高对油气藏勘探的可靠性和精确度。

发明内容

本发明目的在于提供一种对井旁地层声波探测的深度、范围，包括辐射声束角宽、入射角和声波传播全方位定向控制的向地层中扫描辐射三维声场的方法。

本发明通过如下方式实现：

向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：三个以上的圆弧阵声波辐射器在井下沿井轴线方向排列成组合圆弧阵，对圆弧阵声波辐射器的阵元沿井轴线方向分别进行激发，调整各个阵元的激励信号的延迟时间，使得合成主波束沿垂向偏转；

对圆弧阵声波辐射器的阵元沿井径周方向分别进行激发，同时调整各个阵元激励信号的延迟时间，使得合成主波束沿水平周向偏转；

对组合圆弧阵各圆弧阵声波辐射器的三个以上阵元分别或同时进行激发，使组合圆弧阵的辐射声束周向偏转角和垂向偏转角组合；

不断改变组合圆弧阵不同阵元的组合，增加或减小组合圆弧阵声波辐射器的相邻圆弧阵激励信号的延迟时间，实现向井外地层全方位扫描辐射三维声场。

本发明还通过如下方式实现：

巡回使圆弧阵中各个阵元按幅度和相位加权参与振动，使声波向周向方向上扫描辐射，周向扫描辐射的角度范围为360°

圆弧阵周向指向性函数D₁的计算公式为：

$D_1(\mathrm{\α},\mathrm{\θ},{\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{1}{N_s}\sqrt{N_s+2\underset{i=2}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos (Z_i-Z_j)}---\left(1\right)$

其中Z_i＝ka[cosθcos(α-α_i)-cosθ₀cos(α₀-α_i)，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_i为阵元i的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_i＝i2π/N，Z_j＝ka[cosθcos(α-α_j)-cosθ₀cos(α₀-α_j)]，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_j为阵元_j的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_j＝j2π/N，c为声速，ω为角频率， $k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}$ 为波数；θ为空间单位向量与xoy平面的夹角，θ₀为主极大方向与xoy平面的夹角，α为空间单位向量的投影与x轴的正半轴的夹角，α₀为主极大方向的投影与x轴的夹角。

辐射声波的垂向偏转方向由下式确定： $\mathrm{\τ}=\frac{d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{c}---\left(2\right),$

其中，τ为相邻圆弧阵所加激励信号的延迟时间，θ₀为相控辐射器主声束的垂向偏转角，c为声源所在介质的纵波波速；

组合圆弧阵的垂直指向性函数D₂的计算公式为：

$D_2(\mathrm{\α},\mathrm{\θ},{\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{kMd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)\right)}{M\sin \left(\frac{\mathrm{kd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}_0)\right)}---\left(3\right)$

其中：M为圆弧阵的数量，θ₀为组合圆弧阵辐射声波的垂向偏转方向，k为波数。

其组合圆弧阵辐射声束的垂向偏转角始终小于声波由井内液体入射于井壁介质的第一临界角。

进入地层的声波传播的垂向偏转角从-90°变化到90°。

组合圆弧阵的指向性函数D的计算公式为：D＝D₁×D₂    (4)

通过调整其中的各个参数可以实现向井外地层全方位扫描辐射三维声场。

每个圆弧阵由24个以上的阵元沿圆周圆弧排列组成。

组合圆弧阵的外直径范围为60mm-95mm，工作频率范围为5kHz-25kHz。

本发明可以全方位定向向井外地层扫描辐射声场，适合于井下声波仪器在井眼中不同深度点的测量，也可以实现对不同深度的地层进行连续扫描声波测量，实现了对井旁地层进行声波精确勘探测量，尤其对于地层构造比较复杂的小型化的复杂油气藏勘探，可以进行高分辨率测量，其结果准确，提高了油气藏勘探的可靠性和精确度。

附图说明

附图1(a)为本发明采用的组合圆弧阵垂直排列结构示意图；

附图1(b)本发明采用的圆弧阵周向排列截面示意图；

附图2(a)本发明圆弧阵阵元组合与周向指向性示意图；

附图2(b)本发明周向指向性图；

附图3本发明三维空间坐标系图；

附图4本发明组合圆弧阵的垂向指向性的控制示意图；

附图5本发明组合圆弧阵辐射声束的垂向扫描示意图；

附图6本发明14个阵元组成的相控线阵声波辐射器的垂直指向性图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细描述本发明的内容。

