一种随钻声波测井装置及其方法技术领域
本发明涉及地层勘测技术领域，尤其涉及一种随钻声波测井装置及其方法。
背景技术
在油气勘测领域中，随钻声波测井技术的应用越来越受到重视，因此在油气开发
之前测井，对地层裂缝和地应力的定量评定显得越来越重要。目前，虽然在电缆测井中使用
正交偶极子声波测井方法测量由裂缝或地应力引起的地层各向异性技术已经较为成熟，但
是由于随钻仪器中钻铤波对地层弯曲波的干扰，导致使用弯曲波波速无法直接反演得到地
层的横波波速。因此正交偶极子声波测井方法无法直接运用于随钻声波测井测量地层各向
异性信息中。
而在传统的随钻四极子声波测井技术中，一般使用四极子发射换能器激发，同时
使用四极子接收换能器接收，虽然能够通过四极子接收换能器接收信号中分裂的快、慢波
反演地层横波波速，但是其缺陷在于四极子接收换能器接收的信号对于地层的方向特性不
敏感，所以无法获得地层的快横波偏振方向。
因此如何在随钻声波测井中测量到地层的各向异性，是目前随钻声波测井技术的
一个重点和难点。本发明则考虑了在各向异性地层中井孔周围地层呈现的非对称性，此时
使用四极子声源发射信号，即使使用单极子或者偶极子采集方式也能够得到波形信号。因
此本发明使用此特性来研究四极子声源发射，多模式采集方式的测井方法。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有技术中随钻四极子声波测井技术存在的上述不足之
处。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种随钻声波测井装置，其包括：第一区
域和第二区域；其中，在第一区域所在的钻铤外表面设置一组随钻四极子发射换能器，四极
子发射换能器位于与井轴垂直的第一平面内；在第二区域所在的钻铤外表面设置接收换能
器阵列，接收换能器阵列包含等间距分布的多个接收单元，各接收单元的平面平行于发射
换能器平面。
优选地，将四极子发射换能器在圆周方向分成四等分单元，相邻单元两两振相相
反，并且把四极子发射换能器的第一个单元的方向设为随钻声波测井装置的方向，其方向
与快横波偏振方向的夹角表示为θ。
在第二区域所在的钻铤外表面设置接收换能器阵列，接收换能器阵列包含等间距
分布的多个接收单元，各接收单元的平面平行于发射换能器平面。
优选地，多个接收单元中的第一个接收单元与四极子发射换能器的距离为3m，相
邻接收单元之间间距0.15m；每个接收单元包含4个接收换能器，此4个接收换能器所在方向
分别与四极子发射换能器方向的夹角成(i-1)×90度，i＝1，2，3，4。
另一方面，本发明提供了一种随钻声波测井方法，应用于上述的随钻声波测井装
置中，其步骤包括：对随钻四极子发射换能器进行激励产生发射信号，使用接收换能器阵列
同时接收发射换能器发射的信号；将接收换能器阵列接收到的发射换能器发射的信号按照
接收换能器所在方向进行区分、整合，并且进行信号滤波处理，得到多个信号阵列；对多个
信号阵列进行信号处理，得到单极子采集信号阵列，正交偶极子采集信号阵列和四极子采
集信号阵列；对单极子采集信号阵列进行信号处理，得到单极子采集信号能量；对正交偶极
子采集信号第一个信号阵列和第二个信号阵列分别进行信号处理，得到正交偶极子采集第
一方向阵列能量和正交偶极子采集第二方向阵列能量。计算随钻声波测井装置在不同方位
角下的单极子采集信号能量，正交偶极子第一组和第二组采集信号能量；根据单极子采集
信号能量，正交偶极子第一组和第二组采集信号能量以及根据四极子采集信号阵列，确定
地层的各向异性参数。
优选地，将接收换能器阵列接收到的发射换能器发射的信号按照接收换能器所在
方向进行区分、整合，并且进行信号滤波处理，得到多个信号阵列步骤，包括：
