CN101029936A - 方位反射声波测井方法 - Google Patents

Abstract

一种方位反射声波测井方法，包括步骤：A.将组合圆弧阵声波辐射器和至少一个接收探头布置在待测的充液井孔中；B.改变参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元组合，并施加合适的延迟激励以实现井下声源向某一侧并壁辐射声波；C.使上述辐射的声波以小于第一临界角并沿某一方位角入射于某一侧井壁介质，使此方位角范围内的井旁介质参与振动，而该方位角范围外的井旁介质不参与振动，进入地层的声波信号遇到井旁地层界面时被反射回井内；D.分别采用短源距和长源距工作方式对该方位角范围内的井旁地层进行扫描测量；E.各个接收探头接收上述方位角范围内的不同源距的反射声波信号，使其仅仅包含与传播路径有关的某一侧井旁介质的信息；F.对得到的不同源距的多道接收信号进行处理，得到该方位角范围内井旁地层的声学评价。

Description

方位反射声波测井方法

技术领域

本发明属于应用地球物理领域，涉及一种测井方法，特别涉及一种方位反射声波测井方法。

背景技术

目前，石油勘探、开采的难度越来越大，迫切需要了解低孔、低渗、非均质、各向异性等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律，必须探索新的测量方法。由于三维地震勘探和井间地震勘探的分辨率偏低，不易用于评价井眼附近的微地质结构和指导定向钻井。反射声波测井主要包括反射超声波脉冲成像测井和正在研发中的远探测反射声波成像测井。反射超声波脉冲成像测井主要用于对井壁介质表面成像和对固井质量进行评价，其径向探测范围不超过10cm。国内外正在兴起的远探测反射声波成像测井的分辨率(几十厘米)和测量范围(几米至几十米)介于常规地震勘探和常规声波测井方法之间，从而有助于填补上述两种测量方法留下的空白。反射声波测井在大斜度井和水平井评价中占有重要的应用地位，可以用来确定井眼周围附近地层(如油藏盖层)的状况、储层界面相对于井眼的位置、储层的厚度并描绘一些小的构造(如裂缝)的状况。目前，国内外正在研制中的远探测反射声波成像测井仪器不具有周向(即方位)分辨能力，利用这种声波测井仪器有可能评价井旁裂缝或地层层理距离井轴的距离和倾角但无法确定它们的方位角(即无法知道它们在井壁的哪一侧)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方位反射声波测井方法，克服上述现有技术中存在的缺陷，使其具有周向(即方位)分辨能力。

为了实现上述目的，本发明提供一种方位反射声波测井方法，其用于进行测井的声系包括有发射探头和至少一个接收探头，该发射探头为相控组合圆弧阵声波辐射器，该接收探头为单极子声波接收换能器；该测井方法包括步骤：

A.将发射探头和至少一个接收探头布置在待测的井孔中；

B.改变参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元组合，并施加合适的延迟激励以实现井下声源向某一侧井壁辐射声波；

C.使上述辐射的声波以小于第一临界角并沿某一方位角入射于某一侧井壁介质，使此方位角范围内的井旁介质参与振动，而该方位角范围外的井旁介质不参与振动，进入地层的声波信号遇到井旁地层界面时被反射回井内；

D.分别采用短源距和长源距工作方式对该方位角范围内的井旁地层进行扫描测量；

E.各个接收探头接收上述方位角范围内的不同源距的声波信号，使其仅仅包含与传播路径有关的某一侧井旁介质的信息；

F.对上述步骤中得到的不同源距的多道接收信号进行处理，得到该方位角范围内井旁地层的声学评价。

优选的，所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元数大于1，并且其相对对称的阵元同位相振动。

优选的，所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元间施加的激励延迟为：

R(cosα₁-cosα_n)/c

其中，R-相控组合圆弧阵声波辐射器半径；

      Rcosα₁-一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

      Rcosα_n-另一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

      c-声速；

      α₁-一阵元与辐射方向中心轴的夹角；

      α_n-另一阵元与辐射方向中心轴的夹角。

优选的，所述短源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距小于1m时进行测量的工作方式。

优选的，所述长源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距大于2m时进行测量的工作方式。

优选的，所述至少一个接收探头布置在所述发射探头的一侧或两侧。

优选的，所述发射探头辐射的声波测量频率范围为6kHz～20kHz。

优选的，所述声系在井孔中上升或下降过程中在不同深度点重复步骤A至E，对井旁地层进行扫描测量。

优选的，所述发射探头和至少一个接收探头布置在待测井孔的井轴上。

优选的，改变所述方位角，对不同方位角方向的井旁地层重复步骤B至E，得到整个圆周井旁地层的声学评价。

本发明具有的优点：

1、本发明所采用的相控组合圆弧阵声波辐射器在充液井孔中所辐射的声波可以以小于第一临界角并沿某一方位角入射于井内液体与井壁的界面并进入地层，透入地层的脉冲声波信号遇到该侧地层界面或层理、裂缝等声阻抗不连续界面时被反射回井内并被不同位置的一个以上单极子声波接收换能器所接收，接收信号中仅含有这一侧井旁地层界面的信息，通过对不同源距的多道接收信号的处理就可以获取该侧井旁地层中的声学界面的距离和方位信息，从而实现对指定方位角范围内井外地层的声学评价。

