CN101042046A - 一种套管井方位声波测井方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种套管井方位声波测井方法，其采用由相控组合圆弧阵声波辐射器、隔声体和两个单极子声波接收换能器组成的声系；相控组合圆弧阵声波辐射器在充液井孔中所辐射的脉冲声波沿一定方位角范围内的某一侧井壁介质(套管、水泥环和地层)中传播并被井孔中不同位置的两个单极子声波接收换能器所接收，分别通过对两种源距的接收信号的处理就可以获取对应于该侧井壁介质的声学信息，从而实现对指定方位角范围内固井质量和地层性质的评价。

Description

一种套管井方位声波测井方法

技术领域

本发明涉及的是一种声波探测方法，特别涉及的是一种在充液套管井孔中使用，实现对指定方位角范围内固井质量和地层性质进行评价的声波探测方法。

背景技术

声波测井是在充液井孔中实施声学测量的一种测井方法。在套管井中，通过对充液井孔中各种模式波的声速和衰减等量的测量来评价固井质量。

从20世纪40年代到现在，声波测井仪经历了从单发射单接收、单发射双接收及双发射双接收方式的发展过程。裸眼井测量内容由仅测量地层纵波速度发展到能够测量充液井孔中滑行纵波、滑行横波、斯通利波和弯曲波的波速和衰减的测量，大大拓宽了声波测井在地层评价中的应用范围。而在套管井中的声波测井以测量套管和地层之间的水泥胶结质量为主要目的。

目前，国内外尚缺少在套管井内固井质量方位评价手段和过套管地层评价及预测套损等工程问题的有效测量技术。井下声波电视测量技术仅仅能够评价套管的几何状态，不能评价水泥胶结质量和套管外地层性质；目前广泛使用的评价水泥固井质量的测井仪器，例如声幅测井(CBL)和变密度声波测井(VDL)等，都不具备方位(周向)分辨能力。进口的评价固井质量的扇区水泥胶结评价仪(SBT)等类似测井仪器只能对固井质量提供粗略的周向测量结果(方位分辨率为60度)，并且只能够对第一界面的水泥胶结状况进行评价，无法对第二界面的水泥胶结状况和套管外地层性质做出评价。本发明公布了一种可以在套管井内使用的、能够评价套管外水泥胶结质量的套管井方位声波测井技术。随着技术的进步和石油工程的发展，人们对包括第二界面水泥胶结状况以及地层性质的评价在内的、具有周向分辨能力的套管井方位声波测井技术的需求越来越迫切。Schlumberger公司于2005年提出了采用单极子和偶极子声源在套管井中进行“三维”声波测井的方法，但是，由于偶极子声源的指向性的限制，这种方法存在方位分辨率差和多解性的重大缺点。

本专利申请人提出采用ZL 20031011 5236.1的发明专利中所述的任意指向性声波辐射器，采用一个以上单极子声波换能器接收方位声波信号，声波测量频率在6kHz～20kHz范围的、具有方位分辨能力的套管井声波测井方法，可以形成一种新的套管井声波测井技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种套管井方位声波测井方法，该方法在发射探头、声传播几何路径、测量原理和测量功能等方面相对于当前的测井方法进行了重大改进，使发射探头发出的声波沿一定方位角范围内某一侧井壁介质(套管、水泥环和地层)传播，接收信号中只含有这一侧井壁介质的信息，从而实现对指定方位角范围内固井质量、套管外地层介质性质进行评价。

为实现上目的，本发明采用的技术方案在于，提供了一种套管井方位声波测井方法，其包括的步骤为：

a步骤：在充液套管井孔中依次设置相控组合圆弧阵声波辐射器、隔声体以及两个接收探头，所述接收探头与相控组合圆弧阵声波辐射器之间的距离分别为1m和1.5m；

b步骤：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步骤：进入井壁介质的声波仅沿一定方位角范围内的某一侧井壁介质传播，使此方位角范围内的井壁介质参与振动，而该方位角范围外的井壁介质不参与振动；

d步骤：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壁介质的信息；

e步骤：通过对上述不同源距的多道接收信号的处理得到该侧井壁介质的声学信息。

f步骤：通过对不同方位角方向的井壁介质进行扫描测量来实现整个圆周井壁介质的声学评价；

较佳的，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；

较佳的，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。

较佳的，所述的接收探头布置在相控组合圆弧阵声波辐射器的任意一侧；

较佳的，所述的接收探头为单极子声波接收换能器；

较佳的，所述声波的测量频率范围为6kHz～20kHz；

较佳的，所述套管井方位声波测井声系在井孔中上升或下降过程中对不同深度点进行测试；

较佳的，所述的处理是指声波到达时间和幅度的计算处理；

较佳的，所述的井壁介质为套管、水泥环和地层。

附图说明

图1为本发明套管井方位声波测井声系示意图；

图2为本发明相控组合圆弧阵声波辐射器示意图；

图3为本发明套管井方位声波测井方法流程图；

图4为本发明相控圆弧阵声波辐射器声波辐射方向控制示意图；

图5为本发明套管井方位声波测井示意图。

附图标记说明：1-相控组合圆弧阵声波辐射器；2-隔声材料；3-两个单极子声波接收换能器；4-隔声体；5-套管内壁；6-圆弧阵声波辐射器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明套管井方位声波测井声系示意图，其包括相控组合圆弧阵声波辐射器1、隔声体4和两个的接收探头。这里所述的接收探头为单极子声波接收换能器3，其中所述的相控组合圆弧阵声波辐射器1为本申请人在2003.11.24申报的ZL 20031011 5236.1的发明专利中所述的任意指向性声波辐射器。

