CN109025969A - 一种随钻方位声波测井装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要属于随钻测井技术领域，具体涉及一种随钻方位声波测井装置及测量方法。随钻方位声波测井装置从发射端到接收端，在钻铤上依次设置扶正器、发射电路、发射换能器、隔声体、接收换能器阵列、超声换能器和接收电路，该装置可工作在偶极子模式或者偏极子模式，根据测量时间间隔与装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，以覆盖井眼周围所有扇区，实现随钻方位声波测量。本发明克服了固定时间间隔测量模式转速和测量时间间隔在特定条件下，无法覆盖所有扇区，进而无法实现方位声波成像的问题。

Description

一种随钻方位声波测井装置及测量方法
技术领域
本发明主要属于随钻测井技术领域，具体涉及一种随钻方位声波测井装置及测量方法。
背景技术
声波测井是用来评价油气储集层和指导油田安全生产的重要测量手段之一，例如，在岩石力学分析中，声波资料能够提供孔隙压力、岩石强度、地层侵入、地应力方位和大小等信息；在岩石物理分析中，声波资料能够用来评价地层岩性、孔隙度和识别孔隙流体类型。近年来，随钻声波测井技术在钻井的同时测量地层的纵波和横波速度，减少井场钻机占用时间，实时判断钻井效率和风险管理，可以满足大斜度井、水平井以及深水钻井的需求，因此，随钻声波技术在油气勘探开发中得到快速的发展。
随钻声波测井仪器一般由声波发射源、声波接收器及隔声体组成。仪器工作时，声波发射源以最佳频率周期性地向周围井眼地层发射声能脉冲，声能脉冲生成的声波场在沿井壁及周围地层向下传播的过程中被接收器所接收，声波接收器对接收到的全波列信号进行采样，实现波形的数字化。隔声体位于声波发射源和声波接收器之间，用于衰减沿钻铤传播的直达波信号。数据采集完成后，对记录的波形数据进行处理，计算出各成分波的时差值，原始声波波形数据存储在井下仪器的高速存储器中，时差处理结果以实时方式通过泥浆脉冲遥测技术传输到地面。随着钻井过程的持续，不断重复上述声波信号测量和数据处理过程，得到不同深度地层的纵波和横波声速，从而实现随钻声波测量。
随钻声波测井技术自20世纪90年代投入生产应用以来，已经发展了第一代利用单极子声源测量纵波和快地层横波的随钻声波仪器，以及第二代利用四极子声源测量慢地层横波的仪器，但是由于单极子和四极子测量模式均缺乏方位特性，只能提供单一的纵波和横波速度信息，因此只适用于方位各向同性地层的测井应用场合。
随着各向异性复杂储层精细评价需求增加，近年来具有方位探测特性的随钻方位声波测井技术受到了工业界越来越多的关注，该技术通常采用方位声源激励，并利用钻铤旋转实时获取井外不同方位的地层声波速度信息，用以描述井周三维岩石力学特性，可极大拓展随钻声波测井技术的应用范围，因此具有广阔的应用前景。
随钻声波测井仪器根据发射声源加载方式不同，可分为四种工作模式：单极子、偏极子、偶极子和四极子，其中，单极子和四极子因对称加载，无方位特性或方位特性较差，难以应用在方位声波测井仪器中。
中国专利CN103775067A公开了一种随钻方位声波测井装置，包括专用钻铤和安装在钻铤扶正器上的由单发四收探头组成的随钻声波声系，并采用钻铤上刻槽的隔声体抑制发射探头到接收探头之间的钻铤直达波。该装置采用偏极子测量方式，但该装置将接收探头和发射探头分别布置在钻铤上、下扶正器的凹槽中，由于扶正器直径大于钻铤直径，钻井过程中，扶正器与井壁存在摩擦碰撞，从而产生干扰噪声，严重影响声波信号的测量。另外采用单一的偏极子测量模式，存在钻铤波干扰强的固有缺点。
中国专利CN106930758A公布了一种随钻声波测井装置及其方法，采用四极子声源发射，多模式采集方式，通过对阵列信号进行处理，确定地层的各向异性参数，由于四极子模式对地层方向特性不敏感，所述方法仅能确定快横波所在方向和各向异性值的大小，不能获得井眼周围不同方位的速度信息。
此外，上述随钻方位声波测井技术主要涉及测量装置结构和测量数据的处理方法，对方位声波的测量方式并未涉及。现有技术主要采用固定时间间隔的测量方式，即通过编程使发射器按固定的时间间隔发射声波激励信号，接收器按同样的时间间隔记录波形，例如每100ms测量一次，与此同时，同步记录每次测量时仪器的工具面角(相对某个基准位置仪器自转的角度)，并根据当前的工具面角值对测量数据进行方位扇区的分配，这样方位的覆盖取决于仪器的转速和测量时间间隔。当测量时间间隔与仪器的转速存在特定关系时，例如当转速为1转/秒，测量时间间隔为1秒时，仪器每转1周只在固定的方位测量1次，不能覆盖整个井眼圆周，无法实现随钻方位声波测量。因此针对现有技术的不足，亟待开发一种有效的随钻方位声波测井装置及其配套的测量方法。
