CN101349758B - 一种双相控声波发射装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油测井的双相控声波发射装置的控制方法，装置包括由多个单极子声波换能器组成的两组相控发射探头和相应的相控发射控制电路，(1)测井前根据该井地质设计中的岩性和常规声波测井的测井资料，确定纵波速度范围及对应的相控偏转角；(2)由计算公式

计算两组不同发射探头的声束束宽；(3)由公式，

计算相控探头的延迟时间；(4)根据计算出的延迟时间和声束束宽，在测井前对发射电路的延迟时间和声束束宽进行调节，通过试验证明采用此方法进行声波测量可探测到井旁10米范围的地质构造情况，其应用前景广阔。

Description

一种双相控声波发射装置的控制方法

技术领域

本发明涉及一种石油勘探远探测声波成像测井装置的双相控声波发射装置的控制方法。

背景技术

常规声波测井仪中使用的发射探头是单极子声源，该类声波探头发射声波所形成的声场类似于点声源发射声波形成的球形声场，其发射声波的能量呈放射状均匀进入地层。由于接收探头与发射探头同处于井筒轴线上，因此发射探头所发射的声波经过地层的扩散、折射、反射、衰减等物理效应后只有很少一部分声波能量被接收探头所接收，最终导致发射—接收系统的效率低和探测深度浅等问题。常规声波测井只能探测到离井壁约0.5米的范围。

随着勘探开发程度的不断深入，目前声波仪器向大功率、高效率且具有深探测功能方向发展。解决这一问题采用最新的方法是相控阵发射技术，并接收从地层深处反射回来的带有地层深处信息的反射波信号。相控发射特点是所发射的声波信号以一定宽度的波束向地层发射，其声场有一定的指向性，声效率高。但相控发射也具有一定的局限性。在测井过程中，声波从井中进入地层会发生折射，不同岩性的地层其折射角不同，在地层中的各种界面与井轴的夹角也是不断变化的。如果相控发射的声束宽度和指向角仅适合某一种岩层或某一种角度的界面，则其它岩层或其他角度界面的声波信号反射信息就会减小或丢失。如果相控发射的波束太宽，则发射有效功率就会受到影响，干扰信号也会加大。

发明内容

本发明的目的是研制一种应用远探测双相控声波发射装置，根据测井地质岩性的纵波波速范围，确定相控声束的偏转角和波束束宽，然后根据偏转角确定每组相控探头的延迟时间，使一次下井覆盖所测的各种地层，达到增大仪器测量范围的远探测双相控声波发射装置的控制方法。

本发明的方案是：下井探测仪应用的远探测双相控声波发射装置包括由多个单极子声波换能器组成的两组相控发射探头和相应的相控发射控制电路。

相控声波发射系统所发射声波的指向角可由下面的公式计算

α＝arcsin(v·t/(h+d))

其中：

α——相控角，是探头作为点声源所发射的球声场所形成的相控声束方向与探头径向方向的夹角；

v——介质中的传播速度；

t——延迟时间；

h——探头的高度；

d——探头间隔。

此公式表明了相控角与探头的结构、介质的传播速度及延迟时间的关系，以及形成相控的条件。显然式中v·t/(h+d)≤1。因此在设计相控探头时，当探头的结构确定以后，一定要针对不同的地层来确定延迟时间。

相控声波发射的波场除了具有一定的指向性外，其所形成的声波波束还具有一定的宽度。利用相控声波指向性函数公式所描绘出的指向性图可形象地看出相控声波发射的指向性和所发射的声波束宽。下面是指向性公式：

$D=\frac{\sin \left[\frac{\mathrm{N\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\α}-\sin {\mathrm{\α}}_0)\right]}{N\sin \left[\frac{\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\α}-\sin {\mathrm{\α}}_0)\right]}$

式中：

D——表示指向性函数；

N——组成相控探头的换能器个数；

λ——声波在介质中传播时的波长；

d——相邻两个换能器之间的距离；

α₀——设计的偏转角度；

α——某一传播方向的声线与声轴面的夹角。

相控声波发射系统参数的变化可以引起所发射声场指向性以及声束宽度的变化。由指向角公式、指向性函数公式和指向性图可以看出，相控声波发射所发射的声场除了与相控探头的结构、参数以及单极子声波换能器发射的延迟时间有关外，还与介质传播声波的速度或波长有关。也就是说在测井时相控声波所发射的声场在经过不同地层介质时，其指向角和波束宽度是在不断变化的。另外，声波从井中进入地层会发生折射，不同岩性的地层其折射角不同，在地层中的各种界面与井轴的夹角也是不断变化的。如果相控发射的声束宽度和指向角仅适合某一种岩层或某一种角度的界面，则其它岩层或其他角度界面的声波信号反射信息就会减小或丢失。如果相控发射的波束太宽，则发射有效功率就会受到影响，干扰信号也会加大。

