CN104594878A - 一种双源反激过套管声波测井方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双源反激过套管声波测井方法及装置，该测井装置包括声系壳体与设于声系壳体内的双发射源、接收阵列及金属筒与置于金属筒内的发射与接收控制电路，该发射与接收控制电路连接双发射源并能对双发射源实施双源反激激励，该发射与接收控制电路连接接收阵列并对接收阵列上的信号进行信号调理、同步采集及数据处理并能将数据上传地面仪。本发明基于双源反激技术，能有效压制套管波，从数据采集的源头上提高地层波的信噪比，基于此技术的声波测井装置能够在套管井中测量地层声速，即使在胶结不好的情况下也能获取地层声速，提高了套管井地层评价声波测井的适用范围。

Description

一种双源反激过套管声波测井方法及装置

技术领域

本发明有关一种地球物理测井方法及装置，特别是指一种基于双源反激技术的套管井套管波干扰下地层纵波声速的测量方法及装置。

背景技术

声波测井是一种重要的地球物理测井方法，其主要目的之一是测量地层纵波速度，进而对地层的孔隙度等储层参数进行评价，这在裸眼井中已成为一种必测的项目。目前，套管井声波测井主要有声幅测井、变密度测井以及扇区水泥胶结测井等，其均是对水泥胶结质量进行评价，不以测量地层声波参数为目的。近年来，随着人们加强对老油田剩余油气的开发，或者某些井由于井眼稳定性差不能进行裸眼井测井作业，在套管井中进行地层评价声波测井的需求越来越多。在套管井胶结质量好的情况下采用传统的数字声波测井仪通常能够测量到地层的纵波速度，然而在胶结质量差时，特别是在自由套管的情况下，由于存在波幅很大的套管波的影响，地层纵波无法识别。专利号为ZL 200820028542.X的中国实用新型专利描述了一种过套管声波测井仪，仅适用于固井质量不是很差的情况。

对套管井条件下的井孔声场理论模拟表明, 即使是在自由套管的情况下, 井中接收到的声波信号中也存在地层波的成分。然而，在实际声波信号数据的量化采集时, 模数转换器在量化过程中的信号的增益往往由波幅较大的套管波所控制, 使得波幅很低的地层波被模数转换器量化在采样值的低位数字上。这样采集的声波数据很难准确提取到地层的声速。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能有效压制套管波、并提高地层波信噪比的基于双源反激技术的过套管声波测井方法及装置。

为达到上述目的，本发明提供一种双源反激过套管声波测井装置，其用于套管井胶结差时地层纵波声速的测量，该测井装置包括声系壳体、金属筒、设于声系壳体内的双发射源、接收阵列及设置于金属筒内的发射与接收控制电路，该发射与接收控制电路连接双发射源并能对双发射源实施双源反激激励，该发射与接收控制电路连接接收阵列并对接收阵列的信号进行信号调理、同步采集及数据处理并能将数据上传地面仪。

所述双发射源包括与所述接收阵列距离较近的近发射源和与所述接收阵列距离较远的远发射源，该近发射源与远发射源为两个参数一致的单极子压电换能器。

所述双源反激激励是指，所述远发射源先被激发，激发幅度为A1，所述近发射源延时一定时间τ后被激发，其激发极性和远发射源激发极性相反，激发幅度为A2。

所述声系壳体上对应所述远发射源与近发射源的位置处分别设有远发射声窗和近发射声窗，所述声系壳体上对应所述接收阵列的位置设有接收声窗，在所述声系壳体上接收声窗与近发射声窗之间进行刻槽形成隔声体。

所述接收阵列为由多个接收器组成的接收阵列，所述发射与接收控制电路包括发射电路与接收电路，该发射电路与接收电路分别与井下控制单元连接；该发射电路包括分别连接双发射源的第一发射电路与第二发射电路，能分别产生两路高压脉冲并分别激励该双发射源；该第一发射电路包括依次连接的第一数模转换器、第一滤波放大单元及第一功率放大单元，该第二发射电路包括依次连接的第二数模转换器、第二滤波放大单元及第二功率放大单元，且第一数模转换器与第二数模转换器连接井下控制单元；所述接收电路包含与各接收器一一对应的信号调理单元及与每一信号调理单元对应连接的模数转换器，该模数转换器连接该井下控制单元并在其控制下同步采集对应的每一接收器的电信号。

本发明还提供一种利用双源反激过套管声波测井装置进行测井的声波测井方法，该方法包括：

步骤一、将双源反激过套管声波测井装置放入井孔中；

步骤二、对双发射源实施双源反向激发，这两个发射源激发出的套管波在接收处同时到达、极性相反、幅度相同，所述双发射源包括近发射源与远发射源；

步骤三、发射的同时，接收电路同步采集接收阵列上的声波信号，该声波信号是由双发射源激发出的；由于采用双源反激激励方式，该信号中的套管波成分得到压制，地层波信噪比得到增强；

