CN115685348A - 基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于光纤声波传感器的井中声波扫描测井装置，用光纤声波传感器替代常规声波扫描测井装置内的单极或偶极或多极压电晶体式声波接收换能器。此仪器井下接收传感器无需任何电子器件，解决了井下接收传感器及其配套的放大器、模数转换和数据存储器件以及数据传输模块等无法在高温下长时间工作的难题。通过与光纤声波扫描测井装置相连接的铠装光电复合缆，可以高速传输光纤声波传感器的背向瑞利散射光信号到地面多通道DAS调制解调仪器里面，解决了井下声波扫描测井装置采集的大量数据信号难以实现高速向上传输的瓶颈问题。此发明可以极大的降低井下声波扫描数据的仪器制造成本、实现高效率采集超高密度或极高空间分辨率的井下声波扫描数据。

Description

基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及地球物理测井技术领域，尤其涉及一种基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置及其测量方法。

背景技术

声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测井就是利用岩石的这些声学性质来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。

声波测井是在钻孔中通过研究岩层中声波传播速度来确定岩层性质的一种测井方法。通常使用的阵列声波速度测井仪包括一组声波发生器（T）和两个接收器（R。、R₁）或多个接收器。记录的参数是声波到达两个接收器的时间差（△t），即声波在两个接收器之间岩层中传播所需要的时间。实际上，它是一个时间测量系统。声波在岩层中传播的速度，由岩石的弹性、密度以及孔隙中流体的性质等决定。

将一个受控声波振源放入井中,声源发出的声波引起周围质点的振动,在地层中产生体波即纵波和横波，在井壁一钻井液界面上产生诱导的界面波即伪瑞利波和斯通莱波。这些波作为地层信息的载体，被井下接收器接收，送至地面的记录下来，就是声波测井。接收器、声源统称为声系，根据声系排列及尺寸的不同，声波测井仪可分为补偿测井仪（BHC）、长源距声波测井仪（LSS）和阵列声波测井仪。声波在井内地层中传播由于地层岩石成分、结构、孔隙中流体成分的变化其波的速度、幅度甚至频率都会发生变化。声波测井分为声速测井和声幅测井。只记录声波速度变化的称为声速测井（AC），而记录声幅度变化的则称为声幅测井。声波速度测井中短源声系仅记录纵波(即首波)传播时差，长源距声系可记录下纵波、横波、伪瑞利波、斯通莱波等各种波列的传播时差，所以又称为全波声波测井，而阵列声波仪由于声系复杂既可以记录纵波声速，又可以记录全波列声速，还可以记录声幅。

声速测井测量地层声波速度。地层声波速度跟地层的岩性、孔隙度以及孔隙流体性质等因素有关。根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性即孔隙流体性质。声波速度测井，可用来划分岩性、确定油气贮集层的孔隙度和划分气层，还可以提供地震勘探必需的速度资料。

声波速度测井简称声速测井，它记录的是声波通过1米岩层所需的时间，测量地层滑行波的时差△t （地层纵波速度的倒数）。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。

与电磁和核测井仪器相比，声波仪器下入井内会对其测量产生较 大影响。声波扫描测井仪器完全不同于其它仪器，其设计、材料和组 件都经过特殊设计，可以对其影响进行模拟。这样在各向同性均质地 层中，可以准确预测仪器的影响，在井场可以进行实时校正。

声波扫描测井仪器在6英尺接收器阵列上有13个轴向接收点，每 个接收点有8个周向分布的接收器，总计104个传感器。三个单极发射 器能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿。两个 正交的偶极发射器能产生弯曲波，用于描述慢地层和各向异性地层的 横波慢度。

