CN105204061A - 一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法，该系统包括：声源装置，包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，阵元呈圆弧片状；计算单元，用于计算如下控制参数：每个相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；激励单元，用于按照计算单元计算出的控制参数，激励声源装置中的各个阵元振动以发射声波。本发明可以实现对井旁地层中的任意方向定向辐射声波，指向性图主瓣明显，旁瓣级低，方位分辨率高，探测距离远，信噪比高。

Description

一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法

技术领域

本发明的实施方式涉及石油地球物理勘探领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

随着深海油储和复杂油气藏的勘探开发需求的增长，工业界对声波测井技术提出了更多的要求。目前发展的单井反射声波成像测井(远探测)技术，能对井附近数米到数十米的范围内的地层构造和地质体进行成像，大大拓展了声波测井的评价范围。在钻井过程中进行反射声波成像测井，可以实时地提供井周围地层构造及地质体成像数据，指导钻进的方向，从而将井眼轨迹调整到油藏最佳的位置，以达到最佳的产油(气)或注水效果，是下一代声波测井技术的发展方向。

目前发展的井外地层成像技术主要有两种：电磁方法和声波方法。常规的电法远探测成像仪器利用低频电磁波进行井外地层界面探测，由于其频率较低，该方法仅能够检测电阻率异常体的存在，而不能够准确确定异常体的方位。另外一种用于地质导向的随钻方位电磁波仪器，采用了发射高频电磁波的方式，其探测深度较浅，仅有数米，不能够完全满足现场测量的需要。

传统的电缆反射声波成像测井技术主要有两种：单极子纵波法和偶极子横波法。1998年，斯伦贝谢公司首先推出了单极子反射声波成像仪器并应用于现场。在国内，中国石油大学(北京)与中石油合作开发了利用单极子声源的远探测反射声波测井仪器。该仪器的声源主频在10kHz以上，探测深度为几米到十几米范围。由于单极子声源为对称声源，其水平指向性曲线近似为圆形，在周向上无明显指向性，采用单极子声源得到的成像图为二维图像，无法确定地层构造或者地质体的方位。唐晓明等提出了利用正交偶极子声源进行远探测声波成像的方法，并给出了具体的应用实例。偶极子声源的频率较低(2kHz～5kHz)，该方法可以探测更远处的地层，探测深度达到20m～30m，但是，其指向性曲线近似为“∞”形，对井旁地层界面方位的探测存在180°多解性，限制了其应用范围。

发明内容

在实现本发明的过程中，发明人对随钻测井技术进行了相关研究：

在钻进过程中，井旁界面方位的确定对地质导向技术起着至关重要的作用。随钻三维反射声波成像测井技术可以实时地对井周围的地层构造和地质体进行成像，为地质导向钻井提供必要的信息，是下一代声波测井技术的发展方向。

在电缆测井领域，现有技术提出了采用相控圆弧阵声源在井内进行声学测量的方法，并分别从理论、数值模拟、物理模拟及现场实验等多个方面证实了井孔中的相控圆弧阵声源在井旁均质各向同性地层评价方面的可靠性。但在随钻条件下，由于钻铤占据了井孔内的大部分空间，在声源的安装、接收器的安装以及井孔内外声场的分布等方面，随钻测井与电缆测井都有很大不同，因此并不能简单地将电缆测井中使用的相控圆弧阵声源应用于随钻测井中。

例如，电缆测井中相控圆弧阵声源的阵元的形状通常为长方体型，其不适合于在随钻测井仪器中安装和使用；基于随钻条件下对井旁地层进行三维扫描辐射声波的随钻三维反射声波成像测井技术是一种全新的井下测量技术。基于以上研究，本发明提出了一种利用圆弧片状阵元组成的相控圆弧阵进行随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，包括：

声源装置，包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；

计算单元，用于计算令井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的如下控制参数：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；

激励单元，用于按照所述计算单元计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中的各个阵元振动以发射声波。