采用双相控声波发射系统可以有效的解决上述所存在的问题。根据地层岩性不同的特点，将第一组相控声波发射的各种相控参数调整到对应低速地层，也就是说其指向角和波束宽度适合探测低速地层；同理将另一组相控声波发射的各种相控参数调整到适合测量高速地层。这样一次下井可以发射两种不同束宽、不同偏转角、不同频率、不同能量的声波进入地层，两组相控声波发射在测量过程中互相弥补可以兼顾到对各种不同岩性地层进行测量。最后通过对两组声波全波列信号进行相似、相关等处理，可实现井外地质构造的声波成象。

使用远探测声波成像测井装置的控制方法为，测井前明确所测地层岩性的纵波传播速度，根据速度计算需要的相控声束偏转角，最后利用偏转角计算发射电路的延迟时间。

(1)测井前根据该井地质设计中的岩性和常规声波测井等其它测井资料，基本确定纵波速度范围及对应的相控偏转角。

常见岩性纵波速度如下：

岩石或矿物	纵波速度Cp(m/s)	相控偏转角(°)
			白云岩(骨架)	7900	8
石灰岩(骨架)	7000	9
			致密砂岩	5500	12
砂岩(5-20％)	4900—3950	13—16
			砂岩(20-35％)	3500-2750	18—24
泥灰岩	3560-6400	10—18
			泥岩	1800	42

(2)计算两组不同发射探头的波束束宽，计算公式如下：

${\mathrm{\Θ}}_{-3\mathrm{db}}=2\arcsin \left(0.42\frac{v}{N(h+d)f}\right)$

式中：

Θ_-3db——波束宽度；

v——代表纵波传播速度(m/s)；

N——代表组成相控探头的换能器个数；

h——代表单个换能器的高度(m)；

d——代表相邻换能器之间的间距(m)；

f——代表换能器工作频率(Hz)。

(3)当偏转角确定后根据下面的公式，计算相控探头的延迟时间

$t=\frac{(h+d)\·\sin \mathrm{\α}}{v}$

(4)根据计算出的延迟时间，在测井前对发射电路的延迟时间进行调节。

因此，采用双相控声波发射装置及其控制方法不仅解决了常规声波测井单极子声波发射功率小、声场无指向性、效率低等缺点，还大大的增强了仪器的测量范围。通过试验证明采用双相控声波发射系统进行声波测量可探测到井旁10米范围的地质构造情况。其应用前景广阔。

附图说明

图1是T1相控发射声波装置示意图

图2是T2相控发射声波装置示意图

图3是双相控声波发射系统示意图

图4是4个单极子换能器组成的相控发射探头的指向性图

图5是2个单极子换能器组成的相控发射探头的指向性图。

具体实施方式

本方案是应用包括两组相控发射探头T1、T2和相应的相控发射控制电路的远探测双相控声波发射装置做为下井探测仪见图1、2。

利用六个单极子声波换能器组成双相控声波发射装置。一组相控声波发射由T11和T12两个声波换能器构成的T1探头为第一组相控声波发射探头，发射声波的频率可选为8～10KHz；由T21、T22、T23、T24四个声波换能器构成的T2探头为第二组相控发射探头，发射声波的频率为10～15KHz。测井时由地面系统控制两组相控声波发射探头交替发射。两组相控声波发射系统共用由R1～R8八个宽频带接收换能器组成的接收阵列对声波的全波列信号进行接收见图3。每组相控系统所发射声波的相控角由组成相控探头的声波换能器的几何尺寸、相对位置、介质的声速以及相应的控制发射电路的延迟时间而确定。

每组相控发射探头中每个换能器都对应一道单独的发射电路。在相应的发射控制电路中采用发射延迟时间连续可调的电路。其延迟时间可以从0～20微秒连续可调。最终使调节的延迟时间满足相应的相控角。

每个换能器都要求耐高温155℃，耐压100MPa。

由下面的公式计算相控声波发射系统所发射声波的指向角。

α＝arcsin(v·t/(h+d))