声波扫描测井仪器的发射器-接收器（TR）的几何尺寸和功能经过仔细设计，可以提供不同径向探测深度的纵波、 横波、斯通利波和弯曲波慢度测量数据。这些模式下的测井速度为1800英尺/小时（549米/小时）。 对于地层纵波和横波速度随距井眼距离增加而增加的典型情况，通过增加TR距离来提高探测深度。声波扫描测井 仪器将这种长源距方法与井眼补偿Tr短源距方法相结合，而且还增加了周向分布接收器。仪器在6英尺（1.8米）的接收器阵列上有13个轴向接收点。每个接收点有8个以45°间隔绕仪器放置的接收器，仪器上总计有104个传感器。在接收器阵列的两端各有一个单极发射器，另一个单极发射器和两个正交定向偶极发射器位于仪器下部较远处。

声波扫描测井仪器的三个单极发射器都能产生更强的压力脉冲。这些发射器能产生清楚的纵波和横波，低频率斯通利波以及进行固井评价所需的高频能量。两个偶极发射器都是一种振动装置，由电磁马达组成，其中电磁马达安装在悬挂于仪器上的一个圆筒上。这种机构产生一个高压 偶极信号，而不会引起仪器外壳的颤动。震源可采用两种模式驱动：脉冲模式的传统偶极源产生一个很深的“咔哒”信号，声波扫描测井 仪器采用扫频产生线性调频脉冲信号。与窄带偶极源相比，线性调频脉冲模式维持每个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量。 两个偶极源是正交定向的。一个沿仪器参考轴振动，另一个与参考轴成90°，这些装置产生很强的弯曲波型。弯曲波型沿井筒上下传播，同时根据频率不同，传到地层不同深度。两个偶极源是正交定向的。一个沿仪器参考轴振动，另一个与参考轴成90°，这些装置产生很强的弯曲波型。弯曲波型沿井筒上下传播，同时根据频率不同，传到地层不同深度。

随着声波在井中传播理论的研究，知道发射器在井孔中激发出的声脉冲经过泥浆、地层传播到接收器。把携带了很多地层信息的声波都记录下来，通过数字信号处理，可获得波形信息，能提供的岩石力学属性包括体积模量、泊松比、杨氏模量、屈服强度、剪切模量和抗压强度等。由此开展地层弹性特征、破裂压力、地层渗透性、裂缝及油气识别等方面研究，有利于扩大声波在石油勘探中的应用。

各种组分波的传播速度、幅度衰减、频率主值以及波形包络等参数都与储层及性质有密切关系。这些参数可广泛用于非均质复杂储层的油气评价和钻采工程参数选择。声波扫描测井输出信息有纵波和横波DT，全波形，水泥胶结质量波形。包括交叉偶极子和多种距离的单极子测量结果。除了可以进行轴向和方位测量外,该仪器还可以进行径向测量，能够探测到井眼附近地层的慢度和远场慢度，其探测深度为井眼直径的2～3倍。这种新的声波扫描测井声波扫描平台可以提供包括长短距离的井眼补偿单极子、交叉偶极子和水泥胶结质量测量等。其测量结果可以用于评价钻井环境和储集层有用信息。这些信息对提高采收率和最大化产量等决策方面有作用。

正交偶极子声波测井仪的工作方式有纵横波方式、斯通利波方式、偶极横波方式、正交偶极子方式。

纵横波方式：单极子，高频声源激发，测量全波信息。用来计算孔隙度、识别岩性、识别气层、计算弹性力学参数。

斯通利波方式：单极子，低频声源激发，测量斯通利波信息。用来识别裂缝，计算渗透率。

偶极横波方式：偶极子声源发射，低频率激发，测量横波时差。用来计算孔隙度、判断岩性、识别裂缝、评价地层各向异性。

正交偶极子方式：正交偶极子声源交替发射，测量正交偶极波形。用于计算纵、横波慢度，评价地层渗透率、各向异性以及非均质性等。

目前的井下声波扫描测井仪器里面使用的都是单极或偶极或多极压电晶体式声波换能器来接收井眼周围地层的纵波、横波、低频斯通利波信号。单极或偶极或多极压电晶体式声波换能器及其配套的放大器、模数转换和数据存储器件以及井下数据传输模块等均无法在高温环境（深井）下长时间工作。另外由于井下声波扫描测井仪器目前都是电子仪器，其井下数据传输模块目前还解决不了井下大数据高速向井口的测井车里面的控制计算机进行实时传输的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，主要是用安装在井下声波扫描测井装置内上单极子声波发射器和下单极子声波发射器之间的光纤声波传感器，替代目前广泛使用的单极或偶极或多极压电晶体式声波接收换能器，接收井眼周围地层的纵波、横波、低频斯通利波信号，从而实现井下光纤声波扫描测井的目的。