请参阅图2所示，其为本发明相控组合圆弧阵声波辐射器示意图，其包括若干个圆弧阵6以及隔声材料2，所述的隔声材料2位于圆弧阵6之间。

请参阅图3所示，其为本发明套管井方位声波测井方法流程图；其步骤包括：

a步骤：在充液井孔中依次设置相控组合圆弧阵声波辐射器1、隔声体4以及两个单极子声波接收换能器3，所述单极子声波接收换能器3与相控组合圆弧阵声波辐射器1之间的距离分别为1m和1.5m；

b步骤：改变参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器1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5辐射声波；

c步骤：进入井壁介质的声波仅沿一定方位角范围内的某一侧井壁介质传播，使此方位角范围内的井壁5介质参与振动，而该方位角范围外的井壁5介质不参与振动；

d步骤：各个单极子声波接收换能器3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壁5介质的信息；

e步骤：通过对上述不同源距的多道接收信号的处理得到该侧井壁5介质的声学信息。

f步骤：通过对不同方位角方向的井壁5介质进行扫描测量来实现整个圆周井壁介质的声学评价；

对于a步骤所述的单极子声波接收换能器3与相控组合圆弧阵声波辐射器1之间的距离问题，鉴于源距为1m的声幅测井(CBL)和源距为1.5m的变密度声波测井(VDL)已经成为国内外声波测井的标准，因此，在图1所示的声系中取最小源距(TR1)为1m(接近于3英尺)、取次最小源距(TR2)为1.5m(接近于5英尺)。如此，本发明提出的测量技术的测量结果与当前的测量技术的测量结果具有一定的可比性，但同时具有传统测量技术所不具备的方位测量功能。

对于b步骤所述的实现井下声源向某一侧井壁5辐射声波，其实现过程中所述的参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器1的阵元数既可以是偶数，也可以是奇数，并且其相对对称的阵元同位相振动；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，我们假设半径为R的相控圆弧阵由24个阵元组成，如图4所示，假设在某一次测量中圆弧阵上有6个阵元振动，即由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。假设4、5、6号阵元的激励起始时刻分别为t₁、t₂和t₃，并取：

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

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

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

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。

若参与工作的相控组合圆弧阵声波辐射器1的阵元数为奇数，则以中间的阵元的中心轴线为参考，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并壁圆周进行方位扫描辐射声波。

本发明所述的井壁介质为套管、水泥环和地层；

同时所述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套管井方位声波测井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。这个频率范围与传统的声波测井的频率范围是一致的，因而利用本发明所述方法的测量结果与传统声波测井的测量结果有可比性。

请参阅图5所示，为本发明套管井方位声波测井示意图，所述套管井方位声波测井声系在井孔中上升或下降过程中对不同深度点进行测试；并且所述的两个单极子声波接收换能器3可以布置在相控组合圆弧阵声波辐射器1的任意一侧。

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，通过对不同源距的多道接收信号的处理就可以计算出与该侧井壁介质所对应的各种模式波的声速和衰减，进而实现对指定方位角范围内套管外水泥胶结状态和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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1、一种套管井方位声波测井方法，其特征在于，其包括的步骤为：

a步骤：在充液套管中依次设置相控组合圆弧阵声波辐射器、隔声体以及两个接收探头，所述接收探头与相控组合圆弧阵声波辐射器之间的距离分别为1m和1.5m；

b步骤：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步骤：进入井壁介质的声波仅沿一定方位角范围内的某一侧井壁介质传播，使此方位角范围内的井壁介质参与振动，而该方位角范围外的井壁介质不参与振动；

d步骤：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壁介质的信息；

e步骤：通过对上述不同源距的多道接收信号的处理得到该侧井壁介质的声学信息。

f步骤：通过对不同方位角方向的井壁介质进行扫描测量来实现整个圆周井壁介质的声学评价。

2、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，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、根据权利要求1套管井方位声波测井方法，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、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述的接收探头布置在相控组合圆弧阵声波辐射器的任意一侧。

5、根据权利要求1或4所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述的接收探头为单极子声波接收换能器。

6、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述声波的测量频率范围为6kHz～20kHz。

7、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述套管井方位声波测井声系在井孔中上升或下降过程中对不同深度点进行测试。

8、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述的处理是指声波到达时间和幅度的计算处理。

9、根据权利要求1所述的套管井方位声波测井方法，其特征在于，所述的井壁介质为套管、水泥环和地层。

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