專利名稱：一種隨鉆聲波測井裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于應(yīng)用地球物理測井領(lǐng)域，具體地，涉及一種隨鉆聲波測井裝置和方法，用于確定井旁地質(zhì)界面的距離和方位。
背景技術(shù)：
隨著石油、天然氣、礦藏勘探開發(fā)需求的增長及測井技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大斜度井和水平井出現(xiàn)，在這些井的實時鉆進過程中，為了提高鉆井施工的精確度和鉆進效率，確保井眼穿過產(chǎn)層，避免不必要的損失，需要有效跟蹤地層上下界面的相對空間位置，在鉆井過程探測鉆頭附近的地層界面信息，以決定鉆井的下一步走向和位置。目前已有的隨鉆測量系統(tǒng)，常常會在鉆頭的附近安裝許多傳感器以測量鉆井、井眼和地層相關(guān)參數(shù)，然后利用這些參數(shù)進行隨鉆鉆井導(dǎo)向。例如，電阻率被用來確定油氣的存在，同時被用來進行隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向，然而，電阻率的探測深度通常只有2 3米，而且不能提供相對于隨鉆系統(tǒng)的地層界面方位信息。對于專門用于地質(zhì)導(dǎo)向的方位電磁波來說，由于其頻率較高，雖然解決了地層界面的相對方位問題，但探測深度依舊有限，難以探測到數(shù)十米以外的地質(zhì)構(gòu)造體。公開號為US7912648B2的發(fā)明專利提出了使用低頻電磁波，向地層深部發(fā)射電磁信號，以探測井周圍地質(zhì)異常體與背景地層電阻率的差異造成的電阻率異常。然而，低頻電磁波的分辨率很低，這種遠探測往往只能感知異常體的存在而難于確定其具體位置。公開號為CN101694153A的發(fā)明專利公開了一種隨鉆地層界面聲波掃描測量裝置和方法，通過相控圓弧聲波輻射器向地層中某一側(cè)輻射聲波信號，實現(xiàn)井旁地層界面方位的確定，結(jié)合位于鉆鋌兩側(cè)的短源距聲波接收器接收到的反射波實現(xiàn)井旁地層界面到井軸距離的確定。采用圓弧聲波輻射器的聲源發(fā)射方式雖然增強了聲波脈沖的定向輻射能力，但控制電路的復(fù)雜度增加，體積較大，供電能耗相對傳統(tǒng)的激發(fā)模式明顯增加，對于井下高溫和空間狹小的隨鉆環(huán)境來說，工程實現(xiàn)相對困難，另外，為了保證圓弧聲波輻射器對井周地層介質(zhì)的全方位360°覆蓋，隨鉆測速會降低?？傊?，基于當前的隨鉆測量系統(tǒng)很難得到一個最佳的井眼軌跡，特別是在薄儲層中，更為困難。因此，需要有一個能夠相對準確，且工程實現(xiàn)較為方便的確定井旁地質(zhì)界面的隨鉆聲波測井裝置和方法，而利用聲波反射技術(shù)進行井旁地質(zhì)體的識別和探測成為一種可行的選擇方案，它不僅具有常規(guī)聲波測井的高分辨率特征，而且能夠探測井旁更遠距離的地質(zhì)體。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種隨鉆聲波測井裝置和方法，用于確定井旁地質(zhì)界面的距離和方位。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
一種隨鉆聲波測井裝置，包括鉆鋌、聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器、第一隔聲體、第二隔聲體、第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列及控制系統(tǒng)；其特征在于:聲波發(fā)射換能器同時具有單極子輻射功能、正交偶極子輻射功能和四極子輻射功能，其輻射聲波信號沿井壁地層和向井外傳播；近源距聲波接收換能器用于接收被井旁地層界面反射回井中的聲波信號；第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列用于接收被井旁地層界面反射回井中的聲波信號和沿井壁介質(zhì)傳播的滑行波信號；控制系統(tǒng)置于鉆鋌壁內(nèi)的空腔，控制系統(tǒng)控制聲波發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，對近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列所接收的聲波信號進行數(shù)據(jù)處理得到井軸到井旁地層界面的橫向距離及井旁地層界面方位。優(yōu)選地，第一隔聲體、第二隔聲體在鉆鋌軸線方向關(guān)于聲波發(fā)射換能器對稱布置，第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列在鉆鋌軸線方向上關(guān)于聲波發(fā)射換能器對稱布置；第一隔聲體、第二隔聲體位于第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列之間；近源距聲波接收換能器位于第一隔聲體、第二隔聲體之間；近源距聲波接收換能器位于聲波接收換能器與第一隔聲體之間或者近源距聲波接收換能器位于聲波接收換能器與第二隔聲體之間。優(yōu)選地，鉆鋌中部外壁上設(shè)有聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽，聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有聲波發(fā)射換能器，聲波發(fā)射換能器由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈內(nèi)，圓筒狀橡膠圈固定于聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部，用于保護弧形壓電晶片并允許聲波發(fā)射換能器輻射聲波進入地層。優(yōu)選地，聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽下側(cè)設(shè)有近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽中心與聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽中心相距
