一种随钻方位声波测井数据采集方法与流程

本发明涉及随钻测井技术领域，具体的涉及一种随钻方位声波测井数据采集方法。

背景技术：

随钻声波和随钻电阻率、随钻放射性等构成随钻测井技术的主体，随钻声波可以在钻井的同时测量地层的纵波和横波速度，从而减少井场钻机占用时间，大大降低了声波测井的成本，其独特的测井方式可以满足大斜度井、水平井以及深水钻井的需求。随钻声波测井及时获得更接近原状地层的信息，可用于计算岩石力学性质、预测地层孔隙压力、评估井眼稳固性、解释岩性变化，为准确评价储层和优化钻井轨迹提供了重要的手段。

随钻声波测井技术自20世纪90年代投入生产应用以来，已经历了第一代纵波测井技术，第二代纵波+横波测井技术，目前发展到第三代具有方位探测特性的随钻方位声波测井技术。该技术通常采用方位声源激励，并利用钻铤旋转实时获取井外不同方位的地层声波速度信息，用以描述井周三维岩石力学特性。

随钻方位声波测井仪器一般由声波发射源、声波接收器及隔声体组成。仪器工作时，声波发射源以最佳频率周期性地向周围井眼地层发射声能脉冲，同时随着钻井工具在井眼内旋转，声能脉冲生成的声波场在沿井壁及周围地层向下传播的过程中被接收器所接收，声波接收器对接收到的全波列信号进行采样，实现波形的数字化，同时根据实时测得的仪器工具面角，将数据分配到不同的扇区。隔声体位于声波发射源和声波接收器之间，用于衰减沿钻铤传播的直达波信号。数据采集完成后，对每个扇区记录的波形数据进行处理，计算出各成分波(纵波、横波、斯通利波等)的时差，进而获得当前深度上每个方位扇区的纵波和横波声速，原始声波波形数据存储在井下仪器的存储器中，处理结果以实时方式通过泥浆脉冲遥测技术传输到地面。随着钻井过程的持续，不断重复上述声波信号测量和数据处理过程，得到不同深度上多个扇区的纵波和横波声速，从而实现随钻方位声波成像。

随钻方位声波仪器作为整个钻柱的一部分，随井下钻具一同旋转，钻具的转速范围通常介于0-300转/分钟，现有的随钻方位声波测井技术普遍采用固定时间间隔的测量模式，即通过编程使发射器按固定的时间间隔发射声波激励信号，接收器按同样的时间间隔记录波形，例如100ms测量一次。与此同时，同步记录每次测量时仪器的工具面角(通常测量磁工具面角或重力工具面角，磁工具面角是以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度；重力工具面角是以重力高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度)，并根据当前的工具面角值对测量数据进行方位扇区的分配，每个扇区内的数据通过叠加处理提高信噪比。这种采用固定时间间隔测量模式采集数据，方位扇区的数据覆盖取决于钻具的转速和钻速，存在如下问题：

1.当钻具转速较低，钻进速度较慢时，每个扇区覆盖的测量记录多，存在数据冗余，大数据量给井下数据实时处理和存储带来负担，同时由于频繁测量，增加了仪器的功耗。

2.当钻具转速较高，钻进速度较快时，不同扇区分配到的测量记录数是随机的，存在部分扇区测量记录多，部分扇区测量记录少甚至无测量记录的情况，进而不同扇区数据量不均衡，叠加处理后数据质量不一致，影响数据处理成像结果。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种随钻方位声波测井数据采集方法，采用方位等间隔测量模式采集数据，随着钻具的旋转，实现不同扇区数据的均衡覆盖，从而提高数据处理成像的效果，克服了现有随钻方位声波测井采集技术采用的固定时间间隔测量模式存在方位扇区数据覆盖受钻具的转速和钻速影响、不同扇区数据覆盖不均衡的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种随钻方位声波测井数据采集方法，随钻声波测井仪器在某一深度处随钻井工具旋转时，所述随钻声波测井仪器采用方位等间隔采集模式采集数据；

所述方位等间隔采集模式为：以方位间隔δθ将井周分成m个扇区，当所述随钻声波测井仪器的工具面角位于第k个扇区时，控制声波发射源发射声波信号，声波接收器测量所述声波信号并将所述声波信号数字化后存成第k个扇区的数据；依次对每个所述扇区进行数据采集，在每个所述扇区均采集n次数据后完成当前深度的数据采集；

其中，δθ＝360/m，m为大于1的正整数，k代表扇区的序号，k∈[1，m]，n为大于等于1的正整数。

进一步地，所述随钻声波测井仪器的工具面角位于第k个扇区是指θ满足(k-1)δθ＜θ＜kδθ；

所述θ为随钻声波测井仪器的工具面角。

进一步地，随钻声波测井仪器在某一深度处完成数据采集后，随钻井工具进入下一深度点继续采用方位等间隔采集模式采集数据，实现不同深度处数据的采集。

进一步地，所述声波接收器包括n组接收换能器阵列，每个扇区采集的n次数据叠加，获得测量数据体a(k，p)，p＝1，2……n。

p表示接收换能器阵列组的序号。

进一步地，在某一深度处数据采集完成后，利用慢度-时间相关法(stc)对每个扇区记录的波形数据进行处理得到当前深度测量点不同扇区的纵波速度和横波速度。

进一步地，所述工具面角为采用重力加速度计测量的重力工具面角或采用磁传感器测量的磁工具面角。

进一步地，所述扇区的个数m＝8或16。

进一步地，所述声波发射源采用偏极子发射或偶极子发射；

当采用偏极子发射时，发射频率选择10-15khz；

当采用偶极子发射时，发射频率选择2-5khz。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明采用方位等间隔采集模式，每个扇区数据叠加次数可控制，数据覆盖不受转速限制；