本发明主要采用组合圆弧阵声波辐射器实现辐射声束水平和垂直指向性的控制、声束角宽及入射角的控制。

根据相控阵指向性的乘法原理可知，通过多个相控圆弧阵的合适组合可以实现向地层中的任意方向辐射声波。如图1(a)所示，三个以上任意指向性声波辐射器可以在井下使用的相控圆弧阵沿轴线方向排列而成组合圆弧阵。通过对每个相控圆弧阵声波辐射器的控制实现声波辐射的周向指向性的控制，通过各个圆弧阵之间激励时间的适当延迟可以调节组合圆弧阵的垂直指向性。

通过巡回使圆弧阵中的部分阵元并按一定的幅度和相位加权参与振动就可以使声波向预定周向方向上辐射，通过不同阵元的组合可以实现周向扫描辐射，周向扫描辐射的步进角度还可以通过激励信号的相位和幅度的调节进行精细控制。

通过控制和调整相邻圆弧阵的激励信号的延迟时间的方法来控制和调整组合圆弧阵辐射声束的垂向偏转角，使其始终小于由井内液体入射于井壁介质的第一临界角。另外，为了向地层中定向扫描辐射三维声波，组合圆弧阵声波辐射器辐射声束的角宽应该尽可能地小，以保证该声束透入地层后能够保持较小角宽，从而使声波测量有较高的空间分辨率。通过选择圆弧阵的个数和阵间距以及进行激励信号幅度加权等方法可以使组合圆弧阵辐射的声束角宽变小。

不断地调整井下组合圆弧阵中各个圆弧阵声波辐射器的组合方式、相邻阵元激励信号的延迟时间和幅度，使声波向每个指定的周向辐射。同时，不断改变组合圆弧阵中不同圆弧阵的激励信号的延迟时间以改变辐射器产生的声束的垂向偏转方向，使声波在井壁的入射角在不大于第一临界角的范围内依次递增或递减，就可以实现向井外不同方向的地层中扫描辐射声场。当依次交替使用N_s阵元圆弧阵并遍及整个圆周的各个阵元时，即可实现向地层中360°的各个周向方向辐射声波、当相控阵声波辐射器辐射声束的垂向偏转角从零增加到第一临界角时，进入地层的声波传播方向的偏转角就从-90°变化到90°，从而实现向地层中扫描辐射三维声场。

本发明所述的井下组合圆弧阵声波辐射器，其外直径范围为60mm-95mm，工作频率范围为10kHz-25kHz。

本发明水平指向性的控制(辐射周向角α的控制)采用如下方法：

组合圆弧阵的每一个圆弧阵一般由N个(一般取24个以上)阵元沿整个圆周的圆弧排列组成，其截面如图1(b)所示。通过巡回使圆弧阵中的N_s(N_s≤N)个阵元按一定的幅度和相位加权参与振动就可以使声波向指定周向方向上扫描辐射，通过不同阵元的组合可以使周向扫描辐射的步进角度为360°/N。另外，在N_s个阵元组合成圆弧阵时，其周向扫描辐射的步进角度还可以通过激励信号的相位和幅度的调节进行精细控制。

对于如图2(a)的24阵元的圆弧阵(N＝24)，选取其中的1-5号和24号阵元(N_s＝6)按一定相位和幅度加权振动，就可以得到类似于图2(b)所示的周向指向性图(水平指向性图)，使声波向着周向角为α的方向传播。精密地控制圆弧阵相邻阵元激励信号的延迟时间可以使辐射声波的周向角在α角附近连续变化。建立如图3所示的坐标系，将圆弧阵布置在平行于xoy面的平面上，则圆弧阵的指向性函数(计算表达式D₁)为，

$D_1(\mathrm{\α},\mathrm{\θ},{\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{1}{N_s}\sqrt{N_s+2\underset{i=2}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos (Z_i-Z_j)}---\left(1\right)$