本发明的技术方案：

基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，包括基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置、耐高温光电复合测井电缆，地面井口测井车、地面光纤声波传感器调制解调仪器；

所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置包括耐高温光纤声波传感器，作为井中声波信号接收单元；三个单极子声波发射器，两个偶极子声波发射器，声波发射器电子短接，隔声体，光纤陀螺仪；地面井口测井车通过铠装光电复合测井电缆与井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置相连接；

所述三个单极子声波发射器能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿。

所述两个正交的偶极子声波发射器能产生弯曲波，用于描述慢地层和各向异性地层的横波慢度。

所述地面井口测井车通过光电复合测井电缆控制井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置的下井和升井，并给井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置提供电源，声波发射器电子短接驱动单极子声波发射器和偶极子声波发射器在作业时连续重复发射声波信号；

所述安置在井口的地面光纤声波传感器调制解调仪器通过铠装光电复合测井电缆连接井下声波扫描测井装置，用于向光纤声波传感器里面发射激光脉冲，并同步采集光纤声波传感光器里面的背向散射瑞利波。

所述地面光纤声波调制解调仪器有光纤声波传感器信号输入端口和光纤陀螺仪信号输入端口。

所述声波传感器为光纤声波传感器或光纤MEMS声波传感器。所述声波扫描测井装置内有2米长的光纤声波接收器阵列上有14个轴向接收点。每个接收点有12个以30°间隔绕声波扫描测井装置放置的光纤声波传感器，仪器上总计有168个光纤声波传感器。对于地层纵波和横波速度随与井眼的距离增加而增加，声波扫描测井装置将这种长源距方法与井眼补偿 Tr短源距方法相结合，而且还增加了周向分布接收器。

所述光纤陀螺仪安装在井中声波扫描测井装置的顶端，并通过光电复合测井电缆实时测量声波扫描测井装置的方位、倾角和倾向。

所述声波发射器电子短接放置在声波扫描测井装置的上端，用于驱动声波扫描测井装置内的单极子声波发射器和偶极子声波发射器。所述光纤陀螺仪安置在声波发射器电子短接的下方。

所述第一个单极子声波发射器安置在光纤陀螺仪的下方，紧随随后的是14个光纤声波传感器阵列。在2米长光纤声波传感器阵列下方，安置有第二个单极子声波发射器。

所述第二个单极子声波发射器的下方，安装有一组隔声体，用于阻断或阻隔隔声体下方的偶极子声波发射器和第三个单极子声波发射器的体波能量直接耦合到隔声体上方的光纤声波传感器阵列上去。

所述隔声体的下方，依次安置有两个相互正交的偶极子声波发射器和第三个单极子声波发射器。两个偶极子声波发射器是正交定向的。一个沿与声波扫描测井装置的延伸方向平行的参考轴振动，另一个与参考轴成90°，这些装置产生很强的弯曲波型。弯曲波型沿井筒上下传播，同时根据频率不同，传到地层不同深度。

依次激发上端的第一个单极子声波发射器、第二个单极子声波发射器和第三个单极子声波发射器，光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器采集来自井孔周围地层的不同源距的声波信号；

随后依激发两个相互正交的偶极子声波发射器，光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器采集来自井孔周围地层的偶极声波信号；

所述基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：把地面井口测井车绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆与井中声波扫描测井装置相连接；

S2：利用地面井口测井车绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆将井中声波扫描测井装置下放到井底；

S3：通过地面井口测井车绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆慢速向上提升井下声波扫描测井装置并向井下声波扫描测井装置内的声波发射器电子短接发送指令，依次驱动激发三个单极子声波发射器和两个相互正交的偶极子声波发射器发射声波信号；

