一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置及方法与流程

本发明涉及地球物理和石油工程中的测井技术领域，尤其涉及一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置及方法。

背景技术：

随着国内外油气勘探开发的不断深入，水平井和大斜度井的钻井作业日益增多，地质导向技术发展迅速。然而，在实际钻井的过程中，钻头前方地质构造信息的不确定性不仅会影响目的层的钻遇效果，还会极大地增加钻井作业的风险。因此，需要在钻井过程中实时了解钻头前方几十厘米到几米甚至十几米的范围内有无地质构造、钻头的哪一侧有地质构造和钻头距离地质构造有多远。在获取钻前地质构造信息的基础上就可以通过地质导向技术对井眼轨迹进行监测和控制，保证实际井眼始终处于油气藏开发的最佳位置，从而可以最大限度地提高开发效益。随钻前视声波测井的探测目标主要是钻头前方的地质构造，而现有的随钻声波测井仪器的声源无明显的辐射指向性、也不能对向井外辐射的声场进行控制，只有很少的一部分能量是向钻头前方的地层中辐射。当钻头前方存在地质构造时，也只能形成很弱的散射(或反射)波信号，严重影响了仪器对钻头前方地质构造的探测能力。

因此，如何提供具有定向辐射能力的随钻声波测井仪器的声源，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供了一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置及方法，具有提高随钻声波测井仪器的前视探测能力的有益效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置，该装置包括：设置于钻铤外表面的阵列式声波辐射器、获取单元及激励单元；所述阵列式声波辐射器包括：沿同一轴线排列的多个声波辐射站；所述声波辐射站包括：多个压电振子；

各所述压电振子分别设置于所述钻铤外表面沿圆周方向均匀设置的各凹槽内；

所述获取单元，用于获取适用于所述随钻前视声波测井的控制参数；所述控制参数包括：相邻所述声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间及各所述声波辐射站所施加的激励信号的幅度权重；

所述激励单元，用于利用所述控制参数激励各所述声波辐射站，以辐射声波能量。

一实施例中，所述声波辐射站还包括：设置于各所述压电振子与对应的凹槽之间的第一声电隔离体，用于隔离声电。

一实施例中，所述阵列式声波辐射器还包括：设置于各所述声波辐射站之间的第二声电隔离体，用于隔离声电。

一实施例中，各所述压电振子的工作频率范围为5khz至25khz。

一实施例中，每个所述声波辐射站包括至少四个所述压电振子。

一实施例中，各所述声波辐射站沿钻铤轴线等间隔排列；各所述声波辐射站所施加的激励信号的主频均相等；相邻所述声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间均相等。

一实施例中，所述阵列式声波辐射器在井内的辐射主声束的偏转角θs满足如下关系式：

其中，d为相邻所述声波辐射站的中心点之间的距离，vf为井内泥浆的纵波波速，τ为相邻所述声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间。

一实施例中，所述阵列式声波辐射器在井内的辐射主声束的偏转角θs不大于声波由井内入射于井壁界面的第一临界角。

一实施例中，所述第一临界角θc具体为：

θc＝arcsin(vf/vp)

其中，vf为井内泥浆的纵波波速，vp为井外地层的纵波波速。

本发明还提供了一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射方法，该方法包括：

获取适用于所述随钻前视声波测井的控制参数；所述控制参数包括：相邻所述声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间及各所述声波辐射站所施加的激励信号的幅度权重；

利用所述控制参数激励各所述声波辐射站，以辐射声波能量。

本发明提供的一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置及方法，包括：设置于钻铤外表面的阵列式声波辐射器、获取单元及激励单元；所述阵列式声波辐射器包括：沿同一轴线排列的多个声波辐射站；所述声波辐射站包括：多个压电振子；各所述压电振子分别设置于所述钻铤外表面沿圆周方向均匀设置的各凹槽内；所述获取单元，用于获取适用于所述随钻前视声波测井的控制参数；所述控制参数包括：相邻所述声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间及各所述声波辐射站所施加的激励信号的幅度权重；所述激励单元，用于利用所述控制参数激励各所述声波辐射站，以辐射声波能量。本申请通过调整所述阵列式声波辐射器中各所述声波辐射站所施加的激励信号的幅度和相位等参数可以控制所述阵列式声波辐射器的垂直指向性，使声波能量尽可能多地向钻头前方辐射，从而增加仪器的探测距离和提高接收信号的信噪比，具有提高随钻声波测井仪器的前视探测能力的有益效果。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置的结构框图；