在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源方法，包括：

步骤1，计算令井孔中的声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的控制参数；

其中，所述声源装置包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；

所述控制参数包括：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；

步骤2，按照所述步骤1计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中的各个阵元振动以发射声波。

借助于上述技术方案，本发明提供的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法，在结构方面，利用装设于钻铤上的圆弧片状阵元组成相控圆弧阵，实现了相控圆弧阵在随钻条件下的应用；在控制方面，利用单个相控圆弧阵中的各个阵元实现水平面的扫描辐射，利用沿钻铤轴向设置的多个相控圆弧阵实现垂直平面的扫描辐射，从而很好地实现了地层的三维扫描辐射；无论在高频或低频情况下，本发明均可以实现对地层的任意方位定向辐射声波，其指向性图主瓣明显，旁瓣级低，具有较高的方位分辨率，并且探测距离远，信噪比高，非常适合随钻条件下的三维反射声波成像。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1是本发明示例性装置的结构框图；

图2是本发明示例性装置中声源装置的一种实施例；

图3是本发明示例性装置中声源装置在井孔内的截面示意图；

图4是本发明示例性装置中计算单元的结构框图；

图5是本发明示例性装置中位置参数分解模块计算位置参数的示意图；

图6是本发明示例性装置中声源装置的主声束偏转角度θ₀的示意图；

图7是本发明示例性装置在快速地层井孔中情况下以步长角度为30°在0°～90°范围内实现步进式的向井旁地层中周向扫描辐射时的水平指向图；

图8是本发明示例性方法的流程示意图；

图9是本发明示例性方法中计算各项控制参数的流程示意图；

图10是本发明示例性方法的另一种流程示意图；

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法。

在本文中，阵元包括但不限于是压电振子等通过振动发射声波的装置。此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

发明概述

本发明人认识到，随钻测井与电缆测井相比，由于钻铤占据了井孔内的大部分空间，在声源的安装、接收器的安装以及井孔内外声场的分布等方面，二者均有所不同，因此电缆测井中使用的相控圆弧阵声源不能直接应用于随钻测井中。例如，电缆测井中相控圆弧阵声源的阵元的形状通常为长方体型，不适合于在随钻测井仪器中安装和使用。

为了利用相控圆弧阵声源完成随钻条件下的三维声波成像测井，本发明提供一种利用圆弧片状阵元组成的相控圆弧阵进行随钻三维反射声波成像测井的相控阵声源装置及方法。

本发明在结构方面，沿钻铤的轴向依次布置多个相控圆弧阵，每个相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，每个阵元呈圆弧片状，以适合在钻铤上安装和使用。

本发明在控制方面，一方面利用激励信号幅度加权和相位控制(控制施加激励信号的延迟时间)的方式控制每个相控圆弧阵中的阵元振动，调节其水平指向性，完成水平面内的扫描辐射，另一方面，利用相位控制的方式控制钻铤中心轴向上相邻阵元的振动情况，调节声源的垂直指向性，完成垂直平面内的扫描辐射，从而很好地实现了三维空间的扫描辐射。

在介绍了本发明的基本原理之后，下面具体介绍本发明的各种非限制性实施方式。

示例性装置

本示例性装置提供一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，如图1所示，该系统包括：声源装置100、计算单元200和激励单元300。

声源装置100包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；每个相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，阵元呈圆弧片状，以适合在钻铤上安装和使用。

与电缆测井不同，随钻环境下，声源需要安装在钻铤的外表面。具体实施时，为了适合在钻铤上安装和使用，以及尽量少得占用空间，可设置阵元的弧度与钻铤外表面的弧度一致，并将阵元装设于钻铤外表面的刻槽中。

图2所示为本示例性装置中声源装置100的一种实施例，其中，沿钻铤的轴向依次设置了4个相控圆弧阵Z1～Z4，每个相控圆弧阵又包括了8个阵元E1～E8。

图3所示为图2所示的声源装置100在井孔内的截面示意图，图3中由内向外各个介质依次为水眼(水)、钻铤、相控圆弧阵、井孔(水)和地层，各介质的外径分别为r₀、r₁、r_s、r₂和无穷大。井孔中充满液体，井孔外地层为无限大地层，钻铤位于井孔中央，钻铤水眼内也充满液体。

具体实施时，为了尽量避免声波沿钻铤传播，在阵元与钻铤之间可以设置隔声材料(例如聚四氟乙烯等)进行声隔离，

具体实施时，为了形成较好的声波波场，还可以在轴向上相邻的相控圆弧阵之间采用隔声材料(例如聚四氟乙烯等)进行声隔离。如图2所示，在相控圆弧阵Z1～Z4之间均采用了隔声材料G。