0.lm-0.5m，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有近源距聲波接收換能器，用于接收被井旁地層界面反射回井中的反射波信號；近源距聲波接收換能器由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈上，圓筒狀橡膠圈固定于鉆鋌聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部，用于保護弧形壓電晶片并允許地層聲波信號進入近源距聲波接收換能器。優(yōu)選地，第一隔聲體和第二隔聲體均為鉆鋌上規(guī)則刻槽或變徑結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列均由4-8個聲波收換能器組成，相鄰上下兩個聲波接收換能器之間中心到中心的距離為
0.lm-0.3m ;每個聲波接收換能器均由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈上，多個弧形壓電晶片在鉆鋌周向上等間距布置，圓筒狀橡膠圈固定于鉆鋌聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部。優(yōu)選地，聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列的每個聲波接收換能器具有相同個數(shù)的弧形壓電晶片，每個弧形壓電晶片在鉆鋌上所處位置固定，在鉆鋌軸線上每個弧形壓電晶片中心連成
一直線。優(yōu)選地，隨鉆聲波測井裝置的控制系統(tǒng)，包括:總線接口電路、系統(tǒng)控制和存儲電路、數(shù)據(jù)采集通道和發(fā)射器激勵電路；
總線接口電路，與地面或井下通訊總線相連接，用于接收地面控制命令和發(fā)送井下采集處理數(shù)據(jù)；
系統(tǒng)控制和存儲電路，與總線接口電路相連接，用于隨鉆聲波測井的工作時序管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理；
發(fā)射器激勵電路，一端與系統(tǒng)控制和存儲器電路相連接，用于對接收的命令進行譯碼，存儲根據(jù)接收的命令生成調(diào)制的激勵信號，另一端與聲源發(fā)射換能器相連接，用于控制其激勵信號相位相同或相反，對聲波發(fā)射換能器進行聲波激勵。發(fā)射激勵電路包括發(fā)射控制器、激勵信號源、功率放大器和阻抗匹配電路。發(fā)射控制器接收系統(tǒng)控制和存儲電路的命令，設(shè)置和啟動激勵信號源產(chǎn)生激勵波形，并經(jīng)功率放大器進行功率放大后送入阻抗匹配電路，聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生多極子聲波信號；發(fā)射器激勵電路對每個弧形壓電晶片的激勵猝發(fā)是正弦波信號，初始相位為0°或180°，通過弧形壓電晶片發(fā)射器激勵信號同相位或反相位以產(chǎn)生單極子、偶極子和四極子發(fā)射模式；
數(shù)據(jù)采集通道多個并聯(lián)，多個數(shù)據(jù)采集通道分別與近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列和系統(tǒng)控制和存儲電路相連接，多個數(shù)據(jù)采集通道分別用于對近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列的每個弧形壓電晶片進行信號放大、濾波和量化采集；數(shù)據(jù)采集通道包括:采集子控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理。多個上述數(shù)據(jù)采集通道并聯(lián)與近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列與系統(tǒng)控制和存儲電路之間，實現(xiàn)多通道的聲波數(shù)據(jù)采集，這些采集的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)控制和存儲電路中被相加或相減處理，實現(xiàn)多極子數(shù)據(jù)采集。近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列的模擬信號幅度在幾十毫伏至幾百毫伏，并伴隨鉆頭噪聲、鉆井濾液循環(huán)噪聲和其它噪聲干擾，信號調(diào)理用于對這樣的信號進行增益放大或衰減和模擬帶通濾波；之后，這個調(diào)理后的信號被送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)量化處理，然后經(jīng)采集子控制器送入系統(tǒng)控制和存儲電路。采集子控制器還實現(xiàn)對信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時序控制。優(yōu)選地，鉆鋌為空心圓柱體，軸心設(shè)有水眼，用作鉆井濾液循環(huán)通道；第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列均具有6個聲波接收換能器。一種隨鉆聲波測井方法，其特征在于，采用上述隨鉆聲波測井裝置。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器和遠源距聲波接收換能器在周向上均采用了由多個弧形壓電晶片組成，控制電路易于實現(xiàn)。2、本發(fā)明通過控制電路可以靈活實現(xiàn)單極子、偶極子和四極子三種發(fā)射模式，針對不同的發(fā)射模式可以選擇不同的地層界面方位確定方法，適用性更廣。