CN101270659A - 对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法。它属于应用地球物理勘探技术的创新，主要是通过采用相控线阵声波测井辐射器的优化工作方式，包括幅度加权和相位加权方式，使其辐射的主瓣角较窄，旁瓣级较低；通过控制相邻阵元间的延迟时间使其辐射的大部分能量透射到地层，从根本上增加地层反射波的能量、提高信噪比和探测能力。

Description

对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法

技术领域

本发明是一种对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，它属于应用地球物理勘探技术的创新。

背景技术

由于在套管井中现有的单极子声波测井探头辐射的声波经过套管、水泥等形成的径向多层介质后，辐射到地层中的能量大大减少，这影响了反射声波测井技术在套管井中的应用。另外，利用偶极子声波测井激发的弯曲波对套管外裂缝或声阻抗不连续界面的检测也有人做了尝试，但利用井孔模式波(弯曲波)评价井旁地质构造，限制了其径向检测深度；且不能完成裂缝高度和深度的“二维”检测。本专利首次将具有声束聚焦和动态可控技术的相控线阵声波测井辐射器应用于套管井反射声波测井，验证了将裸眼井反射声波测井技术应用于套管井中的可行性，为套管井外地层声阻抗不连续界面的识别提供了新的方法和思路。

另外，在反演套管井外地质构造时，需根据地层的纵横波速度进行。但目前，声波测井在套管井地层评价方面应用甚少，其主要应用被限制在固井质量评价。究其原因是现有的声波测井仪在过套管测量地层声学参数时有其局限性：(a)传统的采用对称振动式换能器的声波测井仪，声源所发出的能量无明显的指向性，无法进行人工控制，且I界面或II界面胶结差时，测量的全波列中套管波能量较强，几乎观测不到地层信息，限制了声波测井在套管井地层评价中的应用；(b)将非对称振动式换能器的多极子测井仪用于套管井测井时，偶极子声波测井可以在套管井I界面胶结差时测量地层的纵波信息，在一定程度上提高了套管井声波测井地层评价的能力，但是偶极子声波测井仪在套管井II界面胶结差、仪器稍有偏心或地层较软时测量地层的纵横波信息受到严重干扰，以致于在将其资料用于判断地层的声学性质时常常会出问题。基于此，本专利首次将具有声束聚焦和动态可控技术的相控线阵声波测井辐射器应用于套管井声波测井，提供了在套管井胶结差时测量地层声学参数的技术和方法。

因此，本发明在将相控线阵声波测井辐射器应用于套管井外地层裂缝或声阻抗不连续界面检测的同时，还解决了套管井地层声学参数的测量问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有方法简单，检测效果好，通过采用相控线阵声波测井辐射器的优化工作方式，使其辐射的大部分能量透射到地层，从根本上增加套管井外地层声阻抗不连续界面的反射信号的能量、提高信噪比和探测能力等优点的利用相控线阵声波测井辐射器对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法。在反演套管井外地质构造时，需要预先知道套管井外地层的纵横波速度，本发明同时也提供了在套管井胶结差时测量地层纵横波速度的方法，这对套管井地层评价具有重要意义。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

一种对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，它包括安装在套管井井孔中的相控线阵声波测井辐射器，相控线阵声波测井辐射器是由若干个传统的单极子声波测井探头沿着直线排列组成的，构成相控线阵声波测井辐射器的单极子声波测井探头称为阵元，阵元之间满足声电隔离，相邻阵元间距均匀排列或非均匀排列均可，相邻阵元间距均设定在0.04m～0.1m范围内；接收探头采用若干个方位声波接收探头，它们沿套管井周方向均匀放置排列而成，接收探头单独接收采集声波信号或通过接收电路将信号相加后输出到控制系统；相控线阵声波测井辐射器和接收探头的源距在2m～12m之间可调，满足较宽的径向探测范围。

