相控线阵声波测井辐射器指向性影响因素研究

从基础物理实验着手,分析了相控线阵声波测井辐射器相邻阵元间激励延迟时间、声源频率、阵元间距、阵元个数、幅度加权等参数对相控线阵声波辐射器的指向性影响.大量实验研究表明,随着阵元间激励延迟时间的增加,相控线阵辐射声束主瓣角不断增大;随着声源频率降低、阵元间距减小、阵元个数减少以及适当的幅度加权可以使相控线阵辐射声束主瓣角不断变宽.实验测量数据与理论计算结果吻合较好.这为相控线阵声波辐射器在实际测井中的应用提供了设计依据.     

相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用探讨

采用有限元方法对相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用进行探讨,从信号的幅度、能量和损耗等角度考察了相控线阵声波辐射器的相位加权和幅度加权对在井孔中接收到的反射纵波的影响.结果表明使用相控线阵声波辐射器可以明显提高在井孔中接收到的有用信号的信噪比;应用相控辐射器的相位加权和幅度加权技术,即调节相控线阵声波辐射器的相邻阵元间激励信号的延迟时间和信号幅度,可使各个阵元辐射的声波信号在介质的传播过程中某个给定方向上的能量最大,从而使反射纵波信号得到明显增强.为相控线阵声波辐射技术在反射声波测井中的应用提供了理论基础.     

声波测井相控线阵声波辐射器的指向性测量

本文通过实验模拟的方法研究了声波测井相控线阵声波辐射器的指向性测量方法。实验中自制了三个不同结构的声波测井相控线阵辐射器和相应的多通道激励信号源，利用高精度定位系统和数据采集系统等设备测量了各个相控线阵辐射器在水中的垂直指向性。实验结果表明，随着相邻阵元的激励信号延迟时间的增加，相控线阵的辐射声束指向角不断变大；通过适当的幅度加权、降低激励信号的频率、调整阵元的间距等措施可以改变辐射声束的方向和辐射主瓣的角宽。把指向性实验测量结果与理论计算进行比较，一致性很好。声波辐射器辐射声波方向和辐射主瓣角宽的调整和控制对于新一代声波测井和井间地震勘探技术具有重要意义。     

随钻前视声波测井钻头前方声场特征研究

现有声波测井仪器无法满足前视探测需求,为此开展了基于相控阵技术的随钻前视声波测井技术研究。采用相控线阵声波辐射器和相控圆弧阵声波接收站,分别实现声波能量的定向辐射和扫描接收;利用有限差分算法,分别模拟了随钻条件下钻头前方存在一个地层界面时的单极和相控阵声波测井响应。模拟结果表明,由于井底散射的影响,随钻前视声波测井的波场比常规反射声波测井的声场更为复杂;与单极声波辐射器相比,相控线阵声波辐射器能够定向增强辐射到钻头前方地层中的声波能量,可以显著增强P-P回波的幅度;与单极声波接收器相比,通过统计相控圆弧阵声波接收站扫描接收到的不同方位P-P回波的幅度,可以近似判断钻前地层界面的方位。研究结果验证了利用相控阵声波测井技术探测钻前地质异常体的可行性,为后续工业样机的开发提供了理论依据。      

可用于声波测井的相控圆弧阵声波辐射器

为了使声波测井具有周向探测能力,提出了可应用于声波测井的、具有周向辐射特性的相控圆弧阵声波辐射器方案.这种声波测井圆弧阵声波辐射器由多个压电振子沿着圆周排列.研究表明,通过控制各个振子的激励时问可以实现向某个方位方向的声波辐射.在声波测井频率范围内,随着工作阵元个数的增加,圆弧阵辐射声波的周向指向性增强.在井下采用相控圆弧阵作为声波辐射器可以真正实现方位声波测井,这种声波辐射器在各向异性地层评价、定向钻井等石油工程中有良好的应用前景.     

声波测井相控线阵辐射器指向性理论研究

目前声波测井仪采用的单极子声源的辐射指向性均无法进行人工控制并且没有聚焦特性。研究可以在井下使用的、能够控制声束指向性的基阵式换能器对于声波测井和地震勘探具有重要意义。该文从理论上研究了相控阵辐射器的各种参数对指向性的影响。推导了幅度加权条件下相控线阵声波辐射器的指向性函数，并编程对相控阵的指向性进行了数值计算。通过数值计算详细研究了相控阵指向性的影响因素。     