具体实施时，可以根据实际情况设置声源装置100包括的相控圆弧阵的数量，以及每个相控圆弧阵包括的阵元的数量，图2中给出的声源装置100仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。例如，当声源装置100包括的相控圆弧阵的数量越多，每个相控圆弧阵包括的阵元的数量越多时，声源装置100的测量方位分辨率也会相应提高，但是对其进行的控制也会更复杂，因此，具体实施时，需要综合考虑所需的方位分辨率以及控制成本来设置声源装置100中相控圆弧阵和阵元的数量。

可选地，声源装置100中包括的相控圆弧阵的数量为至少两个，相控圆弧阵中包括的阵元的数量为6～16个，阵元的工作频率范围为6kHz～15kHz。

可选地，阵元的高度为4cm～10cm。

计算单元200用于计算令井孔中声源装置100在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖目标方向上的目标点时所需的如下控制参数：每个相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间。

激励单元300，用于按照计算单元200计算出的控制参数，激励声源装置100中的各个阵元振动以发射声波。

本示例性装置的工作原理是：首先，由用户设定需要定向辐射声波的目标方向，以及声波的主瓣需要覆盖到的目标点，然后，由计算单元200根据用户设定的目标方向和目标点去计算各个控制参数，最后，由激励单元300根据计算单元200计算出的控制参数去控制声源装置100发射声波，以达到用户的预期，即使得井孔中的声源装置100在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖目标点。

本发明提供的示例性装置，在结构方面，利用装设于钻铤上的圆弧片状阵元组成相控圆弧阵，实现了相控圆弧阵在随钻条件下的应用，在控制方面，利用对相控圆弧阵中各个阵元的振动相位(对应施加激励信号的延迟时间)和振动幅度(对应激励信号的幅度权重)进行控制来实现水平面的扫描辐射，利用沿钻铤轴向设置的多个相控圆弧阵实现垂直平面的扫描辐射，从而很好地实现了地层的三维扫描辐射。

在实现本发明的过程中，发明人通过研究发现：本示例性装置中的声源装置100，在高频(例如12kHz)情况下，钻铤能够阻挡向着钻铤方向传播的声信号，从而使得声信号主要向着背对钻铤的方向辐射，这种情况下，仅采用单阵元工作的方式即可实现方位反射声波辐射；而在低频(例如6kHz)情况下，钻铤不能够有效阻挡想着钻铤方向传播的声信号，在钻铤后侧也可以接收到较强的声信号，指向性图中存在较大幅度的旁瓣，采用单阵元工作的方法实现方位反射声波成像测井会导致能量不聚焦等缺点。

但是，由于低频率的声波有着更好的探测深度，往往是测井现场所需要的，为解决利用声源装置100在低频情况下进行方位反射声波成像测井的问题，本示例性装置需要计算单元200和激励单元300进行更细节的计算和控制。

如图4所示，计算单元200进一步包括：遍历模块400、位置参数分解模块500、单层计算模块600、邻层计算模块700。

遍历模块400用于遍历每个所述相控圆弧阵，并触发所述位置参数分解模块500和所述单层计算模块600对当前遍历的所述相控圆弧阵进行计算。

位置参数分解模块500用于针对当前遍历的相控圆弧阵，计算位置参数r、θ、z。下面结合图5(图5中P表示目标点，O表示中间圆形横截面的圆心，OO’表示基准半径)，介绍位置参数分解模块500计算位置参数r、θ、z的过程。图5中，位置参数r、θ、z可看作是一柱坐标系的三个坐标变量。

(1)确定目标点P在当前遍历的相控圆弧阵的中间圆形横截面(中间高度处的圆形横截面)上的水平投影位置r'，以及目标点P在钻铤的轴向上的垂直投影位置z'；

(2)确定水平投影位置r'与中间圆形横截面的圆心O之间的距离r；

(3)确定水平投影位置r'在中间圆形横截面上所经过的半径与中间圆形横截面的基准半径OO’之间的圆心角θ；其中，基准半径OO’可以是中间圆形横截面上的任意一条半径；

(4)确定垂直投影位置z'与中间圆形横截面的圆心O之间的距离z。

单层计算模块600按照如下公式构建关于当前遍历的相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m的目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)：