对与发射换能器方向成0度角的M个接收换能器接收到的信号根据源距进行处理
并整合，得到第一个信号阵列，表述为A(n),n＝1,2,…M；以及
对与发射换能器方向成90度角的M个接收换能器接收到的信号进行处理并整合，
得到第二个信号阵列，表述为B(n),n＝1,2,…M；以及
对与发射换能器方向成180度角的M个接收换能器接收到的信号进行处理并整合，
得到第三个信号阵列，表述为C(n),n＝1,2,…M；以及
对与发射换能器方向成270度角的M个接收换能器接收到的信号进行处理并整合，
得到第四个信号阵列，表述为D(n),n＝1,2,…M。
优选地，对多个信号阵列依次进行组合处理可以得到不同采集模式的阵列信号步
骤，包括：
对四个信号阵列相同序号的进行相加处理，即A(n)+B(n)+C(n)+D(n)，n＝1,2,…
M，得到单极子采集信号阵列；
对第一个信号阵列A(n)和第三个信号阵列C(n)进行相减，即A(n)-C(n)，n＝1,
2,…,M，得到正交偶极子采集第一方向阵列；
对第二个信号阵列B(n)和第四个信号阵列D(n)进行相减，即B(n)-D(n)，n＝1,
2,…,M，得到正交偶极子采集第二方向阵列；
对第一个信号阵列A(n)和第三个信号阵列C(n)进行相加，减去第二个信号阵列B
(n)和第四个信号阵列D(n)，即A(n)-B(n)+C(n)-D(n)，n＝1,2,…M，得到四极子采集信号阵
列。
优选地，确定地层的各向异性参数包括确定各向异性值的大小和确定快横波所在
的方向。
进一步优选地，确定快横波偏振方向步骤，包括：
对在随钻声波测井装置旋转不同角度得到的单极子采集信号阵列进行信号处理，
得到不同角度下全波曲线的能量值函数Em(θ)，θ＝0度到180度，当发射换能器方向与快横
波偏振方向成45度或135度的时，该能量值最小。因此，使用此特性可以判断与快横波偏振
方向成45度或135度的方向。
对正交偶极子采集第一方向阵列进行信号处理，得到不同角度下全波曲线的能量
值函数Ed1(θ)，θ＝0度到180度,当发射换能器方向与快横波偏振方向成0或180度，即发射换
能器方向与快横波偏振方向一致时，Ed1(θ)达到最小值；因此使用此特性可以找到快横波偏
振方向。对正交偶极子采集第二方向阵列进行信号处理，得到不同角度下全波曲线的能量
值函数Ed2(θ)，θ＝0度到180度,当发射换能器方向与快横波偏振方向成90，即发射换能器方
向与慢横波偏振方向重合时，Ed2(θ)达到最小值；即使用此特性可以找到慢横波偏振方向。
当与随钻仪器中连续测斜仪联合反演时，则能够得到快、慢横波偏振方向在世界大地坐标
系(WGS)中的方位角；而不与连续测斜仪共同反演时，得到的方位角则只是以随钻仪器方向
为参照的相对方位角。
进一步优选地，计算得到各向异性值大小步骤，包括：
通过单极子采集信号阵列得到与快横波偏振方向成45度或135度的方位角β后，使
用此方位角所对应的四极子采集信号阵列，通过慢度时间相关法，计算得到快波波速和慢
波波速。然后由得到的快横波波速与慢横波波速，通过各向异性值大小反演的公式计算得
到各向异性值大小。
进一步优选地，各向异性值通过向异性值大小反演公式![]()
计算得到，其
中，γ为各向异性值；Vf为快波波速，Vs为慢波波速。
本发明通过一组四极子发射换能器发射信号，发射换能器包括相邻两两振相相
反、依次等间距分布在与仪器轴线垂直的平面的圆周上的4个单元；使用接收换能器阵列接
收信号，此阵列包含M个接收单元，每个单元包含4个接收换能器，4个换能器方向依次与发
射换能器方向成(i-1)×90度，i＝1，2，3，4。然后通过单极子模式采集、正交偶极子模式采
集和四极子模式采集，在强各向异性地层大角度倾斜井的情况下，探测地层的方位各向异