当仪器探头组中换能器之间的间隔h+d是60mm，且相控延迟时间取8us时，v＝1600m/s时，其相控声波发射系统所发射声波的指向角代入公式：

α＝arcsin(v·t/(h+d))，得出α≈12°。

当仪器探头组中换能器之间的间隔h+d是50mm，且相控延迟时间取8us时v＝1600m/s时，其相控声波发射系统所发射声波的指向角代入公式：

α＝arcsin(v·t+/(h+d))，得出α≈15°。

利用相控声波指向性函数公式描绘指向性图可形象地看出相控声波发射的指向性和所发射的声波束宽。

$D=\frac{\sin \left[\frac{\mathrm{N\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\α}-\sin {\mathrm{\α}}_0)\right]}{N\sin \left[\frac{\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\α}-\sin {\mathrm{\α}}_0)\right]}$

图4和图5分别是由四个单极子声波换能器和由两个单极子声波换能器组成的双相控声波发射系统在一定条件下的声场指向性图(该指向性图是由上面的公式计算而得。其中图4中的N＝4；d＝40mm；λ＝0.0941m；α₀＝10°；α＝(0-2π)。图5中的N＝2；d＝50mm；λ＝0.097m；α₀＝15°；α＝(0-2π)。

(1)测井前根据该井地质设计中的岩性和常规声波测井等其它测井资料，基本确定纵波速度范围及对应的相控偏转角。

其不同岩性的相控偏转角取值参考下表：

岩石或矿物	纵波速度Cp(m/s)	相控偏转角(°)
			白云岩(骨架)	7900	8
石灰岩(骨架)	7000	9
			致密砂岩	5500	12
砂岩(5-20％)	4900—3950	13—16
			砂岩(20-35％)	3500-2750	18—24
泥灰岩	3560-6400	10—18
			泥岩	1800	42

(2)计算两组不同发射探头的声束束宽，计算公式如下：

${\mathrm{\Θ}}_{-3\mathrm{db}}=2\arcsin \left(0.42\frac{v}{N(h+d)f}\right)$

T1组探头相控后形成的声束束宽是：

v＝1600m/s；

N＝2；

h+d＝0.075m；

f＝12500Hz；

代入公式： ${\mathrm{\Θ}}_{-3\mathrm{db}}=2\arcsin \left(0.42\frac{v}{N(h+d)f}\right)$

计算结果是：Θ_-3db＝42°

T2组探头相控后形成的声束束宽是：

v＝1600m/s；

N＝4；

h+d＝0.065m；

f＝15500Hz；

代入公式： ${\mathrm{\Θ}}_{-3\mathrm{db}}=2\arcsin \left(0.42\frac{v}{N(h+d)f}\right)$

计算结果是：Θ_-3db＝21°

(3)当偏转角确定后根据下面的公式，计算相控探头的延迟时间

$t=\frac{(h+d)\·\sin \mathrm{\α}}{v}$

如果主要岩性地层是致密砂岩，其纵波传播速度是5500m/s，则其相控偏转角约需12°则T1组探头计算出的相控延迟时间是t＝(0.075×sin12°)/1600≈10us，T2组探头计算出的相控延迟时间是t＝(0.065×sin12°)/1600≈8us。

如果主要岩性地层是灰岩，其纵波传播速度是7000m/s，则其相控偏转角约需9°则T1组探头计算出的相控延迟时间是t＝0.075×sin9°/1600≈8us，T2组探头计算出的相控延迟时间是t＝0.065×sin9°/1600≈7us。

(4)根据计算出的延迟时间，在测井前对发射电路的延迟时间进行调节。

Claims (1)

1.一种双相控声波发射装置的控制方法，下井探测仪应用的远探测双相控声波发射装置包括由多个单极子声波换能器组成的两组相控发射探头和相应的相控发射控制电路，多个宽频带接收换能器，其特征在于：

(1)、测井前根据该井地质设计中的岩性和常规声波测井的测井资料，确定纵波速度范围及对应的相控偏转角；

(2)、计算两组不同相控发射探头的波束宽度，计算公式如下：

${\mathrm{\Θ}}_{-3\mathrm{db}}=2\arcsin \left(0.42\frac{v}{N(h+d)f}\right)$

式中：Θ_-3db代表波束宽度；

v代表纵波传播速度m/s；

N代表组成相控发射探头的单极子声波换能器个数；

h代表单个单极子声波换能器的高度m；

d代表相邻单极子声波换能器之间的间距m；

f代表单极子声波换能器工作频率Hz；

(3)、当相控偏转角确定后根据下面的公式，计算相控发射探头的延迟时间

$t=\frac{(h+d)\·\sin \mathrm{\α}}{v}$

α-代表相控偏转角，单位是度；

(4)、根据计算出的延迟时间和波束宽度，在测井前对相控发射控制电路的延迟时间和波束宽度进行调节。

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