S4：同时启动光纤陀螺仪，实时测量并记录向上提升的井下声波扫描测井装置沿井轨迹的方位、倾角和倾向；

S5：同时启动地面光纤声波传感器调制解调仪器，通过光电复合测井电缆向井下声波扫描测井装置内光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器发射大功率多频窄脉冲激光信号，同时接收168个光纤声波传感器的背向瑞利散射光信号；

S6：地面光纤声波传感器调制解调仪器对每个光纤声波传感器上的背向瑞利散射光信号进行调制解调处理，将每个光纤声波传感器上测量到的光纤应变或应变率数据解调成光纤声波传感器轴向分量声波数据；

S7：首先依次激发三个单极子声波发射器，这三个单极子声波发射器都能产生更强的压力脉冲。这些单极子声波发射器能产生清楚的纵波和横波，低频率斯通利波以及进行固井评价所需的高频能量。光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器采集来自井孔周围地层的纵波和横波，低频率斯通利波等声波信号；

S8：然后依次激发两个相互正交的偶极子声波发射器。两个偶极发射器都是一种振动装置，由电磁马达组成，其中电磁马达安装在悬挂于仪器上的一个圆筒上。这种机构产生一个高压偶极信号，而不会引起仪器外壳的颤动。震源可采用两种模式驱动：脉冲模式的传统偶极源产生一个很深的“咔哒”信号，声波扫描测井仪器采用扫频产生线性调频脉冲信号。与窄带偶极源相比，线性调频脉冲模式维持每个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量。安置在第一个单极子声波发射器下部的光纤声波传感器采集来自井孔周围地层的三分量声波信号；

S9：根据从井下声波扫描测井装置内的3个单极子声波发射器和两个相互正交的偶极子声波发射器位置到达井下声波扫描测井装置内的光纤声波传感器上每个声波检波点的直达声波走时和井下单极子声波发射器与偶极子声波发射器位置到已知的检波点的距离，计算出从已知单极子声波发射器和偶极子声波发射器到达每个已知声波检波点之间的声波平均速度；

如果数据处理人员拾取的是声波直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度；

如果拾取的是声波直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度；

如果拾取的是低频率斯通利波的走时，计算出的就是低频率斯通利波的平均速度；

S10：通过记录不同声波发射器和不同的源距（发射源与接收器之间的距离）的多条阵列声波测井曲线进行相关和叠加处理，可以有效地压制干扰，准确提取纵波、横波和低频斯通利波的各种信息。由于接收器的间距可以非常小，能满足薄层研究的需要；

S11：利用超过3米的长源距声波测井曲线提取裸眼井地层的纵波、横波和斯通利波信息；用1米的短源距声系在套管井中进行水泥胶结测井（CBL），利用源距为1.5米的声系进行变密度测井（VDL），这两种测量结果可用于检查套管井水泥固结质量。

S12：通过对总共168个光纤声波传感器，每个接收点上12个以30°间隔绕声波扫描测井装置放置的光纤声波传感器接收的地层纵波、横波和低频斯通利波的声波信号进行处理分析，了解环绕声波扫描测井装置360度范围内是否存在地层纵波、横波和低频斯通利波速度的各向异性，是否存在地层弹性参数或粘弹参数的各向异性，实现对井孔周围地层的声波扫描测井。通过对井孔周围地层的扫描声波信号（数据）的进一步处理和解释，就可以了解井孔周围地层的弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼以外地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律。

本发明的有益效果：

本发明提供的基于光纤声波传感器的井中声波扫描测井装置，是用光纤声波传感器替代常规声波扫描测井装置内的单极或偶极或多极压电晶体式声波接收换能器。此仪器完全可以在高温深井里面长时间采集声波扫描信号，井下接收传感器无需任何电子器件和线路，解决了井下单极或偶极或多极压电晶体式声波接收换能器及其配套的高成本放大器、模数转换和数据存储器件以及井下数据传输模块等无法在高温下长时间工作的难题。通过与光纤声波扫描测井装置相连接的铠装光电复合测井电缆，可以高速传输光纤声波传感器里面的背向瑞利散射光信号到地面多通道DAS调制解调仪器里面，解决了井下声波扫描测井装置采集的大量数据信号难以实现高速向上传输的瓶颈问题。

