向井外地层中扫描辐射二维声场的方法.pdf

本发明是一种反射声波成像测井或井间声波勘探向井旁地层中扫描辐射二维声场的方法。对井下相控线阵声波辐射器每个阵元分别进行激发，调整各个阵元的激励信号的延迟时间(发射相移)，使得相控线阵声波辐射器辐射的合成主波束偏转，不断依次增加或减小各井下相控线阵声波辐射器相邻阵元激励信号的延迟时间，改变辐射器产生的声束的垂直指向性，实现向井外地层中扫描辐射声场。本发明可对井旁地层进行声波扫描，可实现辐射声束角宽、入射角的限制和声波传播方向的精确控制，从而实现声波的定向扫描辐射声场，提高了勘探分辨率、增大探测范围。

1、  一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，将井下相控线阵声波辐射器下入井中所需深度，对其中每个阵元分别进行激发，同时调整各个阵元的激励信号的延迟时间(发射相移)，使得相控线阵声波辐射器辐射的合成主波束偏转，其特征在于：
控制辐射声波的偏转方向由下式确定： τ = d sin θ s c . . . ( 1 ) , ]]>
其中，d为相邻阵元之间的距离，c为声源所在介质的纵波波速，τ为相邻阵元所加激励信号的延迟时间，θ_s为相控辐射器主声束主瓣的偏转角，
不断依次增加或减小各井下相控线阵声波辐射器相邻阵元激励信号的延迟时间，改变辐射器产生的声束的垂直指向性，实现向井外地层中扫描辐射声场。

2、  根据权利要求1所述的一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：主声束主瓣的入射角θ_s的范围为不大于声波由井内入射于井壁界面的第一临界角。

3、  根据权利要求1所述的一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：进入地层的声波传播方向的偏转角可从-90°变化到90°。

4、  根据权利要求1所述的一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：换能器阵的外直径范围为60mm-95mm，工作频率范围为5kHz-25kHz。

5、  根据权利要求1所述的一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：对于由多个点源构成的相控线阵，其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由以下函数式计算： D 1 ( θ , θ s , ω ) = | Σ i = 1 N A i e - jk [ ( sin θ - sin θ s ) ( i - 1 ) d | | Σ i = 1 N A i | . . . ( 2 ) ]]>
式中i表示阵元序号，A_i为第i个阵元的振动幅度，也是幅度加权因子。

6、  根据权利要求1或5所述的一种向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：对于由多个圆管构成的相控线阵，其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由下式计算：D＝D₁×D₂(3)，其中，
D 2 ( θ ) = [ J 0 2 ( πa λ cos θ ) + cos 2 θ J 1 2 ( πa λ cos θ ) J 0 2 ( πa λ ) + J 1 2 ( πa λ ) ] 1 2 × sin ( πh λ sin θ ) πh λ sin θ . . . ( 4 ) ]]>
D₂是圆管状声波辐射器的指向性函数，a和h分别是圆管换能器的平均半径和高度，λ是声波波长。

