CN210572783U

CN210572783U - 光纤声波传感正交偶极声波测井系统

Info

Publication number: CN210572783U
Application number: CN201921996882.6U
Authority: CN
Inventors: 余刚; 王熙明; 夏淑君; 王秀明
Original assignee: Optical Science and Technology Chengdu Ltd of CNPC
Current assignee: Optical Science and Technology Chengdu Ltd of CNPC
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-19

Abstract

本实用新型提供一种光纤声波传感正交偶极声波测井系统，包括井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置，井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置包括圆柱形结构仪器外壳和光纤声波偶极子传感器；光纤声波偶极子传感器下部垂直依次安装有光纤陀螺仪、隔声体短节和偶极声源发生器。地面井口测井车井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的下井和升井，并为其提供电源，驱动偶极声源发生器在作业时连续重复发偶极射声波信号；地面DAS调制解调仪器向光纤声波偶极子传感器里面发射激光脉冲，采集光纤声波偶极子传感器里面的背向散射瑞利波。本实用新型可以在高温下长时间工作，实现高速向上传输数据的功能。

Description

光纤声波传感正交偶极声波测井系统

技术领域

本实用新型涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种光纤声波传感正交偶极声波测井系统。

背景技术

声波测井是指利用声波在不同岩石的中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性不相同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。通常使用的声波速度测井仪包括一个声波发生器(T)和两个接收器(R。、R₁)。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(折射波)的时差△t(地层纵波、横波、斯通利波速度的倒数)。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。

偶极子阵列声波测井是将普通声波测井仪的单极子技术同偶极子技术有机的组合在一起，其最大优势是在地层横波速度低于井内流体声速时的松软地层，同样可以获得准确的纵波、横波、斯通利波的时差及各类波形在不同接收器上的幅度、衰减系数等参数，同偶极子阵列声波相比正交(交叉)偶极子阵列声波测井还可以提供地层横波各向异性的大小和方向，对上述结果进行综合分析，可协助常规测井资料有效地对储层进行评价。此外，在计算岩石力学参数、工程应力参数、评估井眼稳定性方面都有其独特的功效。

目前的井下正交偶极子阵列声波测井仪器里面使用的都是偶极或多极压电式声波换能器来接收井眼里不同方位的声波(纵波、横波、斯通利波)信号，偶极或多极压电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。另外由于井下正交偶极子阵列声波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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种光纤声波传感正交偶极声波测井系统，主要是用安装在井下阵列偶极声源发生器上方的用耐高温光纤按照螺旋管形绕制到小圆柱形结构上的阵列式光纤声波偶极子传感器，替代目前广泛使用的偶极或多极压电式声波换能器，接收传播到井眼里面不同方位的声波信号，从而实现井下正交偶极子阵列声波测量的目的。

本实用新型的技术方案：

光纤声波传感正交偶极声波测井系统，包括井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置、地面井口测井车、地面DAS调制解调仪器；

所述的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置包括圆柱形结构仪器外壳和用耐高温光纤按照螺旋管形绕制到小圆柱形结构上的阵列式的光纤声波偶极子传感器，作为井中正交偶极声波信号接收单元；光纤声波偶极子传感器下部垂直依次安装有光纤陀螺仪、隔声体短节和偶极声源发生器；

还包括铠装光电复合缆，铠装光电复合缆延伸到圆柱形结构仪器外壳内，与光纤声波偶极子传感器和偶极声源发生器相连接；

地面井口测井车通过铠装光电复合缆与光纤声波偶极子传感器、光纤陀螺仪、偶极声源发生器相连接；

地面井口测井车控制井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的下井和升井，并给井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置提供电源，驱动位于井下的偶极声源发生器在作业时连续重复发射偶极声波信号；

安置在井口的地面DAS调制解调仪器通过铠装光电复合缆连接光纤声波偶极子传感器，向井下的光纤声波偶极子传感器里面发射激光脉冲，采集光纤声波偶极子传感器里面的背向散射瑞利波的相位数据。

