CN118131337A - 一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油天然气地球物理勘探领域，提供了一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置及其方法，包括控制模块、机械推靠臂模块，以及激励模块，机械推靠臂模块由四个周向等间隔布置的机械推靠臂构成，控制模块用于控制激励模块的工作模式以及机械推靠臂的张开和闭合，激励模块由四个换能器组成，还包括隔声体和接收阵列；本发明推靠式声波辐射装置可以同时获得反射纵波和反射横波测量结果，通过二者的对比分析，能够进一步提高井周地质体的探测精度和可靠性。该推靠式声波辐射装置结构简单，研制成本低，测井数据的信噪比高，经济性和实用性较强，具有较为广阔的应用前景。

Description

一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置及其方法

技术领域

本发明属于石油天然气地球物理勘探领域，具体地，涉及一种利用推靠式的声波辐射装置来向地层辐射弹性波信号，并利用从井旁地质体反射回来的弹性波信号对地质构造进行成像的声波远探测测井装置。

背景技术

随着复杂油气藏的勘探开发需求的快速增长，声波测井技术面临着一系列的挑战，需要对井壁外几十米范围内的裂缝、断层、溶洞以及地层界面进行成像，目的是识别储层有效厚度、指导压裂施工、为油气地质储量计算提供可靠依据。远探测声波测井技术在充液井孔中激励声场，并记录来自井旁的反射纵波和反射横波，偏移成像结果能够对地层界面、裂缝和溶洞等井旁地质体进行精确描述，成像分辨率优于地震勘探，径向探测深度远大于常规声波测井。

远探测声波测井技术的进步依赖于声波换能器技术的进步。目前，裸眼井中的声波远探测测井仪器中装配的声波辐射器分为四种：

第一种是单极声波辐射器。通过辐射器向地层辐射声波信号，并利用被地质体反射回来的纵波信号，判断井旁地质体的位置。由于采用了轴对称的发射和接收探头，利用反射声波对井旁介质的成像时没有周向分辨能力，成像结果中无法说明井旁地质体的方位信息。

第二种是正交偶极声波辐射器。该方法利用偶极声源向井外地层辐射信号，利用地层中反射回来的横波信号对井旁地质体进行成像。偶极声源具有一定的指向性特征，采用四分量的偶极发射和接收，可以较好地确定反射体的位置和方位。目前，偶极横波远探测技术已经大规模应用于生产实践。但由于偶极指换能器具有对称的指向性，且声源主频较低，这种方法存在方位分辨率低和180°方位多解性的问题。

第三种是声波相控阵辐射器，包括相控圆弧阵声波辐射器和相控线阵声波辐射器。通过控制相控阵不同阵元的激励信号延迟时间可以使圆弧阵或线阵的声波辐射器辐射的声波能量基本向某一个方向传播。和单极声波辐射器类似，相控阵辐射器也会在井孔中激励出多种模式波，容易湮没来自井旁地质体的反射信号，导致接收信号的信噪比较低。

第四种是冲激声源辐射器，结合抛物面反射结构，使冲激声源具有定向辐射的特点，增强井周地层中的声场幅度。从已有研究成果来看，冲激声源工作时未考虑声波辐射器的旋转问题，而实际地层中的地质体方位是未知的，经抛物面反射罩聚焦后的声场不一定朝向反射体，甚至与其背向，不利于接收反射信号。

现有的远探测声波测井仪采用的声波辐射器均放置于井孔泥浆中，由于井孔的存在，辐射器激励的大部分能量被牢牢束缚在井壁周围，产生沿井壁传播的各种非均匀波，仅少部分能量进入地层形成体波并向外传播。信号频率越高，井孔对声场的约束效应越明显。因此，需要改进远探测声波测井的声波辐射器，使得辐射器激励的声场能量尽可能多地进入地层。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置及其方法，以解决背景技术中所提出的问题。

根据本公开的第一方面，提出了一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，包括控制模块、机械推靠臂模块，以及激励模块，所述机械推靠臂模块由四个周向等间隔布置的机械推靠臂构成，分别为机械推靠臂一、机械推靠臂二、机械推靠臂三和机械推靠臂四，所述控制模块用于控制激励模块的工作模式以及机械推靠臂的张开和闭合，所述激励模块由四个换能器组成，分别为换能器一、换能器二、换能器三和换能器四。

优选的，所述机械推靠臂一、机械推靠臂二、机械推靠臂三和机械推靠臂四上均安装有极板，分别为极板一、极板二、极板三和极板四，所述激励模块安装在各极板上。

优选的，所述换能器一、换能器二、换能器三和换能器四均为瓦片状声波换能器。

优选的，还包括隔声体和接收阵列，所述接收阵列用于记录来自井周地质体的反射纵波和横波信号。

根据本公开的第一方面，提出了一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置的方法，推靠式声波辐射装置开始工作，控制各机械推靠臂使其张开，各推靠臂上的各瓦片状换能器贴紧井壁，控制瓦片状换能器的电压加载方式，分别获得两种工作模式：1、单极子工作模式；2、偶极子工作模式；单极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射纵波；在偶极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射横波；