性与各向异性值的大小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种随钻声波测井装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种随钻声波测井方法流程示意图；
图3为本发明实施例提供的单极子采集模式的示意图；
图4为本发明实施例提供的正交偶极子采集模式的示意图；
图5为本发明实施例提供的四极子采集模式的示意图；
图6为本发明实施例中正交偶极子第一方向阵列信号能量随仪器旋转角度的变化
图；
图7为本发明实施例中正交偶极子第二方向阵列信号能量随仪器旋转角度的变化
图；
图8为本发明实施例中单极子采集信号能量随仪器旋转角度的变化图；
图9为本发明实施例中四极子采集信号阵列通过STC法提取出的快、慢波慢度值
图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种随钻声波测井装置结构示意图。如图1所示，随钻
声波测井装置包括：第一区域1和第二区域2；其中，在第一区域1所在的钻铤0外表面设置一
组随钻四极子发射换能器10，四极子发射换能器10位于与井轴垂直的第一平面内；在第二
区域2所在的钻铤0外表面设置接收换能器阵列，接收换能器阵列包含等间距分布的4个接
收单元，分别为接收单元201、接收单元202、接收单元203和接收单元204，各接收单元的平
面平行于发射换能器10平面。
将四极子发射换能器10在圆周方向分成四等分单元,分别为发射换能器11、发射
换能器12、发射换能器13和发射换能器14，相邻单元两两振相相反，并且把四极子发射换能
器10的第一个发射换能器11的方向设为随钻声波测井装置的方向，其方向与快横波偏振方
向的夹角表示为θ。
多个接收单元中的第一个接收单元201与四极子发射换能器10的距离为3m，接收
单元201、接收单元202、接收单元203和接收单元204之间间距0.15m；每个接收单元包含4个
接收换能器，即：接收单元201包含接收换能器211、接收换能器221、接收换能器231和接收
换能器241；接收单元202包含接收换能器212、接收换能器222、接收换能器232和接收换能
器242；接收单元203包含接收换能器213、接收换能器223、接收换能器233和接收换能器
243；接收单元204包含接收换能器214、接收换能器224、接收换能器234和接收换能器244，
每个接收单元的4个接收换能器所在方向分别与四极子发射换能器10方向的夹角成(i-1)
×90度，i＝1，2，3，4。
图2为本发明实施例提供的一种随钻声波测井方法流程示意图。如图2所示，该方
法包括以下步骤：
步骤S201，对随钻四极子发射换能器10进行激励产生发射信号，使用接收换能器
阵列同时接收发射换能器10发射的信号；
具体地，对四极子发射换能器中，第一个发射单元11和第三个发射单元13施加极
性相同的激励信号进而激励，而第二个发射单元12和第四个发射单元14施加与第一个发射
单元和第三个发射单元极性相反的激励信号进行激励。采用接收换能器阵列，共4×4个接
收换能器同时接收四极子发射换能器10激励的信号。
步骤S202，将接收换能器阵列接收到的发射换能器发射的信号按照接收换能器所
在方向进行区分、整合，并且进行信号滤波处理，得到多个信号阵列；
具体地，对与发射换能器方向成0度角的区域21中的4个接收换能器211-214接收
到的信号根据源距大小进行整合，得到第一个信号阵列；
对与发射换能器方向成90度角的区域22中的4个接收换能器接221-224收到的信
号进行整合，得到第二个信号阵列；
对与发射换能器方向成180度角的区域23中的4个接收换能器接231-234收到的信
号进行整合，得到第三个信号阵列；