此发明可以极大的降低井下采集声波扫描数据的设备仪器制造成本、实现高效率采集超高密度或极高空间分辨率的井下声波扫描数据，通过处理分析就可以了解井孔周围介质的声波速度，弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼周围地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律，还可以得到井眼周围地层中的裂缝、孔洞信息，以及井周的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布，实现光纤声波扫描测井技术的广泛推广应用。

附图说明

图1是本发明的基于光纤声波传感器的井中声波扫描测井装置结构原理示意图；

图2是本发明的光纤声波接收传感器阵列上的光纤声波传感器组合结构示意图；

图3是光纤声波传感器在声波扫描测井装置横截面上的结构示意图。

附图标记说明：1-声波扫描测井装置，2-光电复合测井电缆，3-地面井口测井车，4-地面光纤声波传感调制解调仪器，5-光纤声波传感器， 6-单极子声波发射器，7-偶极子声波发射器，8-声波发射器电子短接，9-隔声体，10-光纤陀螺仪。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接 ，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过参考附图并结合实施例来详细说明本发明：

如图1所示，基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置包括基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置1、耐高温光电复合测井电缆2，地面井口测井车3、地面光纤声波传感器调制解调仪器4；

如图2所示，所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置1包括耐高温光纤声波传感器5，作为井中声波信号接收单元；三个单极子声波发射器6，两个偶极子声波发射器7，声波发射器电子短接8，隔声体9，光纤陀螺仪10；地面井口测井车3通过铠装光电复合测井电缆2与井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置1相连接；

所述三个单极子声波发射器6能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿。

所述两个正交的偶极子声波发射器7能产生弯曲波，用于描述慢地层和各向异性地层的横波慢度。

地面井口测井车3通过光电复合测井电缆2控制井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置1的下井和升井，并给井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置1提供电源，声波发射器电子短接8驱动单极子声波发射器6和偶极子声波发射器7在作业时连续重复发射声波信号；

安置在井口的地面光纤声波传感器调制解调仪器4通过铠装光电复合测井电缆2连接井下声波扫描测井装置1，向光纤声波传感器5里面发射激光脉冲，并同步采集光纤声波传感器5里面的背向散射瑞利波。

所述地面光纤声波调制解调仪器4有光纤声波传感器信号输入端口和光纤陀螺仪10信号输入端口。

如图3所示，所述声波传感器为光纤声波传感器5或光纤MEMS声波传感器。所述声波扫描测井装置1内有2米长的光纤声波接收器阵列上有14个轴向接收点。每个接收点有12个以30°间隔绕声波扫描测井装置1放置的光纤声波传感器5，仪器上总计有168个光纤声波传感器。对于地层纵波和横波速度随距井眼距离增加而增，声波扫描测井装置1将这种长源距方法与井眼补偿 Tr短源距方法相结合，而且还增加了周向分布接收器。

所述光纤陀螺仪10安装在井中声波扫描测井装置1的顶端，并通过光电复合测井电缆2实时测量声波扫描测井装置1的方位、倾角和倾向。

所述声波发射器电子短接8放置在声波扫描测井装置1的上端，用于驱动声波扫描测井装置1内的单极子声波发射器6和偶极子声波发射器7。所述光纤陀螺仪10安置在声波发射器电子短接8的下方。

所述第一个单极子声波发射器6安置在光纤陀螺仪10的下方，紧随随后的是14个光纤声波传感器5阵列。在2米长光纤声波传感器5阵列下方，安置有第二个单极子声波发射器6。

所述第二个单极子声波发射器6的下方，安装有一组隔声体9，用于阻断或阻隔隔声体9下方的偶极子声波发射器7和第三单极子声波发射器6的体波能量直接耦合到隔声体9上方的光纤声波传感器5阵列上去。