所述的光纤声波偶极子传感器为在小圆柱形结构上按照一定的角度缠绕单模或多模光纤，缠绕的角度在20度到70度之间，按照螺旋管形绕制，外面套保护套，保护套最外层为圆柱形结构仪器外壳，圆柱形结构仪器外壳为高强度耐腐蚀的钛合金或金属材质。

所述的光纤声波偶极子传感器每级包含有4个或8个光纤声波传感偶极子接收器，每级4个或8个光纤声波传感偶极子接收器在平面上呈对称布设，每级光纤声波传感偶极子接收器记录4个方位或8个方位的井下声波数据；光纤声波偶极子传感器至少有8级或8级以上的光纤声波传感偶极子接收器阵列。

偶极声源发生器包含有发射电子线路、一个或数个单极声源发射器、2个或4个或6个或8个偶极声波发射器。

偶极声源发生器是将一个单极阵列和一个偶极阵列正交组合在一起，两个阵列的配置是完全独立的，各自具有不同的传感器；单极阵列包括一个或数个单极声源，8个或8个以上的光纤声波接收传感器，单极声源发射器发射的声波是全方位的；偶极阵列是由2个或4个或8个两两正交摆放的偶极声源和8个或8个以上的交叉式偶极光纤声波接收传感器组成。

偶极声源发生器可以为阵列式单极、偶极或多极压电陶瓷(晶体)、电火花震源、机电震源、井下可控震源等偶极声源发生器，偶极声源发生器上方的光纤声波偶极子传感器替代目前广泛使用的偶极或多极压电式声波换能器。偶极声源发生器在地面控制信号和驱动信号的作用下，向井眼周围的地下介质里连续重复发射大功率偶极声波信号，偶极发射源发出的偶极声波信号传播到井眼四周的波阻抗界面后，根据全反射原理：当声波的入射角满足临界角条件时，入射声波将沿着井壁传播，产生滑行波，这种滑行波可以被接收器探测到。安装在井下的偶极声源发生器上方的耐高温光纤声波偶极子传感器，就可以接收传播到井眼里面不同方位的滑行波(折射波)声波信号，从而实现井下正交偶极子阵列声波测量的目的。

根据斯奈尔定律(Snell Law)，折射波：sinα/sinβ＝V₁/V₂。滑行波：当β＝90°时，折射波在第二种介质中沿界面滑行。临界角：产生滑行波时的入射角。全反射波：当入射角大于临界角时，射线将全部反射回第一介质，称全反射波。

当滑行波声波信号到达耐高温光纤声波偶极子传感器并作用于耐高温光纤上时，滑行波的波动信号会引起按照螺旋管形绕制的阵列式耐高温光纤声波偶极子传感器里面的耐高温光纤产生应变(拉伸或压缩)，从而引起耐高温光纤内的背向瑞利散射波的相位发生与波动信号同频率的变化。通过地面井口附近连接耐高温光纤声波偶极子传感器的DAS调制解调仪器里面的硬件和软件对采集到的背向瑞利散射波的相位数据进行调制和解调，即可将背向瑞利散射波的相位变化转变为滑行波的波动信号。通过对滑行波信号(数据)的进一步处理和解释，就可以了解介质声波速度，介质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。

由于安装在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置里面的耐高温光纤声波偶极子传感器，完全可以在高温深井里面长时间采集滑行波信号，解决了井下偶极或多极压电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无法在高温下长时间工作的难题。位于铠装光电复合缆里面的耐高温的光纤声波偶极子传感器，可以高速传输按照螺旋管形绕制的阵列式耐高温光纤声波偶极子传感器里面光纤的背向瑞利散射光信号到地面DAS调制解调仪器里面，解决了井下测井仪器采集的大量电信号数据难以实现测井电缆远距离高速向上传输的瓶颈问题。

按照螺旋形绕制耐高温光纤的内部为直径在1厘米左右的圆柱体结构，圆柱体结构由可卷曲的实心或空心的复合材料制成，或者由可卷曲的空心金属管材制成，在圆柱体结构上按照一定的角度缠绕耐高温单模或多模光纤，缠绕的角度在20度到70度之间，缠绕了按照螺旋形绕制的耐高温光纤的圆柱体结构外面套上一层或数层保护套，用于保护圆柱形结构上按照螺旋形绕制的耐高温光纤在井下高压环境中不受损坏。