发明内容
本发明提供一种随钻方位声波测井装置及其配套的测量方法，装置可工作在偶极子模式或者偏极子模式，解决现有随钻方位声波测井装置采用单一的偏极子发射接收结构，存在钻铤波干扰强，声系安装在扶正器中钻井噪声干扰大的问题。测量方法根据测量时间间隔与随钻方位声波测井装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，以覆盖井眼周围所有扇区，实现随钻方位声波测量，解决固定时间间隔测量模式当测量时间间隔与仪器的转速存在特定关系时，无法实现方位测量的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种随钻方位声波测井装置，从发射端到接收端，在钻铤上依次设置扶正器、发射电路、发射换能器、隔声体、接收换能器阵列、超声换能器和接收电路；所述接收电路包括方位测量模块，所述方位测量模块采用双轴磁传感器测量所述随钻方位声波测井装置的磁工具面角，测量获得的所述磁工具面角用于确定当前随钻方位声波测井装置旋转的角度；所述双轴磁传感器的两个轴向相互正交，其中一个轴向沿随钻方位声波测井装置的径向方向，与所述发射换能器在同一直线上，另一个轴向沿随钻方位声波测井装置的切向方向；磁工具面角的计算方法如下：
其中By为切向磁传感器测量值，Bx为径向磁传感器测量值。
所述接收电路对双轴磁传感器其中一个轴向测量的磁场时间序列数据利用快速傅里叶变换进行处理，提取频率信息，用于获得所述随钻方位声波测井装置的转速；
所述超声换能器用于测量井径，井径测量结果结合所述方位测量模块测得的磁工具面角，用于确定当前随钻方位声波测井装置在井眼中的位置，进而实现随钻方位声波测量数据的偏心校正和质量控制。
进一步地，所述发射换能器的数量为2个，在钻铤圆周相隔180°相对安装，所述发射换能器能够工作在偶极子模式或者偏极子模式；
所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的多组接收换能器，每组包括2个在钻铤圆周相隔180°相对安装的接收换能器；所述接收换能器阵列中的接收换能器与所述发射换能器在沿钻铤轴向的一条直线上；
所述超声换能器的数量为3个，3个超声换能器沿钻铤圆周相隔120°安装，其中1个超声换能器与发射换能器、接收换能器在沿钻铤轴向的同一条直线上。将超声换能器与发射换能器、接收换能器在沿钻铤轴向的同一条直线上，能够使发射换能器、接收换能器和超声换能器相对装置的工具面角相同，以便确定发射换能器和接收换能器在井眼中的位置。
进一步地，所述发射电路在钻铤壁上开槽安装，与所述发射换能器沿钻铤轴向分开排布，从而使得发射换能器与接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过发射电路安装结构，避免发射电路安装结构对辐射声场的影响，避免产生信号畸变。
进一步地，所述发射电路分别与2个所述发射换能器相连，所述发射电路产生2路高压脉冲信号，电压在200V-2000V范围内可调，用于激励所述发射换能器工作；所述发射换能器的工作频率范围为2-15kHz，使得随钻方位声波测井装置能够工作在低频偶极子模式和高频偏极子模式。
进一步地，所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的6组或8组接收换能器；等间隔设置多组接收换能器目的是采用多道相关处理算法对纵波和横波的时差进行处理。
所述接收换能器阵列中，距发射换能器最近的接收换能器为第一组接收换能器，第一组接收换能器与发射换能器之间的距离称为源距，控制源距的范围为2-4m；
所述接收换能器阵列中，沿轴向相邻2组接收换能器之间的距离称为间距，控制间距的范围为15-30cm。间距的选取不能太大，以避免空间假频及衰减；不能太小，否则影响多道相关的检测算法。
进一步地，所述接收电路分别与所述接收换能器阵列以及所述超声换能器连接；所述接收电路用于对多组接收换能器拾取的声波信号进行同步采样，通过多道相关处理获得纵波和横波速度；并且所述接收电路能够同时激励3个超声换能器并测量回波信号，计算获得井径测量结果。