所述隔声体9的下方，依次安置有两个相互正交的偶极子声波发射器7和第三个下单极子声波发射器6。两个偶极子声波发射器7是正交定向的。一个沿仪器参考轴振动，另一个与参考轴成90°，这些装置产生很强的弯曲波型。弯曲波型沿井筒上下传播，同时根据频率不同，传到地层不同深度。

依次激发上端的第一个单极子声波发射器6、第二个单极子声波发射器6和第三个单极子声波发射器6，光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器5采集来自井孔周围地层的不同源距的声波信号；

随后依激发两个相互正交的偶极子声波发射器7，光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器5采集来自井孔周围地层的偶极声波信号；

所述基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：把地面井口测井车3绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆2与井中声波扫描测井装置1相连接；

S2：利用地面井口测井车3绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆2将井中声波扫描测井装置1下放到井底；

S3：通过地面井口测井车3绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆2慢速向上提升井下声波扫描测井装置1并向井下声波扫描测井装置1内的声波发射器电子短接8发送指令，依次驱动激发三个单极子声波发射器6和两个相互正交的偶极子声波发射器7发射声波信号；

S4：同时启动光纤陀螺仪10，实时测量并记录向上提升的井下声波扫描测井装置1沿井轨迹的方位、倾角和倾向；

S5：同时启动地面光纤声波传感器调制解调仪器4，通过光电复合测井电缆2向井下声波扫描测井装置1内光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器5发射大功率多频窄脉冲激光信号，同时接收168个光纤声波传感器5的背向瑞利散射光信号；

S6：地面光纤声波传感器调制解调仪器4对每个光纤声波传感器5上的背向瑞利散射光信号进行调制解调处理，将每个光纤声波传感器5上测量到的光纤应变或应变率数据解调成光纤声波传感器5轴向分量声波数据；

S7：首先依次激发三个单极子声波发射器6，这三个单极子声波发射器6都能产生更强的压力脉冲。这些单极子声波发射器6能产生清楚的纵波和横波，低频率斯通利波以及进行固井评价所需的高频能量。光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器5采集来自井孔周围地层的纵波和横波，低频率斯通利波等声波信号；

S8：然后依次激发两个相互正交的偶极子声波发射器7。两个偶极发射器都是一种振动装置，由电磁马达组成，其中电磁马达安装在悬挂于仪器上的一个圆筒上。这种机构产生一个高压偶极信号，而不会引起仪器外壳的颤动。震源可采用两种模式驱动：脉冲模式的传统偶极源产生一个很深的“咔哒”信号，声波扫描测井仪器采用扫频产生线性调频脉冲信号。与窄带偶极源相比，线性调频脉冲模式维持每个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量。安置在第一个单极子声波发射器6下部的光纤声波传感器5采集来自井孔周围地层的三分量声波信号；

S9：根据从井下声波扫描测井装置1内的三个单极子声波发射器6和两个相互正交的偶极子声波发射器7位置到达井下声波扫描测井装置1内的光纤声波传感器5上每个声波检波点的直达声波走时和井下单极子声波发射器6与偶极子声波发射器7位置到已知的检波点的距离，计算出从已知单极子声波发射器6和偶极子声波发射器7到达每个已知声波检波点之间的声波平均速度；

如果数据处理人员拾取的是声波直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度；

如果拾取的是声波直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度；

如果拾取的是低频率斯通利波的走时，计算出的就是低频率斯通利波的平均速度；

S10：通过记录不同声波发射器和不同的源距（发射源与接收器之间的距离）的多条阵列声波测井曲线进行相关和叠加处理，可以有效地压制干扰，准确提取纵波、横波和低频斯通利波的各种信息。由于接收器的间距可以非常小，能满足薄层研究的需要；

S11：利用超过3米的长源距声波测井曲线提取裸眼井地层的纵波、横波和斯通利波信息；用1米的短源距声系在套管井中进行水泥胶结测井（CBL），利用源距为1.5米的声系进行变密度测井（VDL），这两种测量结果可用于检查套管井水泥固结质量。