$O(A_1...A_N...A_m,{\mathrm{\ΔT}}_1...{\mathrm{\ΔT}}_N...{\mathrm{\ΔT}}_m)=\frac{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}~\frac{3\mathrm{\π}}{2},z,\mathrm{\ω})\]}{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=(0~\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{3\mathrm{\π}}{2}~2\mathrm{\π}),z,\mathrm{\ω})\]}$

其中，Φ'(r,θ,z,ω)表示当前遍历的相控圆弧阵在目标点形成的纵波场以位移形式表示的激发谱；且

${\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ},z,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{N=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_N\[\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{B}_n^{\left(fo\right)}{K}_n\left(qr\right)e^{{\mathrm{ik}}_{z}z}{\mathrm{dk}}_z\]\×\exp (-{\mathrm{i\ω\ΔT}}_N)\cos \[n(\mathrm{\θ}-\frac{N\mathrm{\π}-\mathrm{\π}}{4})\]$

ω表示相控圆弧阵中各个阵元的振动频率(各个阵元的振动频率均相同)；n表示方位阶数；N表示阵元的序号；m表示相控圆弧阵中阵元的数量；A_N表示序号是N的阵元对应的激励信号的幅度权重；ΔT_N表示为序号是N+1的阵元施加激励信号相比于为序号是N的阵元施加激励信号的延迟时间；表示地层中向外传播的纵波的势函数的系数；第二类贝塞尔函数K_n(qr)与共同描述了柱坐标系中沿径向由内向外传播的波；q表示纵波的径向波数；i表示虚数单位；k_z表示液体内纵波的轴向波数。

单层计算模块600还用于采用非常快速模拟退火算法，计算令目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)取极小值时，当前遍历的相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m。

实验表明，基于非常快速模拟退火算法计算的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m，可以使得声源装置100发出的声波以某一角宽集中向单一方位辐射能量，其水平指向性图的主瓣清晰，三分贝角宽窄，旁瓣级低，满足了利用本示例性的声源装置100在低频情况下进行方位反射声波成像测井。

邻层计算模块700用于计算当声源装置100产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖目标点时，声源装置100的主声束偏转角度θ₀(如图6所示)；并按照如下公式计算为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{h\×{\mathrm{sin\θ}}_0}{v_f}$

其中，h表示相邻的两个相控圆弧阵的中间圆形横截面之间的距离，v_f表示井内泥浆的声速。

本示例性装置的声源装置100中，沿钻铤轴向上的多个相邻阵元相当于组成了一相控线阵声源，通过相位控制的方式控制钻铤轴向上相邻阵元的振动情况，可以调整其辐射声束在垂直平面的指向性，从而实现垂直平面的扫描辐射。

激励单元300具体用于按照计算单元200针对每个相控圆弧阵计算出的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m激励相应相控圆弧阵中的各个阵元振动，并按照计算单元200计算出的延迟时间τ为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号。

为了提高周向扫描声波成像的方位分辨率，使得本示例性装置的周向测量间隔不局限于相邻两个阵元之间的夹角(例如图2中，相邻两个阵元之间的夹角为45°)，本示例性装置还可以包括：步进调整单元，用于步进式地调整目标方向和目标点。当步进调整单元对目标方向和目标点进行调整之后，再由计算单元200按照调整后的目标方向和目标点重新计算控制参数，激励单元300也按照重新计算出的控制参数，控制声源装置100中的各个阵元发射声波。

具体实施时，如何对目标方向和目标点进行步进式调整，也可以根据用户的需要进行设定，例如，可以以步长角度为15°或30°调整目标方向，实现更高的周向扫描方位分辨率。如图7所示为快速地层情况下以步长角度为30°，在0°～90°范围内实现步进式的周向扫描辐射。

具体实施时，可以以任意步长角度来步进式地调整目标方向，但是考虑到实际的工作时间，不宜将步长角度设置的过小，否则工作时间会过长。

本示例性装置中全体阵元均参与振动，实验表明，本示例性装置在无限大液体和充液井孔中均可以向任意方位定向辐射能量，其水平指向性图主瓣明显，旁瓣级低，即使在较低的频率下，仍具有较好的方位特征。与传统的单极子反射成像技术相比，本示例性装置能够实现周向扫描辐射，使反射声波测井具有较好的方位分辨能力，通过对单个相控圆弧阵中的各个阵元进行相位控制和幅度加权，本示例性装置在低频率下也有很好的水平指向性，可以很大程度上提高径向探测深度。与偶极子反射成像技术相比，基于本示例性装置的反射声波测井技术可以在360°范围确定反射体的方位，能够消除井旁地层界面方位测量的多解性。