相控圆弧阵声波辐射器在井旁地层中产生的声场特征

常规的单极子声波测井仪器无法对井旁地层的方位性质进行评价,多极子声波测井仪器有一定的方位测量能力,方位分辨率较低且反演地层性质时存在多解性。设计了一种具有方位辐射特性的声波测井相控圆弧阵声波辐射器,采用三维有限差分法对其在井旁地层中产生的声场进行了数值模拟。对模拟声场的方位特征进行的分析表明：相控圆弧阵声波辐射器产生的声波能量基本向某一周向角范围的井壁入射,进入地层的声波在一定周向角范围内传播。随着轴向源距的不断增大,相控圆弧阵声波辐射器在井旁地层中产生的声束周向角宽度逐渐变大。这种相控圆弧阵声波辐射器可用于方位反射声波测井新技术中,能评价井旁地层声学性质沿井周方向的变化,有助于复杂油气藏的识别和评价。     

相控线阵声源在裸眼井和套管井外地层中产生的声束对比

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽频带相控线阵声源在套管井和裸眼井外地层中产生的纵波声场。结果显示声源辐射的声波经过套管、水泥等多层介质后在地层中的声波幅度较裸眼井相比降低了约8.0dB,当套管井胶结差时辐射到地层中的能量更低。套管井的胶结状况基本不影响相控线阵声源在地层中辐射主瓣的偏转方向,但会改变主瓣角宽,且在套管井第Ⅰ或第Ⅱ界面胶结差时使旁瓣级增强。     

相控线阵技术在套管井声波测井地层信息测量中的应用

将相控线阵技术引入到套管井声波测井中,对不同胶结状况下相控线阵声源激发的全波波形进行了数值计算。利用时间—慢度相关法对计算结果进行的分析表明:利用相控线阵声源作为发射器可以明显提高全波波形的信噪比。当Ⅰ、Ⅱ界面均胶结良好时,在满足地层滑行纵波同相位叠加的条件下,随着相控线阵声源阵元个数的增加,地层滑行纵波的幅度基本呈线性增加;在Ⅰ、Ⅱ界面胶结性较差时,相控声源与单个点声源相比,可大大增强地层波的能量,有利于在套管井中进行地层声学性质的可靠性测量。     

远探测声波测井仪发射探头研究

远探测声波测井要求测量井眼外10 m内地层边界的反射波,测量关键是仪器发射探头的性能及其工作方式.为此,选择了不同几何尺寸、不同工作频率的探头进行实验,理论分析了相控线阵探头和实验分析探头的各种结构设计及其相关的相控线阵实验分析,确定了远探测声波发射探头的几何结构、激励高压和激励脉冲宽度以及发射探头的相控线阵参数.     

Numerical simulation of an acoustic field generated by a phased arc array in a fluid-filled borehole

The acoustic tools widely used in borehole well logging and being developed in borehole acoustic reflection imaging do not have the function of azimuthal measurement due to a symmetric source, so they can not be used to evaluate the azimuthal character of borehole formation. In this paper, a 3D finite difference method was used to simulate the acoustic fields in a fluid-filled borehole generated by a traditional monopole source and a phased arc array. Acoustic waveforms were presented for both cases. The analysis of the simulated waveforms showed that different from the monopole source, the acoustic energy generated by the phased arc array transmitter mainly radiated to the borehole in a narrow azimuthal range, which was the key technique to implement azimuthal acoustic well logging. Similar to the monopole source, the waveforms generated by the phased arc array in the fluid-filled borehole also contain compressional （P） waves and shear （S） waves refracted along the borehole, which is the theoretical foundation of phased arc array acoustic well logging.     

阵列声波测井传输网络指向性及互易性分析

在声波测井中声束导向的效率除受换能器的几何参数及阵列声波发射单元的激励延迟时间或阵列接收器接收的各道声波信号偏移时间的影响外 ,还受换能器的形状和尺寸的影响。一般声波测井仪是由一维阵列声源和单接收器或由单声源和一维阵列接收器组成。换能器为薄圆管形压电换能器。采用相应的声波测井传输网络理论和指向性权系数的概念 ,计算了换能器的形状及大小对声束导向信号所造成的影响 ,并论证了声波测井仪中阵列声源和阵列接收器的互易性。通过调整声束导向参数和阵列接收器接收到的声波信号的时间偏移量 ,可使得接收首波幅度 (阵列声源 )和叠加波首波幅度 (阵列接收器 )最大。此外 ,运用数值模拟和实验对文中提出的最佳设计方案进行了验证     

微环隙对声幅测井影响的定量计算及校正

为了消除微环隙对声幅测井曲线的影响,提高固井质量评价精度,在分析声波在介质中传播特性的基础上,分别建立了胶结良好时和微环隙存在时的各界面分层介质模型,并对2种情况下声幅测井接收到的声波强度表达式进行了推导,得到了声幅比值的表达式。该表达式可以量化微环隙对声幅测井的影响,并对声幅测井曲线进行校正。实例应用表明,实例井声幅测井曲线在校正后的最高相对声幅值从57%~59%降至36%~38%,固井质量评价结果由原来的胶结差变为胶结一般。由此可以看出,微环隙对声幅测井评价固井质量的影响是很大的,很容易对固井质量产生错误的评价,因此有必要对其校正,以提高固井质量评价的准确性。