S12：通过对总共168个光纤声波传感器5，每个接收点上12个以30°间隔绕声波扫描测井装置1放置的光纤声波传感器5接收的地层纵波、横波和低频斯通利波的声波信号进行处理分析，了解环绕声波扫描测井装置1在360度范围内是否存在地层纵波、横波和低频斯通利波速度的各向异性，是否存在地层弹性参数或粘弹参数的各向异性，实现对井孔周围地层的声波扫描测井。通过对井孔周围地层的扫描声波信号（数据）的进一步处理和解释，就可以了解井孔周围地层的弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼以外地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，包括基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置（1）、耐高温光电复合测井电缆（2），地面井口测井车（3）、地面光纤声波传感器调制解调仪器（4）；

所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置（1）包括耐高温光纤声波传感器（5），作为井中声波信号接收单元；三个单极子声波发射器（6），两个偶极子声波发射器（7），声波发射器电子短接（8），隔声体（9），光纤陀螺仪（10）；地面井口测井车（3）通过铠装光电复合测井电缆（2）与井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置（1）相连接；

所述三个单极子声波发射器（6）能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿；

所述两个正交的偶极子声波发射器（7）能产生弯曲波，用于描述慢地层和各向异性地层的横波慢度；

所述地面井口测井车（3）通过光电复合测井电缆（2）控制井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置（1）的下井和升井，并给井中光纤声波传感器的声波扫描测井装置（1）提供电源，声波发射器电子短接（8）驱动单极子声波发射器（6）和偶极子声波发射器（7）在作业时连续重复发射声波信号；

安置在井口的地面光纤声波传感器调制解调仪器（4）通过铠装光电复合测井电缆（2）连接井下声波扫描测井装置（1），用于向光纤声波传感器（5）里面发射激光脉冲，并同步采集光纤声波传感光器（5）里面的背向散射瑞利波。

2.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述地面光纤声波调制解调仪器（4）有光纤声波传感器信号输入端口和光纤陀螺仪（10）信号输入端口。

3.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述声波扫描测井装置（1）内的光纤声波接收器阵列上有多个轴向接收点，每个接收点有呈环状均匀间隔分布有至少三个绕声波扫描测井装置（1）放置的光纤声波传感器（5）。

4.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述光纤陀螺仪（10）安装在井中声波扫描测井装置（1）的顶端，并通过光电复合测井电缆（2）实时测量声波扫描测井装置（1）的方位、倾角和倾向。

5.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述声波发射器电子短接（8）放置在声波扫描测井装置（1）的上端，用于驱动声波扫描测井装置（1）内的单极子声波发射器（6）和偶极子声波发射器（7），所述光纤陀螺仪（10）安置在声波发射器电子短接（8）的下方。

6.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述第一个单极子声波发射器（6）安置在光纤陀螺仪（10）的下方，紧随随后的是光纤声波传感器（5）阵列，在光纤声波传感器（5）阵列的下方，安置有第二个单极子声波发射器（6）。

7.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述第二个单极子声波发射器（6）的下方，安装有一组隔声体（9）。

8.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述隔声体（9）的下方，依次安置有两个相互正交的偶极子声波发射器（7）和第三个单极子声波发射器（6）。

9.根据权利要求1所述的基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置，其特征在于，所述两个偶极子声波发射器（7）是正交定向的，一个沿与声波扫描测井装置（1）的延伸方向平行的参考轴振动，另一个与参考轴成90°。

10.基于光纤声波传感器的声波扫描测井装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：把地面井口测井车（3）绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆（2）与井中声波扫描测井装置（1）相连接；

S2：利用地面井口测井车（3）绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆（2）将井中声波扫描测井装置（1）下放到井底；

S3：通过地面井口测井车（3）绞车上的铠装耐高温光电复合测井电缆（2）慢速向上提升井下声波扫描测井装置（1）并向井下声波扫描测井装置（1）内的声波发射器电子短接（8）发送指令，依次驱动激发三个单极子声波发射器（6），两个相互正交的偶极子声波发射器（7）发射声波信号；

