一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施方式涉及石油地球物理勘探领域，更具体地，本发明的实施方式涉 及一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法。
【背景技术】
[0002] 本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的 描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
[0003] 随着深海油储和复杂油气藏的勘探开发需求的增长，工业界对声波测井技术提出 了更多的要求。目前发展的单井反射声波成像测井（远探测）技术，能对井附近数米到数 十米的范围内的地层构造和地质体进行成像，大大拓展了声波测井的评价范围。在钻井过 程中进行反射声波成像测井，可以实时地提供井周围地层构造及地质体成像数据，指导钻 进的方向，从而将井眼轨迹调整到油藏最佳的位置，以达到最佳的产油（气）或注水效果， 是下一代声波测井技术的发展方向。
[0004] 目前发展的井外地层成像技术主要有两种：电磁方法和声波方法。常规的电法远 探测成像仪器利用低频电磁波进行井外地层界面探测，由于其频率较低，该方法仅能够检 测电阻率异常体的存在，而不能够准确确定异常体的方位。另外一种用于地质导向的随钻 方位电磁波仪器，采用了发射高频电磁波的方式，其探测深度较浅，仅有数米，不能够完全 满足现场测量的需要。
[0005] 传统的电缆反射声波成像测井技术主要有两种：单极子纵波法和偶极子横波法。 1998年，斯伦贝谢公司首先推出了单极子反射声波成像仪器并应用于现场。在国内，中国 石油大学（北京）与中石油合作开发了利用单极子声源的远探测反射声波测井仪器。该 仪器的声源主频在10kHz以上，探测深度为几米到十几米范围。由于单极子声源为对称声 源，其水平指向性曲线近似为圆形，在周向上无明显指向性，采用单极子声源得到的成像图 为二维图像，无法确定地层构造或者地质体的方位。唐晓明等提出了利用正交偶极子声源 进行远探测声波成像的方法，并给出了具体的应用实例。偶极子声源的频率较低（2kHz~ 5kHz)，该方法可以探测更远处的地层，探测深度达到20m~30m，但是，其指向性曲线近似 为"0"形，对井旁地层界面方位的探测存在180°多解性，限制了其应用范围。
【发明内容】
[0006] 在实现本发明的过程中，发明人对随钻测井技术进行了相关研究：
[0007] 在钻进过程中，井旁界面方位的确定对地质导向技术起着至关重要的作用。随钻 三维反射声波成像测井技术可以实时地对井周围的地层构造和地质体进行成像，为地质导 向钻井提供必要的信息，是下一代声波测井技术的发展方向。
[0008] 在电缆测井领域，现有技术提出了采用相控圆弧阵声源在井内进行声学测量的方 法，并分别从理论、数值模拟、物理模拟及现场实验等多个方面证实了井孔中的相控圆弧阵 声源在井旁均质各向同性地层评价方面的可靠性。但在随钻条件下，由于钻铤占据了井孔 内的大部分空间，在声源的安装、接收器的安装以及井孔内外声场的分布等方面，随钻测井 与电缆测井都有很大不同，因此并不能简单地将电缆测井中使用的相控圆弧阵声源应用于 随钻测井中。
[0009] 例如，电缆测井中相控圆弧阵声源的阵元的形状通常为长方体型，其不适合于在 随钻测井仪器中安装和使用；基于随钻条件下对井旁地层进行三维扫描辐射声波的随钻三 维反射声波成像测井技术是一种全新的井下测量技术。基于以上研究，本发明提出了一种 利用圆弧片状阵元组成的相控圆弧阵进行随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及 方法。
[0010] 在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵 声源装置，包括：
[0011] 声源装置，包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括 按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；
[0012] 计算单元，用于计算令井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣 指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的如下控制参数：每个所述相控圆 弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励 信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时 间；
[0013] 激励单元，用于按照所述计算单元计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中 的各个阵兀振动以发射声波。
[0014] 在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵 声源方法，包括：
[0015] 步骤1，计算令井孔中的声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方 向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的控制参数；
[0016] 其中，所述声源装置包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆 弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；
[0017] 所述控制参数包括：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权 重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中 沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；
[0018] 步骤2,按照所述步骤1计算出的所述控制参数，激励所述声源装置中的各个阵元 振动以发射声波。
[0019] 借助于上述技术方案，本发明提供的随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置 及方法，在结构方面，利用装设于钻铤上的圆弧片状阵元组成相控圆弧阵，实现了相控圆弧 阵在随钻条件下的应用；在控制方面，利用单个相控圆弧阵中的各个阵元实现水平面的扫 描辐射，利用沿钻铤轴向设置的多个相控圆弧阵实现垂直平面的扫描辐射，从而很好地实 现了地层的三维扫描辐射；无论在高频或低频情况下，本发明均可以实现对地层的任意方 位定向辐射声波，其指向性图主瓣明显，旁瓣级低，具有较高的方位分辨率，并且探测距离 远，信噪比高，非常适合随钻条件下的三维反射声波成像。
【附图说明】
[0020] 通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目 的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若 干实施方式，其中：
[0021] 图1是本发明示例性装置的结构框图；
[0022] 图2是本发明示例性装置中声源装置的一种实施例；
[0023]图3是本发明示例性装置中声源装置在井孔内的截面示意图；
[0024]图4是本发明示例性装置中计算单元的结构框图；
[0025]图5是本发明示例性装置中位置参数分解模块计算位置参数的示意图；
[0026] 图6是本发明示例性装置中声源装置的主声束偏转角度0。的示意图；
[0027]图7是本发明示例性装置在快速地层井孔中情况下以步长角度为30°在0°~ 90°范围内实现步进式的向井旁地层中周向扫描辐射时的水平指向图；
[0028] 图8是本发明示例性方法的流程示意图；
[0029] 图9是本发明示例性方法中计算各项控制参数的流程示意图；
[0030] 图10是本发明示例性方法的另一种流程示意图；
[0031] 在附图中，相同或对应的标号表不相同或对应的部分。
【具体实施方式】
[0032] 下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这 些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何 方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能 够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0033] 根据本发明的实施方式，提出了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置 及方法。
[0034] 在本文中，阵元包括但不限于是压电振子等通过振动发射声波的装置。此外，附图 中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制 含义。
[0035] 下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。
[0036] 发明概沐
[0037] 本发明人认识到，随钻测井与电缆测井相比，由于钻铤占据了井孔内的大部分空 间，在声源的安装、接收器的安装以及井孔内外声场的分布等方面，二者均有所不同，因此 电缆测井中使用的相控圆弧阵声源不能直接应用于随钻测井中。例如，电缆测井中相控圆 弧阵声源的阵元的形状通常为长方体型，不适合于在随钻测井仪器中安装和使用。
[0038] 为了利用相控圆弧阵声源完成随钻条件下的三维声波成像测井，本发明提供一种 利用圆弧片状阵元组成的相控圆弧阵进行随钻三维反射声波成像测井的相控阵声源装置 及方法。
[0039] 本发明在结构方面，沿钻铤的轴向依次布置多个相控圆弧阵，每个相控圆弧阵包 括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，每个阵元呈圆弧片状，以适合在钻铤上安装 和使用。
[0040] 本发明在控制方面，一方面利用激励信号幅度加权和相位控制（