所述相控线阵声波测井辐射器的工作频率范围在3kHz～30kHz之间；相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，用于强套管井孔中接收的地层滑行纵波的幅度，此时可在套管井任意胶结状况下测量地层的纵波速度；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角方式设定时，用于实现向套管井外地层扫描辐射声波的技术；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定时，用于在硬地层可加强套管井孔中接收的地层滑行横波的幅度，此时可在套管井任意胶结状况下测量地层的横波速度。

所述方位声波接收探头为压电陶瓷接收片。

所述相控线阵声波测井辐射器的指向性通过幅度加权等指向性综合方法控制；相控线阵声波测井辐射器阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐减小的方式设置，以使主瓣角宽变宽；反之，相控线阵声波测井辐射器阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐增大的方式设置，则使主瓣角宽变窄。

一种对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的方法，它的步骤为，

步骤1)：将相控线阵声波测井辐射器置于待测量的套管井井孔中，接收探头沿套管井周方向均匀放置排列；

步骤2)：调节相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间，使其在Δt₁～Δt₂之间变化，Δt₁最小取0μs，Δt₂最大取Δt_2max，变化步长最小取0μs，最大取3μs；

${\mathrm{\Δt}}_{2\max }=\frac{d}{1800}$

其中d为相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间距；Δt_2max是相邻阵元间延迟时间的最大取值，1800是地层纵波速度的最小值。

步骤3)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间依次变化时，方位声波接收探头分别接收来自井眼、套管、流体环、水泥环以及地层的声波信息；

步骤4)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角时实现向套管井外地层定向辐射声波的技术，接收探头接收的声波信息用于评价套管井外地层的地质构造，反演井旁声阻抗不连续界面；

步骤5)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，可大大加强接收探头接收的地层滑行纵波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层纵波信息的方法；

步骤6)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定，可大大加强接收探头接收的地层滑行横波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层横波信息的方法；

步骤7)：数据采集系统采集得到接收探头接收的信号，利用现有的波形处理技术得到地层纵横波速度和井旁声阻抗不连续界面的几何特征。

所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度一致，称为均匀响应。

所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度不一致，称为幅度加权。

本发明将相控阵技术引入到套管井反射声波测井中，目的是通过套管探测地层外的地质构造，而不是进行固井质量评价。通过幅度加权等指向性综合方法控制相控线阵声波测井辐射器使其辐射的主瓣角较窄、旁瓣级较低。调节相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间，使其辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角，使大部分能量向地层内辐射，即使在I、II界面胶结差时，也可有效地增强地层反射波的幅度，同时还可较好的抑制套管波的幅度。通过对在套管井中接收的波列进行波形处理，可反演得到套管外地层声阻抗不连续界面的几何特征。

在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角时，通过改变井孔中相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间激励信号的延迟时间可以控制井外地层中辐射主瓣的角宽和偏转方向，使声波沿着预先设定好的方向辐射，实现向套管井外地层定向辐射声波的技术。这对探测套管井外地质构造具有重要意义。

在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，可加强套管井孔中接收的地层滑行纵波的幅度，此时可在套管井胶结差时测量地层的纵波速度；在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣角的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定，在硬地层可加强套管井孔中接收的地层滑行横波的幅度，此时可在套管井胶结差时测量地层的横波速度。这也解决了利用声波测井方法进行套管井地层评价的难题。

套管井中的声传播涉及到柱状多层介质情况下的声反射和透射问题，为了使声波透过套管和水泥等中间介质辐射到地层中的主瓣较窄，提高探测套管外复杂油气藏的分辨率和可靠性，还可利用幅度加权等指向性综合方法优化设计相控线阵声波测井辐射器的参数。

声系结构中，源距范围在2m～12m之间，相控线阵声波测井辐射器做发射探头，接收探头采用方位声波接收探头，接收探头是由4、6或8个压电陶瓷接收片沿井周方向均匀放置排列而成，每个压电陶瓷片可单独接收声波信号，满足套管井进行井周方位地层评价的需求；也可以通过电路把每个压电陶瓷片接收的信号相加再输出。