步骤四、将地层波信噪比增强了的信号进行放大、滤波，并经模数转换，上传地面仪计算得出地层波速度。

所述步骤二具体为：测井时，所述远发射源先被激发，激发幅度为A1，近发射源延时一段时间τ之后被激发，激发极性与远发射源反相，且激发幅度为A2。

所述近发射源和远发射源的发射幅度按以下步骤确定：

1）设置只有远发射源工作，发射幅度为A1，取近发射源的初始发射幅度a2=A1；

2）设置只有近发射源工作，发射幅度为a2；

3）记录接收阵列上接收到得波形，计算幅度不匹配度ka；

4）令a2 = a2-da，da为幅度步长；

5）重复步骤2）~ 4），直到发射幅度a2达到最小幅度，找出使ka取最小值对应的发射幅度A2，从而确定出远发射源的发射幅度A1、近发射源的发射幅度A2。

所述近发射源和远发射源的最佳延迟时间τ按照下列公式确定：

                                                                   

其中，D为远发射源和近发射源在轴向的间距，v_t为套管波波速。

本发明基于双源反激技术，能有效压制套管波，从数据采集的源头上提高地层波的信噪比，基于此技术的声波测井装置能够在套管井中测量地层声速，即使在胶结不好的情况下也能获取地层声速，提高了套管井地层评价声波测井的适用范围。

附图说明

图1为本发明过套管声波测井装置的结构示意图一；

图2为本发明过套管声波测井装置的结构示意图二；

图3为本发明过套管声波测井装置的发射与接收控制电路原理框图；

图4为本发明过套管声波测井装置在套管井中实施状态示意图；

图5为本发明中双源反激发射时序示意图；

图6为本发明双源发射与传统单源发射的接收阵列波形图。

具体实施方式

为便于对本发明的装置和方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图1与图2所示，本发明基于双源反激技术的过套管声波测井装置，其用于套管井内地层纵波声速的测量，其包括声系与设于声系壳体内的双发射源、接收阵列及金属筒与置于金属筒内的发射与接收控制电路，该发射与接收控制电路连接双发射源并能对双发射源实施双源反激激励， 该发射与接收控制电路连接接收阵列并对接收阵列的信号进行信号调理、同步采集及数据处理并能将数据上传地面仪。该声系壳体内还设有胶囊，双发射源、接收阵列设于胶囊内，该胶囊两端分别设有上承压密封接头与下承压密封接头，将胶囊两端密封，且胶囊内填充有硅油，其中该壳体通常为不锈钢壳体或者钛合金壳体。该金属筒内设有发射及接收控制电路，测井时该金属筒与声系壳体通过螺纹相连，并通过接插件实现电路和声系的电气连接。

本发明中的双发射源包括与接收阵列距离较近的近发射源4及与接收阵列距离较远的远发射源3，二者为两个参数一致的单极子压电换能器，在发射电路高压的激励下能向地层发射声波；本发明的接收阵列为由N个接收器组成的接收阵列，接收器为压电陶瓷传感器，利用压电陶瓷的压电效应可以将声信号转化为电信号，接收器个数N通常取4~16，胶囊内设有心轴6，其主要作用是用以支撑双发射源及接收器；本发明的声系壳体上对应远发射源3与近发射源4的位置处分别设有远发射声窗9和近发射声窗10，即在壳体上对应发射源的位置进行开窗，便于发射源产生的声波能量发射到地层中，同时在壳体上对应接收阵列的位置进行开窗，形成接收声窗12，便于套管井中的声信号到达接收器，在声系壳体上接收声窗与近发射声窗之间可进行刻槽形成隔声体11，以衰减并延迟沿仪器外壳传播的直达波。