所述光纤陀螺仪，即光纤惯导定向定位系统安装在耐高温光纤声波偶极子传感器和井下阵列式偶极声源发生器之间。当井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置工作时，光纤陀螺仪同步记录井下阵列偶极声源发生器和耐高温光纤声波偶极子传感器的实时位置、速度和姿态信息。当井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置与地面测井车里面的多通道控制和数据采集子系统通信连接时，井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置将实测的井中正交偶极声波测井数据上传到地面控制和数据采集处理子系统，光纤陀螺仪也将实测的井下阵列偶极声源发生器和耐高温光纤声波偶极子传感器的实时位置、速度和姿态信息上传到地面控制和数据采集处理子系统。光纤陀螺仪实时记录的井下阵列偶极声源发生器和耐高温光纤声波偶极子传感器的实时位置、速度和姿态信息将用于对系统采集的井中正交偶极声波数据进行定位和定向处理，以识别远离井眼的波阻抗界面所处的位置和具体方位，实现对井下远离井眼的目标的准确可靠探测。

所述地面DAS调制解调仪器是基于高性能相位解调的时域光反射仪Φ-OTDR技术。并且采用了在光纤中注入副载波、高能量、高消光比、高光学信噪比、高相干光脉冲来实现高性能Φ-OTDR技术，以便从极弱的瑞利散射干涉信号中精确地提取相位变化信息。另外在掺铒光纤放大器中引入新型长周期光纤光栅滤波器来实现低噪声光放大技术，有效降低DAS调制解调仪器系统中光信号放大的噪声以提升光学信噪比。同时采用了多频、高相干、低噪声探测光脉冲来实现多频光脉冲抗衰技术，以便有效抑制瑞利散射信号随机衰落对系统性能的劣化影响。最后引入反馈控制电路，进行反馈控制，使干涉仪始终工作在稳定的光程差状态，利用干涉仪主动稳定技术有效抑制外界干扰信号对系统稳定性和信号保真度的影响。

所述用于触发地面DAS调制解调仪器在井下偶极子声波源激发的同时开始同步采集井中偶极声波数据的触发信号，是与测井车上井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置里发出的井下偶极声波发射源触发信号一致的信号，可以通过有线或无线的方式直接发送到地面DAS调制解调仪器的触发端口里作为启动DAS仪器采集井中偶极声波数据的触发信号。

通过对在地面DAS调制解调仪器采集的从耐高温光纤声波偶极子传感器里反射回来的瑞利散射光的相位数据进行调制解调处理，可以获得按耐高温光纤声波偶极子传感器各位置分布的偶极声波数据。根据耐高温光纤声波偶极子传感器上任意一个检波点到每个偶极声源点的距离，以及从该检波点检测到的沿井眼外波阻抗界面折射到该检波点的滑行波走时和从地下波阻抗界面反射到该检波点的反射波走时等数据，通过反演计算可求出地下介质的纵波速度、横波速度和斯通利波速度，纵波速度和横波速度在不同方位上的速度各向异性，纵波、横波和斯通利波在地下介质中传播的衰减系数(特性)，远离井眼的波阻抗界面的距离、位置和方位，然后精细准确的建立地下介质的二维或三维声波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型。

所以本实用新型还提供了该井中正交偶极声波测井装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：将其上下端分别固定有扶正器的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置放入待测井的井底；

S2：在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置从井底缓慢上提时，启动偶极声源发生器连续发射声波信号，启动井口附近的地面DAS调制解调仪器，连续采集光纤声波偶极子传感器的DAS数据；

S3：对每个井下的光纤声波偶极子传感器采集的DAS数据进行调制解调处理，将其转换成对应深度的偶极声波数据；

S4：根据从井下的偶极声源发生器位置到达每个光纤声波偶极子传感器的声波走时和偶极声源发生器位置到已知的光纤声波偶极子传感器的最短距离，计算出从已知偶极声源发生器到达每个已知光纤声波偶极子传感器之间的声波平均速度；

S5：如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和从井眼四周围水平方向或者大角度入射到井眼的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；

