一種隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣聲源裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及石油地球物理勘探領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明的實(shí)施方式涉 及一種隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣聲源裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本部分旨在為權(quán)利要求書中陳述的本發(fā)明的實(shí)施方式提供背景或上下文。此處的 描述不因?yàn)榘ㄔ诒静糠种芯统姓J(rèn)是現(xiàn)有技術(shù)。
[0003] 隨著深海油儲(chǔ)和復(fù)雜油氣藏的勘探開發(fā)需求的增長，工業(yè)界對(duì)聲波測(cè)井技術(shù)提出 了更多的要求。目前發(fā)展的單井反射聲波成像測(cè)井（遠(yuǎn)探測(cè)）技術(shù)，能對(duì)井附近數(shù)米到數(shù) 十米的范圍內(nèi)的地層構(gòu)造和地質(zhì)體進(jìn)行成像，大大拓展了聲波測(cè)井的評(píng)價(jià)范圍。在鉆井過 程中進(jìn)行反射聲波成像測(cè)井，可以實(shí)時(shí)地提供井周圍地層構(gòu)造及地質(zhì)體成像數(shù)據(jù)，指導(dǎo)鉆 進(jìn)的方向，從而將井眼軌跡調(diào)整到油藏最佳的位置，以達(dá)到最佳的產(chǎn)油（氣）或注水效果， 是下一代聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展方向。
[0004] 目前發(fā)展的井外地層成像技術(shù)主要有兩種：電磁方法和聲波方法。常規(guī)的電法遠(yuǎn) 探測(cè)成像儀器利用低頻電磁波進(jìn)行井外地層界面探測(cè)，由于其頻率較低，該方法僅能夠檢 測(cè)電阻率異常體的存在，而不能夠準(zhǔn)確確定異常體的方位。另外一種用于地質(zhì)導(dǎo)向的隨鉆 方位電磁波儀器，采用了發(fā)射高頻電磁波的方式，其探測(cè)深度較淺，僅有數(shù)米，不能夠完全 滿足現(xiàn)場測(cè)量的需要。
[0005] 傳統(tǒng)的電纜反射聲波成像測(cè)井技術(shù)主要有兩種：單極子縱波法和偶極子橫波法。 1998年，斯倫貝謝公司首先推出了單極子反射聲波成像儀器并應(yīng)用于現(xiàn)場。在國內(nèi)，中國 石油大學(xué)（北京）與中石油合作開發(fā)了利用單極子聲源的遠(yuǎn)探測(cè)反射聲波測(cè)井儀器。該 儀器的聲源主頻在10kHz以上，探測(cè)深度為幾米到十幾米范圍。由于單極子聲源為對(duì)稱聲 源，其水平指向性曲線近似為圓形，在周向上無明顯指向性，采用單極子聲源得到的成像圖 為二維圖像，無法確定地層構(gòu)造或者地質(zhì)體的方位。唐曉明等提出了利用正交偶極子聲源 進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像的方法，并給出了具體的應(yīng)用實(shí)例。偶極子聲源的頻率較低（2kHz~ 5kHz)，該方法可以探測(cè)更遠(yuǎn)處的地層，探測(cè)深度達(dá)到20m~30m，但是，其指向性曲線近似 為"0"形，對(duì)井旁地層界面方位的探測(cè)存在180°多解性，限制了其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人對(duì)隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究：
[0007] 在鉆進(jìn)過程中，井旁界面方位的確定對(duì)地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。隨鉆 三維反射聲波成像測(cè)井技術(shù)可以實(shí)時(shí)地對(duì)井周圍的地層構(gòu)造和地質(zhì)體進(jìn)行成像，為地質(zhì)導(dǎo) 向鉆井提供必要的信息，是下一代聲波測(cè)井技術(shù)的發(fā)展方向。