对与发射换能器方向成270度角的区域24中的4个接收换能器接241-244收到的信
号进行整合，得到第四个信号阵列。
并且对此4个信号阵列进行带通滤波，得到低频处的4组波形信号阵列，为方便记
录，把此四个信号阵列分别标记为A(n)，B(n)，C(n)，D(n),n＝1，2，3，4,其中A(n)对应方位
角为0度的换能器中第n个接收换能器的接收信号；B(n)对应方位角为90度的换能器中第n
个接收换能器的接收信号；C(n)对应方位角为180度的换能器中第n个接收换能器的接收信
号；D(n)对应方位角为270度的换能器中第n个接收换能器的接收信号。
步骤S203，对多个信号阵列进行信号处理，得到单极子采集信号阵列，正交偶极子
采集信号阵列和四极子采集信号阵列；
具体地，对第一个信号阵列、第二个信号阵列、第三个信号阵列以及第四个信号阵
列进行相加处理，即A(n)+B(n)+C(n)+D(n),n＝1,2,…4,得到单极子采集信号阵列，记为
Signalm(n,t),n＝1,2,…4；
对第一个信号阵列A(n)和第三个信号阵列C(n)进行相减，即A(n)-C(n)，n＝1,
2,…4，得到正交偶极子采集第一方向阵列,记为Signald1(n,t),n＝1,2,…4；对第二个信号
阵列B(n)和第四个信号阵列D(n)进行相减，即B(n)-D(n)，n＝1,2,…4，得到正交偶极子采
集第二方向阵列,记为Signald2(n,t),n＝1,2,…4；
对第一个信号阵列A(n)和第三个信号阵列C(n)进行相加，然后减去第二个信号阵
列B(n)和第四个信号阵列D(n)，即A(n)-B(n)+C(n)-D(n)，n＝1,2,…4，得到四极子采集信
号阵列，记为Signalq(n,t),n＝1,2,…4。
步骤S204，对单极子采集信号阵列进行信号处理，得到单极子采集信号能量；对正
交偶极子采集信号第一个信号阵列和第二个信号阵列分别进行信号处理，得到正交偶极子
采集第一方向阵列能量和正交偶极子采集第二方向阵列能量。
具体地，对单极子采集信号在时间窗T内进行的能量值的积分计算，得到单极子采
集信号能量![]()
对正交偶极子采集第一方向阵列在时间窗T内进行
的能量值的积分计算，得到正交偶极子采集第一方向阵列能量![]()
对正交偶极子采集第二方向阵列在时间窗T内进行的能量值的积分计算，得到正交偶极子
采集第二方向阵列能量![]()
步骤S205，计算随钻声波测井装置在不同方位角下的单极子采集信号能量，正交
偶极子第一组和第二组采集信号能量；
具体地，在随钻测井中，发射换能器方向会随着仪器的旋转发生变化，在不同方位
角下，不断重复步骤201到步骤204，从而得到仪器不同旋转角度θ下的单极子采集信号阵列
Signalm(n,θ,t)，正交偶极子第一组和第二组采集信号阵列Signald1(n,θ,t)和Signald2(n,
θ,t)，四极子采集信号阵列Signalq(n,θ,t)，n＝1,2,…4；以及单极子采集信号能量Em(θ)，
正交偶极子采集第一方向阵列能量Ed1(θ)和正交偶极子采集第二方向阵列能量Ed2(θ)。
步骤S206，根据单极子采集信号能量，正交偶极子第一组和第二组采集信号能量
以及根据四极子采集信号阵列，确定地层的各向异性参数。
具体地，各向异性参数可以包括横波各向异性值的大小，和快横波偏振的方向。随
着随钻仪器的旋转，发射换能器的方向与快横波偏振方向的夹角，即声源方位角发生改变。
使用正交偶极子第一方向阵列的信号能量Ed1(θ)，得到正交偶极子第一方向阵列
随仪器旋转角θ的改变发生能量值大小的变化；当所得能量值最小时，则此时的发射换能器
的方向则与地层快横波偏振的方向一致。类似地，使用正交偶极子第二方向阵列能量Ed2