需要说明的是，通过适当的激励信号控制，改变声源装置100中各个相控圆弧阵中阵元的工作模式，本示例性装置还可以扩展作为随钻条件下的单极子、偶极子、四极子、八极子等声源使用。

本示例性装置除了可用于随钻三维反射声波成像测井之外，还可以用于测量井壁地层的纵波波速和横波波速。

示例性方法

在介绍了本发明示例性装置之后，接下来，介绍相应的示例性方法。

如图8所示，本示例性方法为一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源方法，包括：

步骤S1，计算令井孔中的声源装置100在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖目标方向上的目标点时所需的控制参数；其中，声源装置100的具体结构可参考示例性装置中的描述，此处不再赘述。

该步骤S1所计算的控制参数包括：每个相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间。

步骤S2，按照步骤S1计算出的控制参数，激励声源装置100中的各个阵元振动以发射声波。

为了解决利用声源装置100在低频情况下进行方位反射声波成像测井的问题，可选地，如图9所示，本示例性方法的步骤S1可以更进一步包括如下步骤：

步骤S11，遍历每个相控圆弧阵，并针对当前遍历的相控圆弧阵执行如下操作：

步骤S111，计算如下各项位置参数：

(1)目标点在当前遍历的相控圆弧阵的中间圆形横截面上的水平投影位置r'和在钻铤的轴向上的垂直投影位置z'；

(2)水平投影位置r'与中间圆形横截面的圆心之间的距离r；

(3)水平投影位置r'在中间圆形横截面上所经过的半径与中间圆形横截面的基准半径之间的圆心角θ；

(4)垂直投影位置z'与中间圆形横截面的圆心之间的距离z。

步骤S112，按照如下公式构建关于当前遍历的相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m的目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)：

$O(A_1...A_N...A_m,{\mathrm{\ΔT}}_1...{\mathrm{\ΔT}}_N...{\mathrm{\ΔT}}_m)=\frac{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}~\frac{3\mathrm{\π}}{2},z,\mathrm{\ω})\]}{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=(0~\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{3\mathrm{\π}}{2}~2\mathrm{\π}),z,\mathrm{\ω})\]}$

其中，Φ'(r,θ,z,ω)表示当前遍历的相控圆弧阵在目标点形成的纵波场以位移形式表示的激发谱；且

${\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ},z,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{N=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_N\[\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{B}_n^{\left(fo\right)}{K}_n\left(qr\right)e^{{\mathrm{ik}}_{z}z}{\mathrm{dk}}_z\]\×\exp (-{\mathrm{i\ω\ΔT}}_N)\cos \[n(\mathrm{\θ}-\frac{N\mathrm{\π}-\mathrm{\π}}{4})\]$

ω表示相控圆弧阵中各个阵元的振动频率；n表示方位阶数；N表示阵元的序号；m表示相控圆弧阵中阵元的数量；A_N表示序号是N的阵元对应的激励信号的幅度权重；ΔT_N表示为序号是N+1的阵元施加激励信号相比于为序号是N的阵元施加激励信号的延迟时间；表示地层中向外传播的纵波的势函数的系数；第二类贝塞尔函数K_n(qr)与共同描述了沿径向由内向外传播的波；q表示纵波的径向波数；i表示虚数单位，k_z表示液体内纵波的轴向波数。

步骤S113，采用非常快速模拟退火算法，计算令目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)取极小值时，当前遍历的相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m。

步骤S12，计算当井孔中的声源装置100在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖目标点时，声源装置100的主声束偏转角度θ₀；并按照如下公式计算为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{h\×{\mathrm{sin\θ}}_0}{v_f}$

其中，h表示相邻的两个相控圆弧阵的中间圆形横截面之间的距离，v_f表示井内泥浆的声速。

步骤S2包括：按照步骤S11针对每个相控圆弧阵计算出的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m激励相应相控圆弧阵中的各个阵元振动，并按照步骤S12计算出的延迟时间τ为声源装置100中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号。