S6：对于在井下沿每个光纤声波偶极子传感器位置采集的声波数据，可以根据在不同光纤声波偶极子传感器位置记录的声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置，使用的是多个按照螺旋管形绕制的阵列式耐高温光纤偶极子声波传感器，完全可以在高温深井里面长时间采集偶极声波信号，井下无需任何电子器件和线路，解决了井下偶极或多极压电式声波换能器及其配套的高成本耐高温放大器、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。

按照螺旋形绕制的阵列式耐高温光纤声波偶极子传感器与井下铠装光电复合缆里面的耐高温光纤是同一根光纤，可以高速传输按照螺旋形绕制的耐高温光纤里面的背向瑞利散射光信号到井口的分布式光纤声波信号调制解调仪器(DAS)里面，解决了井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置采集的大量电信号数据难以实现测井电缆高速向上传输的瓶颈问题。

此实用新型可以极大的降低井下采集偶极声波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偶极声波数据，通过处理分析就可以了解远处波阻抗界面离井眼的距离和方位，波阻抗界面两侧的介质声波速度，两侧介质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，还可以得到远离井眼地层中的裂缝、孔洞信息，以及井周几米的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布，实现偶极声波测井技术的广泛推广应用。

附图说明

图1是本实用新型光纤声波传感正交偶极声波测井系统工作原理示意图。

图2是本实用新型井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置结构示意图。

图3是由4个耐高温光纤声波偶极子传感器对称布设组成的4方位偶极声波传感单元。

图4是由8个耐高温光纤声波偶极子传感器对称布设组成的8方位偶极声波传感单元。

图5是由两组相互正交布设的偶极子声波发射器结构示意图。

图6是本实用新型垂直方向布设的在小圆柱状结构AB上按螺旋形绕制的光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

图7是本实用新型在圆柱状结构AB上按照螺旋形绕制耐高温光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

图8是本实用新型在平面上展开的在圆柱状结构AB上按照螺旋形绕制的耐高温光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。

如图1所示，光纤声波传感正交偶极声波测井系统，包括井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置、地面井口测井车11、地面DAS调制解调仪器12；

所述的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置包括圆柱形结构仪器外壳1和用耐高温光纤按照螺旋管形绕制到小圆柱形结构上的阵列式的光纤声波偶极子传感器2，作为井中正交偶极声波信号接收单元；光纤声波偶极子传感器2下部垂直依次安装有光纤陀螺仪4、隔声体短节5和井下阵列式单极和偶极的声源发生器3；还包括铠装光电复合缆6，铠装光电复合缆6延伸到圆柱形结构仪器外壳1内，与井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置内的光纤声波偶极子传感器2和偶极声源发生器3相连接。地面井口测井车11通过铠装光电复合缆6与光纤声波偶极子传感器2、光纤陀螺仪4、偶极声源发生器3相连接，如图2。

地面井口测井车11控制井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的下井和升井，并给井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置提供电源，驱动井下的偶极声源发生器3在作业时连续重复发射偶极声波信号。

安置在井口的地面DAS调制解调仪器12通过铠装光电复合缆6连接井下的光纤声波偶极子传感器2，向光纤声波偶极子传感器2里面发射激光脉冲，采集光纤声波偶极子传感器2里面的背向散射瑞利波的相位数据。

所述的光纤声波偶极子传感器2为在小圆柱形结构上按照一定的角度缠绕单模或多模光纤，缠绕的角度在20度到70度之间，光纤声波偶极子传感器2的外面套保护套，保护套最外层为高强度耐腐蚀的钛合金或金属材质的圆柱形结构仪器外壳1。

井下每级光纤声波偶极子传感器2包含有4个或8个光纤声波传感偶极子接收器，每级4个或8个光纤声波传感偶极子接收器在平面上呈对称布设，每级光纤声波传感偶极子接收器记录4个方位或8个方位的井下声波数据。光纤声波偶极子传感器2至少有8级或8级以上的光纤声波传感偶极子接收器阵列，如图3和图4。