其中Z_i＝ka[cosθcos(α-α_i)-cosθ₀cos(α₀-α_i)]，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_i为阵元i的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_i＝i2π/N，Z_j＝ka[cosθcos(α-α_j)-cosθ₀cos(α₀-α_j)]，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_j为阵元j的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_j＝j2π/N，c为声速，ω为角频率， $k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}$ 为波数；θ为空间单位向量与xoy平面的夹角，θ₀为主极大方向与xoy平面的夹角，α为空间单位向量的投影与x轴的正半轴的夹角，α₀为主极大方向的投影与x轴的夹角。

本发明垂直指向性的控制(垂直偏转角θ的控制)采用如下方法：

如图4所示，组合圆弧阵由相距为d的M个圆弧阵构成。根据乘积原理，其指向性函数D为圆弧阵的指向性函数D1与相距为d的由M个点源构成的相控线阵的指向性函数D2的乘积。并且，组合圆弧阵的垂直指向性主要由D2决定。通过控制相邻圆弧阵的激励信号的延迟时间就可以控制组合圆弧阵辐射声波的垂向偏转方向θ。如图5所示，在井眼中使用相控线阵时，相控线阵的偏转角刚好就是井内声波入射于井壁界面的入射角。因此只要控制井下相控线阵声波辐射器的辐射声束以小于第一临界角入射于井壁界面，就可以使尽可能多的声波能量进入地层，从而从根本上提高声波测量的探测深度和接收信号的信噪比。相控线阵辐射的主声束的偏转角请θ₀由式(2)确定：

$\mathrm{\τ}=\frac{d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{c}$ (2)，其中，τ为相邻圆弧阵所加激励信号的延迟时间，θ₀为相控辐射器主声束的方向相对于xoy平面的偏转角。对于由M个点源构成的相控线阵，其辐射器的垂直指向性D₂(α，θ，α₀，θ₀，ω)如式(3)所示：

$D_2(\mathrm{\α},\mathrm{\θ}{,\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{kMd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}_0)\right)}{M\sin \left(\frac{\mathrm{kd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{sub\θ}}_0)\right)}---\left(3\right)$

本发明整个组合圆弧阵指向性的控制函数(计算表达式D₁)为：D＝D₁×D₂(4)

如图5所示，假设井内液体和井外地层中的纵波波速分别为V_f和V_p。对于一般地层，总有V_f＜V_p。当井眼内声源产生的声波以入射角θ_i入射于井壁界面时，只有满足θ_i＜θ_c条件的入射波才能在井旁地层中产生折射纵波，其中 ${\mathrm{\θ}}_c=\arcsin \left(\frac{V_f}{V_p}\right)$ 为第一临界角。一般认为，井内泥浆的纵波波速V_f为1600m/s，地层的纵波波速V_p的范围为1800m/s-7000m/s，于是，各种地层的第一临界角θ_c的范围为13°-63°。通过控制和调整相邻圆弧阵激励信号的延迟时间的方法可以控制和调整组合圆弧阵辐射声束的偏转角θ，使其始终小于第一临界角。

为了向地层中定向扫描辐射声波，井下组合圆弧阵声波辐射器辐射声束的角宽应该尽可能地小，以保证该声束透入地层后能够保持较小角宽，从而使声波测量有较高的空间分辨率。根据公式(1-3)，通过选择圆弧阵的个数和轴向间距以及进行幅度加权等方法可以使组合圆弧阵辐射的声束角宽较小。例如，如图6所示，相距为6cm的14个点声源阵元构成的相控线阵的辐射声束角宽Δθ₀达到7°。

为了实现向井外地层扫描辐射三维声波，就要不断地调整组合圆弧阵的辐射声束的周向偏转角和垂向偏转角。对于周向偏转角，通过不断改变圆弧阵不同阵元的组合实现对这个圆周不同方向辐射声束的扫描辐射。对于垂向偏转角，依次增加或减小组合圆弧阵声波辐射器的相邻圆弧阵激励信号的延迟时间，来改变辐射器产生的声束的传播方向，使声波在井壁的入射角在不大于第一临界角的范围内依次递增或递减，就可以实现向井外不同方向的地层中扫描辐射声场。当依次交替使用各个N_s阵元圆弧阵并遍及整个圆周的N个阵元时，即可实现向地层中360°的各个周向方向辐射声波、当相控阵声波辐射器辐射声束的垂向偏转角从零增加到第一临界角时，进入地层的声波传播方向的垂向偏转角就从-90°变化到90°。