本发明中的发射与接收控制电路包括发射电路与接收电路，发射电路与接收电路分别与井下控制单元连接，如图3所示，发射电路包括连接远发射源的第一发射电路与连接近发射源的第二发射电路，能分别产生两路高压脉冲并分别激励远发射源与近发射源。第一发射电路包括依次连接的第一数模转换器（DAC）、第一滤波放大单元及第一功率放大单元，第二发射电路包括依次连接的第二数模转换器（DAC）、第二滤波放大单元及第二功率放大单元，且第一数模转换器与第二数模转换器连接井下控制单元。井下控制单元控制DAC数模转换器产生发射低压脉冲波形，低压脉冲波形首先经过滤波放大单元进行滤波和放大，然后经过功率放大单元进行功率放大，最终输出高压脉冲（峰峰值为几百伏到数千伏），从而驱动发射换能器（即发射源）向外辐射声波。第一发射电路与第二发射电路产生的高压波形幅度、极性及两高压波形的延迟时间可以通过程序控制，连续可调，延时时间在0μs~200μs可控，最小步长为0.1μs，波形幅度在50%~100%可调，最小步长为1%。本发明的接收电路包含N路信号调理单元及与每一信号调理单元对应连接的N路模数转换器（ADC），信号调理单元同步采集对应的每一接收器的微弱电信号，并将该微弱电信号进行放大、滤波及程控增益，并由ADC模数转换器进行数字化，最后经过通信电路通过井下控制单元将数据上传给地面仪。接收器电信号的增益控制、模数转换、数据上传均是在井下控制单元的控制下进行的。

本发明的过套管声波测井装置在使用时放置在套管井的井孔中，如图4所示，套管井从内向外依次是套管a、流体环b（胶结不好时相当于套管和水泥环之间存在一个流体环）、水泥环c、地层。基于双源反激技术的过套管声波测井装置由电路短节（主要包括金属筒与其内的发射与接收控制电路）和声系短节（主要包括声系壳体与其内的双发射源及接收阵列）组成（电路短节在声系短节的上端或者下端均可），该测井装置的远发射源与近发射源之间的间距为D，分别以Tf表示远发射源、以Tn表示近发射源，以I表示隔声体，其作用是延迟和衰减沿仪器传播的仪器波。测井时，Tf先被激发，发射幅度为A1的高压脉冲，Tn延时一段时间τ之后被激发，发射极性与Tf反相、且幅度为A2的高压脉冲（如图4右下方波形图所示）。发射的同时，对N个接收器上的信号进行采集并记录。通过选择合适的参数A1、A2及τ，使得在接收器的位置Tf和Tn所激发的套管波同时到达，如图4右上方波形图所示，Tf和Tn所激发的套管波成分极性相反、幅度相同并同时到达接收器，叠加后被抵消掉，即套管波被压制，但Tf和Tn所激发的地层波与套管波速度存在差异，因此地层波成分到达接收器的时间就不一致，不能被抵消掉，这样地层波就得到了相对的增强。这里需要指出的是，实际测井时接收器接收到的信号中各种成分是叠加在一起的，该图把各种成分的波分开来画以便于描述。

测井前首先需要在自由套管段根据套管参数确定近发射源和远发射源的发射幅度及最佳延迟时间。优选地，发射幅度按以下步骤确定：

1）设置只有远发射源Tf工作，发射极性为正极性，发射幅度为A1（通常设置为最大幅度），记录接收器RN上接收到的波形FWV，并计算出套管波首波幅度Af。取近发射源Tn的初始发射幅度a2=A1；

2）设置只有近发射源Tn工作，发射极性为正极性，发射幅度为a2；

3）记录接收器RN上接收到得波形NWV，并计算出套管波首波幅度an，计算幅度不匹配度ka = |(Af-an)/Af|；

4）令a2 = a2-da，da为幅度步长，通常取最小幅度步长；

5）重复步骤2）~ 4），直到发射幅度a2达到最小幅度，找出使ka取最小值对应的发射幅度A2，从而确定出远发射源的发射幅度A1、近发射源的发射幅度A2。

最佳延迟时间按以下步骤确定：

1）设置只有远发射源（或者只有近发射源）工作，记录接收器R1、R2……RN上接收到的波列，计算出套管波速度v_t。工业上应用的套管的套管波波速通常为5400m/s，也可以根据经验取套管波波速为5400m/s；

2）最佳延迟时间τ按照公式（1）计算：

                             （1）

其中，D为远发射源和近发射源在轴向的间距。

例如当D为0.15m、v_t为5400m/s时，最佳延时时间τ为27.8μs。

测井时，远发射源Tf先发射，发射幅度为A1，近发射源Tn延时一段时间τ之后发射，发射极性与Tf反相，且幅度为A2，发射时序如图5所示。发射的同时，对N个接收器上的信号进行采集并记录。这样，在接收器的位置远发射源和近发射源所激发的套管波同时到达，但由于极性相反、幅度相同，叠加后被抵消掉，即套管波被压制。只要地层声速和套管波速存在差异，远发射源和近发射源所激发的地层波到达接收器的时间就不一致，相互叠加后仍能保留。如此一来，地层波信号相对增强，信噪比得到提高，易于从接收波列中提取到地层波速。