本发明的有益效果体现在3个方面：

(1)方法简单，本发明只需将现有的单极子声波测井探头沿着直线排列构成相控线阵声波测井辐射器；

(2)检测效果好，利用相控线阵声波测井辐射器可使被测量信号的幅度大大增强，增强的倍数几乎与阵元个数的平方成正比；

(3)易于推广。

附图说明

图1是相控线阵声波测井辐射器幅度响应均匀的示意图，指相控线阵声波测井辐射器的各个阵元的响应幅度一致；

图2是相控线阵声波测井辐射器幅度加权响应的示意图，指相控线阵声波测井辐射器的各个阵元的响应幅度可以任意设置；

图3显示了相控线阵声波测井辐射器不同幅度加权方式的指向性图，通过幅度加权和相位加权可以控制主瓣角宽度、去除栅瓣以及降低旁瓣级大小；

图4a是传统的单极子声波测井探头做发射探头在套管井胶结良好时接收的波列图；

图4b是相控线阵声波测井辐射器做发射探头在套管井胶结良好时接收的波列图；

图4c显示了使用相控线阵声波测井辐射器后反射纵波幅度增强的dB数；

图5a是套管井I界面胶结差时传统的单极子声波测井探头做发射探头在套管井中接收的全波波形；

图5b是套管井I界面胶结差时相控线阵声波测井辐射器做发射探头在套管井中接收的全波波形，显示了被加强的反射纵波图；

图5c显示了被加强的滑行横波图；

图6a是由4个电压陶瓷接收片组成的方位声波接收探头的示意图；

图6b是由6个电压陶瓷接收片组成的方位声波接收探头的示意图；

图6c是由8个电压陶瓷接收片组成的方位声波接收探头的示意图；

图7a是在套管井胶结差时(I界面存在5mm的流体环)对单极子声波测井探头做发射探头时接收的波列利用STC方法提取的全波中各成份的慢度值；

图7b是在套管井胶结差时(I界面存在5mm的流体环)对相控线阵声波测井辐射器做发射探头时接收的波列利用STC方法提取的全波中各成份的慢度值；

图8a是在套管井胶结差时(自由套管状况下)对单极子声波测井探头做发射探头时接收的波列利用STC方法提取的全波中各成份的慢度值；

图8b是在套管井胶结差时(自由套管状况下)对相控线阵声波测井辐射器做发射探头时接收的波列利用STC方法提取的全波中各成份的慢度值。

其中，1.响应幅度，2.阵元，3.主瓣角，4.压电陶瓷接收片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明的检测系统为：

图1、图2、图6a、图6b、图6c中，它包括安装在套管井井孔中的相控线阵声波测井辐射器，相控线阵声波测井辐射器由若干个传统的单极子声波测井探头沿着直线排列组成的，构成相控线阵声波测井辐射器的单极子声波测井探头称为阵元，阵元之间满足声电隔离，相邻阵元间距均匀排列或非均匀排列均可，相邻阵元间距设定在0.04m～0.1m范围内；接收探头采用若干个方位声波接收探头，它们沿套管井周方向均匀放置排列而成，方位声波接收探头单独接收声波信号或通过接收电路将信号相加后输出到控制系统；相控线阵声波测井辐射器和接收探头的源距在2m～12m之间可调，满足较宽的径向探测范围。

所述相控线阵声波测井辐射器的工作频率范围在3kHz～30kHz之间；相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照其辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，用于加强套管井孔中接收的地层滑行纵波的幅度，此时可在套管井胶结差时测量地层的纵波速度；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照其辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角方式设定时，用于实现向套管井外地层扫描辐射声波的技术；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照其辐射主瓣的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定时，用于在硬地层加强套管井孔中接收的地层滑行横波的幅度，此时可在套管井胶结差时测量地层的横波速度。

所述方位声波接收探头为压电陶瓷接收片。

图3中，所述相控线阵声波测井辐射器的指向性通过幅度加权等指向性综合方法控制；相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐减小的方式设置，以使主瓣角宽变宽；反之，各个阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐增大的方式设置，则使主瓣角宽变窄。