3、本發(fā)明采用的遠源距聲波接收換能器陣列對稱布置于隔聲體上下兩側(cè)，可以使除了反射聲波信號之外的，與聲波發(fā)射換能器相關(guān)的其它聲波信號，包括沿鉆井儀器串傳播的體波、管波以及由隨鉆穩(wěn)定器引起的反射 波等，能夠最大程度的被壓制，提高信噪比，后續(xù)數(shù)據(jù)處理更為簡潔方便。4、本發(fā)明采用的近源距聲波接收換能器位于聲波發(fā)射換能器一側(cè)，在井旁地層界面傾向與井軸近似垂直時，可以快速的計算得到井軸到井旁地層界面的橫向距離。5、本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置和方法，不僅可以探測和評價井旁地層界面，而且可以對井旁裂縫、斷層、鹽丘、溶洞和礦體等地質(zhì)構(gòu)造體到井軸的距離以及地質(zhì)構(gòu)造體的方位進行評價，適用性好，工程應(yīng)用高。


圖1是本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置聲波換能器橫截面示意圖3是本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置聲波換能器縱截面示意圖4是本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井方法工作流程圖。
具體實施例方式下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的隨鉆聲波測井裝置和方法作進一步 的說明。如圖1所示，用于確定井旁地質(zhì)界面的隨鉆聲波測井裝置，包括鉆鋌105、聲波發(fā)射換能器IOO(T)、近源距聲波接收換能器101 00、第一隔聲體102、第二隔聲體102’、第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1-Rn)、第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)及控制系統(tǒng)(圖1中未示出)；聲波發(fā)射換能器IOO(T)同時具有單極子輻射功能、正交偶極子輻射功能和四極子輻射功能，其輻射聲波信號沿井壁地層和向井外傳播；近源距聲波接收換能器IOl(Rtl)用于接收被井旁地層界面120反射回井中的聲波信號；第一隔聲體102和第二隔聲體102’用于衰減聲波發(fā)射換能器IOO(T)激發(fā)的沿鉆鋌105傳播的儀器模式波；第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ (R/ Rn’)用于接收被井旁地層界面120反射回井中的聲波信號和沿井壁介質(zhì)傳播的滑行波信號；控制系統(tǒng)控制聲波發(fā)射換能器IOO(T)發(fā)射聲波信號，對近源距聲波接收換能器101 (R0)、第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)、第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)所接收的聲波信號進行數(shù)據(jù)處理得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離及井旁地層界面120方位。鉆鋌105為空心圓柱體，軸心設(shè)有水眼104，用作鉆井濾液循環(huán)通道。鉆鋌105中部外壁上設(shè)有聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽(圖1中未示出)，聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有聲波發(fā)射換能器IOO(T)，如圖2和圖3所示。聲波發(fā)射換能器100 (T)由四個弧形壓電晶片106組成，四個弧形壓電晶片106鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈108內(nèi)，圓筒狀橡膠圈108固定于聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片106彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板107覆蓋弧形壓電晶片106外部，用于保護弧形壓電晶片106并允許聲波發(fā)射換能器IOO(T)輻射聲波進入地層。聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽下側(cè)設(shè)有近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽(圖1中未示出)，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽中心與聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽中心相距0.lm-0.5m，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有近源距聲波接收換能器101 (Rtl),用于接收被井旁地層界面120反射回井中的反射波信號；近源距聲波接收換能器IOl(Rtl)封裝方式與聲波發(fā)射換能器IOO(T)相同，如圖2和圖3所示；近源距聲波接收換能器101 (Rtl)由四個弧形壓電晶片106組成，四個弧形壓電晶片106鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈108上，圓筒狀橡膠圈108固定于鉆鋌105聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片106彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板107覆蓋弧形壓電晶片106外部，用于保護弧形壓電晶片106并允許地層聲波信號進入近源距聲波接收換能器101 (R0)。