一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置，该方法包括：相控圆弧阵中的各接收换能器分别接收声波信号；按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定声波信号的入射方位。本发明是利用接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比传统的单极子换能器或圆弧阵中的任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，本发明能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。
【专利说明】—种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油地球物理勘探领域，具体地，涉及一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着石油勘探、开采难度的不断加大，对低孔、低渗、非均质等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律的研究成为持续关注的课题，对新的勘探方法和勘探技术的需求日益迫切。石油工业中广泛使用的声波测井仪器在地层评价中发挥着重要作用，而从声波测井技术的发展不难看出，换能器技术的发展和声波测井仪器的进步息息相关。换能器作为测井仪器的核心部件之一，其种类和工艺的进步可以提高资料质量甚至带来声波测井仪器的更新换代。
[0003]目前油田广泛使用的声波测井仪器的换能器依然主要采用单极子、偶极子、正交偶极和四极子等振动模式，这一类仪器统称为多极子声波测井仪器。单极子声波测井使用了对称振动声源，无法评价地层沿井圆周方向变化的特性，不具备周向方位分辨能力。而偶极子和四极子声波测井通过分别在充液井眼中激励弯曲波和螺旋波来近似测量地层的横波波速、确定地层最大和最小水平主应力方向，测量结果有一定的方位分辨能力。实际上，偶极子和四极子声波测井只能用于评价对称轴沿水平方向的横向各向同性(HTI)地层、确定快慢横波面的方位。偶极横波远探测测井也是利用井中的偶极声源对井旁的小地质构造进行成像，其方位分辨能力也会受到偶极子声源指向性的限制。
[0004]乔文孝等人在声波测井相控线阵方面开展了大量的基础研究工作，这些研究结果表明在声波测井中应用相控线阵可以明显提高测量信号的信噪比。中国石油大学(北京)与中国石油集团渤海钻探大港油田测井公司合作，成功地把相控线阵声波辐射技术应用到远探测反射声波成像测井仪中，应用实例表明该技术能够识别井旁10米左右的高角度裂缝等。但相控线阵声波辐射器与单极子声源类似，其辐射声场也同样具有轴对称性，这导致测量结果也不具有方位分辨能力。为了实现具有方位分辨能力的声波测井，乔文孝等人提出声波测井相控圆弧阵方案并对其辐射指向性和在井内、外产生的声场进行了研究。一系列的研究结果表明，相控圆弧阵声源能够向某一侧井壁定向辐射声波，而且该声源具有良好的周向指向性函数，结合先进的井下电子技术还可以使得相控圆弧阵向周向依次扫描辐射声场。在实验室进行的大量研究的基础上，相控圆弧阵发射换能器已经开始应用到新研制的仪器中，成功地取得了 12 口井的现场测量资料。利用相控圆弧阵作为声波辐射器可以使声波向周向方向定向辐射声波，但这种换能器应用到井下仪器中时，无论是在声源的结构、声源激励和控制电路、井眼中的波动模式及其所携带的信息和反演方法等方面都具有前所未有的复杂性和挑战性。从发射换能器角度考虑相控圆弧阵声波辐射器可以实现方位发射，向井壁定向辐射声波进而评价井外某一周向范围内的地层性质。而从接收换能器角度考虑，比如斯伦贝谢的Sonic Scanner仪器使用了沿一个圆周等间距分布的8个接收换能器，其工作方式是8个接收换能器独立接收声波信号，该仪器虽具有一定的周向分辨能力，但不足之处在于没有对同一个圆周上的各个接收换能器所接收的信号进行以提高方位分辨率和信噪比为目的的运算，没有把这方面的潜力充分发掘出来。
【发明内容】
[0005]本发明实施例的主要目的在于提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置，以提供一种具有该方位分辨率的周向定向声波接收技术。
[0006]为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，包括:
[0007]相控圆弧阵中的各接收换能器接分别收声波信号；所述相控圆弧阵由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成，且所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；
[0008]按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；
[0009]通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。
[0010]相应的，本发明还提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置，包括:
[0011]相控圆弧阵，由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成；所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；所述相控圆弧阵用于通过各接收换能器分别接收声波信号；
[0012]输出波形信号计算模块，用于按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；
[0013]入射方位确定模块，用于通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。
[0014]借助于上述技术方案，本发明将相控圆弧阵划分为多个接收子阵，每一接收子阵由多个相邻的接收换能器组成，针对每一接收子阵，对其中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理，计算得到该接收子阵的输出波形信号，进一步，通过对所有接收子阵的输出波形信号进行幅度统计，就可以确定声波信号的入射方位。本发明是利用接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比传统的单极子换能器或圆弧阵中的任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，因此，相比于现有技术，本发明能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。相对于八单元独立接收单元方案，本技术具有更高的方位分辨率和接收灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1是本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法流程示意图；