[0008] 在電纜測(cè)井領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)提出了采用相控圓弧陣聲源在井內(nèi)進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量的方 法，并分別從理論、數(shù)值模擬、物理模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等多個(gè)方面證實(shí)了井孔中的相控圓弧陣 聲源在井旁均質(zhì)各向同性地層評(píng)價(jià)方面的可靠性。但在隨鉆條件下，由于鉆鋌占據(jù)了井孔 內(nèi)的大部分空間，在聲源的安裝、接收器的安裝以及井孔內(nèi)外聲場的分布等方面，隨鉆測(cè)井 與電纜測(cè)井都有很大不同，因此并不能簡單地將電纜測(cè)井中使用的相控圓弧陣聲源應(yīng)用于 隨鉆測(cè)井中。
[0009] 例如，電纜測(cè)井中相控圓弧陣聲源的陣元的形狀通常為長方體型，其不適合于在 隨鉆測(cè)井儀器中安裝和使用；基于隨鉆條件下對(duì)井旁地層進(jìn)行三維掃描輻射聲波的隨鉆三 維反射聲波成像測(cè)井技術(shù)是一種全新的井下測(cè)量技術(shù)?；谝陨涎芯?，本發(fā)明提出了一種 利用圓弧片狀陣元組成的相控圓弧陣進(jìn)行隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣聲源裝置及 方法。
[0010] 在本發(fā)明實(shí)施方式的第一方面中，提供了一種隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣 聲源裝置，包括：
[0011] 聲源裝置，包括沿鉆鋌的軸向依次設(shè)置的多個(gè)相控圓弧陣；所述相控圓弧陣包括 按圓周均勻裝設(shè)于鉆鋌外表面的多個(gè)陣元，所述陣元呈圓弧片狀；
[0012] 計(jì)算單元，用于計(jì)算令井孔中的所述聲源裝置在井旁地層中產(chǎn)生的縱波場的主瓣 指向目標(biāo)方向且覆蓋所述目標(biāo)方向上的目標(biāo)點(diǎn)時(shí)所需的如下控制參數(shù)：每個(gè)所述相控圓 弧陣中各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)的幅度權(quán)重，為每個(gè)所述相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵(lì) 信號(hào)的延遲時(shí)間，以及為所述聲源裝置中沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí) 間；
[0013] 激勵(lì)單元，用于按照所述計(jì)算單元計(jì)算出的所述控制參數(shù)，激勵(lì)所述聲源裝置中 的各個(gè)陣兀振動(dòng)以發(fā)射聲波。
[0014] 在本發(fā)明實(shí)施方式的第二方面中，提供了一種隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣 聲源方法，包括：
[0015] 步驟1，計(jì)算令井孔中的聲源裝置在井旁地層中產(chǎn)生的縱波場的主瓣指向目標(biāo)方 向且覆蓋所述目標(biāo)方向上的目標(biāo)點(diǎn)時(shí)所需的控制參數(shù)；
[0016] 其中，所述聲源裝置包括沿鉆鋌的軸向依次設(shè)置的多個(gè)相控圓弧陣；所述相控圓 弧陣包括按圓周均勻裝設(shè)于鉆鋌外表面的多個(gè)陣元，所述陣元呈圓弧片狀；
[0017] 所述控制參數(shù)包括：每個(gè)所述相控圓弧陣中各個(gè)陣元對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)的幅度權(quán) 重，為每個(gè)所述相控圓弧陣中相鄰陣元施加激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間，以及為所述聲源裝置中 沿鉆鋌的軸向的相鄰陣元施加激勵(lì)信號(hào)的延遲時(shí)間；
[0018] 步驟2,按照所述步驟1計(jì)算出的所述控制參數(shù)，激勵(lì)所述聲源裝置中的各個(gè)陣元 振動(dòng)以發(fā)射聲波。
[0019] 借助于上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣聲源裝置 及方法，在結(jié)構(gòu)方面，利用裝設(shè)于鉆鋌上的圓弧片狀陣元組成相控圓弧陣，實(shí)現(xiàn)了相控圓弧 陣在隨鉆條件下的應(yīng)用；在控制方面，利用單個(gè)相控圓弧陣中的各個(gè)陣元實(shí)現(xiàn)水平面的掃 描輻射，利用沿鉆鋌軸向設(shè)置的多個(gè)相控圓弧陣實(shí)現(xiàn)垂直平面的掃描輻射，從而很好地實(shí) 現(xiàn)了地層的三維掃描輻射；無論在高頻或低頻情況下，本發(fā)明均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的任意方 位定向輻射聲波，其指向性圖主瓣明顯，旁瓣級(jí)低，具有較高的方位分辨率，并且探測(cè)距離 遠(yuǎn)，信噪比高，非常適合隨鉆條件下的三維反射聲波成像。