(2)本发明采用方位等间隔采集模式，各扇区覆盖的测量次数相同，数据量均衡，提高数据成像的质量。

附图说明

图1.随钻方位声波方位等间隔采集模式示意图；

图2.随钻方位声波方位等间隔采集模式工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

图1为随钻方位声波方位等间隔采集模式示意图，图1所示为发射换能器位置的横截面，仪器处于井眼中间，钻井过程中，发射换能器绕着仪器的轴线旋转，图1所示是一个偶极子发射源，包括2个发射换能器，也可是偏极子发射源，只使用其中1个发射换能器工作，仪器中间的圆孔提供泥浆通道，角度θ是发射换能器轴线与仪器工具面角参考值θ0位置之间的夹角。

设方位间隔为δθ，δθ＝360/m，m为测量扇区个数，以成像扇区个数16为例，则δθ＝22.5°。仪器工具面角参考值θ0＝0°，即对于重力工具面角，发射换能器的轴线指向高边，当使用磁工具面角，发射换能器的轴线指向地磁北向。

θk表示相邻扇区的角度分界，θk＝kδθ，k＝1……m，θk-1与θk之间为第k扇区。

随钻方位声波测井装置采集时，在每个深度点，首先按照方位等间隔采集模式，从第一个扇区开始，依次完成第一次m个扇区的数据采集，接下来根据叠加次数要求，完成多次m个扇区的数据采集。每个扇区的数据覆盖次数均相同，等于叠加次数。接下来具体分步骤介绍随钻方位声波方位等间隔采集模式工作流程。一种随钻方位声波测井数据采集方法，采用方位等间隔采集模式采集数据，随钻方位声波方位等间隔采集模式工作流程如下：

(1)初始化测量扇区序号，进行第一个扇区测量：

每个深度点测量时，设置m个扇区，首先从第一个扇区开始，设置扇区序号k＝1。

(2)测量仪器当前的工具面角θ，判断仪器的工具面角θ是否处于待测的扇区内：

利用加速度计或磁传感器测量仪器的重力工具面角或磁工具面角，当工具面角尚未落入待测扇区时，重新进行测量，直至工具面角处于待测扇区。

测量重力工具面角需要采用2个正交的加速度计，沿钻具径向安装，且其中一个加速度计敏感轴方向沿发射换能器轴线。测量磁工具面角需要采用2个正交的磁力计，安装方向与加速度计要求相同，且安装位置需要避开磁干扰区域。

(3)控制声波发射源向地层发射定向辐射声波信号：

控制声波发射源以最佳频率向周围井眼地层发射声能脉冲，当采用偏极子发射时，发射频率选择10-15khz，当采用偶极子发射时，最佳频率选择2-5khz。

(4)控制声波接收器同步采集数据：

声波接收器包括n组接收换能器阵列，接收阵列同步采集数据，每个扇区多次采集的波形数据叠加，获得测量数据体a(k，p)，p＝1，2……n，

k代表扇区的序号，p表示接收换能器阵列组的序号；

声能脉冲生成的声波场在沿井壁及周围地层向下传播的过程中被接收阵列所接收，接收阵列对接收到的全波列信号进行采样，实现波形的数字化。为了节省存储空间，对于每个扇区，接收换能器多次测量的数据进行叠加。

(5)结束当前测量，产生扇区步进k＝k+1：

完成该扇区的信号测量和数据叠加处理，扇区序号递增，准备进行下一扇区测量；

(6)判断是否完成所有方位测量k＞m：

当下一扇区序号小于等于扇区数m时，表明尚未完成本次所有扇区测量，进入第步骤(2)；当下一扇区序号大于扇区数m时，表明已完成本次所有扇区测量，进入步骤(7)。

(7)判断是否完成叠加n次测量：

为了提高数据质量，通常每个扇区需要多次采集并进行数据叠加，当完成所需的叠加次数n次测量时，完成本次深度点的数据采集；

当未完成所需的叠加次数测量时，进入步骤(1)，进行下一轮所有扇区采集。

进一步地，针对采集到的数据可进行步骤(8)：

(8)对数据体a(k，p)利用慢度-时间相关法(stc)处理，获得当前测量点不同扇区的纵波速度vc(k)和横波速度vs(k)。

在采集完成后，对每个扇区记录的波形数据进行处理，通常采用慢度-时间相关法(stc)，通过在一组全波波列中开设时间窗，以一定的慢度(时差)移动时窗来寻找纵波、横波、斯通利波，通过计算一系列相关系数，由此计算出各成分波的时差，进而获得给定的深度上，每个方位扇区的纵波和横波声速，原始声波波形数据存储在井下仪器的存储器中，处理结果以实时方式通过泥浆脉冲遥测技术传输到地面。至此完成当前深度点的方位等间隔采集过程。

进一步地，数据采集还可包括步骤(9)：

(9)进行下一深度点采集：

随着钻井过程的持续，不断重复上述声波信号测量和数据处理过程，从而得到不同深度上，多扇区的纵波和横波声速，实现随钻方位声波成像。步骤(1)-(9)的工作流程示意图如图2所示。