(θ)，得到正交偶极子第二方向阵列能量随仪器旋转角θ的改变发生能量值大小的变化；当
所得能量值最小时，则此时的发射换能器的方向则与地层慢横波偏振的方向一致。因此，以
此特性则可以获得地层的快、慢横波偏振方向。
使用单极子采集信号能量Em(θ)，得到单极子采集信号随发射换能器方位角θ的改
变发生能量值大小的变化；当所得能量值最小时，则此时的发射换能器的方向则对应于地
层快横波偏振的方向成45度或135度的方向。因以，以此特性可以获得与快横波偏振方向成
45度或者135度的方向，设其为β。
根据使用单极子采集信号能量判断与地层快横波偏振方向成45度或135度的方
向，使用此方向下的四极子采集信号阵列Signalq(n,β,t)，n＝1,2,…4。然后使用慢度时间
相关法(STC)对此四极子采集信号阵列进行波速的提取，得到地层横波波速。根据地层快、
慢横波波速与地层各向异性值的关系，![]()
得到地层各向异性值的大小。
在一个具体实施例中，设置发射换能器与地层快横波偏振方向夹角为θ；理论上，
此地层各向异性值的大小为0.1280，其快、慢横波慢度值分别为812μs/m和923μs/m。
图3为本发明实施例提供的单极子采集模式的示意图。
图4为本发明实施例提供的提供的正交偶极子采集模式的示意图。
图5为本发明实施例提供的四极子采集模式的示意图。
图6为本发明实施例中正交偶极子第一方向阵列信号能量随仪器旋转角度的变化
图；
图7为本发明实施例中正交偶极子第二方向阵列信号能量随仪器旋转角度的变化
图；
通过实施例进行计算，如图6所示，得到正交偶极子第一方向阵列信号能量随发射
换能器方向与快横波偏振方向夹角变化的曲线图，可知在发射换能器与快横波偏振方向一
致时，即θ＝0o或180o时，能量值对应曲线的最小值。
而如图7所示，得到正交偶极子第二方向阵列信号能量随发射换能器方向与快横
波偏振方向夹角变化的曲线图，可知在发射换能器方向与慢横波偏振方向一致时，能量值
对应曲线的最小值。
所以通过上述图6，图7可知，使用此正交偶极子采集方式能够反演地层的快、慢横
波偏振方向。并且当与随钻仪器中连续测斜仪联合反演时，则能够得到快横波偏振方向的
在世界大地坐标系(WGS)中的方位角；而不与连续测斜仪共同反演时，得到的方位角则只是
以随钻仪器方向为参照的相对方位角。
图8为本发明实施例中单极子采集信号能量随仪器旋转角度的变化图。
图9为本发明实施例中四极子采集信号阵列通过STC法提取出的快、慢波慢度值
图。
如图8所示的单极子采集信号能量随发射换能器方向与快横波偏振方向夹角变化
的曲线图，可知在发射换能器与慢横波偏振方向成45度或135度时，能量值对应曲线的最小
值。
根据发射换能器方向与快横波偏振方向成45度或135度时得到的四极子采集信号
阵列，通过STC法提取得到的快、慢波慢度值，分别为812μs/m，928μs/m，如图9所示；从而反
演得到的各向异性值大小为0.1333。
以上实施例的结果和理论值结果误差值在可接受范围之内。因此，本发明实施例
提供一种随钻四极子源发、多模式采集的测井方法，通过随钻四极子发射换能器激发，接收
换能器阵列接收，然后通过正交偶极子采集方式获得地层的快、慢横波偏振方向，通过单极
子采集方式获得与快横波偏振方向成45度或135度的方向，并且使用此角度下的四极子采
集信号阵列可获得地层的快、慢横波波速。从而得到地层的各向异性信息。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细
说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范
围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。