【附圖說明】
[0020] 通過參考附圖閱讀下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明示例性實(shí)施方式的上述以及其他目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得易于理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發(fā)明的若 干實(shí)施方式，其中：
[0021] 圖1是本發(fā)明示例性裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0022] 圖2是本發(fā)明示例性裝置中聲源裝置的一種實(shí)施例；
[0023]圖3是本發(fā)明示例性裝置中聲源裝置在井孔內(nèi)的截面示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明示例性裝置中計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖5是本發(fā)明示例性裝置中位置參數(shù)分解模塊計(jì)算位置參數(shù)的示意圖；
[0026] 圖6是本發(fā)明示例性裝置中聲源裝置的主聲束偏轉(zhuǎn)角度0。的示意圖；
[0027]圖7是本發(fā)明示例性裝置在快速地層井孔中情況下以步長角度為30°在0°~ 90°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式的向井旁地層中周向掃描輻射時(shí)的水平指向圖；
[0028] 圖8是本發(fā)明示例性方法的流程示意圖；
[0029] 圖9是本發(fā)明示例性方法中計(jì)算各項(xiàng)控制參數(shù)的流程示意圖；
[0030] 圖10是本發(fā)明示例性方法的另一種流程示意圖；
[0031] 在附圖中，相同或?qū)?yīng)的標(biāo)號(hào)表不相同或?qū)?yīng)的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面將參考若干示例性實(shí)施方式來描述本發(fā)明的原理和精神。應(yīng)當(dāng)理解，給出這 些實(shí)施方式僅僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，而并非以任何 方式限制本發(fā)明的范圍。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能 夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提出了一種隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井相控陣聲源裝置 及方法。
[0034] 在本文中，陣元包括但不限于是壓電振子等通過振動(dòng)發(fā)射聲波的裝置。此外，附圖 中的任何元素?cái)?shù)量均用于示例而非限制，以及任何命名都僅用于區(qū)分，而不具有任何限制 含義。
[0035] 下面參考本發(fā)明的若干代表性實(shí)施方式，詳細(xì)闡釋本發(fā)明的原理和精神。
[0036] 發(fā)明概沐
[0037] 本發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，隨鉆測(cè)井與電纜測(cè)井相比，由于鉆鋌占據(jù)了井孔內(nèi)的大部分空 間，在聲源的安裝、接收器的安裝以及井孔內(nèi)外聲場的分布等方面，二者均有所不同，因此 電纜測(cè)井中使用的相控圓弧陣聲源不能直接應(yīng)用于隨鉆測(cè)井中。例如，電纜測(cè)井中相控圓 弧陣聲源的陣元的形狀通常為長方體型，不適合于在隨鉆測(cè)井儀器中安裝和使用。
[0038] 為了利用相控圓弧陣聲源完成隨鉆條件下的三維聲波成像測(cè)井，本發(fā)明提供一種 利用圓弧片狀陣元組成的相控圓弧陣進(jìn)行隨鉆三維反射聲波成像測(cè)井的相控陣聲源裝置 及方法。
[0039] 本發(fā)明在結(jié)構(gòu)方面，沿鉆鋌的軸向依次布置多個(gè)相控圓弧陣，每個(gè)相控圓弧陣包 括按圓周均勻裝設(shè)于鉆鋌外表面的多個(gè)陣元，每個(gè)陣元呈圓弧片狀，以適合在鉆鋌上安裝 和使用。
[0040] 本發(fā)明在控制方面，一方面利用激勵(lì)信號(hào)幅度加權(quán)和相位控制（