井下工作时，机械推靠臂模块张开后，使激励模块贴紧井壁并向地层辐射声能量，进入地层并向四周传播的声波，在遇到声阻抗不连续界面时产生反射纵或横波，由接收阵列记录；

井下测量时，机械推靠臂模块张开；测量结束后，机械推靠臂模块闭合。

优选的，所述单极子工作模式由换能器一、换能器二、换能器三和换能器四同时加载同相电压进行激励，使各换能器能够同时发生膨胀或收缩；

所述偶极子工作模式由相邻的瓦片状换能器一和换能器二加载同相电压，其余的换能器三和换能器四加载反相电压进行激励，加载同相电压的换能器一和换能器二膨胀或收缩时，换能器三和换能器四发生收缩或膨胀，即为偶极子工作模式中X模式；更换相邻的换能器二和换能器三加载同相电压，其余的换能器一和换能器四加载反相电压进行激励，即为偶极子工作模式中Y模式。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的推靠式声波辐射装置工作时贴井壁放置，能够直接在地层中激励出声波信号，可以有效降低井壁对激励信号的阻挡作用，使得尽可能多的声波能量进入地层。推靠式声波辐射装置可以同时获得反射纵波和反射横波测量结果，通过二者的对比分析，能够进一步提高井周地质体的探测精度和可靠性。该推靠式声波辐射装置结构简单，研制成本低，测井数据的信噪比高，经济性和实用性较强，具有较为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的远探测声波测井的推靠式声波辐射装置的结构框图；

图2为本发明的利用推靠式声波辐射装置开展井周地质体测量的工作流程图；

图3为本发明的利用推靠式声波辐射装置开展井周地质体测量的原理图；

图4为本发明的机械推靠臂模块和激励模块的结构示意图；

图5为本发明的激励模块两种工作模式的示意图，其中a为单极子工作模式，b为正交偶极子工作模式；

图6为本发明的常规声波辐射装置和推靠式声波辐射装置产生的反射波形对比图。

图中：

1、控制模块；2、机械推靠臂模块；3、激励模块；4、隔声体；5、仪器接收阵列；201、机械推靠臂一；202、机械推靠臂二；203、机械推靠臂三；204、机械推靠臂四；211、极板一；212、极板二；213、极板三；214、极板四；301、换能器一；302、换能器二；303、换能器三；304、换能器四。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如附图1至附图6所示：

实施例一：本发明提供了一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，如图1和图4所示，包括控制模块、机械推靠臂模块，以及激励模块，机械推靠臂模块由四个周向等间隔布置的机械推靠臂构成，分别为机械推靠臂一、机械推靠臂二、机械推靠臂三和机械推靠臂四，控制模块用于控制激励模块的工作模式以及机械推靠臂的张开和闭合，激励模块由四个换能器组成，分别为换能器一、换能器二、换能器三和换能器四，工作频率范围为5kHz至25kHz。机械推靠臂模块和激励模块可以实现换能器贴井壁放置并向地层辐射声波能量。

机械推靠臂一、机械推靠臂二、机械推靠臂三和机械推靠臂四上均安装有极板，分别为极板一、极板二、极板三和极板四，激励模块中各换能器安装在各极板上。换能器一、换能器二、换能器三和换能器四均为瓦片状声波换能器。

还包括隔声体和仪器的接收阵列，接收阵列用于记录来自井周地质体的反射纵波和横波信号。图3是利用推靠式声波辐射装置进行井周地质体测量的原理图。图中的A为裂缝等井周地层中的声阻抗不连续界面。井下工作时，机械推靠臂模块2张开后，可以使激励模块3贴紧井壁并向地层辐射声能量。进入地层并向四周传播的声波在遇到裂缝等声阻抗不连续界面时可产生反射纵(横)波，接收阵列5能够记录这些来自井周地质体的反射纵(横)波信号。

实施例二：还提供了一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置的方法，如图2所示，推靠式声波辐射装置开始工作，控制各机械推靠臂使其张开，各推靠臂上的各瓦片状换能器贴紧井壁，控制瓦片状换能器的电压加载方式，分别获得两种工作模式：1、单极子工作模式；2、偶极子工作模式；单极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射纵波；在偶极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射横波；

井下工作时，机械推靠臂模块张开后，使激励模块贴紧井壁并向地层辐射声能量，进入地层并向四周传播的声波，在遇到声阻抗不连续界面时产生反射纵或横波，由接收阵列记录；井下测量时，机械推靠臂模块张开；测量结束后，机械推靠臂模块闭合。

