一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明的實施方式涉及石油地球物理勘探領域，更具體地，本發明的實施方式涉 及一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 本部分旨在為權利要求書中陳述的本發明的實施方式提供背景或上下文。此處的 描述不因為包括在本部分中就承認是現有技術。
[0003] 隨著深海油儲和復雜油氣藏的勘探開發需求的增長，工業界對聲波測井技術提出 了更多的要求。目前發展的單井反射聲波成像測井（遠探測）技術，能對井附近數米到數 十米的范圍內的地層構造和地質體進行成像，大大拓展了聲波測井的評價范圍。在鉆井過 程中進行反射聲波成像測井，可以實時地提供井周圍地層構造及地質體成像數據，指導鉆 進的方向，從而將井眼軌跡調整到油藏最佳的位置，以達到最佳的產油（氣）或注水效果， 是下一代聲波測井技術的發展方向。
[0004] 目前發展的井外地層成像技術主要有兩種：電磁方法和聲波方法。常規的電法遠 探測成像儀器利用低頻電磁波進行井外地層界面探測，由于其頻率較低，該方法僅能夠檢 測電阻率異常體的存在，而不能夠準確確定異常體的方位。另外一種用于地質導向的隨鉆 方位電磁波儀器，采用了發射高頻電磁波的方式，其探測深度較淺，僅有數米，不能夠完全 滿足現場測量的需要。
[0005] 傳統的電纜反射聲波成像測井技術主要有兩種：單極子縱波法和偶極子橫波法。 1998年，斯倫貝謝公司首先推出了單極子反射聲波成像儀器并應用于現場。在國內，中國 石油大學（北京）與中石油合作開發了利用單極子聲源的遠探測反射聲波測井儀器。該 儀器的聲源主頻在10kHz以上，探測深度為幾米到十幾米范圍。由于單極子聲源為對稱聲 源，其水平指向性曲線近似為圓形，在周向上無明顯指向性，采用單極子聲源得到的成像圖 為二維圖像，無法確定地層構造或者地質體的方位。唐曉明等提出了利用正交偶極子聲源 進行遠探測聲波成像的方法，并給出了具體的應用實例。偶極子聲源的頻率較低（2kHz~ 5kHz)，該方法可以探測更遠處的地層，探測深度達到20m~30m，但是，其指向性曲線近似 為"0"形，對井旁地層界面方位的探測存在180°多解性，限制了其應用范圍。
【發明內容】
[0006] 在實現本發明的過程中，發明人對隨鉆測井技術進行了相關研究：
[0007] 在鉆進過程中，井旁界面方位的確定對地質導向技術起著至關重要的作用。隨鉆 三維反射聲波成像測井技術可以實時地對井周圍的地層構造和地質體進行成像，為地質導 向鉆井提供必要的信息，是下一代聲波測井技術的發展方向。
[0008] 在電纜測井領域，現有技術提出了采用相控圓弧陣聲源在井內進行聲學測量的方 法，并分別從理論、數值模擬、物理模擬及現場實驗等多個方面證實了井孔中的相控圓弧陣 聲源在井旁均質各向同性地層評價方面的可靠性。但在隨鉆條件下，由于鉆鋌占據了井孔 內的大部分空間，在聲源的安裝、接收器的安裝以及井孔內外聲場的分布等方面，隨鉆測井 與電纜測井都有很大不同，因此并不能簡單地將電纜測井中使用的相控圓弧陣聲源應用于 隨鉆測井中。
[0009] 例如，電纜測井中相控圓弧陣聲源的陣元的形狀通常為長方體型，其不適合于在 隨鉆測井儀器中安裝和使用；基于隨鉆條件下對井旁地層進行三維掃描輻射聲波的隨鉆三 維反射聲波成像測井技術是一種全新的井下測量技術。基于以上研究，本發明提出了一種 利用圓弧片狀陣元組成的相控圓弧陣進行隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置及 方法。
[0010] 在本發明實施方式的第一方面中，提供了一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣 聲源裝置，包括：
[0011] 聲源裝置，包括沿鉆鋌的軸向依次設置的多個相控圓弧陣；所述相控圓弧陣包括 按圓周均勻裝設于鉆鋌外表面的多個陣元，所述陣元呈圓弧片狀；
[0012] 計算單元，用于計算令井孔中的所述聲源裝置在井旁地層中產生的縱波場的主瓣 指向目標方向且覆蓋所述目標方向上的目標點時所需的如下控制參數：每個所述相控圓 弧陣中各個陣元對應的激勵信號的幅度權重，為每個所述相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵 信號的延遲時間，以及為所述聲源裝置中沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵信號的延遲時 間；
[0013] 激勵單元，用于按照所述計算單元計算出的所述控制參數，激勵所述聲源裝置中 的各個陣兀振動以發射聲波。