7、  根据权利要求5或6所述的一种向井轴对称地层中扫描辐射二维声场的方法，其特征在于：调节井下相控线阵声波辐射器辐射声束的角宽为7°-10°。

向井外地层中扫描辐射二维声场的方法
技术领域
本发明专利属于应用地球物理声波测井技术，涉及一种反射声波成像测井或井间声波勘探中向井旁地层中扫描辐射二维声场的方法。
技术背景
现场测量中使用的声波测井仪的技术主要用于单井或局部地层的测量和勘探，随着技术的发展目前已可以向井外辐射的声场，进而对井旁地层进行声波测量。
中国专利ZL 01268574.7公开了一种井下阵列式换能器，由多个以上圆管状换能器(阵元)沿同一轴线排列而成，各换能器(阵元)之间有一个橡胶夹层以实现相邻阵元之间的声电隔离，各个阵元可以是压电圆管或其它类似于点声源的换能器。试图利用这种井下阵列式换能器激发相位控制，实现调整辐射器辐射的合成主波束的偏转，控制的空间指向性，实现井旁地层进行声波测量。
在反射声波成像测井和井间地震勘探等声波勘探工程中均涉及由井内向井外地层中辐射声场的问题，辐射声波的方向性和声束宽度的控制是声波辐射器最主要的性能。尤其是在地层构造比较复杂的情况下，仅单一控制声波辐射方向还不能对井外地层进行高分辨率测量，其结果也有多解性，影响油气藏勘探的可靠性和精确度。
当前对于井旁地层声波探测需要解决提高探测深度、增大探测范围，包括辐射声束角宽、入射角的限制和声波传播方向的精确控制，从而实现声波的定向扫描辐射声场。
发明内容
本发明目的在于提供一种实现较高探测深度、增大探测范围，严格控制辐射声束角宽、入射角的向井轴对称地层中扫描辐射声场的方法。
本发明通过如下方式实现：
向井外地层中扫描辐射二维声场的方法，将井下相控线阵声波辐射器下入井中所需深度，对其中每个阵元分别进行激发，同时调整各个阵元的激励信号的延迟时间(发射相移)，使得相控线阵声波辐射器辐射的合成主波束偏转，其特征在于：
控制辐射声波的偏转方向由下式确定： τ = d sin θ s c - - - ( 1 ) , ]]>
其中，d为相邻阵元之间的距离，c为声源所在介质的纵波波速，τ为相邻阵元所加激励信号的延迟时间，θ_s为相控辐射器主声束主瓣的偏转角。
不断依次增加或减小各井下相控线阵声波辐射器相邻阵元激励信号的延迟时间，改变辐射器产生的声束的垂直指向性，实现向井垂直方向的地层中的各个方向扫描辐射声场。
本发明还通过如下方式实现：
主声束主瓣的入射角θ_i应小于第一临界角。一般认为，井内泥浆的纵波波速为1600m/s，地层的纵波波速范围为1800m/s~7000m/s，于是，各种地层的第一临界角的范围为13°~63°。当相控线阵声波辐射器辐射声束的偏转角从零增加到第一临界角时，进入地层的声波传播方向的偏转角可从-90°变化到90°。
换能器阵的外直径范围为60mm-95mm，工作频率范围为5kHz-25kHz。
对于由多个点源构成的相控线阵，其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由以下函数式计算： D 1 ( θ , θ s , ω ) = | Σ i = 1 N A i e - jk [ ( sin θ - sin θ s ) ( i - 1 ) d ] | | Σ i = 1 N A i | - - - ( 2 ) ]]>
式中i表示阵元序号，A_i为第i个阵元的振动幅度，也是幅度加权因子。幅度加权用于解决束宽和旁瓣级的控制，各阵元的幅度由阵的中心对称单调下降，相控线阵的主波束变宽，旁瓣级降低。
对于由多个圆管构成的相控线阵，其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由下式计算：D＝D₁×D₂(3)，其中，
D 2 ( θ ) = [ J 0 2 ( πa λ cos θ ) + cos 2 θ J 1 2 ( πa λ cos θ ) J 0 2 ( πa λ ) + J 1 2 ( πa λ ) ] 1 2 × sin ( πh λ sin θ ) πh λ sin θ - - - ( 4 ) ]]>
D₂是圆管状声波辐射器的指向性函数，a和h分别是圆管换能器的平均半径和高度，λ是声波波长。
本发明可对井旁地层进行声波扫描，可实现辐射声束角宽、入射角的限制和声波传播方向的精确控制，从而实现声波的定向扫描辐射声场，提高了勘探分辨率、增大探测范围。
附图说明
附图1为井内声源产生的纵波声波入射于井壁时在井外地层中产生折射纵波示意图；
附图2为相距为d的多个阵元构成的相控线阵可以辐射偏转角为θ的轴对称声场示意图；
附图3为多圆管阵元组成的相控线阵声波辐射器的指向性函数，三条曲线对应不同的偏转角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明的技术特点。
本发明所涉及的声场相对于被测井垂直方向扫描，具有轴对称性，可称为二维声场。
通常，只有当井眼内的声波以小于第一临界角入射于井壁时才能使声波进入地层。因此要控制井下相控线阵声波辐射器的辐射声束以小于第一临界角入射于井壁界面，使尽可能多的声波能量进入地层，从而提高声波测量的探测深度和接收信号的信噪比。
