控制施加激勵信 號的延遲時間）的方式控制每個相控圓弧陣中的陣元振動，調節其水平指向性，完成水平 面內的掃描輻射，另一方面，利用相位控制的方式控制鉆鋌中心軸向上相鄰陣元的振動情 況，調節聲源的垂直指向性，完成垂直平面內的掃描輻射，從而很好地實現了三維空間的掃 描福射。
[0041] 在介紹了本發明的基本原理之后，下面具體介紹本發明的各種非限制性實施方 式。
[0042] 示例件裝詈
[0043] 本示例性裝置提供一種隨鉆三維反射聲波成像測井相控陣聲源裝置，如圖1所 示，該系統包括：聲源裝置100、計算單元200和激勵單元300。
[0044] 聲源裝置100包括沿鉆鋌的軸向依次設置的多個相控圓弧陣；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，陣元呈圓弧片狀，以適合在鉆鋌上安裝和使 用。
[0045]與電纜測井不同，隨鉆環境下，聲源需要安裝在鉆鋌的外表面。具體實施時，為了 適合在鉆鋌上安裝和使用，以及盡量少得占用空間，可設置陣元的弧度與鉆鋌外表面的弧 度一致，并將陣元裝設于鉆鋌外表面的刻槽中。
[0046] 圖2所示為本示例性裝置中聲源裝置100的一種實施例，其中，沿鉆鋌的軸向依次 設置了 4個相控圓弧陣Z1~Z4,每個相控圓弧陣又包括了 8個陣元E1~E8。
[0047] 圖3所示為圖2所示的聲源裝置100在井孔內的截面示意圖，圖3中由內向外各 個介質依次為水眼（水）、鉆鋌、相控圓弧陣、井孔（水）和地層，各介質的外徑分別為r。、 rs、rjP無窮大。井孔中充滿液體，井孔外地層為無限大地層，鉆鋌位于井孔中央，鉆鋌 水眼內也充滿液體。
[0048] 具體實施時，為了盡量避免聲波沿鉆鋌傳播，在陣元與鉆鋌之間可以設置隔聲材 料（例如聚四氟乙烯等）進行聲隔離，
[0049] 具體實施時，為了形成較好的聲波波場，還可以在軸向上相鄰的相控圓弧陣之間 采用隔聲材料（例如聚四氟乙烯等）進行聲隔離。如圖2所示，在相控圓弧陣Z1~Z4之 間均采用了隔聲材料G。
[0050] 具體實施時，可以根據實際情況設置聲源裝置100包括的相控圓弧陣的數量，以 及每個相控圓弧陣包括的陣元的數量，圖2中給出的聲源裝置100僅為本發明的具體實施 例而已，并不用于限定本發明的保護范圍。例如，當聲源裝置100包括的相控圓弧陣的數量 越多，每個相控圓弧陣包括的陣元的數量越多時，聲源裝置1〇〇的測量方位分辨率也會相 應提高，但是對其進行的控制也會更復雜，因此，具體實施時，需要綜合考慮所需的方位分 辨率以及控制成本來設置聲源裝置100中相控圓弧陣和陣元的數量。
[0051] 可選地，聲源裝置100中包括的相控圓弧陣的數量為至少兩個，相控圓弧陣中包 括的陣元的數量為6~16個，陣元的工作頻率范圍為6kHz~15kHz。
[0052] 可選地，陣元的高度為4cm~10cm。
[0053] 計算單元200用于計算令井孔中聲源裝置100在井旁地層中產生的縱波場的主 瓣指向目標方向且覆蓋目標方向上的目標點時所需的如下控制參數：每個相控圓弧陣中各 個陣元對應的激勵信號的幅度權重，為每個相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵信號的延遲時 間，以及為聲源裝置1〇〇中沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵信號的延遲時間。
[0054] 激勵單元300,用于按照計算單元200計算出的控制參數，激勵聲源裝置100中的 各個陣元振動以發射聲波。
[0055] 本示例性裝置的工作原理是：首先，由用戶設定需要定向輻射聲波的目標方向，以 及聲波的主瓣需要覆蓋到的目標點，然后，由計算單元200根據用戶設定的目標方向和目 標點去計算各個控制參數，最后，由激勵單元300根據計算單元200計算出的控制參數去控 制聲源裝置100發射聲波，以達到用戶的預期，即使得井孔中的聲源裝置100在井旁地層中 產生的縱波場的主瓣指向目標方向且覆蓋目標點。
[0056] 本發明提供的示例性裝置，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，利用對相控圓弧陣中各 個陣元的振動相位（對應施加激勵信號的延遲時間）和振動幅度（對應激勵信號的幅度權 重）進行控制來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。