[0014] 在本發明實施方式的第二方面中，提供了一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣 聲源方法，包括：
[0015] 步驟1，計算令井孔中的聲源裝置在井旁地層中產生的縱波場的主瓣指向目標方 向且覆蓋所述目標方向上的目標點時所需的控制參數；
[0016] 其中，所述聲源裝置包括沿鉆鋌的軸向依次設置的多個相控圓弧陣；所述相控圓 弧陣包括按圓周均勻裝設于鉆鋌外表面的多個陣元，所述陣元呈圓弧片狀；
[0017] 所述控制參數包括：每個所述相控圓弧陣中各個陣元對應的激勵信號的幅度權 重，為每個所述相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵信號的延遲時間，以及為所述聲源裝置中 沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵信號的延遲時間；
[0018] 步驟2,按照所述步驟1計算出的所述控制參數，激勵所述聲源裝置中的各個陣元 振動以發射聲波。
[0019] 借助于上述技術方案，本發明提供的隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置 及方法，在結構方面，利用裝設于鉆鋌上的圓弧片狀陣元組成相控圓弧陣，實現了相控圓弧 陣在隨鉆條件下的應用；在控制方面，利用單個相控圓弧陣中的各個陣元實現水平面的掃 描輻射，利用沿鉆鋌軸向設置的多個相控圓弧陣實現垂直平面的掃描輻射，從而很好地實 現了地層的三維掃描輻射；無論在高頻或低頻情況下，本發明均可以實現對地層的任意方 位定向輻射聲波，其指向性圖主瓣明顯，旁瓣級低，具有較高的方位分辨率，并且探測距離 遠，信噪比高，非常適合隨鉆條件下的三維反射聲波成像。
【附圖說明】
[0020] 通過參考附圖閱讀下文的詳細描述，本發明示例性實施方式的上述以及其他目 的、特征和優點將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發明的若 干實施方式，其中：
[0021] 圖1是本發明示例性裝置的結構框圖；
[0022] 圖2是本發明示例性裝置中聲源裝置的一種實施例；
[0023]圖3是本發明示例性裝置中聲源裝置在井孔內的截面示意圖；
[0024]圖4是本發明示例性裝置中計算單元的結構框圖；
[0025]圖5是本發明示例性裝置中位置參數分解模塊計算位置參數的示意圖；
[0026] 圖6是本發明示例性裝置中聲源裝置的主聲束偏轉角度0。的示意圖；
[0027]圖7是本發明示例性裝置在快速地層井孔中情況下以步長角度為30°在0°~ 90°范圍內實現步進式的向井旁地層中周向掃描輻射時的水平指向圖；
[0028] 圖8是本發明示例性方法的流程示意圖；
[0029] 圖9是本發明示例性方法中計算各項控制參數的流程示意圖；
[0030] 圖10是本發明示例性方法的另一種流程示意圖；
[0031] 在附圖中，相同或對應的標號表不相同或對應的部分。
【具體實施方式】
[0032] 下面將參考若干示例性實施方式來描述本發明的原理和精神。應當理解，給出這 些實施方式僅僅是為了使本領域技術人員能夠更好地理解進而實現本發明，而并非以任何 方式限制本發明的范圍。相反，提供這些實施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能 夠將本公開的范圍完整地傳達給本領域的技術人員。
[0033] 根據本發明的實施方式，提出了一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置 及方法。
[0034] 在本文中，陣元包括但不限于是壓電振子等通過振動發射聲波的裝置。此外，附圖 中的任何元素數量均用于示例而非限制，以及任何命名都僅用于區分，而不具有任何限制 含義。
[0035] 下面參考本發明的若干代表性實施方式，詳細闡釋本發明的原理和精神。
[0036] 發明概沐
[0037] 本發明人認識到，隨鉆測井與電纜測井相比，由于鉆鋌占據了井孔內的大部分空 間，在聲源的安裝、接收器的安裝以及井孔內外聲場的分布等方面，二者均有所不同，因此 電纜測井中使用的相控圓弧陣聲源不能直接應用于隨鉆測井中。例如，電纜測井中相控圓 弧陣聲源的陣元的形狀通常為長方體型，不適合于在隨鉆測井儀器中安裝和使用。
[0038] 為了利用相控圓弧陣聲源完成隨鉆條件下的三維聲波成像測井，本發明提供一種 利用圓弧片狀陣元組成的相控圓弧陣進行隨鉆三維反射聲波成像測井的相控陣聲源裝置 及方法。
[0039] 本發明在結構方面，沿鉆鋌的軸向依次布置多個相控圓弧陣，每個相控圓弧陣包 括按圓周均勻裝設于鉆鋌外表面的多個陣元，每個陣元呈圓弧片狀，以適合在鉆鋌上安裝 和使用。
[0040] 本發明在控制方面，一方面利用激勵信號幅度加權和相位控制（