CN111323824A - 一种模块式阵列声波测井仪及井外界面探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块式阵列声波测井仪，包括发射器、常规接收器阵列和接收短节阵列，其中发射器位于常规接收阵列的一侧，常规接收器阵列包括至少两个第一接收换能器单元，相邻第一接收换能器单元的间距为M；接收短节阵列包括至少两个接收短节，接收短节阵列位于常规接收阵列的另一侧，相邻接收短节的间距为2*N*M，N为正整数。在不增加常规阵列声波测井仪器设计复杂度情况下解决目前阵列声波测井仪器接收器个数较少、阵列跨度较小导致的井外远探测时反射波探测效果不佳等问题，增加反射波探测的覆盖次数以及源距范围，有益于改善反射波成像效果及储层参数反演。

Description

一种模块式阵列声波测井仪及井外界面探测方法

技术领域

本发明涉及石油地球物理勘探中的声波测井领域，特别涉及一种模块式阵列声波测井仪及井外界面探测方法。

背景技术

随着我国油气勘探开发程度的不断深入，各油田都在开展复杂油气藏的勘探开发研究，而传统的勘探开发技术逐渐显示出不足，在地球物理测井领域，该问题日趋显著。对于复杂非均质储层，尤其是碳酸盐岩的裂缝和溶洞型储层，传统的测井方法由于探测深度的限制，只能探测井壁附近3m内的地层信息，而对于更深的地层则无效，而地震勘探由于采用的频率较低，分辨率受到限制，对于尺度在几十厘米到十几米的小型构造更是无能为力，因而急需一种探测深度比常规测井大，分辨率又比地震勘探高的地球物理探测方法。近年来发展的远探测声反射成像测井技术正是适应复杂地区勘探开发而产生的一种新的声波测井技术，它采用类似地面地震的信号采集方式和处理方法，利用阵列声波测井中记录的反射波而不是井壁滑行波信息，对井外地质构造成像。这种方法可以探测水平井及与井眼相交地层的产状，识别井外裂缝带，判断储层油气界面，以及对地震无法探测的小构造进行成像，其分辨率介于测井和地震之间，克服了测井“一孔之见”和地震“雾里看花”的局限，有着广阔的发展前景和应用空间，近年来又在仪器测量方式和数据处理等方面有很大的进展。并且国内近年来的初步应用显示其在复杂非常规储层有较好的效果,是我国急需的一项新技术。

在实际应用中，一直以来，远探测反射波成像仪器设计方案均是采用传统的用于测量井眼附近地层速度信息的阵列声波测井仪器，或者稍加改进，而由于阵列声波仪器主要用于测量地层速度信息，因此接收换能器个数一般只有8到13个，这对于以地面地震勘探作为借鉴的远探测声反射成像测井来说是远远不够的，原因在于地面地震为了压制干扰，提高信噪比，一般有成千上万个检波器，而且设计成了可以对地下同一目标有几十、几百次的覆盖次数，通过这些多次覆盖次数的叠加，增强有用信号并压制噪声和干扰，而阵列声波测井仪器采用的8到13个的接收换能器个数，按照目前的接收换能器间隔和仪器提升间隔相等的情况，覆盖次数只有接收换能器个数的一半，这对于井下复杂环境下的井外界面探测十分不利，而且，由于接收器阵列个数及间距所限，阵列跨度较小，对于远场反射波来说阵列接收和单点接收相近，这也不利于反射波的进一步成像和反演。采用具有较大源距范围的接收器阵列的另一优势是可以通过AVO技术进行反射界面属性分析，而目前的测井仪器接收阵列也无法实现这些。当然，由于当前技术、测井仪器系统及井眼条件的限制，制造在井轴方向上同时具有几十、上百个接收换能器组成的阵列声波仪器难度很大，系统过于复杂，而这些限制必然使得反射波成像测井的探测效率和精度都降低。