[0057] 在實現本發明的過程中，發明人通過研究發現：本示例性裝置中的聲源裝置100， 在高頻（例如12kHz)情況下，鉆鋌能夠阻擋向著鉆鋌方向傳播的聲信號，從而使得聲信號 主要向著背對鉆鋌的方向輻射，這種情況下，僅采用單陣元工作的方式即可實現方位反射 聲波輻射；而在低頻（例如6kHz)情況下，鉆鋌不能夠有效阻擋想著鉆鋌方向傳播的聲信 號，在鉆鋌后側也可以接收到較強的聲信號，指向性圖中存在較大幅度的旁瓣，采用單陣元 工作的方法實現方位反射聲波成像測井會導致能量不聚焦等缺點。
[0058] 但是，由于低頻率的聲波有著更好的探測深度，往往是測井現場所需要的，為解決 利用聲源裝置100在低頻情況下進行方位反射聲波成像測井的問題，本示例性裝置需要計 算單元200和激勵單元300進行更細節的計算和控制。
[0059] 如圖4所示，計算單元200進一步包括：遍歷模塊400、位置參數分解模塊500、單 層計算模塊600、鄰層計算模塊700。
[0060] 遍歷模塊400用于遍歷每個所述相控圓弧陣，并觸發所述位置參數分解模塊500 和所述單層計算模塊600對當前遍歷的所述相控圓弧陣進行計算。
[0061] 位置參數分解模塊500用于針對當前遍歷的相控圓弧陣，計算位置參數r、0、z。 下面結合圖5(圖5中P表示目標點，0表示中間圓形橫截面的圓心，00'表示基準半徑）， 介紹位置參數分解模塊500計算位置參數r、0、z的過程。圖5中，位置參數r、0、z可看 作是一柱坐標系的三個坐標變量。
[0062] (1)確定目標點P在當前遍歷的相控圓弧陣的中間圓形橫截面（中間高度處的圓 形橫截面）上的水平投影位置r'，以及目標點P在鉆鋌的軸向上的垂直投影位置z'；
[0063] (2)確定水平投影位置r'與中間圓形橫截面的圓心0之間的距離r;
[0064] (3)確定水平投影位置r'在中間圓形橫截面上所經過的半徑與中間圓形橫截面 的基準半徑00'之間的圓心角0 ;其中，基準半徑00'可以是中間圓形橫截面上的任意一 條半徑；
[0065](4)確定垂直投影位置z'與中間圓形橫截面的圓心0之間的距離z。
[0066] 單層計算模塊600按照如下公式構建關于當前遍歷的相控圓弧陣中各個陣元對 應的激勵信號的幅度權重. .AN.. .AJP為當前遍歷的相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵信 號的延遲時間AIV. ?ATN. . ?AL的目標函數 0(A^ .AN. . .A^，AIV. ?ATN. . ?ATJ:
[0067]
V v - - y. 7」
[0068] 其中，〇'（r，0，z，co)表示當前遍歷的相控圓弧陣在目標點形成的縱波場以位移 形式表示的激發譜；且
[0069]
[0070]co表示相控圓弧陣中各個陣元的振動頻率（各個陣元的振動頻率均相同）；n表 示方位階數；N表示陣元的序號；m表示相控圓弧陣中陣元的數量；AN表示序號是N的陣元 對應的激勵信號的幅度權重；ATN表示為序號是N+1的陣元施加激勵信號相比于為序號是 N的陣元施加激勵信號的延遲時間；表示地層中向外傳播的縱波的勢函數的系數；第 二類貝塞爾函數1(狀）與次產1共同描述了柱坐標系中沿徑向由內向外傳播的波；q表示縱 波的徑向波數；i表示虛數單位；kz表示液體內縱波的軸向波數。
[0071] 單層計算模塊600還用于采用非常快速模擬退火算法，計算令目標函數 0%? ? ?AN. ? ?Am,AIV? ?ATN. ? ?ATJ取極小值時，當前遍歷的相控圓弧陣中各個陣元對應 的激勵信號的幅度權重^ ..AN. ..Am和為當前遍歷的相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵信號 的延遲時間AI\. ..ATN. ..A'。
[0072] 實驗表明，基于非常快速模擬退火算法計算的幅度權重I. .AN. . .A"和延遲時間 AIV..ATN...A'，可以使得聲源裝置100發出的聲波以某一角寬集中向單一方位輻射能 量，其水平指向性圖的主瓣清晰，三分貝角寬窄，旁瓣級低，滿足了利用本示例性的聲源裝 置100在低頻情況下進行方位反射聲波成像測井。
[0073] 鄰層計算模塊700用于計算當聲源裝置100產生的縱波場的主瓣指向目標方向且 覆蓋目標點時，聲源裝置1〇〇的主聲束偏轉角度9c(如圖6所示）；并按照如下公式計算為 聲源裝置100中沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵信號的延遲時間t:
[0074]
[0075] 其中，h表不相鄰的兩個相控圓弧陣的中間圓形橫截面之間的距離，vf表不井內泥 漿的聲速。
[0076] 本示例性裝置的聲源裝置100中，