进一步地，所述接收电路在钻铤壁上开槽安装，与所述接收换能器阵列沿钻铤轴向分开排布，从而使得所述发射换能器与所述接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过接收电路安装结构，以避免接收电路安装结构对辐射声场的影响，避免造成信号畸变。
一种随钻方位声波测井测量方法，当随钻方位声波测井装置工作在偏极子或偶极子测量模式时，随钻方位声波测井装置随钻柱一同旋转，根据测量时间间隔与随钻方位声波测井装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，以覆盖井眼周围所有扇区，实现随钻方位声波测量；
具体为：
当m≥1，且P≥n时；或当m＜1，且P0≥n时，采用固定时间间隔测量模式，采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
当m≥1，且P＜n时；或当m＜1，且P0＜n时，若采用固定时间间隔测量模式，采集的数据不能够覆盖井眼周围所有扇区，故采用交变时间间隔测量模式，使采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
其中，m为随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数，T为随钻方位声波测井装置旋转一周所用时间，t为相邻两次测量时间间隔，R为随钻方位声波测井装置的转速，单位为转/分钟；令P/Q为最简分数，P、Q互质，含义是随钻方位声波测井装置旋转Q周，共完成P次测量；n为井眼周围所有扇区的数量；
当m≥1时，即P≥Q时，随钻方位声波测井装置旋转1周所用时间T大于等于测量时间间隔t，每周至少进行1次测量，测量的方位间隔为360°/P，Q个旋转周期，测量P次后数据开始重复；
当m＜1时，即P＜Q时，随钻方位声波测井装置旋转1周所用时间T小于测量时间间隔t，令e＝1/m＝Q/P＝N+Q0/P0，其中N为整数部分，为非零的自然数，Q0/P0是最简分数，Q0<P0，相当于装置旋转N周没有测量数据，接下来再过Q0周测量P0次数据。
进一步地，所述交变时间间隔测量模式包括两个测量过程，具体为：
先以第一测量时间间隔t进行第一次测量，测量时间为Tm，再以第二测量时间间隔t1进行第二次测量，测量时间也为Tm，在2Tm时间内完成一次方位测量；
其中，根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1；根据第一测量时间间隔t、第二测量时间间隔t1以及每一次从发射到接收完成所需时间t2，确定测量时间Tm。
进一步地，所述第一测量时间间隔t的确定方法为：根据声波换能器激励电路的冲放电特性，以及电路的平均功率，选择第一测量时间间隔t，t大于0.1s。
进一步地，当m≥1，即P≥Q，且P＜n时，所述根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1的方法为：
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞n，使第二次测量满足覆盖井眼周围所有扇区的要求，因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P/Q的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞n；
当m＜1时，即P<Q，且P0＜n时，所述根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1的方法为：
当m＜1时，即P＜Q时，e＝1/m＝Q/P＝N+Q0/P0，忽略装置旋转N周没有测量数据的情况，可以转化为如下形式：
其中Q0<P0
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞n；因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P0/Q0的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞n。
进一步地，所述每一次从发射到接收完成所需时间t2的确定方法为：根据测量源距和随钻方位声波测井装置测量波速范围，确定每一次从发射到接收完成所需时间t2，
其中Lmax为发射换能器与最远接收换能器阵列之间的距离，Vmin为随钻方位声波测井装置能够测量波速的最小值。