图2是本申请的一实施例中的阵列式声波辐射器的结构示意图；

图3是本申请一实施例中的声波辐射站的俯视图；

图4是本申请一实施例中的声波辐射站的结构示意图；

图5是随钻前视声波测井的原理示意图；

图6是本申请一实施例中的阵列式声波辐射器的定向辐射技术的原理图；

图7是本申请的一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射方法的流程图；

图8是本申请一实施例中的辐射站个数不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图；

图9是本申请一实施例中的延迟时间不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图；

图10是本申请一实施例中的幅度权重不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图。

具体实施方式

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。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、……等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置，其结构如图1所示，该阵列式声波辐射装置包括：阵列式声波辐射器1、获取单元2及激励单元3。

阵列式声波辐射器1设置于钻铤4外表面，阵列式声波辐射器1包括：多个声波辐射站101。

如图2所示，该阵列式声波辐射器1包括至少两个声波辐射站101，且各声波辐射站101沿钻铤4轴线方向排列。

如图3所示，声波辐射站101包括：多个压电振子1011。具体的，压电振子1011的个数至少为4个。

如图4所示，钻铤4外表面沿圆周方向均匀设置若干凹槽401，各压电振子1011分别设置于各凹槽401内。

获取单元2，用于获取适用于随钻前视声波测井的控制参数。其中控制参数包括：相邻声波辐射站101所施加的激励信号的延迟时间及各声波辐射站101所施加的激励信号的幅度权重。

激励单元3，用于利用控制参数激励各声波辐射站101，以辐射声波能量。

在一个实施例中，如图3所示，声波辐射站101还包括：设置于各压电振子1011与对应的凹槽401之间的第一声电隔离体1012，用于隔离声电。

具体实施时，第一声电隔离体1012的材料具体为聚四氟乙烯，但本发明不以此为限，任何具有隔离声电功能的材料均可以。

在一个实施例中，如图1所示，该阵列式声波辐射器1还包括：设置于各声波辐射站101之间的第二声电隔离体102，用于隔离声电。

具体实施时，第二声电隔离体102的材料具体为聚四氟乙烯，但本发明不以此为限，任何具有隔离声电功能的材料均可以。

在一个实施例中，各压电振子1011的工作频率范围为5khz至25khz。

在一个实施例中，相邻声波辐射站101的中心点之间的距离(即间距)均相等，各声波辐射站101所施加的激励信号的主频均相等，相邻声波辐射站101所施加的激励信号的延迟时间均相等。

在一个实施例中，阵列式声波辐射器在井内的辐射主声束的偏转角θs满足如下关系式：

其中，d为相邻声波辐射站101的中心点之间的距离(即间距)，vf为井内泥浆的纵波波速，τ为相邻声波辐射站101所施加的激励信号的延迟时间。

具体实施时，图5为随钻前视声波测井的原理图。如图5所示，井孔5、隔声体6、声波接收器7、地层a、地层b及地层界面c。随钻前视声波测井的原理为：各声波辐射站101按一定延迟时间依次激励；当钻头前方存在裂缝、断层、界面等地质构造时，声波从地质构造处散射(或反射)回来，被声波接收器接收；接收波形经过波场分离、偏移成像和坐标变换等处理后，可以获得钻头到地质构造的距离、地质构造的倾向以及方位等信息。相比于现有的随钻声波测井仪器的声波辐射器，本发明实施例的阵列式声波辐射装置的优势就是通过调整各个声波辐射站的激励信号的幅度和相位等参数可以控制阵列式声波辐射器的垂直指向性，使声波能量尽可能多地向钻头前方辐射，从而增加仪器的探测距离和提高接收信号的信噪比，具有提高随钻声波测井仪器的前视探测能力的有益效果。

根据声场理论，如图6所示，阵列式声波辐射装置的辐射特性是由4个声波辐射站101(t1、t2、t3及t4)辐射的声波在场区干涉叠加的结果，与各声波辐射站101的分布和施加在各声波辐射站101上的激励信号有关。阵列式声波辐射器在井内的辐射主声束的偏转角θs满足上述公式(1)，其中，d为相邻所述声波辐射站中心点之间的距离(即间距)，例如t1与t2的中心点之间的距离，vf为井内泥浆的纵波波速，τ为相邻声波辐射站101所施加的激励信号的延迟时间，例如t1所施加的激励信号与t2所施加的激励信号的时间差。