此外，虽然目前国内外多家单位已经成功开发了远探测声反射测量仪器及相关处理软件，但在实际资料处理中，均存在反射波信号微弱，难以准确清楚成像的问题，而且当存在平行井轴的井外反射界面时，常常难以分离反射信号，也无法分析界面的波阻抗属性，这些问题的原因之一就在于源距相对于探测深度较小，接收换能器个数少，覆盖次数少。国内外的研究现状表明，远探测反射声波成像测井方法还不完善，需要在现有技术条件下解决阵列跨度小、覆盖次数少、信噪比低这一问题。

发明内容

本发明的目的在于，通过一种连接在常规阵列声波仪器上的模块化阵列仪器，在不影响传统测井方式的情况下增加接收器阵列跨度，进而增加井外界面远探测方法的覆盖次数，获取更多地层信息。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种模块式阵列声波测井仪。

具体包括：发射器、常规接收器阵列和接收短节阵列，其中发射器位于常规接收阵列的一侧，常规接收器阵列包括至少两个第一接收换能器单元，相邻第一接收换能器单元的间距为M；接收短节阵列包括至少两个接收短节，接收短节阵列位于常规接收阵列的另一侧，相邻接收短节的间距为2*N*M，N为正整数。

基于上述的声波测井仪，可以通过下列步骤实现井外探测：

在井孔内的多个等间距探测点激发声波；接收并记录所述声波，同时，记录当前激发所述声波的发射器所在深度及仪器方位角；将各所述探测点记录的同一声源激发的声波波形组合，得到各所述探测点的共发射器阵列道集；根据所述共发射器阵列道集，分离反射波，并对反射波成像及反射界面属性进行反演，得到井外反射体成像结果。需要说明，探测点的间距等于常规接收阵列中第一接收换能器单元的间距。

本发明实施例的优点在于：通过对传统阵列声波仪器进行改进，在其基础上增加了模块化的接收短节，接收短节不仅包含了接收器，还包含了相应的电子系统、存储系统，不同接收短节相互独立工作，且可以首尾相连，接收短节内接收器记录的波形直接存储在短节内部，不需要实时上传，因此可在仪器轴向上设置大量接收器且不影响测井速度；接收短节的接收单元间距经过特殊设计，等于仪器上提间隔的偶数倍，因而覆盖次数等于接收单元数，充分利用了测井等间隔采集数据的特点；接收短节完全相同，简化了仪器设计；由于接收器数目增加，大大增加了覆盖次数，可以改善远探测方法对井外反射体的探测效果，有益于后续更准确的成像；由于每个深度位置的数据量增加，使得以往在共发射器道集提取反射波的难度也降低，并且可以更方便的分离出平行井轴界面的反射波，这也是以往仪器不具备的；而且，也可以通过和地面地震类似的AVO技术对反射界面进行属性分析，将远探测方法从目前的成像推动到地质体属性反演的新阶段。这样，本发明通过对阵列的特殊设计，达到了在不增加仪器设计复杂度的前提下增加远探测声反射成像测井的覆盖次数的效果，增加的道集数据也为后续的信号处理提供了方便，使得本发明在远探测声反射成像测井领域具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为单极子声源结构示意图；

图1(b)为正交偶极子声源结构示意图；

图2(a)为本发明实施例的包含8个接收换能器的环形分布换能器结构示意图；

图2(b)为本发明实施例的包含4个接收换能器的环形分布换能器结构示意图；

图3为本发明实施例的一种模块式阵列声波测井仪结构示意图；

图4为本发明实施例的模块化接收短节结构示意图；

图5为本发明实施例的一种模块式阵列声波测井仪进行井外反射波远探测的方法流程图；

图6为发明实施例的声波测井仪探测井外界面的射线路径示意图；

图7为本发明实施例的多探测点井外界面探测原理示意图；

图8为井下及井外界面数值模拟模型图；

图9(a)为本发明对比例一进行井外探测的共发射器道集波形图；

图9(b)为本发明实施例一进行井外探测的共发射器道集波形图；

图10(a)为本发明对比例一进行井外探测的反射波成像结果图；

图10(b)为本发明实施例一进行井外探测的反射波成像结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例在具备发射器以及接收器阵列的测井仪的基础上，设置接收短节阵列，构成一种模块式阵列声波测井仪。其中，发射器和接收短节阵列分别设置于常规接收器阵列两侧。