进一步地，为保证在整个采样过程中n个扇区没有空缺点，测量时间Tm必须满足：
进一步地，井眼周围所有扇区的数量n取值为8、16或32。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明所提供的随钻方位声波测井装置，兼顾偏极子和偶极子两种方位特性好的随钻方位声波测量模式。
(2)本发明所提供的随钻方位声波测井装置中，发射电路与发射换能器、接收电路与接收换能器阵列均沿钻铤轴向分开排布，使得发射换能器和接收换能器之间的声波的传播路径结构均匀，避免电路安装结构对声场辐射和传播带来影响，有助于提高声波数据质量。
(3)针对本发明提出的同时具有偶极子和偏极子模式的随钻方位声波测井装置中，设置由双轴磁传感器构成的方位测量模块以及由3个超声换能器构成的井径测量模块，用于记录仪器实时方位信息，获得仪器在井眼中的位置，校正仪器偏心影响，方位和井径参数的测量有助于实现方位声波数据的精细处理。
(4)本发明提供一种随钻方位声波测井测量方法，根据测量时间间隔与随钻方位声波测井装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，克服了转速和测量时间间隔在特定条件下，无法覆盖所有扇区，进而无法实现方位声波成像的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中随钻方位声波测井装置结构示意图；
图2为本发明实施例随钻方位声波测井装置中发射换能器安装示意图；
图3为本发明实施例随钻方位声波测井装置中发射换能器偶极子工作模式示意图；
图4为本发明实施例随钻方位声波测井装置中发射换能器偏极子工作模式示意图；
图5为本发明实施例随钻方位声波测井装置中接收换能器安装示意图；
图6为本发明实施例随钻方位声波测井装置中超声换能器安装示意图；
图7为本发明实施例随钻方位声波测井装置中双轴磁传感器(方位测量模块)安装示意图；
图8为本发明实施例中随钻方位声波测量结果扇区分配示意图(以16扇区为例)；
图9为本发明实施例中，当m≥1，且P≥16时方位测量数据扇区覆盖图；
图10为本发明实施例中，当m≥1，且P＜16时方位测量数据扇区覆盖图；
图11为本发明实施例中，当m＜1，且P0≥16时方位测量数据扇区覆盖图；
图12为本发明实施例中，当m＜1，且P0＜16时方位测量数据扇区覆盖图；
图13为本发明实施例中交变时间间隔测量模式示意图；
图14为本发明实施例中交变时间间隔测量模式流程图；
附图标记：
1.扶正器、2.发射电路、3.发射换能器、4.隔声体、5.接收换能器阵列、6.超声换能器、7.接收电路、8.泥浆通道、9.钻铤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对现有技术中随钻方位声波测井装置采用单一的偏极子发射接收结构，存在钻铤波干扰强，声系安装在扶正器中钻井噪声干扰大的问题。本发明实施例提供一种随钻方位声波测井装置，如图1所示，从发射端到接收端，在钻铤9上依次设置扶正器1、发射电路2、发射换能器3、隔声体4、接收换能器阵列5、超声换能器6和接收电路7；其中，隔声体4位于发射换能器3和接收换能器阵列5之间，用于衰减沿钻铤传播的直达波，使发射的声波能量沿钻铤直接传输到接收换能器阵列的能量最少。随钻方位声波测井装置的扶正器设置于发射声源一侧。在本实施例中，上述所有部件安装在1根钻铤上，钻铤中间设有圆柱状泥浆通道8。
在本实施例的具体实施方式中，所述发射换能器的数量为2个，2个发射换能器(T1和T2)在钻铤圆周相隔180°相对安装，如图2所示。所述发射换能器将发射电路产生的高压脉冲激励电信号转换为声波信号，沿垂直井壁的方向向地层发射，实现电能到机械能的转换。所述发射换能器能够在偶极子模式或者偏极子模式工作；偶极子模式同时使用2个换能器(如图3所示)，2个换能器施加的激励脉冲信号极性相反。偏极子模式工作时使用单一的发射换能器(如图4所示)。
在本发明实施例中，所述发射电路分别与2个发射换能器相连，所述发射电路产生2路高压脉冲信号，电压在200V-2000V范围内可调，用于激励所述发射换能器工作；所述发射换能器的工作频率范围为2-15kHz。所述发射电路在钻铤壁上开槽安装，与所述发射换能器沿钻铤轴向分开排布，从而使得发射换能器与接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过发射电路安装结构，以避免发射电路安装结构对辐射声场的影响，避免造成信号畸变。