偶极声源发生器3包含有发射电子线路、一个或数个单极声源发射器、2个或4个或6个或8个偶极声波发射器；

偶极声源发生器3是将一个单极阵列和一个偶极阵列正交组合在一起，两个阵列的配置是完全独立的，各自具有不同的传感器。单极阵列包括一个或数个单极声源，8个或8个以上的光纤声波接收传感器。单极声源发射器发射的声波是全方位的。如图5所示，偶极阵列是由2个或4个或8个两两正交摆放(相差90度)的偶极声源和8个或8个以上的交叉式偶极光纤声波接收传感器组成。

具体施工时，如图1所示，首先在每个光纤声波偶极子传感器2的尾端做一个特殊的技术处理，比如安装消光器或者把光纤打一个结，用以消除光纤在该尾端点的强反射信号，随后把在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置内串联起来的光纤声波偶极子传感器2的首端连接到安置在地面DAS调制解调仪器12上。通过铠装光电复合缆6把上下端分别固定有扶正器的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置从井口下放到待测井的井底；在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置从井底缓慢上提时，启动偶极声源发生器3连续发射偶极声波信号，地面DAS调制解调仪器12根据来自井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的触发信号，同步开始记录光纤声波偶极子传感器2接收到的从井眼周围介质里面传播到井眼里面的直达声波、折射声波、反射声波，面波和多次波信号，光纤陀螺仪4实时记录的偶极声源发生器3和井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的实时位置、速度和姿态信息；同时启动井口地面测井车11上的绞车，通过铠装光电复合缆6向上缓慢的提升井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置，同时井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置连续采集井中的偶极声波信号，对每个光纤声波偶极子传感器2采集的DAS数据进行调制解调处理，将其转换成对应深度的偶极声波数据。在完成预先设计的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置需要测量的井段后，停止偶极声源发生器3和地面DAS调制解调仪器12工作，并把井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置提出井口。

根据从偶极声源发生器3位置到达每个光纤声波偶极子传感器2的声波(纵波、横波、斯通利波)走时和偶极声源发生器3位置到已知的光纤声波偶极子传感器2的最短距离，计算出从已知偶极声源发生器3到达每个已知光纤声波偶极子传感器2之间的声波(纵波、横波、斯通利波)平均速度；

如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和从井眼四周围水平方向或者大角度入射到井眼的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；

对于在井下沿每个光纤声波偶极子传感器2位置采集的声波数据，可以根据在不同光纤声波偶极子传感器2位置记录的偶极声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

本实施方案的井中偶极声波信号接收单元为安装在井下阵列偶极声源发生器上方的4个或8个对称布设的光纤声波偶极子传感器2。

更具体的过程为，主控装置可以为一个计算机控制的地面DAS调制解调仪器12，该主控装置实时控制所有(DAS)井下偶极声波数据的采集和存储，即采集数据装置与主控装置相连接，通过主控装置对数据采集装置的控制操作，完成(DAS)井下偶极声波数据的采集和存储。井下偶极声波信号的传感是通过安装在井下阵列偶极声源发生器上方的4个或8个对称布设的光纤声波偶极子传感器2来实现的，此系统可以直接测量井下介质的二维或三维声波速度并计算出井下介质(地层或岩层)的二维或三维弹性或粘弹性参数。

偶极声源发生器3可以是阵列式单极、偶极或多极压电陶瓷(晶体)、电火花震源、机电震源、井下可控震源等偶极声源发生器；

安装在井下的偶极声源发生器3上方的4个或8个对称布设的光纤声波偶极子传感器2，用于感应井下阵列偶极声源发生器激发的直达声波、折射声波、反射声波、面波和多次波信号；

安装在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置中部的光纤陀螺仪4实时记录的井下的偶极声源发生器3和每个光纤声波偶极子传感器2在采集井中偶极声波数据时的实时位置、速度和姿态信息；

在工区地面上连接井下的光纤声波偶极子传感器2首端的地面DAS调制解调仪器12接收光纤声波偶极子传感器2中因声波的波动传播引起的光纤上各点的背向瑞利散射波的相位变化信息，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的光纤背向瑞利散射波的相位变化信息转换成偶极声波的实际波动信号，并将此模拟波动信号通过模数转换电路转换成数字波动信号，然后将数字波动信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。