本发明的检测方法步骤为，

步骤1)：将相控线阵声波测井辐射器置于待测量的套管井井孔中，方位声波接收探头沿套管井周方向均匀放置排列；

步骤2)：调节相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间，使其在Δt₁～Δt₂之间变化，Δt₁最小取0μs，Δt₂最大取Δt_2max，变化步长最小取0μs，最大取3μs；

${\mathrm{\Δt}}_{2\max }=\frac{d}{1800}$

其中d为相控线阵声波测井辐射器相邻阵元之间的距离；Δt_2max是相邻阵元间延迟时间的最大取值，1800是地层纵波速度的最小值。

步骤3)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间依次变化时，方位声波接收探头分别接收来自井眼、套管、流体环、水泥环以及地层的声波信息；

步骤4)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角时实现向套管井外地层定向辐射声波的技术，接收探头接收的声波信息用于评价套管井外地层的地质构造，反演井旁声阻抗不连续界面；

步骤5)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，可大大加强接收探头接收的地层滑行纵波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层纵波信息的方法；

步骤6)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按其照辐射主瓣角的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定，可大大加强接收探头接收的地层滑行横波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层横波信息的方法；

步骤7)：数据采集系统采集得到接收探头接收的信号，利用现有的波形处理技术得到地层纵横波速度和井旁声阻抗不连续界面的位置。

所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度一致，称为均匀响应。

所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度不一致，称为幅度加权。

图5a和图5b分别是套管井I界面胶结差时传统的单极子声波测井探头和相控线阵声波测井辐射器做发射探头在套管井中接收的全波波形。在I界面胶结差时，传统的单极子声波测井探头做发射探头时接收的全波波形中套管波的幅度明显，从时域波形中较难观测到地层信号的到时，也基本观测不到来自裂缝的反射波信息；在采用了相控线阵声波测井辐射器做发射探头时，由于辐射到地层中的能量增强(在主瓣角偏转方向，声波幅度增强的倍数基本和阵元个数成正比)，随着调节相控线阵声波测井辐射器在地层中辐射主瓣角的偏转方向，可分别较清晰的观测到了被加强的反射纵波(图5b椭圆标注部分)、滑行横波(图5c)。根据估算的地层纵横波速度，可利用图5b中接收的反射纵波反演套管井外地层声阻抗不连续界面的几何特征。

通过对比图4a和图4b可知，采用相控线阵声波测井辐射器可以大大加强地层反射纵波的幅度，提高信噪比和探测能力；图4c显示了使用相控线阵声波测井辐射器后反射纵波幅度增强的dB数。

图7a和图7b显示了在套管井胶结差(I界面存在5mm的流体环)时单极子声波测井探头和相控线阵声波测井辐射器分别工作时的慢度-时间相关图，对比两图可知，单极子声波测井探头工作时在地层纵波慢度位置隐约可见有亮光，而在相控线阵声波测井辐射器做发射探头时(此时主瓣偏转角等于地层的第二临界角)，可清晰的观测到地层滑行纵波的到时和慢度值(到时为0.8ms附近，慢度值约为250μs/m)，因此在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角辐射时，可以加强全波列中地层滑行纵波的能量。这对在套管井进行地层声学性质的测量具有重要意义。

图8a和图8b是传统的单极子声波测井探头和相控线阵声波测井辐射器在自由套管状况下激发的全波波形的STC图，可见自由套管状况下单极子声波测井探头激发的全波波形中观测不到地层滑行横波，但在相控线阵声波测井辐射器做发射探头时(此时主瓣偏转角等于地层的第二临界角)，可清晰的观测到地层滑行横波的到时和慢度值(到时为1400μs附近，慢度值约为430μs/m)。这对在套管井进行地层声学性质的测量具有重要意义。

工作方式

相控线阵声波测井辐射器的工作方式有2种：

(1)相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度一致(均匀响应)，相邻阵元间的延迟时间一致相控线阵，参见附图1；