所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的多组接收换能器，每组包括2个在钻铤圆周相隔180°相对安装的接收换能器(如图5所示，R1和R2为2个在钻铤圆周相隔180°相对安装的接收换能器)；优选地，在本发明具体实施情况下，所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的6组或8组接收换能器。所述接收换能器阵列中的接收换能器与所述发射换能器在沿钻铤轴向的一条直线上；接收信号的方向与井壁垂直，用于将声波信号转换为电信号，实现机械能到电能的转换。等间隔设置多组接收换能器目的是采用多道相关处理算法对纵波和横波的时差进行处理。其中，多道相关处理算法为本领域常规技术，本领域技术人员完全能够实现，此处不再赘述，本发明不涉及对多道相关处理算法的改进。
所述接收换能器阵列中，距发射换能器距离最近的接收换能器为第一组接收换能器，第一组接收换能器与发射换能器之间的距离称为源距，控制源距的范围为2-4m；源距不能太短，否则不利于各种波形的分离，考虑到声波在慢地层中的衰减，源距又不能太长。
所述接收换能器阵列中，沿轴向相邻2组接收换能器之间的距离称为间距，控制间距的范围为15-30cm。间距的选取也不能太大，以避免空间假频及衰减；不能太小，否则影响多道相关检测算法。
所述超声换能器用于测量井径，超声换能器的数量为3个，3个超声换能器沿钻铤圆周相隔120°安装，其中1个超声换能器与发射换能器、接收换能器在沿钻铤轴向的同一条直线上(如图6所示，S1、S2和S2为3个沿钻铤圆周相隔120°安装的超声换能器)。
所述接收电路分别与所述接收换能器阵列以及所述超声换能器连接；所述接收电路用于对多组接收换能器拾取的声波信号进行同步采样，通过多道相关处理获得纵波和横波速度；并且所述接收电路能够同时激励3个超声换能器并测量回波信号，计算获得井径测量结果。
所述接收电路包括信号调理电路、模数转换电路、电源、处理器、存储器、控制单元、方位测量模块。所述方位测量模块采用双轴磁传感器测量随钻方位声波测井装置的磁工具面角；测量的磁工具面角用于确定当前随钻方位声波测井装置旋转的角度；如图7所示，所述双轴磁传感器的两个轴向相互正交，其中一个轴向沿随钻方位声波测井装置的径向方向，与所述发射换能器在同一直线上，另一个轴向沿随钻方位声波测井装置的切向方向。其中，信号调理电路、模数转换电路、电源、处理器、存储器、控制单元均为本领域常规技术，本领域技术人员完全能够实现，此处不再赘述，本发明不涉及对信号调理电路、模数转换电路、电源、处理器、存储器、控制单元的改进。
所述接收电路对双轴磁传感器其中一个轴向测量的磁场时间序列数据利用快速傅里叶变换进行处理，获得频率信息，用于得到随钻方位声波测井装置的转速。
所述接收电路的井径测量结果，结合所述方位测量模块测得的磁工具面角，用于确定当前随钻方位声波测井装置在井眼中的位置，进而实现声波测量数据的偏心校正和质量控制。
所述接收电路在钻铤壁上开槽安装，与所述接收换能器阵列沿钻铤轴向分开排布，从而使得所述发射换能器与所述接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过接收电路安装结构，以避免接收电路安装结构对辐射声场的影响，避免造成信号畸变。
当随钻方位声波测井装置随钻柱一同旋转，装置工作在偏极子或偶极子测量模式，按固定的时间间隔发射，接收电路按同样的时间间隔记录波形，与此同时，同步记录每次测量的方位(即磁工具面角)，并根据当前的工具面角值，将数据分别存放在n个扇区内(本实施例以16扇区为例，每个扇区夹角22.5°，在其他可选方式中，扇区数量可以根据实际情况设置)。每个扇区内的多次测量数据通过叠加处理提高信噪比。这样方位的覆盖取决于随钻方位声波测井装置的转速和测量时间间隔。井眼周围所有扇区的数量n的取值为2k，k＝2,3,4,5或6；优选k＝3,4,5，即n＝8,16或32。图8为随钻方位声波测量结果扇区分配示意图(本实施例中以16扇区为例)。
设随钻方位声波测井装置转速为R，单位为r/min，相邻两次测量时间间隔为t，单位为s，
则随钻方位声波测井装置旋转一周所用时间为T(单位为s)：
随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数为m：
令P/Q为最简分数(P、Q互质)。含义是随钻方位声波测井装置旋转Q周，共完成P次测量。