如图10所示，为了提高周向扫描声波成像的方位分辨率，本示例性方法还可以包括：步骤S3，步进式地调整目标方向和目标点，并按照调整后的目标方向和目标点，重新执行步骤S1和步骤S2。

本发明提供的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法，在结构方面，利用装设于钻铤上的圆弧片状阵元组成相控圆弧阵，实现了相控圆弧阵在随钻条件下的应用；在控制方面，利用单个相控圆弧阵中的各个阵元实现水平面的扫描辐射，利用沿钻铤轴向设置的多个相控圆弧阵实现垂直平面的扫描辐射，从而很好地实现了地层的三维扫描辐射；无论在高频或低频情况下，本发明均可以实现对地层的任意方位定向辐射声波，其指向性图主瓣明显，旁瓣级低，具有较高的方位分辨率，并且探测距离远，信噪比高，非常适合随钻条件下的三维反射声波成像。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置的若干单元或模块，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，包括：

声源装置，包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；

计算单元，用于计算令井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的如下控制参数：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；

激励单元，用于按照所述计算单元计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中的各个阵元振动以发射声波。

2.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，所述计算单元包括：遍历模块、位置参数分解模块、单层计算模块、邻层计算模块；

所述遍历模块，用于遍历每个所述相控圆弧阵，并触发所述位置参数分解模块和所述单层计算模块对当前遍历的所述相控圆弧阵进行计算；

所述位置参数分解模块，用于针对当前遍历的所述相控圆弧阵，计算如下各项位置参数：

所述目标点在当前遍历的所述相控圆弧阵的中间圆形横截面上的水平投影位置r′和在钻铤的轴向上的垂直投影位置z′；

所述水平投影位置r′与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离r；

所述水平投影位置r′在所述中间圆形横截面上所经过的半径与所述中间圆形横截面的基准半径之间的圆心角θ；

所述垂直投影位置z′与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离z；

所述单层计算模块，用于按照如下公式构建关于当前遍历的所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m的目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)：

$O(A_1...A_N...A_m,{\mathrm{\ΔT}}_1...{\mathrm{\ΔT}}_N...{\mathrm{\ΔT}}_m)=\frac{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}~\frac{3\mathrm{\π}}{2},z,\mathrm{\ω})\]}{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=(0~\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{3\mathrm{\π}}{2}~2\mathrm{\π}),z,\mathrm{\ω})\]}$

其中，Φ′(r,θ,z,ω)表示当前遍历的所述相控圆弧阵在所述目标点形成的纵波场以位移形式表示的激发谱；且

${\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ},z,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\underset{N=1}{\overset{m}{\Σ}}{A}_N\[\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{B}_n^{\left(fo\right)}{K}_n\left(qr\right)e^{{\mathrm{ik}}_{z}z}{\mathrm{dk}}_z\]\×\exp (-{\mathrm{i\ω\ΔT}}_N)cos\[n(\mathrm{\θ}-\frac{N\mathrm{\π}-\mathrm{\π}}{4})\]$

ω表示所述相控圆弧阵中各个阵元的振动频率；n表示方位阶数；N表示阵元的序号；m表示所述相控圆弧阵中阵元的数量；A_N表示序号是N的阵元对应的激励信号的幅度权重；ΔT_N表示为序号是N+1的阵元施加激励信号相比于为序号是N的阵元施加激励信号的延迟时间；表示地层中向外传播的纵波的势函数的系数；第二类贝塞尔函数K_n(qr)与共同描述了沿径向由内向外传播的波；q表示纵波的径向波数；i表示虚数单位；k_z表示液体内纵波的轴向波数；

所述单层计算模块，还用于采用非常快速模拟退火算法，计算令所述目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)取极小值时，当前遍历的所述相控圆弧阵中各个所述阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m；

所述邻层计算模块，用于计算当井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向所述目标方向且覆盖所述目标点时，所述声源装置的主声束偏转角度θ₀；并按照如下公式计算为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{h\×{\mathrm{sin\θ}}_0}{v_f}$

其中，h表示相邻的两个相控圆弧阵的中间圆形横截面之间的距离，v_f表示井内泥浆的声速；

所述激励单元，具体用于按照所述计算单元针对每个所述相控圆弧阵计算出的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m激励相应所述相控圆弧阵中的各个阵元振动，并按照所述计算单元计算出的延迟时间τ为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号。