(2)相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度不一致(幅度加权)，相邻阵元间的延迟时间一致，参见附图2；

套管井声波测井的工作方式：

选择上述某一种工作方式的相控线阵声波测井辐射器，控制辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角，实现向套管井外地层扫描辐射声波的技术；控制辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角，实现在套管井胶结差时测量地层纵波信息的技术；控制辐射主瓣偏转角等于地层的第二临界角，实现在套管井胶结差时测量地层横波信息的技术。

Claims (7)

1.一种对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是：它包括安装在套管井井孔中的相控线阵声波测井辐射器，相控线阵声波测井辐射器是由若干个传统的单极子声波测井探头沿着直线排列组成的，构成相控线阵声波测井辐射器的单极子声波测井探头称为阵元，阵元之间满足声电隔离，相邻阵元间距均匀排列或非均匀排列均可，相邻阵元间距均设定在0.04m～0.1m范围内；接收探头采用若干个方位声波接收探头，它们沿套管井周方向均匀放置排列而成，接收探头单独接收采集声波信号或通过接收电路将信号相加后输出到控制系统；相控线阵声波测井辐射器和接收探头的源距在2m～12m之间可调，满足较宽的径向探测范围。

2.如权利要求1所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是：所述相控线阵声波测井辐射器的工作频率范围在3kHz～30kHz之间；相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，用于强套管井孔中接收的地层滑行纵波的幅度，此时可在套管井任意胶结状况下测量地层的纵波速度；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角方式设定时，用于实现向套管井外地层扫描辐射声波的技术；

相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定时，用于在硬地层可加强套管井孔中接收的地层滑行横波的幅度，此时可在套管井任意胶结状况下测量地层的横波速度。

3.如权利要求1所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是：所述方位声波接收探头为压电陶瓷接收片。

4.如权利要求1或2所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是：所述相控线阵声波测井辐射器的指向性通过幅度加权等指向性综合方法控制；相控线阵声波测井辐射器阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐减小的方式设置，以使主瓣角宽变宽；反之，相控线阵声波测井辐射器阵元的响应幅度按照从中心向两端逐渐增大的方式设置，则使主瓣角宽变窄。

5.一种权利要求1所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是：它的步骤为，

步骤1)：将相控线阵声波测井辐射器置于待测量的套管井井孔中，接收探头沿套管井周方向均匀放置排列；

步骤2)：调节相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间，使其在Δt₁～Δt₂之间变化，Δt₁最小取0μs，Δt₂最大取Δt_2max，变化步长最小取0μs，最大取3μs；

${\mathrm{\Δt}}_{2\max }=\frac{d}{1800}$

其中d为相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间距；Δt_2max是相邻阵元间延迟时间的最大取值，1800是地层纵波速度的最小值。

步骤3)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间依次变化时，方位声波接收探头分别接收来自井眼、套管、流体环、水泥环以及地层的声波信息；

步骤4)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角小于地层的第一临界角时实现向套管井外地层定向辐射声波的技术，接收探头接收的声波信息用于评价套管井外地层的地质构造，反演井旁声阻抗不连续界面；

步骤5)：在相控线阵声波测井辐射器辐射主瓣偏转角等于地层的第一临界角时，可大大加强接收探头接收的地层滑行纵波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层纵波信息的方法；

步骤6)：在相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间的延迟时间按照辐射主瓣的3dB角宽覆盖地层的第二临界角方式设定，可大大加强接收探头接收的地层滑行横波的幅度，得到在套管井胶结差时测量地层横波信息的方法；

步骤7)：数据采集系统采集得到接收探头接收的信号，利用现有的波形处理技术得到地层纵横波速度和井旁声阻抗不连续界面的几何特征。

6.如权利要求5所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是，所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度一致，称为均匀响应。

7.如权利要求5所述的对套管井外地层声阻抗不连续界面检测的系统及方法，其特征是，所述步骤3)中，相控线阵声波测井辐射器的工作方式为：相控线阵声波测井辐射器各个阵元的响应幅度不一致，称为幅度加权。

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