以16扇区为例，分以下两种情况讨论：
(1)当m≥1时，即P≥Q时，随钻方位声波测井装置旋转1周所需时间大于测量时间间隔，每周至少进行1次测量。测量的方位间隔为360/P，测量P次后(Q个旋转周期)数据开始重复，在此条件下，分两种情况讨论：
1)当P≥16时，每个扇区至少有1次数据覆盖，能够实现16扇区方位成像。如图9所示，当P＝16时，每个扇区有1个测量点；
2)当P＜16时，每个扇区不能保证1次数据覆盖，无法实现16扇区方位成像，如图10所示，当P＝8时，每2个扇区只有1个测量点；
(2)m＜1时，即P＜Q时，即旋转1周所需时间小于测量时间间隔，每周不能保证有1个测量点(隔周有测量点)。令e＝1/m＝Q/P，含义是在测量时间间隔t内，随钻方位声波测井装置旋转e周。
由于Q/P是假分数(分子大于分母)，将其化成带分数的形式为N+Q0/P0，其中N为整数部分，为非零的自然数，Q0/P0是真分数(Q0<P0)，相当于随钻方位声波测井装置旋转N周没有测量数据，接下来再过Q0周测量P0次数据，然后进行重复。当忽略随钻方位声波测井装置旋转N周没有测量数据，这与前面讨论的m≥1的情况类似，在此条件下，分两种情况讨论：
1)当P0≥16时，每个扇区至少有1次数据覆盖，能够实现16扇区方位成像。如图11所示，当P0＝17时，每个扇区至少有1个测量点；
2)当P0＜16时，每个扇区不能保证1次数据覆盖，无法实现16扇区方位成像，如图12所示，当P0＝15时，第16个扇区无数据；
通过上面的分析可知，当测量时间间隔与随钻方位声波测井装置的转速存在特定关系时，即m≥1且P<16时，或者m<1且P0<16时，固定时间间隔测量模式无法实现方位测量。
针对该技术问题，本发明实施例提供一种随钻方位声波测井测量方法，当随钻方位声波测井装置工作在偏极子或偶极子测量模式时，随钻方位声波测井装置随钻柱一同旋转，根据测量时间间隔与随钻方位声波测井装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，以覆盖井眼周围所有扇区，实现随钻方位声波测量；
具体为：
当m≥1，且P≥16时；或当m＜1，且P0≥16时，采用固定时间间隔测量模式，采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
当m≥1，且P＜16时；或当m＜1，且P0＜16时，若采用固定时间间隔测量模式，采集的数据不能够覆盖井眼周围所有扇区，故采用交变时间间隔测量模式，使采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
所述交变时间间隔测量模式包括两个测量过程，如图13，14所示，具体为：
先以第一测量时间间隔t进行第一次测量，测量时间为Tm，再以第二测量时间间隔t1进行第二次测量，测量时间也为Tm，在2Tm时间内完成一次方位测量；
其中，根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1；根据第一测量时间间隔t、第二测量时间间隔t1以及每一次从发射到接收完成所需时间t2，确定测量时间Tm；
所述第一测量时间间隔t的确定方法为：根据声波换能器激励电路的冲放电特性以及电路的平均功率，选择第一测量时间间隔t，t大于0.1s；
以n＝16为例，所述根据第一测量时间间隔t，确定第二时间间隔t1的方法分以下两种情况：
(1)当m≥1，即P≥Q，且P＜16时：
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞16，使第二次测量满足覆盖井眼周围所有扇区的要求，因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P/Q的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞16。
(2)当m＜1时，即P<Q，且P0＜16时：
当m＜1时，即P＜Q时，e＝1/m＝Q/P＝N+Q0/P0，忽略装置旋转N周没有测量数据的情况，可以转化为如下形式：
其中Q0<P0 (5)
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞16；因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P0/Q0的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞16。
