声波测井相控线阵辐射器幅度加权的实验研究

在声波测井工程中使用相控线阵声波辐射器可以使声波向着接收探头一侧辐射,从而提高声波测井的信噪比和探测距离.对相控线阵进行幅度加权可以改变其辐射主瓣的角宽,这种技术在声波测井中有良好的应用前景.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,研究了利用幅度加权方法增加和减小相控线阵辐射主瓣的方法并用实验测量结果进行了校验,二者取得了良好的一致性.研究表明,当相控线阵阵元幅度由阵的中心向两边对称单调增加时,阵的辐射主瓣角会变窄,反之变宽.     

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.     

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。      

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。     

等效相控接收阵及其在声波测井波形处理中的应用

通过调节施加于相控线阵发射探头相邻阵元的激励信号的延迟时间，改变相控线阵辐射声波能量的方向，使得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。根据声声的互易原理，当对一个接收阵列的不同阵元接收到的信号进行处时相加时，调节阵列接收器中每个阵元所接收的声波信号的延迟时间使它们同相位叠加，也可以有利于接收某一个特定方向的声波，从而使得接收到的声波能量最大。利用该思想处理了声波全波信号，取得了预期效果。     

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.     

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。     

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。     

方位反射声波成像测井技术在井旁地质体评价中的应用

方位反射声波成像测井技术能够接收来自井旁地层不同方向的纵波信号,实现对井旁几十米范围内的地质体方位和到井距离的测量.当井旁地质体尺度明显大于地层中的纵波波长时,利用该地质体产生的反射纵波可以对地质体进行精确成像;当井旁地质体尺度与地层中的纵波波长相当时,则可以利用该地质体产生的散射纵波获得地质体的分布情况.方位远探测声波测井仪器装配了 10个八单元声波接收站,每个接收站由沿圆周均匀分布的8个压电型接收振子构成,可以获得多个源距、不同方位的声波数据.介绍了方位反射声波成像测井技术及2个应用案例,并将声波相控阵技术应用于方位声波测井资料处理中,以提高井旁地质体方位测量的准确度.针对过井裂缝和相邻井的方位反射声波成像测井测量实例,验证了利用该测井方法评价井旁地质体空间位置时的可靠性.     

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。     

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.     

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.     

远探测反射波声波测井方法实验研究进展

在井下发射低频声波信号,按地震勘探工作方式接收反射波已经从理论和实际测井资料解释中得到确认.介绍了用大幅度(4000V)的窄脉冲激发声学探头,得到频率接近10 kHz的、可用于远探测反射波声波测井的低频声波信号的实验过程.为接收低频反射波信号,应该选择谐振频率较低的接收探头.在模拟井中按上述思路组装的声系可以测量记录到距离井壁约7～10 m处声学界面的反射波信号.实验结果可作为远探测反射波声波测井声系设计的依据.     

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

Transducers that are widely applied in cement bond evaluation tools, such as cement bond logs and variable density logs, cannot radiate acoustic energy directionally because of the characteristics of monopole sources. A phased arc array transmitter, which is a novel transducer that differs from monopole and dipole transducers, is presented in this study. To simulate the acoustic field generated by a phased arc array in a fluid-filled cased borehole with different channelings, a 3D finite-difference time-domain method is adopted. The acoustic field generated by a traditional monopole source is also simulated and compared with the field generated by the phased arc array transmitter. Numerical simulation results show that the phased arc array radiates energy directionally in a narrow angular range in the borehole, thereby compressing the acoustic energy into a narrow range in the casing pipe, the cement, and the formation. We present the analyses of first-arrival waveforms and the amplitudes of casing waves at different azimuthal angles for the two different sources. The results indicate that employing a directional source facilitates azimuthal identification and analysis of possible channeling behind the casing pipe.     

随钻单极子声反射测井数值模拟

从随钻地质导向的实际需求出发,通过三维直角坐标时域有限差分数值模拟的方法对比了均匀地层和井旁存在地质界面时随钻环境下单极子声源激发的井孔内外声场分布特征,考察了钻铤的存在对井外辐射声场强度的影响。由于硕大钻铤的声场屏蔽效应,井旁存在地层界面时,井周8个方位上接收到的反射纵波信息具有明显差异,通过对不同方位上接收的信号做矢量计算,得到了来自井旁地层界面的反射纵波信息;通过对比不同方位上接收器接收到的反射纵波信号的强弱,还可确定地层界面的方位信息。由反射纵波幅度随源距的变化曲线可知,为了采集到反射纵波,建议随钻声波测井的测量源距控制在0～4m。数值计算结果为随钻反射声波仪器的研制和数据资料的处理提供了参考。     

用光纤电缆传输信号的多种频率阵列声波测井

介绍了光纤电缆传输系统传输速率为10 Mbit/s的多频率阵列声波测井仪及实际测井案例.多种频率阵列声波测井仪器的声系能在井下发射频率为10、20、40 kHz等3种声波信号,用2组各有8个接收探头组成的接收阵列.用3种频率的探头进行的井下声学性质测量,可以获得在井壁附近不同径向深度处的介质的声学性质的测量记录结果.用长度为4 250 m的光缆及相应的井下电-光转换系统(井下光端机),井下光电马笼头,地面绞车上的光电转换滑环(光电滑环)和地面的光-电转换系统(地面光端机),已经能保证所传输信号的损失在10 dB以下,目前已经能以1.25 Mbit/s的速率传输井下采集的3种频率的声波波列信号,并已在辽河油田的模拟井内成功地进行了现场实验.