3.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，还包括：步进调整单元，用于步进式地调整所述目标方向和所述目标点。

4.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，

相邻的所述相控圆弧阵之间采用隔声材料隔离。

5.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，

所述阵元的弧度与钻铤外表面的弧度一致；

所述阵元装设于钻铤外表面的刻槽中；

所述阵元与钻铤外表面之间采用隔声材料隔离。

6.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，

所述声源装置中包括的所述相控圆弧阵的数量为至少两个。

7.根据权利要求1所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，

所述相控圆弧阵中包括的所述阵元的数量为6～16个。

8.一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源方法，其特征在于，包括：

步骤1，计算令井孔中的声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的控制参数；

其中，所述声源装置包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；

所述控制参数包括：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；

步骤2，按照所述步骤1计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中的各个阵元振动以发射声波。

9.根据权利要求8所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤11，遍历每个所述相控圆弧阵，并针对当前遍历的所述相控圆弧阵执行如下操作：

计算如下各项位置参数：

所述目标点在当前遍历的所述相控圆弧阵的中间圆形横截面上的水平投影位置r′和在钻铤的轴向上的垂直投影位置z′；

所述水平投影位置r′与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离r；

所述水平投影位置r′在所述中间圆形横截面上所经过的半径与所述中间圆形横截面的基准半径之间的圆心角θ；

所述垂直投影位置z′与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离z；

按照如下公式构建关于当前遍历的所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m的目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)：

$O(A_1...A_N...A_m,{\mathrm{\ΔT}}_1...{\mathrm{\ΔT}}_N...{\mathrm{\ΔT}}_m)=\frac{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}~\frac{3\mathrm{\π}}{2},z,\mathrm{\ω})\]}{max\[{\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ}=(0~\frac{\mathrm{\π}}{2},\frac{3\mathrm{\π}}{2}~2\mathrm{\π}),z,\mathrm{\ω})\]}$

其中，Φ′(r,θ,z,ω)表示当前遍历的所述相控圆弧阵在所述目标点形成的纵波场以位移形式表示的激发谱；且

${\mathrm{\Φ}}^{\′}(r,\mathrm{\θ},z,\mathrm{\ω})=\underset{n=0}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}\underset{N=1}{\overset{m}{\Σ}}{A}_N\[\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}{B}_n^{\left(fo\right)}{K}_n\left(qr\right)e^{{\mathrm{ik}}_{z}z}{\mathrm{dk}}_z\]\×\exp (-{\mathrm{i\ω\ΔT}}_N)cos\[n(\mathrm{\θ}-\frac{N\mathrm{\π}-\mathrm{\π}}{4})\]$

ω表示所述相控圆弧阵中各个阵元的振动频率；n表示方位阶数；N表示阵元的序号；m表示所述相控圆弧阵中阵元的数量；A_N表示序号是N的阵元对应的激励信号的幅度权重；ΔT_N表示为序号是N+1的阵元施加激励信号相比于为序号是N的阵元施加激励信号的延迟时间；表示地层中向外传播的纵波的势函数的系数；第二类贝塞尔函数K_n(qr)与共同描述了沿径向由内向外传播的波；q表示纵波的径向波数；i表示虚数单位；k_z表示液体内纵波的轴向波数；

采用非常快速模拟退火算法，计算令所述目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)取极小值时，当前遍历的所述相控圆弧阵中各个所述阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m；

步骤12，计算当井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向所述目标方向且覆盖所述目标点时，所述声源装置的主声束偏转角度θ₀；并按照如下公式计算为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{h\×{\mathrm{sin\θ}}_0}{v_f}$

其中，h表示相邻的两个相控圆弧阵的中间圆形横截面之间的距离，v_f表示井内泥浆的声速；

所述步骤2包括：按照所述步骤11针对每个所述相控圆弧阵计算出的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m激励相应所述相控圆弧阵中的各个阵元振动，并按照所述步骤12计算出的延迟时间τ为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号。

10.根据权利要求8所述的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源方法，其特征在于，还包括：

步骤3，步进式地调整所述目标方向和所述目标点，并按照调整后的所述目标方向和所述目标点，重新执行所述步骤1和所述步骤2。