根据测量源距和随钻方位声波测井装置测量波速范围，确定每一次从发射到接收完成所需时间t2，确定方法如下：
其中Lmax为发射换能器与最远接收换能器阵列之间的距离，Vmin为随钻方位声波测井装置能够测量波速的最小值。
根据第一测量时间间隔t，第二测量时间间隔t1，每一次从发射到接收完成所需时间t2，确定测量时间Tm，确定方法如下：
每次方位测量的总测量时间为2*Tm，第一、第二测量时间间隔工作时间均是Tm，每一次从发射到接收完成所需时间为t2，Tm的时间共有测量次数为为保证在整个采样过程中16个扇区没有空缺点，必须满足：
因此，Tm需要满足的条件是：

Claims (13)

1.一种随钻方位声波测井装置，从发射端到接收端，在钻铤上依次设置扶正器、发射电路、发射换能器、隔声体、接收换能器阵列、超声换能器和接收电路；其特征在于，所述接收电路包括方位测量模块，所述方位测量模块采用双轴磁传感器测量所述随钻方位声波测井装置的磁工具面角，测量获得的所述磁工具面角用于确定当前随钻方位声波测井装置旋转的角度；所述双轴磁传感器的两个轴向相互正交，其中一个轴向沿随钻方位声波测井装置的径向方向，与所述发射换能器在同一直线上，另一个轴向沿随钻方位声波测井装置的切向方向；
所述接收电路对双轴磁传感器其中一个轴向测量的磁场时间序列数据利用快速傅里叶变换进行处理，提取频率信息，用于获得所述随钻方位声波测井装置的转速；
所述超声换能器用于测量井径，井径测量结果结合所述方位测量模块测得的磁工具面角，用于确定当前随钻方位声波测井装置在井眼中的位置，进而实现随钻方位声波测量数据的偏心校正和质量控制。
2.根据权利要求1所述一种随钻方位声波测井装置，其特征在于，所述发射换能器的数量为2个，在钻铤圆周相隔180°相对安装，所述发射换能器能够工作在偶极子模式或者偏极子模式；
所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的多组接收换能器，每组包括2个在钻铤圆周相隔180°相对安装的接收换能器；所述接收换能器阵列中的接收换能器与所述发射换能器在沿钻铤轴向的一条直线上；
所述超声换能器的数量为3个，3个超声换能器沿钻铤圆周相隔120°安装，其中1个超声换能器与发射换能器、接收换能器在沿钻铤轴向的同一条直线上。
3.根据权利要求1所述一种随钻方位声波测井装置，其特征在于，所述发射电路在钻铤壁上开槽安装，与所述发射换能器沿钻铤轴向分开排布，从而使得发射换能器与接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过发射电路安装结构，避免发射电路安装结构对辐射声场的影响，避免产生信号畸变。
4.根据权利要求2所述一种随钻方位声波测井装置，其特征在于，所述接收换能器阵列包括沿钻铤轴向等间隔布置的6组或8组接收换能器；
所述接收换能器阵列中，距发射换能器最近的接收换能器为第一组接收换能器，第一组接收换能器与发射换能器之间的距离称为源距，控制源距的范围为2-4m；
所述接收换能器阵列中，沿轴向相邻2组接收换能器之间的距离称为间距，控制间距的范围为15-30cm。
5.根据权利要求1所述一种随钻方位声波测井装置，其特征在于，所述接收电路分别与所述接收换能器阵列以及所述超声换能器连接；所述接收电路用于对多组接收换能器拾取的声波信号进行同步采样，通过多道相关处理获得纵波和横波速度；并且所述接收电路能够同时激励3个超声换能器并测量回波信号，计算获得井径测量结果。
6.根据权利要求1所述一种随钻方位声波测井装置，其特征在于，所述接收电路在钻铤壁上开槽安装，与所述接收换能器阵列沿钻铤轴向分开排布，从而使得所述发射换能器与所述接收换能器阵列之间声波的传播路径不经过接收电路安装结构，以避免接收电路安装结构对辐射声场的影响，避免造成信号畸变。
7.一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，当随钻方位声波测井装置工作在偏极子或偶极子测量模式时，随钻方位声波测井装置随钻柱一同旋转，根据测量时间间隔与随钻方位声波测井装置转速的关系，采用固定时间间隔测量模式或者交变时间间隔测量模式，以覆盖井眼周围所有扇区，实现随钻方位声波测量；
具体为：
当m≥1，且P≥n时；或当m＜1，且P0≥n时，采用固定时间间隔测量模式，采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