近源距聲波接收換能器101 (R0)也可位于聲波接收換能器100 (T)的上側(cè)。在近源距聲波接收換能器環(huán)形安裝凹槽的下側(cè)設(shè)有第一隔聲體102 ;在聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽的上側(cè)設(shè)有第二隔聲體102’，第一隔聲體102和第二隔聲體102’在鉆鋌105的軸向上關(guān)于聲波發(fā)射換 能器IOO(T)對稱布置，第一隔聲體102和第二隔聲體102’均為鉆鋌上規(guī)則刻槽或變徑結(jié)構(gòu)，用于衰減聲波發(fā)射換能器100 (T)激發(fā)的沿鉆鋌105傳播的儀器模式波。在第一隔聲體102的下部，設(shè)有第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)，在第二隔聲體102’的上部，設(shè)有第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)，第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)在鉆鋌105軸向上關(guān)于聲波發(fā)射換能器IOO(T)對稱布置。第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)均由4-8個聲波收換能器組成，優(yōu)選的，為6個聲波接收換能器，相鄰上下兩個聲波接收換能器之間的距離(中心到中心)為0.lm-0.3m。第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1-Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)包含的聲波接收換能器封裝方式與聲波發(fā)射換能器IOO(T)相同，如圖2和圖3所示；每個聲波接收換能器均由四個弧形壓電晶片106組成，四個弧形壓電晶片106鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈108上，4個弧形壓電晶片106在鉆鋌105周向上等間距布置，圓筒狀橡膠圈108固定于鉆鋌105聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片106彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板107覆蓋弧形壓電晶片106外部，用于保護弧形壓電晶片106并允許沿井壁傳播的聲波信號和來自地層深部的聲波信號透射進入第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)。以上聲波發(fā)射換能器IOO(T)、近源距聲波接收換能器101 (R0)、第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)的每個弧形壓電晶片106在鉆鋌105上所處位置固定，在鉆鋌105軸線上每個弧形壓電晶片106中心連成一線。在井下對第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)波形進行地層聲波波速求取，得到聲波發(fā)射換能器IOO(T)到第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1-Rn)之間井壁地層的聲波傳播波速。在井下對第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)波形進行地層聲波波速求取，得到聲波發(fā)射換能器IOO(T)到第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)之間井壁地層的聲波傳播波速；
針對第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)在鉆鋌105周向上四個弧形壓電晶片106接收到的陣列波形，通過井下數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)接收到的陣列波形差運算，得到鉆鋌周向不同弧形壓電晶片106位置處的聲波信號，根據(jù)聲波信號的幅度差異，確定井旁地層界面120的方位。根據(jù)第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)得到的井旁地層界面120的方位，代表了聲波發(fā)射換能器100 (T)與第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)所在地層介質(zhì)區(qū)域的井旁地層界面120方位。針對第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)在鉆鋌105周向上四個弧形壓電晶片106接收到的陣列波形，通過井下數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)接收到的陣列波形差運算，得到鉆鋌周向不同弧形壓電晶片106位置處的聲波信號，根據(jù)聲波信號的幅度差異，確定井旁地層界面120的方位。根據(jù)第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)得到的井旁地層界面120的方位，代表了聲波發(fā)射換能器IOO(T)與第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)所在地層介質(zhì)區(qū)域的井旁地層界面120方位。將第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)波形和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)波形聯(lián)合進行聲波信號矢量減運算，得到來自井旁地層界面120的反射波信號，通過井下數(shù)據(jù)處理計算聲波發(fā)射換能器IOO(T)到井旁地層界面120的橫向距離。