[0017]图2是本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置结构示意图；
[0018]图3是本实施例一提供的相控圆弧阵接收声波信号示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020]本发明提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，如图1所示，该方法包括:
[0021]步骤S11，相控圆弧阵中的各接收换能器分别接收声波信号；所述相控圆弧阵由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成，且所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成。
[0022]具体的，相控圆弧阵中包含的多个接收换能器按照圆周均匀排列，相邻的接收换能器之间声电隔离，为了描述方便，以下将相控圆弧阵中的每一接收换能器称之为一个阵元，相邻的多个阵元可组成一个接收子阵，设相控圆弧阵所包含的接收换能器个数为N (N为自然数)，即阵元数目为N，并设相控圆弧阵所包含的接收子阵个数为S (S为自然数)，每一接收子阵所包含的阵元数目为M (M为自然数)。
[0023]当声波信号入射到相控圆弧阵上，相控圆弧阵中的N个阵元同时接收声波信号，由于相邻阵元之间声电隔离，因此该相控圆弧阵共接收到N道独立的声波信号，且声波传播到各阵元的到达时间不同。
[0024]步骤S12，按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到。
[0025]具体的，本步骤对每一接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理，使得各接收换能器接收到的声波信号同相位叠加，得到输出波形信号，由于输出波形信号是以接收子阵为接收单元，其声束主瓣角宽比任一单独接收换能器接收到的声波信号的声束主瓣角宽都要窄，因此，本发明从根本上提高了井下声学测量的方位分辨率。
[0026]针对各接收子阵计算其对应的输出波形信号，按照设定的圆周方向(顺时针或者逆时针)循环一周，得到所有接收子阵的输出波形信号，即完成整个圆周方向的扫描方位接收，形成扫描方位接收阵。
[0027]步骤S13，通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。
[0028]具体的，对扫描方位接收阵的幅度进行统计，就可以用于判断出入射声波的传播方向。
[0029]在一种较佳的实施例中，本发明步骤S12中，对接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到输出波形信号，具体包括如下步骤:[0030]步骤S121，对接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据。
[0031]具体的，该步骤是对各阵元接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据。对声波信号进行数字离散处理为本领域的常用技术，此处不再赘述。
[0032]步骤S122，利用如下公式计算该接收子阵的输出波形信号:
[0033]
【权利要求】
1.一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，其特征在于，包括: 相控圆弧阵中的各接收换能器分别接收声波信号；所述相控圆弧阵由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成，且所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成； 按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到； 通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到，具体为: 对所述接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据； 利用如下公式计算该接收子阵的输出波形信号:
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相位加权参数根据所述相控圆弧阵的圆周半径及其所包括的接收换能器数目确定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于， 所述相控圆弧阵所包含的接收换能器数目为N，N为自然数，且N > 8 ; 所述相控圆弧阵所包含的接收子阵数目为S，S为自然数，且I < S < N ;
所述接收子阵所包含的接收换能器数目为M，M为自然数，且M
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法应用的声波频率范围是6~20千赫兹。
6.一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置，其特征在于，包括:相控圆弧阵，由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成；所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；所述相控圆弧阵用于通过各接收换能器分别接收声波信号； 输出波形信号计算模块，用于按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到； 入射方位确定模块，用于通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述输出波形信号计算模块对所述接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到输出波形信号时，具体用于: 对所述接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据； 利用如下公式计算该接收子阵的输出波形信号:
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述相位加权参数根据所述相控圆弧阵的圆周半径及其所包括的接收换能器数目确定。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于， 所述相控圆弧阵所包含的接收换能器数目为N，N为自然数，且N > 8 ; 所述相控圆弧阵所包含的接收子阵数目为S，S为自然数，且I < S < N ; 所述接收子阵所包含的接收换能器数目为M，M为自然数，且
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置应用的声波频率范围是6~20千赫兹。
【文档编号】E21B49/00GK103603656SQ201310367372
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】车小花, 乔文孝, 鞠晓东, 卢俊强 申请人:中国石油大学(北京)