发射短节包括至少两个沿仪器壳体轴向排列的发射换能器单元。发射换能器单元为如图1(a)所示的单极子换能器或如图1(b)所示的正交偶极子换能器。

常规接收阵列由沿仪器壳体轴向排列的至少两个第一接收换能器单元组成，相邻的第一接收换能器单元的间距为M。需要说明，在测井时，测井仪的上提间距需与相邻的第一接收换能器单元的间距相等；其中，上提间距为测井时相邻探测点的距离。

接收短节阵列包括至少两个接收短节，相邻接收短节的间距为2*N*M，N为正整数。一般情况下，接收短节阵列包括4-30个接收短节。具体地，接收短节的数量可以根据每个接收短节的长度以及接收短节阵列的总长度进行设置。例如，接收短节阵列的总长度是20米，每个接收短节的长度是1米，则该接收短节阵列包括20个接收短节。

其中，每个接收短节包括一个第二接收换能器单元，或至少两个个沿仪器壳体轴向排列的第二接收换能器单元。一般情况下，每个接收短节包含1～4个第二接收换能器单元。第二接收换能器单元为单极子换能器或环形分布换能器。

一个实施例中，作为第二接收换能器单元的环形分布换能器为环形分布在仪器外壳周向的多个接收换能器，其中接收换能器的数量为4-8个。如图2所示，其中，图2(a)为包含8个接收换能器的环形分布换能器；图2(b)为包含4个接收换能器的环形分布换能器。

一个实施例中，各接收短节中包括至少两个第二接收换能器单元；其中相邻第二接收换能器单元的间距为2*N*M，N为正整数。

一个实施例中，接收短节包括具备放大及增益控制等功能的电子器件、线路、供电单元、通信接口和波形存储单元，使各接收短节独立工作。

上述常规接收阵列2中的第一接收换能器单元和接收短节阵列3中的第二接收换能器单元，可采用相同参数的接收换能器，也可以根据需要设置不同参数的接收换能器。

实施例一

如图3所示，该声波测井仪由发射器和接收器组成。其中，发射器为一发射短节1；接收器包括常规接收阵列2和接收短节阵列3。常规接收阵列2设置于仪器壳体上，发射短节1设置于常规接收阵列2一侧的仪器壳体上，接收短节阵列3设置于常规接收阵列2另一侧的仪器壳体上。发射短节1与常规接收阵列2之间设置有隔声体4。

发射短节1包括两个沿仪器壳体轴向排列的发射换能器单元；其中包括一个居中的单极子换能器11和一对正交偶极子换能器12。

常规接收阵列2由沿仪器壳体轴向等间距排列的8个第一接收换能器单元21～28组成，相邻的第一接收换能器单元的间距M为0.15米，其他参数为现有技术中常用的接收换能器单元所用参数。

接收短节阵列3包括10个接收短节R01～R10。每个接收短节包括两个第二接收换能器单元。以接收短节R01为例，如图4所示，接收短节R01中包括两个第二接收换能器R011、连接单元R012和处理单元R013，使接收短节可以独立工作；其中，连接单元R012包括连接器及通信供电接口，处理单元R013包括波形采集子单元、供电电路及存储器。