如圖4所示，隨鉆聲波測井裝置的控制系統(tǒng)，包括:總線接口電路111、系統(tǒng)控制和存儲電路110、數(shù)據(jù)采集通道109和發(fā)射器激勵電路112?？偩€接口電路111，與地面或井下通訊總線112相連接，用于接收地面控制命令和發(fā)送井下采集處理數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制和存儲電路110 ，與總線接口電路111相連接，用于隨鉆聲波測井的工作時序管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。發(fā)射器激勵電路99，一端與系統(tǒng)控制和存儲器電路110相連接，用于對接收的命令進行譯碼，存儲根據(jù)接收的命令生成調(diào)制的激勵信號，另一端與聲源發(fā)射換能器IOO(T)相連接，用于控制其激勵信號相位相同或相反，對聲波發(fā)射換能器IOO(T)進行聲波激勵。發(fā)射激勵電路99包括發(fā)射控制器119、激勵信號源118、功率放大器117和阻抗匹配電路116。發(fā)射控制器119接收系統(tǒng)控制和存儲電路110的命令，設(shè)置和啟動激勵信號源118產(chǎn)生激勵波形，并經(jīng)功率放大器117進行功率放大后送入阻抗匹配電路116，聲波發(fā)射換能器IOO(T)產(chǎn)生多極子聲波信號；發(fā)射器激勵電路99對每個弧形壓電晶片的激勵猝發(fā)是正弦波信號，初始相位為0°或180°，通過弧形壓電晶片發(fā)射器激勵信號同相位或反相位以產(chǎn)生單極子、偶極子和四極子發(fā)射模式。數(shù)據(jù)采集通道109多個并聯(lián)，多個數(shù)據(jù)采集通道分別與近源距聲波接收換能器101 (R0)、第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)及第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)和系統(tǒng)控制和存儲電路110相連接，多個數(shù)據(jù)采集通道109分別用于對近源距聲波接收換能器101 (10、第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)及第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)的每個弧形壓電晶片進行信號放大、濾波和量化采集。數(shù)據(jù)采集通道109包括:采集子控制器115、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC) 114和信號調(diào)理113。多個上述數(shù)據(jù)采集通道109并聯(lián)與近源距聲波接收換能器101 (R0)、第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)及第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)與系統(tǒng)控制和存儲電路110之間，實現(xiàn)多通道的聲波數(shù)據(jù)采集，這些采集的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)控制和存儲電路110中被相加或相減處理，實現(xiàn)多極子數(shù)據(jù)采集。近源距聲波接收換能器101 (R0)、第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)及第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)的模擬信號幅度在幾十毫伏至幾百毫伏，并伴隨鉆頭噪聲、鉆井濾液循環(huán)噪聲和其它噪聲干擾，信號調(diào)理113用于對這樣的信號進行增益放大或衰減和模擬帶通濾波；之后，這個調(diào)理后的信號被送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC) 114進行數(shù)據(jù)量化處理，然后經(jīng)采集子控制器115送入系統(tǒng)控制和存儲電路110。采集子控制器115還實現(xiàn)對信號調(diào)理113和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC) 114的時序控制。本發(fā)明采用了多極子模式的聲波發(fā)射和接收，既可以對每個弧形壓電晶片進行數(shù)據(jù)的單獨采集，也可以對同深度點的弧形壓電晶片接收信號進行相加或相減運算，得到所需要的單極子、偶極子和四極子三種發(fā)射模式，可以通過控制系統(tǒng)方便的實現(xiàn)對井旁的地層界面120的全向輻射，避免了測速降低的問題。如圖5所示是本發(fā)明的隨鉆聲波測井裝置工作流程，具體包括如下步驟: 步驟126，聲波發(fā)射換能器IOO(T)向地層輻射聲波信號。一部分聲波信號沿井壁向聲波發(fā)射換能器IOO(T)上下兩側(cè)傳播，一部分聲波信號輻射進入地層被井旁地層界面120反射回井孔，被聲波接收換能器接收，其具體步驟包括:
步驟126a，聲波發(fā)射換能器IOO(T)向地層輻射聲波信號；
步驟126b，聲波信號向井外地層輻射，經(jīng)井旁地層界面120反射，被近源距聲波接收換能器IOl(R0)接收，傳播路徑為123 ；
步驟126c，接收電路對步驟126b中近源距聲波接收換能器101 (R0)接收到的反射波信號進行放大和濾波；
步驟126d，沿井壁的滑行波信號及經(jīng)井旁地層界面的反射波信號，被遠源距聲波接收換能器接收。聲波信號沿井壁分別在聲波發(fā)射換能器100 (T)上下兩側(cè)傳播，分別被第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn')接收，傳播路徑分別為124和125 ;同時聲波信號向井外地層輻射被井旁地層界面120反射，透過井壁進入充液井孔，分別被第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)接收，傳播路徑分別為121和122 ；