图6为一自由套管井的实例。图中虚线的波形为采用传统单源发射时接收到的阵列波形图，接收波形中首先到达的是套管波，由于其幅度大且持续时间较长，地层纵波根本无法识别。图中实线的波形为采用双源反激发射时接收到的阵列波形图，由于采用了双源反激发射，套管波的幅度被大大压制，能够观测到清晰的地层纵波波列。

本发明基于双源反激技术，能有效压制套管波，从数据采集的源头上提高地层波的信噪比，基于此技术的声波测井装置能够在套管井中测量地层声速，即使在胶结不好的情况下也能获取地层声速，提高了套管井地层评价声波测井的适用范围。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双源反激过套管声波测井装置，其特征在于，其用于套管井胶结差时地层纵波声速的测量，该测井装置包括声系壳体、金属筒、设于声系壳体内的双发射源、接收阵列及设置于金属筒内的发射与接收控制电路，该发射与接收控制电路连接双发射源并能对双发射源实施双源反激激励，该发射与接收控制电路连接接收阵列并对接收阵列的信号进行信号调理、同步采集及数据处理并能将数据上传地面仪。

2.如权利要求1所述的双源反激过套管声波测井装置，其特征在于，所述双发射源包括与所述接收阵列距离较近的近发射源和与所述接收阵列距离较远的远发射源，该近发射源与远发射源为两个参数一致的单极子压电换能器。

3.如权利要求2所述的双源反激过套管声波测井装置，其特征在于，所述双源反激激励是指，所述远发射源先被激发，激发幅度为A1，所述近发射源延时一定时间τ后被激发，其激发极性和远发射源激发极性相反，激发幅度为A2。

4.如权利要求2所述的双源反激过套管声波测井装置，其特征在于，所述声系壳体上对应所述远发射源与近发射源的位置处分别设有远发射声窗和近发射声窗，所述声系壳体上对应所述接收阵列的位置设有接收声窗，在所述声系壳体上接收声窗与近发射声窗之间进行刻槽形成隔声体。

5.如权利要求1所述的双源反激过套管声波测井装置，其特征在于，所述接收阵列为由多个接收器组成的接收阵列，所述发射与接收控制电路包括发射电路与接收电路，该发射电路与接收电路分别与井下控制单元连接；该发射电路包括分别连接双发射源的第一发射电路与第二发射电路，能分别产生两路高压脉冲并分别激励该双发射源；该第一发射电路包括依次连接的第一数模转换器、第一滤波放大单元及第一功率放大单元，该第二发射电路包括依次连接的第二数模转换器、第二滤波放大单元及第二功率放大单元，且第一数模转换器与第二数模转换器连接井下控制单元；所述接收电路包含与各接收器一一对应的信号调理单元及与每一信号调理单元对应连接的模数转换器，该模数转换器连接该井下控制单元并在其控制下同步采集对应的每一接收器的电信号。

6.一种利用权利要求1-5中任意一项所述的双源反激过套管声波测井装置进行测井的声波测井方法，其特征在于，该方法包括：

步骤一、将双源反激过套管声波测井装置放入井孔中；

步骤二、对双发射源实施双源反向激发，这两个发射源激发出的套管波在接收处同时到达、极性相反、幅度相同，所述双发射源包括近发射源与远发射源；

步骤三、发射的同时，接收电路同步采集接收阵列上的声波信号，该声波信号是由双发射源激发出的；由于采用双源反激激励方式，该信号中的套管波成分得到压制，地层波信噪比得到增强；

步骤四、将地层波信噪比增强了的信号进行放大、滤波，并经模数转换，上传地面仪计算得出地层波速度。

7.如权利要求6所述的声波测井方法，其特征在于，所述步骤二具体为：测井时，所述远发射源先被激发，激发幅度为A1，近发射源延时一段时间τ之后被激发，激发极性与远发射源反相，且激发幅度为A2。

8.如权利要求7所述的声波测井方法，其特征在于，所述近发射源和远发射源的发射幅度按以下步骤确定：

1）设置只有远发射源工作，发射幅度为A1，取近发射源的初始发射幅度a2=A1；

2）设置只有近发射源工作，发射幅度为a2；

3）记录接收阵列上接收到的波形，并计算幅度不匹配度ka；

4）令a2 = a2-da，da为幅度步长；

5）重复步骤2）~ 4），直到发射幅度a2达到最小幅度，找出使ka取最小值对应的发射幅度A2，从而确定出远发射源的发射幅度A1、近发射源的发射幅度A2。

9.如权利要求6所述的声波测井方法，其特征在于，所述近发射源和远发射源的最佳延迟时间τ按照下列公式确定：

                                                                     

其中，D为远发射源和近发射源在轴向的间距，v_t为套管波波速。