本发明通过控制和调整相控线阵相邻阵元激励信号地延迟时间的方法可以控制和调整相控线阵辐射声束的偏转角，使其始终小于第一临界角。为了向地层中定向扫描辐射声波，辐射声束的角宽应该尽可能地小，从而使声波测量有较高的空间分辨率。本发明通过选择相控线阵阵元个数和阵元间距以及进行激励信号幅度加权等方法可以使相控线阵辐射的声束角宽较小。如，相距为6cm的14个点声源阵元构成的相控线阵的辐射声束角宽达到7°。
本发明不断地调整井下相控线阵声波辐射器相邻阵元激励信号的延迟时间，以改变辐射器产生的声束的传播方向，使声波在井壁的入射角在不大于第一临界角的范围内依次递增或递减，就可以实现向井外不同方向的地层中扫描辐射声场。辐射声束的偏转角从零增加到第一临界角时，进入地层的声波传播方向的偏转角就从-90°变化到90°。由于每一个深度点的扫描辐射测量需要一定的时间，因此，本发明适合于井下声波仪器在井眼中不同深度点的测量，即“点测”。在测速要求不高的场合也可以实现对不同深度的地层进行连续扫描声波测量。
本发明使用的井下相控线阵声波辐射器，是一种阵列式换能器，由3个以上圆管状换能器(阵元)沿同一轴线排列而成，各换能器(阵元)之间有一个橡胶夹层以实现相邻阵元之间的声电隔离。各个阵元可以是压电圆管，也可以是其它类似于点声源的换能器。
本发明对其中每个阵元进行精密的激发相位控制，可以调整各个阵元的发射相移从而获得相控线阵声波辐射器辐射的合成主波束的偏转，使其具有可以控制的指向性和辐射主瓣宽度。
本发明图1为入射角小于第一临界角的示意图。
假设井内液体和井外地层中的纵波波速分别为V_f和V_p。对于一般地层，总有V_f＜V_P。当井眼内声源产生的声波以入射角θ_i入射于井壁时，只有满足θ_i＜θ_c时才能在井旁地层中产生折射纵波，其中 θ c = arcsin ( V f V P ) ]]>为第一临界角。一般认为，井内泥浆的纵波波速V_f为1600m/s，地层的纵波波速V_P的范围为1800m/s-7000m/s，于是，各种地层的第一临界角θ_c的范围为13°-63°。
本发明图2为相控线阵由相距为d的多个阵元构成的相控线阵辐射的主声束的偏转角确定的示意图，通过控制相邻阵元激励信号的延迟时间可以控制其辐射声波的偏转方向。在井眼中使用相控线阵时，相控线阵的偏转角刚好就是井内声波入射于井壁界面的入射角。因此只要控制井下相控线阵声波辐射器的辐射声束以小于第一临界角入射于井内液体与井壁地层的界面，就可以使尽可能多的声波能量进入地层，从而从根本上提高声波测量的探测深度和接收信号的信噪比。相控线阵辐射的主声束的偏转角由式(1)确定，
τ = d sin θ s c - - - ( 1 ) , ]]>
其中，d为相控线阵相邻阵元之间的距离，c为声源所在介质的纵波波速，τ为相邻阵元所加激励信号的延迟时间，θ_s为相控辐射器主声束主瓣的偏转角。
其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由式(2)计算。
D 1 ( θ , θ s , ω ) = | Σ i = 1 N A i e - jk [ ( sin θ - sin θ s ) ( i - 1 ) d ] | | Σ i = 1 N A i | - - - ( 2 ) , ]]>
式(2)中的意义如图2中所示，i表示阵元序号，A_i为第i个阵元的振动幅度，也是幅度加权因子。一般来说，幅度加权用于解决束宽和旁瓣级的控制。若各阵元的幅度由阵的中心对称单调下降，则相控线阵的主波束变宽，旁瓣级降低。
对于由多个圆管构成的相控线阵，其辐射器主声束的偏转角和声束角宽由式(3)计算。D＝D₁×D₂(3)，其中：
D 2 ( θ ) = [ J 0 2 ( πa λ cos θ ) + cos 2 θ J 1 2 ( πa λ cos θ ) J 0 2 ( πa λ ) + J 1 2 ( πa λ ) ] 1 2 × sin ( πh λ sin θ ) πh λ sin θ - - - ( 4 ) ]]>
式中，D₂是圆管状声波辐射器的指向性函数，a和h分别是圆管换能器的平均半径和高度，λ是声波波长。通过控制和调整相控线阵相邻阵元激励信号的延迟时间的方法可以控制和调整相控线阵辐射声束的偏转角，使其始终小于第一临界角。
为了向地层中定向扫描辐射声波，井下相控线阵声波辐射器辐射声束的角宽应该尽可能地小，以保证该声束透入地层后能够保持较小角宽，从而使声波测量有较高的空间分辨率。根据以公式(2-3)，通过选择相控线阵阵元个数和阵元间距以及进行幅度加权等方法可以使相控线阵辐射的声束角宽较小。如图3所示，相距为6cm的14个点声源阵元构成的相控线阵的辐射声束角宽达到7°。
不断地依次增加或减小井下相控线阵声波辐射器相邻阵元激励信号的延迟时间，改变辐射器产生的声束的传播方向，使声波在井壁的入射角在不大于第一临界角的范围内依次递增或递减，就可以实现向井外不同方向的地层中扫描辐射声场。如图1和图2所示，当相控线阵声波辐射器辐射声束的偏转角从零增加到第一临界角时，进入地层的声波传播方向的偏转角可从-90°变化到90°。由于每一个深度点的扫描辐射测量需要一定的时间，因此，本发明方法一般适合于井下声波仪器在井眼中不同深度点的测量，即“点测”。在测速要求不高的场合也可以用上述方法实现对不同深度的地层进行连续扫描声波测量。