步驟126e，接收電路對步驟126d中第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)、第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)，接收到的反射波信號進行放大、濾波及陣列全波采集。第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)、第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)，既可以單獨采集鉆鋌105周向上每個弧形壓電晶片106接收到的聲波信號，也可以對每個弧形壓電晶片106接收到的聲波信號進行井下相加或相減運算。第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)位于第一隔聲體102的下部，第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)位于第二隔聲體102’的上部，對稱置于聲波發(fā)射換能器IOO(T)上下兩側(cè)，主要用于消除反射聲波信號之外的，與聲波發(fā)射換能器IOO(T)相關(guān)的其它聲波信號，包括沿鉆井儀器串傳播的體波、管波以及由隨鉆穩(wěn)定器引起的反射波等，最大程度的壓制干擾信號，提高信噪比，使井下反射波信號偏移成像更為簡潔和方便。近源距聲波接收換能器101 (Rtl)位于鉆鋌105下側(cè)，主要用于當井旁地層界面120走向與隨鉆鉆進軌跡接近垂直時，計算井軸到井旁地層界面120橫向距離,提高計算效率。步驟127，計算井壁地層介質(zhì)的聲波波速。對步驟126e得到的第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)波形、第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)波形，利用系統(tǒng)控制和存儲電路110實現(xiàn)井壁地層的聲波波速計算，用于確定井軸到井旁地層界面120的橫向距離。步驟128，接收電路對近源距聲波接收換能器接收到的反射波信號進行首波到時檢測。對步驟126c得到的近源距聲波接收換能器101 (R0)波形數(shù)據(jù)，進行反射波首波到時檢測，得到傳播路徑為123的聲波傳播時間，用于井軸到井旁地層界面120的橫向距離計
笪
ο步驟129，將井壁地層聲波波速和反射波首波到時暫存入距離參數(shù)寄存器。將步驟127得到的井壁地層聲波波速和步驟128得到的近源距聲波接收換能器101 (R0)的反射波到達時間，暫存入距離參數(shù)寄存器，用于后續(xù)井軸到井旁地層界面120橫向距離的計算。步驟130，針對采集到的第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’(R/ Rn’)波形數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)控制和存儲電路110實現(xiàn)井下對應(yīng)換能器接收波形數(shù)據(jù)的減運算，然后對相減波列首波峰值進行閥值判定，根據(jù)井旁地層界面120反射回的聲波信號到達時間和井壁地層介質(zhì)中的聲波波速，得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離；也可以通過對相減波列，利用系統(tǒng)控制和存儲電路對相減波列完成井下偏移成像處理，得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離，具體實施步驟包括:
步驟130a，計算對稱于聲波發(fā)射換能器的每對聲波接收換能器波形的差分。對第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)進行井下減運算，得到來自井旁地層界面120反射聲波信號，消除其它干擾信號；
步驟130b，對得到的差分 反射波首波波形進行峰值的閥值判定；
步驟130c，讀取距離參數(shù)寄存器，計算井軸到井旁地層界面120的橫向距離。當反射聲波首波峰值小于預(yù)設(shè)閥值，立即讀取步驟129中距離參數(shù)寄存器中的地層聲波波速和近源距聲波接收換能器IOl(Rtl)的反射波首波到時，根據(jù)地層聲波速度和反射波首波到時的乘積得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離；
步驟130d，拾取差分反射波首波到時，進行反射波傾角疊加。當反射聲波首波峰值大于預(yù)設(shè)閥值，將步驟130a中得到反射波信號，按照反射波到時進行傾角疊加，提高反射波的信噪比，進一步壓制沿井壁、鉆鋌傳播的聲波信號以及隨機噪聲信號；
步驟130e，偏移成像處理得到井軸到井旁地層界面的橫向距離。利用系統(tǒng)控制和存儲電路110對步驟130d得到的傾角疊加反射波波形實現(xiàn)井下偏移成像處理，得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離，同時自動拾取井旁地層界面120的傾角α。當井旁地層界面120與井軸夾角接近零(α =0° )時，反射波路徑121和122傳播時間基本一致，第一遠源距聲波接收換能器陣列103( Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)接收到的波列進行井下減運算之后，反射波信號也同時被消除，出現(xiàn)“零”信號現(xiàn)象，無法計算得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離，此時近源距聲波接收換能器IOl(Rtl)的反射波傳播路徑123出現(xiàn)了類似于自激自收的情況，根據(jù)反射波總傳播時間，結(jié)合地層的聲波波速，就可以得到井軸到井旁地層界面120的橫向距離。當井旁地層界面120與井軸夾角α較大時，對第一遠源距聲波接收換能器陣列103 (R1 Rn)和第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)接收到的波列進行井下減運算后，反射波信號不再為“零”信號。井旁地層界面120的方位可以通過步驟131得到，具體實施步驟包括:步驟131a，計算聲波發(fā)射換能器IOO(T)下側(cè)不同周向上的聲波接收換能器波形差分。對第一遠源距聲波接收換能器陣列103(& 10不同周向的接收器陣列利用系統(tǒng)控制和存儲電路110實現(xiàn)井下不同周向上的波列減運算；