如图1所示，在地面井口测井车11控制和驱动井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置，井下的偶极声源发生器3向井眼周围的介质里发射的声波，会被井下的光纤声波偶极子传感器2感应到。由于远离井眼的波阻抗界面10的存在，从井眼里传播的直达声波7在遇到波阻抗界面10后，会从波阻抗界面10反射回到井眼里，根据菲涅尔定律其反射角与入射角相同。反射回到井眼的反射声波8会被光纤声波偶极子传感器2感应到。当光纤声波偶极子传感器2感应到在井周围介质里面传播的直达声波7、反射声波8和折射(滑行)声波9时，光纤声波偶极子传感器2上各点(各位置)会随着声波波动的传播而产生相同频率的应变(拉伸或压缩)，此应变会造成光纤声波偶极子传感器2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，地面DAS调制解调仪器12可以检测到此相位的变化，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的光纤声波偶极子传感器2内各检波点(各位置)的背向瑞利散射波的相位变化信息转换成声波的实际波动信号，并将此模拟波动信号在DAS仪器里通过模数转换电路转换成数字波动信号，然后将数字波动信号存储到计算机中用于后续的声波数据处理工作。

图6是光纤声波偶极子传感器2在放置在垂直方向上的示意图，耐高温光纤20按照一定角度α绕制在圆柱体结构件上，外面加装保护光缆的复合材料或钢质护套，最外层是耐磨抗压的非金属或金属材料编织的铠装。图7是光纤声波偶极子传感器2放置在在垂直方向上的透视示意图。

图8是光纤声波偶极子传感器2沿圆柱体结构21的AB沿横向展开的示意图。在圆柱体结构21上按照一定角度α按照螺旋形绕制的耐高温光纤20沿AB横向展开后变成了一段与圆柱体结构21的端面展开线AA或BB成α角度的直光纤。如果在井中布设的是垂直光纤，沿水平方向传播回井眼里的反射声波8到达井眼里布设的直光纤时，其沿水平方向传播的波动无法引起直光纤在沿其垂直延伸方向上的应变，也不会引起光纤内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，连接地面DAS调制解调仪器12就检测不到垂直入射到直光纤的水平声波波动信号。根据理论分析可知，一段直光纤能够感应到的波动信号的灵敏度与波动信号传播的方向和光纤的延伸方向的夹角θ依从(存在)cosθ²的关系。即当声波波动传播的方向与光纤延伸的方向平行(θ＝0°)时，cosθ²＝1，此时直光纤对此波动信号(垂直向上传播的直达波)的敏感度达到最大值1；即当声波波动传播的方向与光纤延伸的方向垂直(θ＝90°)时，cosθ²＝0，此时直光纤对此垂直于光纤延伸方向的波动信号(水平反射波)的敏感度达到最小值0，因此直光纤无法检测到垂直于光纤延伸方向传播的波动信号。

图6、图7和图8中垂直于光纤声波偶极子传感器2传播的波动信号在到达光纤声波偶极子传感器2后，由于光纤声波偶极子传感器2上的耐高温光纤20与该波动信号的入射角不是90°，而是α°，光纤声波偶极子传感器2就能够探测到垂直向上传播的直达声波和水平方向或大入射角度传播的反射声波8，因此在井下布设的光纤声波偶极子传感器2可以检测到传播到光纤声波偶极子传感器2的声波的全波场信号，包括直达声波7、折射声波9、反射声波8、面波和多次波，因此本实用新型可以采集到井中偶极声波数据。

井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的偶极声波数据采集结束后，首先对井下不同深度位置采集的偶极声波数据进行处理，根据从每个声源点即偶极声源发生器3到达光纤声波偶极子传感器2上的每个波动信号检波点的直达波走时和声源点到每个已知的检波点的距离，可以非常准确容易的计算出从声源点到达每个已知检波点的声波平均速度。如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，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。如果拾取的是直达斯通利波的走时，计算出的就是斯通利波的平均速度。

如果井下周围介质的声波速度是均匀的，则垂直向上传播和沿过井剖面的水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下检波点测量到的垂直声波速度和水平方向或者接近水平方向或大角度入射的声波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度沿过井剖面的二维介质的垂直速度和水平速度的各向异性；

如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和沿水平方向或者大角度入射的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；