2、本发明所采用的相控组合圆弧阵声波辐射器能够向井旁的某一方位方向定向辐射声波能量，通过控制声束角宽使声波能量以小于第一临界角入射于井壁，这样可以从根本上增加进入地层的声波能量、增加探测距离和提高信噪比。采用相控组合圆弧阵控制技术，可以使发射探头发出的脉冲声波进入某一侧井壁地层，进入该侧地层的声波遇到地层界面或层理时被反射回井内并被不同位置的一个以上单极子声波接收换能器所接收，接收信号中只含有这一侧井旁地层性质的信息，通过对不同源距的多道接收信号的处理就可以计算出该侧井旁地层声学界面的距离和方位，从而实现对指定方位角范围内井外地层的声学评价。

3、在井眼中进行有方位分辨率的反射声波测井不但可以评价井旁地层内有无裂缝、层理及其离井轴的距离，还可以测定其方位角，这对于水平井、大斜度井的地层评价、井旁地层裂缝和界面评价、定向钻井、定向射孔等工程具有重大意义。

本发明的上述和另外的特征、优点可以通过以下结合附图的详细说明得到进一步的理解。

附图说明

图1为本发明方位反射声波测井方法的流程图；

图2为相控组合圆弧阵声波辐射器示意图；

图3为方位反射声波测井声系示意图；

图4为短源距方位反射声波测井示意图；

图5为相控圆弧阵声波辐射器声波辐射方向控制示意图。

附图标记说明：发射探头1；接收探头2。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明提供一种方位反射声波测井方法，其用于进行测井的声系包括有发射探头1和至少一个接收探头2，如图2所示，该发射探头1采用的是专利号为ZL 20031011 5236.1的发明专利中所述的相控组合圆弧阵声波辐射器，该接收探头2为单极子声波接收换能器，如图3和图4所示，所述至少一个接收探头2可以是布置在所述发射探头1的一侧或两侧，优选的，所述发射探头1和至少一个接收探头2可以布置在待测井孔的井轴上；如图1所示，该测井方法包括步骤：

A.将发射探头1和至少一个接收探头2布置在待测的井孔中；

B.改变参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元组合，并施加合适的延迟激励以实现井下声源向某一侧井壁辐射声波；

C.使上述辐射的声波以小于第一临界角并沿某一方位角入射于某一侧井旁介质，使此方位角范围内的井旁介质参与振动，而该方位角范围外的井壁介质不参与振动，进入地层的声波信号遇到井旁地层界面时被反射回井内；

D.分别采用短源距和长源距工作方式对该方位角范围内的井旁地层进行扫描测量；

E.各个接收探头2接收上述方位角范围内的不同源距的反射声波信号，使其仅仅包含与传播路径有关的某一侧井旁介质的信息；

F.对上述步骤中得到的不同源距的多道接收信号进行处理，得到该方位角范围内井旁地层的声学评价。

所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元数大于1，既可以是偶数，也可以是奇数，并且其相对对称的阵元同位相振动。

如图5所示，为了便于说明利用相控组合圆弧阵声波辐射器实现方位扫描辐射声波，我们以半径为R、24阵元圆弧阵为例进行说明。在某一次测量中圆弧阵上仅由1～6号阵元工作来完成某一次声波辐射(其它阵元不工作)，并设置1号与6号阵元同位相振动、2号与5号阵元同位相振动、3号与4号阵元同位相振动。4、5、6号阵元的激励起始时刻分别用t₁、t₂和t₃表示，并取：

$t_1-t_3=\frac{R}{c}(\cos {\mathrm{\α}}_1-\cos {\mathrm{\α}}_3)$

$t_1-t_2=\frac{R}{c}(\cos {\mathrm{\α}}_1-\cos {\mathrm{\α}}_2)$

$t_2-t_3=\frac{R}{c}(\cos {\mathrm{\α}}_2-\cos {\mathrm{\α}}_3)$

其中，R-相控组合圆弧阵声波辐射器半径；

      Rcosα₁-一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

      Rcosα_n(n＝2，3)-另一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

      c-声速；

      α₁-一阵元与辐射方向中心轴的夹角；

      α_n(n＝2，3)-另一阵元与辐射方向中心轴的夹角。

根据相控圆弧阵辐射指向性原理可知，这6个阵元协同工作的结果是使声波沿着图中所示的x方向辐射。类似地，当取0～5号阵元按相应的延迟时间激励工作时就可以使声波沿着图中所示的x₁方向辐射。若参与工作的发射探头1，也就是相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元数为奇数个，则以中间的阵元的中心轴线为对称，两边对称的阵元进行同位相振动，依次改变参与工作的阵元组合并施加合适的延迟激励就可以实现井下声源向井壁圆周进行方位扫描辐射声波。同时，通过控制相控组合圆弧阵的垂直指向性和辐射声束角宽使声波能量以小于第一临界角入射于井壁(专利ZL 20031011 5236.1中已经公布了“垂直指向性”的控制方法)，这样可以从根本上增加进入地层的声波能量、增加探测距离和提高信噪比。