如图5(a)所示，单极子工作模式由换能器一、换能器二、换能器三和换能器四同时加载同相电压进行激励，使各换能器能够同时发生膨胀或收缩；

如图5(b)所示，偶极子工作模式由相邻的瓦片状换能器一和换能器二加载同相电压，其余的换能器三和换能器四加载反相电压进行激励，加载同相电压的换能器一和换能器二膨胀或收缩时，换能器三和换能器四发生收缩或膨胀，即为偶极子工作模式中X模式；更换相邻的换能器二和换能器三加载同相电压，其余的换能器一和换能器四加载反相电压进行激励，即为偶极子工作模式中Y模式。

图6是常规声波辐射装置和推靠式声波辐射装置产生的反射波形对比图。图中显示，相较于常规声波辐射装置，采用推靠式声波辐射装置测量时产生的反射波幅度明显大于前者，从理论上证明了推靠式声波辐射装置可以通过在井壁向地层辐射声波能量的方式，提高来自井周地质体的反射波能量，改善远探测声波测井资料的信噪比，提升远探测声波测井的探测深度和成像精度。

由上可知，通过控制四个机械推靠臂，使安装在推靠臂极板上的声波换能器直接贴合井壁并激励信号，井壁处产生的声波信号不经过泥浆可直接进入地层，因此可以使声能量尽可能多地进入地层并向四周传播。进入地层的声波信号在遇到井周地层中的声阻抗不连续界面时会产生反射，这些反射波信号可以被远探测声波仪记录，确定这些声阻抗不连续界面的空间分布情况。同时，激励模块还可以通过控制瓦片状换能器的激励方式来获得单极子工作模式及偶极子工作模式，既可以向井周地层辐射较强的纵波并利用反射纵波信息对地层中的反射界面进行测量，又可以向外辐射横波并利用反射横波信息对地层中的反射界面进行测量。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例，以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其他方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，其特征在于：包括控制模块(1)、机械推靠臂模块(2)，以及激励模块(3)，所述机械推靠臂模块(2)由四个周向等间隔布置的机械推靠臂构成，分别为机械推靠臂一(201)、机械推靠臂二(202)、机械推靠臂三(203)和机械推靠臂四(204)，所述控制模块(1)用于控制激励模块(3)的工作模式以及机械推靠臂的张开和闭合，所述激励模块(3)由四个换能器组成，分别为换能器一(301)、换能器二(302)、换能器三(303)和换能器四(304)。

2.如权利要求1所述一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，其特征在于：所述机械推靠臂一(201)、机械推靠臂二(202)、机械推靠臂三(203)和机械推靠臂四(204)上均安装有极板，分别为极板一(211)、极板二(212)、极板三(213)和极板四(214)，所述激励模块(3)安装在各极板上。

3.如权利要求1所述一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，其特征在于：所述换能器一(301)、换能器二(302)、换能器三(303)和换能器四(304)均为瓦片状声波换能器。

4.如权利要求1所述一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置，其特征在于：还包括隔声体(4)和接收阵列，所述接收阵列用于记录来自井周地质体的反射纵波和横波信号。

5.一种如权利要求1～4任一所述的用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置的方法，其特征在于：推靠式声波辐射装置开始工作，控制各机械推靠臂使其张开，各推靠臂上的各瓦片状换能器贴紧井壁，控制瓦片状换能器的电压加载方式，分别获得两种工作模式：1、单极子工作模式；2、偶极子工作模式；单极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射纵波；在偶极子工作模式下，辐射装置主要向地层辐射横波；

井下工作时，机械推靠臂模块(2)张开后，使激励模块(3)贴紧井壁并向地层辐射声能量，进入地层并向四周传播的声波，在遇到声阻抗不连续界面时产生反射纵或横波，由接收阵列记录；

井下测量时，机械推靠臂模块(2)张开；测量结束后，机械推靠臂模块(2)闭合。

6.如权利要求5所述一种用于远探测声波测井的推靠式声波辐射装置的方法，其特征在于：所述单极子工作模式由换能器一(301)、换能器二(302)、换能器三(303)和换能器四(304)同时加载同相电压进行激励，使各换能器能够同时发生膨胀或收缩；

所述偶极子工作模式由相邻的瓦片状换能器一(301)和换能器二(302)加载同相电压，其余的换能器三(303)和换能器四(304)加载反相电压进行激励，加载同相电压的换能器一(301)和换能器二(302)膨胀或收缩时，换能器三(303)和换能器四(304)发生收缩或膨胀，即为偶极子工作模式中X模式；更换相邻的换能器二(302)和换能器三(303)加载同相电压，其余的换能器一(301)和换能器四(304)加载反相电压进行激励，即为偶极子工作模式中Y模式。