其中，阵列式声波辐射器1在井内的辐射主声束的偏转角θs不大于声波由井内入射于井壁界面的第一临界角。

在一个实施例中，阵列式声波辐射器1在井内的辐射主声束的偏转角θs不大于声波由井内入射于测井壁界面的第一临界角。

具体实施时，所述第一临界角θc具体为：

θc＝arcsin(vf/vp)

其中，vf为井内泥浆的纵波波速，vp为井外地层中的纵波波速。对于一般地层，总有vf＜vp。

当井孔5内声源产生的声波以入射角θs入射于井壁时，只有满足θs＜θc时才能在井旁地层中产生折射纵波。一般认为，井内泥浆的纵波波速vf约为1600m/s，井外地层中的纵波波速vp的范围为1800m/s～7000m/s。于是，各种地层的第一临界角的范围约为13°～63°。

本发明一实施例中的阵列式声波辐射器1，如图2所示，设置于钻铤4外表面，由四个声波辐射站101沿同一轴线排列而成，相邻声波辐射站101之间采用第一声电隔离体102进行声电隔离。如图4所示，每个声波辐射站101作为阵列式声波辐射器1的一个辐射单元，由多个压电振子1011组成。各压电振子1011分别设置于钻铤4外表面沿圆周方向均匀设置的各凹槽401内。各压电振子1011与钻铤4外表面之间采用第二声电隔离体1012进行声电隔离。每个声波辐射站101中的各压电振子1011同相位工作时，每个声波辐射站101的振动等效于一个单极子声源，各压电振子1011的工作频率范围为5khz至25khz。

本发明还提供一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射方法，应用于上述用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置，其流程图如图7所示，该方法包括以下步骤：

s101：获取适用于随钻前视声波测井的控制参数。其中，控制参数包括：相邻声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间及各声波辐射站所施加的激励信号的幅度权重。

s102：利用控制参数激励各声波辐射站，以辐射声波能量。

图8是本申请一实施例中的辐射站个数不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图。图9是本申请一实施例中的延迟时间不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图。图10是本申请一实施例中的幅度权重不同的阵列式声波辐射器在流体中激励出的归一化纵波能量分布图。本发明实施例的不同控制参数的阵列式声波辐射器在无限大流体中激励出的归一化纵波能量分布图，如图8、图9及图10所示。一般来说，如图8所示，随着声波辐射站个数的增多，阵列式声波辐射器激励出的纵波能量逐渐增强，辐射主声束的3db角宽逐渐减小。如图9所示，当延迟时间为零时，阵列式声波辐射器的辐射主声束对称分布在阵列式声波辐射器两侧；随着延迟时间的增大，阵列式声波辐射器的辐射主声束逐渐靠近阵列式声波辐射器排列的方向，偏转角逐渐变大。如图10所示，当幅度权重由中心向两侧对称单调减小时，阵列式声波辐射器的辐射主声束角宽变大，旁瓣级降低；当幅度权重由中心向两侧对称单调增加时，阵列式声波辐射器的辐射主声束角宽变小，旁瓣级增多。阵列式声波辐射器在无限大流体中激励出的纵波能量分布曲线的3db角宽比在井外地层中激励出的纵波能量分布曲线的3db角宽要小。

本发明提供的一种用于随钻前视声波测井的阵列式声波辐射装置及方法，包括：设置于钻铤外表面的阵列式声波辐射器、获取单元及激励单元；阵列式声波辐射器包括：沿同一轴线排列的多个声波辐射站；声波辐射站包括：多个压电振子；各压电振子分别设置于钻铤外表面沿圆周方向均匀设置的各凹槽内；获取单元，用于获取适用于随钻前视声波测井的控制参数；控制参数包括：相邻声波辐射站所施加的激励信号的延迟时间及各声波辐射站所施加的激励信号的幅度权重；激励单元，用于利用控制参数激励各声波辐射站，以辐射声波能量。本申请通过调整阵列式声波辐射器中各声波辐射站的激励信号的幅度和相位等参数可以控制阵列式声波辐射器的垂直指向性，使声波能量尽可能多地向钻头前方辐射，从而增加仪器的探测距离和提高接收信号的信噪比，具有提高随钻声波测井仪器的前视探测能力的有益效果。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。