对于沿二维过井剖面的不同检波点采集的二维偶极声波数据或在井中采集的三维偶极声波数据，可以根据在不同检波点记录偶极声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

本实施方案在实施时，利用安装在井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置上部的光纤声波偶极子传感器2，直接测量井周围介质的二维或三维声波速度和计算地下介质(地层或岩层)的弹性或粘弹性参数，可以精细准确的建立井下介质的二维或三维声波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型，用于对井中偶极声波资料进行数据处理及成像，比如各向同性波动方程或逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，Q补偿或Q偏移等。利用光纤陀螺仪4实时记录的偶极声源发生器3和光纤声波偶极子传感器2的实时位置、速度和姿态信息，在偏移成像时就可以准确的确定远离井眼的波阻抗界面的具体方位和离井眼的距离，从而真正实现井下远离井眼的地质目标的准确探测，并且能够分析得到远离井眼地层中的裂缝、孔洞信息，还能得到井周几米到几十米的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布。

Claims

1.光纤声波传感正交偶极声波测井系统，其特征在于，包括井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置、地面井口测井车(11)、地面DAS调制解调仪器(12)；

所述的井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置包括圆柱形结构仪器外壳(1)和用耐高温光纤按照螺旋管形绕制到小圆柱形结构上的阵列式的光纤声波偶极子传感器(2)，作为井中正交偶极声波信号接收单元；光纤声波偶极子传感器(2)下部垂直依次安装有光纤陀螺仪(4)、隔声体短节(5)和偶极声源发生器(3)；

还包括铠装光电复合缆(6)，铠装光电复合缆(6)延伸到圆柱形结构仪器外壳(1)内，与光纤声波偶极子传感器(2)和偶极声源发生器(3)相连接；

地面井口测井车(11)通过铠装光电复合缆(6)与光纤声波偶极子传感器(2)、光纤陀螺仪(4)、偶极声源发生器(3)相连接；

地面井口测井车(11)控制井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置的下井和升井，并给井中光纤声波传感正交偶极声波测井装置提供电源，驱动位于井下的偶极声源发生器(3)在作业时连续重复发射偶极声波信号；

安置在井口的地面DAS调制解调仪器(12)通过铠装光电复合缆(6)连接光纤声波偶极子传感器(2)，向井下的光纤声波偶极子传感器(2)里面发射激光脉冲，采集光纤声波偶极子传感器(2)里面的背向散射瑞利波的相位数据。

2.根据权利要求1所述的光纤声波传感正交偶极声波测井系统，其特征在于，所述的光纤声波偶极子传感器(2)为在小圆柱形结构上按照一定的角度缠绕单模或多模光纤，缠绕的角度在20度到70度之间，按照螺旋管形绕制，外面套保护套，保护套最外层为圆柱形结构仪器外壳(1)，圆柱形结构仪器外壳(1)为高强度耐腐蚀的金属材质。

3.根据权利要求1所述的光纤声波传感正交偶极声波测井系统，其特征在于，所述的光纤声波偶极子传感器(2)每级包含有4个或8个光纤声波传感偶极子接收器，每级4个或8个光纤声波传感偶极子接收器在平面上呈对称布设，每级光纤声波传感偶极子接收器记录4个方位或8个方位的井下声波数据；光纤声波偶极子传感器(2)至少有8级或8级以上的光纤声波传感偶极子接收器阵列。

4.根据权利要求1所述的光纤声波传感正交偶极声波测井系统，其特征在于，偶极声源发生器(3)包含有发射电子线路、一个或数个单极声源发射器、2个或4个或6个或8个偶极声波发射器。

5.根据权利要求1所述的光纤声波传感正交偶极声波测井系统，其特征在于，偶极声源发生器(3)是将一个单极阵列和一个偶极阵列正交组合在一起，两个阵列的配置是完全独立的，各自具有不同的传感器；单极阵列包括一个或数个单极声源，8个或8个以上的光纤声波偶极子接收传感器，单极声源发射器发射的声波是全方位的；偶极阵列是由2个或4个或8个两两正交摆放的偶极声源和8个或8个以上的交叉式偶极光纤声波接收传感器组成。