当m≥1，且P＜n时；或当m＜1，且P0＜n时，若采用固定时间间隔测量模式，采集的数据不能够覆盖井眼周围所有扇区，故采用交变时间间隔测量模式，使采集的数据能够覆盖井眼周围所有扇区；
其中，m为随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数，T为随钻方位声波测井装置旋转一周所用时间，t为相邻两次测量时间间隔，R为随钻方位声波测井装置的转速，单位为转/分钟；令P/Q为最简分数，P、Q互质，含义是随钻方位声波测井装置旋转Q周，共完成P次测量；n为井眼周围所有扇区的数量；
当m≥1时，即P≥Q时，随钻方位声波测井装置旋转1周所用时间T大于等于测量时间间隔t，每周至少进行1次测量，测量的方位间隔为360°/P，Q周测量P次数据；
当m＜1时，即P＜Q时，随钻方位声波测井装置旋转1周所用时间T小于测量时间间隔t，令e＝1/m＝Q/P＝N+Q0/P0，其中N为整数部分，为非零的自然数，Q0/P0是最简分数，Q0<P0，相当于装置旋转N周没有测量数据，接下来再过Q0周测量P0次数据。
8.根据权利要求7所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，所述交变时间间隔测量模式包括两个测量过程，具体为：
先以第一测量时间间隔t进行第一次测量，测量时间为Tm，再以第二测量时间间隔t1进行第二次测量，测量时间也为Tm，在2Tm时间内完成一次方位测量；
其中，根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1；根据第一测量时间间隔t、第二测量时间间隔t1以及每一次从发射到接收完成所需时间t2，确定测量时间Tm。
9.根据权利要求8所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，所述第一测量时间间隔t的确定方法为：根据声波换能器电路的冲放电特性，以及电路的平均功率，选择第一测量时间间隔t，t大于0.1s。
10.根据权利要求8所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，当m≥1，即P≥Q，且P＜n时，所述根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1的方法为：
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞n，使第二次测量满足覆盖井眼周围所有扇区的要求，因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P/Q的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞n；
当m＜1时，即P<Q，且P0＜n时，所述根据第一测量时间间隔t，确定第二测量时间间隔t1的方法为：
当m＜1时，即P＜Q时，e＝1/m＝Q/P＝N+Q0/P0，忽略装置旋转N周没有测量数据的情况，可以转化为如下形式：
其中Q0<P0；
在第二次测量过程中，随钻方位声波测井装置旋转一周的测量次数m1为：
其中，P1/Q1为最简分数，P1、Q1互质，含义是在第二次测量过程中随钻方位声波测井装置旋转Q1周，共完成P1次测量；
根据得到：
令P1/Q1＞1，P1＞n；因第一次测量中的第一测量时间间隔t、P0/Q0的数值为已知数值，则得到第二测量时间间隔t1满足以下条件：
且满足P1、Q1互质，P1＞n。
11.根据权利要求8所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，所述每一次从发射到接收完成所需时间t2的确定方法为：根据测量源距和随钻方位声波测井装置测量波速范围，确定每一次从发射到接收完成所需时间t2，
其中，Lmax为发射换能器与最远接收换能器阵列之间的距离，Vmin为随钻方位声波测井装置能够测量波速的最小值。
12.根据权利要求8所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，为保证在整个采样过程中n个扇区没有空缺点，测量时间Tm必须满足：
13.根据权利要求7-12任一项所述一种随钻方位声波测井测量方法，其特征在于，井眼周围所有扇区的数量n取值为8、16或32。
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