接收短节阵列3中各相邻第二接收换能器单元的间距为0.6米，即4M。

常规接收阵列2中的第一接收换能器单元和接收短节阵列3中的第二接收换能器单元均采用包含8个接收换能器的环形分布换能器。

使用本发明实施例中的一种模块式阵列声波测井仪进行井外界面探测，其探测过程如图5所示，包括下列步骤：

步骤S501：在井孔内的多个等间距探测点激发声波。

探测点的间距根据常规接收阵列的间距M进行设置。即探测点间距等于常规接收阵列中接收换能器单元的间距。

步骤S502：各接收换能器单元接收并记录声波，同时，记录当前激发该声波的发射器所在深度及仪器方位角。

步骤S503：将各探测点记录的属于同一声源发射的声波波形组合，得到各探测点的共发射器阵列道集。

步骤S504：根据共发射器阵列道集，分离反射波，并对反射波成像及反射界面属性进行反演，得到多覆盖次数的井外反射体成像结果。

其中，如果步骤S501过程中是由一个居中的单极子换能器激发声波，则反射波成像的反演处理的步骤，为对纵波反射波进行反演；如果步骤S501过程中是由一对正交偶极子换能器激发声波，则反射波成像的反演处理的步骤，为对横波反射波进行反演。

需要说明的是，如果步骤S501过程中由一对正交偶极子换能器激发声波。则在步骤S502过程中，还需要记录仪器旋转信息，即仪器旋转方位角。并且，在步骤S504过程中的对横波反射波进行反演之前，需要把各探测点的波形根据记录的仪器旋转信息进行方位校正。

图6为本发明实施例的声波测井仪探测井外界面的射线路径图，如图6所示。忽略井孔对射线路径的影响，采用本发明实施例一的测井仪进行测井。发射短节1激发声波，并经由反射界面反射后，被常规接收阵列2和接收短节阵列3接收。其中，常规接收阵列2中由于相邻两个第一接收换能器单元的间距为0.15米，使得常规接收阵列2的跨度，即常规接收阵列2中相距最远的两个第一接收换能器单元的间距较小，致使常规接收阵列2探测的界面区域有限，不同的第一接收换能器单元的反射波路径差别较小，不利于偏移处理；而接收短节阵列3中的各接收短节及接收短节中的各第二接收换能器单元的间距0.6米，对应的探测的界面区域较大，进而不同反射波的路径区别也较大，有利于后续的偏移成像处理。进一步地，由于接收短节阵列3跨度，即接收短节阵列3中相距最远的两个接收短节的间距较大，使得偏移距范围较大，致使反射波的振幅随偏移距变化AVO特征更容易表现出来。AVO特征可用于后续的反射界面属性提取。

图7为本发明实施例的多探测点井外界面探测原理示意图，如图7所示。其中，为了便于说明及理解，图7中仅示出了实施例一中的声波测井仪的1个发射换能器单元T和4个接收短节R1～R4，其余声波测井仪的未示出部分的结构及细节，详见上文实施例一部分的记载，此处不再赘述。

测井过程中，声波测井仪上提时采用的深度间隔dep和常规接收阵列2中相邻接收换能器单元的间距相同，即相邻探测点的间隔dep为0.15米。

当发射换能器单元T位于第一探测点，即发射换能器单元T在第一个深度位置时，接收短节R1对应的反射点为O1，接收短节R2对应的反射点为O3，接收短节R3对应的反射点为O5，接收短节R4对应的反射点为O7，相邻反射点的间隔为2*dep＝0.3米。

当声波测井仪提升一个深度间隔dep后，接收短节R1对应的反射点为O2，接收短节R2对应的反射点为O4，接收短节R3对应的反射点为O6，接收短节R4对应的反射点为O8。可以看出，同一个接收短节在两个相邻深度位置进行接收时，对应的两个反射点的间距也是一个深度间隔dep。例如，接收短节R1在这一过程中对应的两个反射点O1和O2的间距为dep。

因此，随着声波测井仪的提升，除最深处的3个反射点O1、O2和O3外，其余每个反射点都会被4个接收短节R1～R4分别测量一次，即当接收间距等于仪器上提间隔的4倍时，覆盖次数等于接收短节的个数。这一过程充分利用了每个接收短节。

当界面倾斜时原理类似，只是发射换能器单元和接收换能器单元的中心点和反射点不再重合。

在每个深度记录位置，发射短节的每个发射换能器单元依次激发，然后被接收短节阵列分别记录，并记录声源所在深度位置以及仪器方位角，各个接收短节互不影响。测井完成后，将同一深度位置的不同接收短节波形组合，可以得到同一深度的共发射器阵列道集。