S4：同时启动光纤陀螺仪（10），实时测量并记录向上提升的井下声波扫描测井装置（1）沿井轨迹的方位、倾角和倾向；

S5：同时启动地面光纤声波传感器调制解调仪器（4），通过光电复合测井电缆（2）向井下声波扫描测井装置（1）内光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器（5）发射大功率多频窄脉冲激光信号，同时接收168个光纤声波传感器（5）的背向瑞利散射光信号；

S6：地面光纤声波传感器调制解调仪器（4）对每个光纤声波传感器（5）上的背向瑞利散射光信号进行调制解调处理，将每个光纤声波传感器（5）上测量到的光纤应变或应变率数据解调成光纤声波传感器（5）轴向分量声波数据；

S7：首先依次激发上端的第一个单极子声波发射器（6）、第二个单极子声波发射器（6）和第三个单极子声波发射器（6），光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器（5）采集来自井孔周围地层的不同源距的声波信号，这三个单极子声波发射器（6）都能产生更强的压力脉冲，这些单极子声波发射器（6）能产生清楚的纵波和横波，低频率斯通利波以及进行固井评价所需的高频能量，光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器（5）采集来自井孔周围地层的纵波和横波，低频率斯通利波等声波信号；

S8：然后依次激发两个相互正交的偶极子声波发射器（7），光纤声波接收器阵列上的光纤声波传感器（5）采集来自井孔周围地层的偶极声波信号，两个偶极发射器都是一种振动装置，由电磁马达组成，其中电磁马达安装在悬挂于仪器上的一个圆筒上，这种机构产生一个高压偶极信号，而不会引起仪器外壳的颤动，震源可采用两种模式驱动：脉冲模式的传统偶极源产生一个很深的“咔哒”信号，声波扫描测井仪器采用扫频产生线性调频脉冲信号，与窄带偶极源相比，线性调频脉冲模式维持每个频率的时间更长，能向地层提供更多的偶极能量，安置在第一个单极子声波发射器（6）下部的光纤声波传感器（5）采集来自井孔周围地层的三分量声波信号；

S9：根据从井下声波扫描测井装置（1）内的3个单极子声波发射器（6）和两个相互正交的偶极子声波发射器（7）位置到达井下声波扫描测井装置（1）内的光纤声波传感器（5）上每个声波检波点的直达声波走时和井下单极子声波发射器（6）与偶极子声波发射器（7）位置到已知的检波点的距离，计算出从已知单极子声波发射器（6）和偶极子声波发射器（7）到达每个已知声波检波点之间的声波平均速度；

如果数据处理人员拾取的是声波直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度；

如果拾取的是声波直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度；

如果拾取的是低频率斯通利波的走时，计算出的就是低频率斯通利波的平均速度；

S10：通过记录不同声波发射器和不同的源距（发射源与接收器之间的距离）的多条阵列声波测井曲线进行相关和叠加处理，可以有效地压制干扰，准确提取纵波、横波和低频斯通利波的各种信息，由于接收器的间距可以非常小，能满足薄层研究的需要；

S11：利用超过3米的长源距声波测井曲线提取裸眼井地层的纵波、横波和斯通利波信息；用1米的短源距声系在套管井中进行水泥胶结测井（CBL），利用源距为1.5米的声系进行变密度测井（VDL），这两种测量结果可用于检查套管井水泥固结质量；

S12：通过对总共168个光纤声波传感器（5），每个接收点上12个以30°间隔绕声波扫描测井装置（1）放置的光纤声波传感器（5）接收的地层纵波、横波和低频斯通利波的声波信号进行处理分析，了解环绕声波扫描测井装置（1）360度范围内是否存在地层纵波、横波和低频斯通利波速度的各向异性，是否存在地层弹性参数或粘弹参数的各向异性，实现对井孔周围地层的声波扫描测井，通过对井孔周围地层的扫描声波信号（数据）的进一步处理和解释，就可以了解井孔周围地层的弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼以外地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律。

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