本发明的方法专用于方位反射声波测井，对源距(发收探头之间的距离)的选择有优先选项。上述步骤中所述的短源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距小于1m时进行测量的工作方式，所述长源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距大于2m时进行测量的工作方式。如图4所示，接收探头2距离发射探头1较近(1m以内，短源距)，使发射探头1与接收探头2的一发一收工作接近于一个探头的自发自收工作，即使得进入井旁地层的声波传播方向和由井旁地层反射回井内并被接收到的声波的传播方向都近似于与井轴垂直。这样反射波所传播的几何路径较小、信号衰减较小。如图3所示，接收探头2距离发射探头1较远(2m以上，长源距)，用于接收沿井壁介质传播的折射纵波和折射横波信号以及井内的斯通利波，从而可以测量井壁地层的纵、横波及井内斯通利波的波速和衰减；另一方面，接收探头2还用来接收对应于非零入射角的、来自于井旁地层的反射声波。

如图3所示，上述的每一次方位扫描辐射声波都使发射探头发出的脉冲声波由井内进入地层并沿一定方位角范围内的一侧井旁地层传播，而此方位角范围以外的井旁地层介质并未参与振动。此声波脉冲信号遇到该侧井旁地层界面或层理时被反射回井内并被不同位置的一个以上单极子声波接收换能器所接收，接收信号中只含有这一侧井旁地层界面的信息，通过对不同源距的多道接收信号的处理就可以计算出该侧井旁地层声学界面的距离和方位，从而实现对指定方位角范围内井旁地层的声学评价。

为了得到整个圆周井旁地层的声学评价，可以在上述步骤的基础上，作进一步的测量，其中，所述声系在井孔中上升或下降过程中在不同深度点重复步骤A至E，对井旁地层进行扫描测量；改变所述方位角，对不同方位角方向的井旁地层重复步骤B至E，就可以得到整个圆周井旁地层的声学评价。

相控圆弧阵的辐射指向性、声波信号的幅度与声波频率有关。为了保证本发明所提出的方位反射声波测井方法有良好的方位分辨能力同时兼顾声波信号的信噪比，本发明要求声波测量频率范围为6kHz～20kHz。

所述的对上述不同源距的多道接收信号的处理，是指声波到达时间和幅度的计算处理得到该侧井旁地层的声学信息，通过对不同源距的多道接收信号的处理就可以实现对指定方位角范围井旁地层性质的方位声学评价。此为本领域技术人员都可以知晓的处理方法这里就不再赘述了。

应当理解，以上结合实施例的说明对本发明而言只是说明性而非限制性的，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明做出许多变更和修改，其都将落在由权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (10)

1、一种方位反射声波测井方法，其特征在于：用于进行测井的声系包括有发射探头和至少一个接收探头，该发射探头为相控组合圆弧阵声波辐射器，该接收探头为单极子声波接收换能器；该测井方法包括步骤：

A.将发射探头和至少一个接收探头布置在待测的充液井孔中；

B.改变参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元组合，并施加合适的延迟激励以实现井下声源向某一侧井壁辐射声波；

C.使上述辐射的声波以小于第一临界角并沿某一方位角入射于某一侧井旁介质，使此方位角范围内的井旁介质参与振动，而该方位角范围外的井壁介质不参与振动，进入地层的声波信号遇到井旁地层界面时被反射回井内；

D.分别采用短源距和长源距工作方式对该方位角范围内的井旁地层进行扫描测量；

E.各个接收探头接收上述方位角范围内的不同源距的反射声波信号，使其仅仅包含与传播路径有关的某一侧井旁介质的信息；

F.对上述步骤中得到的不同源距的多道接收信号进行处理，得到该方位角范围内井旁地层的声学评价。

2、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元数大于1，并且其相对对称的阵元同位相振动。

3、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器的阵元间施加的激励延迟为：

R(cosα₁-cosα_n)/c

其中，R-相控组合圆弧阵声波辐射器半径；

Rcosα₁-一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

Rcosα_n-另一振动阵元与辐射中心的连线在辐射方向中心轴上的投影；

c-声速；

α₁-一阵元与辐射方向中心轴的夹角；

α_n-另一阵元与辐射方向中心轴的夹角。

4、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述短源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距小于1m时进行测量的工作方式。

5、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述长源距工作方式是所述发射探头和接收探头之间的源距大于2m时进行测量的工作方式。

6、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述至少一个接收探头布置在所述发射探头的一侧或两侧。

7、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述发射探头辐射的声波测量频率范围为6kHz～20kHz。

8、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述声系在井孔中上升或下降过程中在不同深度点重复步骤A至E，对井旁地层进行扫描测量。

9、如权利要求1所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：所述发射探头和至少一个接收探头布置在待测井孔的井轴上。

10、如上述权利要求中任一个所述的方位反射声波测井方法，其特征在于：改变所述方位角，对不同方位角方向的井旁地层重复步骤B至E，得到整个圆周井旁地层的声学评价。

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