本发明由于每一个深度点的扫描辐射测量需要一定的时间，因此，上述方法一般适合于井下声波仪器在井眼中不同深度点的测量，即“点测”。在测速要求不高的场合也可以用上述方法实现对不同深度的地层进行连续扫描声波测量。

Claims (6)

1、一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：三个以上的圆弧阵声波辐射器在井下沿井轴线方向排列成组合圆弧阵，对圆弧阵声波辐射器的阵元沿井轴线方向分别进行激发，调整各个阵元的激励信号的延迟时间，使得合成主波束沿垂向偏转；

对圆弧阵声波辐射器的阵元沿井径周方向分别进行激发，同时调整各个阵元激励信号的延迟时间，使得合成主波束沿水平周向偏转；

对组合圆弧阵各圆弧阵声波辐射器的三个以上阵元分别或同时进行激发，使组合圆弧阵的辐射声束周向偏转角和垂向偏转角组合；

不断改变组合圆弧阵不同阵元的组合，增加或减小组合圆弧阵声波辐射器的相邻圆弧阵激励信号的延迟时间，实现向井外地层全方位扫描辐射三维声场；

巡回使上述圆弧阵中各个阵元按幅度和相位加权参与振动，使声波向周向方向上扫描辐射，周向扫描辐射的角度范围为360°，

所述圆弧阵周向指向性函数D₁的计算公式为：

$D_1(\mathrm{\α},\mathrm{\θ},{\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{1}{N_s}\sqrt{N_s+2\underset{i=2}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\cos (Z_i-Z_j)}---\left(1\right)$

其中Z_i＝ka[cosθcos(α-α_i)-cosθ₀cos(α₀-α_i)]，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_i为阵元i的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_i＝i2π/N，Z_j＝ka[cosθcos(α-α_j)-cosθ₀cos(α₀-α_j)]，N_s为圆弧阵(一个扇面)的阵元数，α_j为阵元j的矢径与x轴的正半轴的夹角，α_j＝j2π/N，c为声速，ω为角频率， $k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}$ 为波数；θ为空间单位向量与xoy平面的夹角，θ₀为主极大方向与xoy平面的夹角，α为空间单位向量的投影与x轴的正半轴的夹角，α₀为主极大方向的投影与x轴的夹角；

所述辐射声波的垂向偏转方向由下式确定： $\mathrm{\τ}=\frac{d\sin {\mathrm{\θ}}_0}{c}$ (2)，其中，τ为相邻圆弧阵所加激励信号的延迟时间，θ₀为相控辐射器主声束的方向的垂向偏转角，c为声源所在介质的纵波波速；

所述组合圆弧阵的垂直指向性函数D₂的计算公式为：

$D_2(\mathrm{\α},\mathrm{\θ},{\mathrm{\α}}_0,{\mathrm{\θ}}_0,\mathrm{\ω})=\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{kMd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-{\sin \mathrm{\θ}}_0)\right)}{M\sin \left(\frac{\mathrm{kd}}{2}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)\right)}---\left(3\right)$

其中：M为圆弧阵的数量，θ₀为组合圆弧阵辐射声波的垂向偏转方向，k为波数。

2、根据权利要求1所述的一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：所述其组合圆弧阵辐射声束的垂向偏转角始终小于声波由井内液体入射于井壁介质的第一临界角。

3、根据权利要求1    所述的一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：所述进入地层的声波传播的垂向偏转角从-90°变化到90°。

4、根据权利要求3    所述的一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：所述组合圆弧阵的指向性函数D的计算公式为：D＝D₁×D₂  (4)，通过调整其中的参数可以实现向井外地层全方位扫描辐射三维声场。

5、根据权利要求1所述的一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：所述每个圆弧阵由24个以上的阵元沿圆周圆弧排列组成。

6、根据权利要求1所述的一种在井内向井外地层中扫描辐射三维声场的方法，其特征在于：所述组合圆弧阵的外直径范围为60mm-95mm，工作频率范围为5kHz-25kHz。

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