为了验证本发明实施例的测井仪对于井外远探测采集及成像的改进效果，采用实施例一的声波测井仪对如图8所示的模型进行探测，得到如图9(b)所示的共发射器道集波形图。为方便进行比较，采用现用技术中的常规接收阵列测井仪作为对比例一，对如图8所示的模型进行探测，得到如图9(a)所示的共发射器道集波形图。

可以看到实施例一得到的共发射器道集波形图相比于对比例一得到的共发射器道集波形图的源距范围更大，波形包含信息更加丰富，反射波同相轴比较明显，更便于反射波的处理。而对比例一得到的共发射器道集波形图由于源距范围所限，能探测到的反射波信息相对有限。

图10(a)为本发明对比例一井外探测的反射波成像结果；图10(b)为本发明实施例一井外探测的反射波成像结果。通过对比图10(a)和图10(b)，由于在井外界面探测过程中接收换能器单元的覆盖次数增加，实施例一的成像效果优于对比例一。

本发明实施例通过对传统阵列声波仪器进行改进，在其基础上增加了模块化的接收短节，接收短节不仅包含了接收器，还包含了相应的电子系统、存储系统，不同接收短节相互独立工作，且可以首尾相连，接收短节内接收器记录的波形直接存储在短节内部，不需要实时上传，因此可在仪器轴向上设置大量接收器且不影响测井速度；接收短节的接收单元间距经过特殊设计，等于仪器上提间隔的偶数倍，因而覆盖次数等于接收单元数，充分利用了测井等间隔采集数据的特点；接收短节完全相同，简化了仪器设计；由于接收器数目增加，大大增加了覆盖次数，可以改善远探测方法对井外反射体的探测效果，有益于后续更准确的成像；由于每个深度位置的数据量增加，使得以往在共发射器道集提取反射波的难度也降低，并且可以更方便的分离出平行井轴界面的反射波，这也是以往仪器不具备的；而且，也可以通过和地面地震类似的AVO技术对反射界面进行属性分析，将远探测方法从目前的成像推动到地质体属性反演的新阶段。这样，本发明通过对阵列的特殊设计，达到了在不增加仪器设计复杂度的前提下增加远探测声反射成像测井的覆盖次数的效果，增加的道集数据也为后续的信号处理提供了方便，使得本发明在远探测声反射成像测井领域具有良好的应用前景。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块式阵列声波测井仪，包括发射器和常规接收器阵列，所述发射器位于常规接收阵列的一侧，所述常规接收器阵列包括至少两个第一接收换能器单元，相邻所述第一接收换能器单元的间距为M；

其特征在于，还包括由至少两个接收短节组成的接收短节阵列，所述接收短节阵列位于所述常规接收阵列的另一侧，相邻所述接收短节的间距为2*N*M，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的声波测井仪，其特征在于，所述接收换能器单元为单极子换能器或环形分布换能器。

3.根据权利要求1所述的声波测井仪，其特征在于，各所述接收短节中包括至少两个第二接收换能器单元；相邻所述第二接收换能器单元的间距为2*N*M。

4.根据权利要求1所述的声波测井仪，其特征在于，所述接收短节还包括：具备放大及增益控制功能的电子器件、线路、供电单元、通信接口和波形存储单元。

5.一种井外界面探测方法，应用于如权利要求1所述的声波测井仪，其特征在于，包括下列步骤：

在井孔内的多个等间距探测点激发声波；

接收并记录所述声波，同时，记录当前激发所述声波的发射器所在深度及仪器方位角；

将各所述探测点记录的同一声源激发的声波波形组合，得到各所述探测点的共发射器阵列道集；

根据所述共发射器阵列道集，分离反射波，并对反射波成像及反射界面属性进行反演，得到井外反射体成像结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述发射器中的换能器单元为单极子换能器时，所述反射波成像的反演处理为对纵波反射波进行反演；当所述发射器中的换能器单元为正交偶极子换能器时，所述反射波成像的反演处理为对横波反射波进行反演。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述探测点的间距等于常规接收阵列中第一接收换能器单元的间距。

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