步驟131b，讀取隨鉆測量系統(tǒng)提供的方向參數(shù)，包括隨鉆儀器相對于上部、下部、東、西、南、北以及隨鉆儀器軸線在水平面的投影與磁北方向之間的夾角，隨鉆儀器的傾斜角和工具面向角；
步驟131c，確定井眼相對于井旁地層界面的方位。根據(jù)得到的反射波幅度差異，結(jié)合步驟131b中提供的隨鉆測量系統(tǒng)方向參數(shù)，經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換得到井旁地層界面120相對于井眼的方位。步驟131或采用如下步驟:
步驟131a，計算聲波發(fā)射換能器IOO(T)上側(cè)不同周向上的聲波接收換能器波形差分。對第二遠源距聲波接收換能器陣列103’ OV Rn’)不同周向的接收器陣列利用系統(tǒng)控制和存儲電路110實現(xiàn)井下不同周向上的波列減運算；
步驟131b，讀取隨鉆測量系統(tǒng)提供的方向參數(shù)，包括隨鉆儀器相對于上部、下部、東、西、南、北以及隨鉆儀器軸線在水平面的投影與磁北方向之間的夾角，隨鉆儀器的傾斜角和工具面向角；
步驟131c，確定井眼相對于井旁地層界面的方位。根據(jù)得到的反射波幅度差異，結(jié)合步驟131b中提供的隨鉆測量系統(tǒng)方向參數(shù)，經(jīng)過坐標系轉(zhuǎn)換得到井旁地層界面120相對于井眼的方位。本發(fā)明的上述步驟130、步驟131可以顛倒。
權(quán)利要求
1.一種隨鉆聲波測井裝置，包括鉆鋌、聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器、第一隔聲體、第二隔聲體、第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列及控制系統(tǒng)；其特征在于:聲波發(fā)射換能器同時具有單極子輻射功能、正交偶極子輻射功能和四極子輻射功能，其輻射聲波信號沿井壁地層和向井外傳播；近源距聲波接收換能器用于接收被井旁地層界面反射回井中的聲波信號；第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列用于接收被井旁地層界面反射回井中的聲波信號和沿井壁介質(zhì)傳播的滑行波信號；控制系統(tǒng)置于鉆鋌壁內(nèi)的空腔，控制系統(tǒng)控制聲波發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，對近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列所接收的聲波信號進行數(shù)據(jù)處理得到井軸到井旁地層界面的橫向距離及井旁地層界面方位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:第一隔聲體、第二隔聲體在鉆鋌軸線方向關(guān)于聲波發(fā)射換能器對稱布置，第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列在鉆鋌軸線方向上關(guān)于聲波發(fā)射換能器對稱布置；第一隔聲體、第二隔聲體位于第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列之間；近源距聲波接收換能器位于第一隔聲體、第二隔聲體之間；近源距聲波接收換能器位于聲波接收換能器與第一隔聲體之間或者近源距聲波接收換能器位于聲波接收換能器與第二隔聲體之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:鉆鋌中部外壁上設(shè)有聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽，聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有聲波發(fā)射換能器，聲波發(fā)射換能器由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈內(nèi)，圓筒狀橡膠圈固定于聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部，用于保護弧形壓電晶片并允許聲波發(fā)射換能器輻射聲波進入地層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽下側(cè)設(shè)有近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽中心與聲波發(fā)射換能 器安裝環(huán)形凹槽中心相距0.lm-0.5m，近源距聲波接收換能器安裝環(huán)形凹槽內(nèi)設(shè)有近源距聲波接收換能器，用于接收被井旁地層界面反射回井中的反射波信號；近源距聲波接收換能器由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈上，圓筒狀橡膠圈固定于鉆鋌聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部，用于保護弧形壓電晶片并允許地層聲波信號進入近源距聲波接收換能器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:第一隔聲體和第二隔聲體均為鉆鋌上規(guī)則刻槽或變徑結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列均由4-8個聲波收換能器組成，相鄰上下兩個聲波接收換能器之間中心到中心的距離為0.lm-0.3m ;每個聲波接收換能器均由多個弧形壓電晶片組成，多個弧形壓電晶片鑲嵌于預(yù)留有弧形凹槽的圓筒狀橡膠圈上，多個弧形壓電晶片在鉆鋌周向上等間距布置，圓筒狀橡膠圈固定于鉆鋌聲波發(fā)射換能器安裝環(huán)形凹槽上，相鄰的弧形壓電晶片彼此聲電絕緣，透聲保護蓋板覆蓋弧形壓電晶片外部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列和第二遠源距聲波接收換能器陣列的每個聲波接收換能器具有相同個數(shù)的弧形壓電晶片，每個弧形壓電晶片在鉆鋌上所處位置固定，在鉆鋌軸線上每個弧形壓電晶片中心連成一直線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:隨鉆聲波測井裝置的控制系統(tǒng)，包括:總線接口電路、系統(tǒng)控制和存儲電路、數(shù)據(jù)采集通道和發(fā)射器激勵電路； 總線接口電路，與地面或井下通訊總線相連接，用于接收地面控制命令和發(fā)送井下采集處理數(shù)據(jù)； 系統(tǒng)控制和存儲電路，與總線接口電路相連接，用于隨鉆聲波測井的工作時序管理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理； 發(fā)射器激勵電路，一端與系統(tǒng)控制和存儲器電路相連接，用于對接收的命令進行譯碼，存儲根據(jù)接收的命令生成調(diào)制的激勵信號，另一端與聲源發(fā)射換能器相連接，用于控制其激勵信號相位相同或相反，對聲波發(fā)射換能器進行聲波激勵； 發(fā)射激勵電路包括發(fā)射控制器、激勵信號源、功率放大器和阻抗匹配電路； 發(fā)射控制器接收系統(tǒng)控制和存儲電路的命令，設(shè)置和啟動激勵信號源產(chǎn)生激勵波形，并經(jīng)功率放大器進行功率放大后送入阻抗匹配電路，聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生多極子聲波信號；發(fā)射器激勵電路對每個弧形壓電晶片的激勵猝發(fā)是正弦波信號，初始相位為0°或180°，通過弧形壓電晶片發(fā)射器激勵信號同相位或反相位以產(chǎn)生單極子、偶極子和四極子發(fā)射模式； 數(shù)據(jù)采集通道多個并聯(lián)，多個數(shù)據(jù)采集通道分別與近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列和系統(tǒng)控制和存儲電路相連接，多個數(shù)據(jù)采集通道分別用于對近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列的每個弧形壓電晶片進行信號放大、濾波和量化采集； 數(shù)據(jù)采集通道包括:采集子控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和信號調(diào)理； 多個上述數(shù)據(jù)采集通道并聯(lián)與近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列與系統(tǒng)控制和存儲電路之間，實現(xiàn)多通道的聲波數(shù)據(jù)采集，這些采集的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)控制和存儲電路中被相加或相減處理，實現(xiàn)多極子數(shù)據(jù)采集; 近源距聲波接收換能器、第一遠源距聲波接收換能器陣列及第二遠源距聲波接收換能器陣列的模擬信號幅度在幾十毫伏至幾百毫伏，并伴隨鉆頭噪聲、鉆井濾液循環(huán)噪聲和其它噪聲干擾，信號調(diào)理用于對這樣的信號進行增益放大或衰減和模擬帶通濾波；之后，這個調(diào)理后的信號被送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)量化處理，然后經(jīng)采集子控制器送入系統(tǒng)控制和存儲電路； 采集子控制器還實現(xiàn)對信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的時序控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于:鉆鋌為空心圓柱體，軸心設(shè)有水眼，用作鉆井濾液循環(huán)通道；第一遠源距聲波接收換能器陣列、第二遠源距聲波接收換能器陣列均具有6個聲波接收換能器。
10.一種隨鉆聲波測井方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-9的隨鉆聲波測井裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隨鉆聲波測井裝置和方法，裝置包括鉆鋌、聲波發(fā)射換能器、近源距聲波接收換能器、隔聲體、遠源距聲波接收換能器陣列和控制系統(tǒng)；聲波發(fā)射換能器輻射聲波信號在鉆鋌所在井壁地層和井外傳播；近源距聲波接收換能器用于接收井旁地層界面反射回井中的反射波信號；第一、第二遠源距聲波接收換能器陣列用于接收井旁地層界面反射回井中的聲波信號和沿井壁地層傳播的滑行波信號；控制系統(tǒng)控制聲波發(fā)射換能器發(fā)射聲波信號，對近源距聲波接收換能器、遠源距聲波接收換能器陣列聲波信號進行數(shù)據(jù)處理，得到井軸到井旁地層界面的橫向距離及方位。本發(fā)明控制電路易于實現(xiàn)，可以井旁地質(zhì)構(gòu)造體到井軸的距離及其方位進行評價，工程應(yīng)用高。
文檔編號E21B49/00GK103147747SQ20131010711
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者魏周拓, 唐曉明, 陳雪蓮, 譚寶海 申請人:中國石油大學(華東)