随钻地层界面声波扫描测量装置和方法 【技术领域】
本发明涉地球物理领域，尤其涉及一种利用声波对井旁地层界面的距离和方位进行测量的随钻地层界面声波扫描测量装置和方法。
背景技术
现在可开采的石油储量越来越少，而且石油勘探和开采的难度越来越大，需要了解低孔、低渗、非均质和各向异性等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律，尤其是如何使得所钻井眼可以经过人们所希望的储层，这样才能从根本上提高石油开采的效益、降低钻井失败的风险。因此需要在钻井过程中实时了解井旁周围几十厘米到几米甚至十几米的范围内有无地层界面、井眼的哪一侧有地层界面和井眼距离地层界面有多远。由此在获取地层界面信息的基础上就可以通过地质导向技术实施井眼轨迹控制。
现有的反射声波测井方法是只适合于电缆测井的情况。而且由于这种声波测井技术采用了对称声源，因而测量结果没有方位分辨能力(即无法知道地层界面在井旁的哪一侧)；因此现有的技术中均不能实现在钻井过程中实时且准确地测量井旁地层界面的有效方法，即在随钻测井无法实时且准确地测量地层界面。
【发明内容】
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种随钻地层界面声波扫描测量装置和方法，可以在随钻测井的情况下，准确地得出井旁地层界面到井轴的距离和方位。
为实现上述目的，本发明提供了一种随钻地层界面声波扫描测量装置，包括钻铤，所述装置还包括：
声波辐射器，位于所述钻铤上，用于在钻井内向一侧井壁辐射脉冲声波；
长源距声波接收器，位于所述钻铤上，与所述声波辐射器位于钻铤的同侧，用于接收在所述井壁介质内所传播的脉冲声波，根据所述井壁内传播的脉冲声波的传播时间得到所述长源距声波接收器所在侧的井壁地层的纵波波速；
短源距声波接收器，位于所述钻铤上，与所述声波辐射器和长源距声波接收器位于钻铤的同侧，用于接收被所述井旁的地层界面反射回的脉冲声波，根据所述井旁地层界面反射回的脉冲声波的到达时间和所述井壁地层的纵波波速，得到所述短源距声波接收器所在侧的所述井旁地层界面距离井轴的距离，以及所述井旁地层界面的方位。
为实现上述目的，本发明提供了一种随钻地层界面声波扫描测量方法，包括声波辐射器、长源距声波接收器和短源距声波接收器，并且位于钻铤的同侧，所述方法包括：
所述声波辐射器在井孔内向一侧井壁辐射脉冲声波；
所述长源距声波接收器接收在所述井壁介质内所传播的脉冲声波，根据所述井壁内传播的脉冲声波的传播时间得到所述长源距声波接收器所在侧的井壁地层的纵波波速；
所述短源距声波接收器接收被所述井旁的地层界面反射回的脉冲声波，根据所述井旁地层界面反射回的脉冲声波的到达时间和所述井壁地层的纵波波速，得到所述短源距声波接收器所在侧的所述井旁地层界面到所述井轴的距离，以及所述井旁地层界面的方位。
因此本发明随钻地层界面声波扫描测量装置和随钻地层界面声波扫描测量方法，利用位于钻铤的同一侧的声波辐射器、数个长源距声波接收器和数个短源距声波接收器，实现了在随钻情况下，准确地得出井旁地层界面到井轴的距离和方位。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置的示意图；
图2为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置中声波辐射器的剖视图；
图3为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置长源距工作方式的示意图；
图4为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置短源距工作方式的示意图；
图5为本发明随钻地层界面声波扫描测量方法的流程图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明适用于随钻测井的情况，不同于电缆声波测井，声波发收的装置都需要布置在钻铤上，并且基本不影响钻铤的刚性性质和其它功能。可以在钻井过程中利用声波检测，用声学方法评价井旁地层界面的距离和方位。
图1为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置的示意图，如图1所示，本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置具体包括：钻铤4、声波辐射器1、长源距声波接收器21、22和短源距声波接收器31、32。
钻铤4一般为钢质，置于井孔中，在钻铤4的一侧预先开有一些孔槽，其作用是用来容置随钻地层界面声波扫描测量装置。本实施例中的长源距声波接收器为两个，分别为R3 21和R4 22，当然也可以是多个，而短源距声波接收也器3为两个，分别为R1 31和R2 32，当然也可以是多个，而且可以对称分布在声波辐射器(T)1的两边。
声波辐射器(T)1位于钻铤4的一侧，可以辐射脉冲声波，这样脉冲声波在钻铤4所在井孔的井壁内传播；而两个长源距声波接收器R3 21和R4 22，也位于钻铤4上，与声波辐射器1同侧，用于接收沿井壁传播的脉冲声波，根据脉冲声波的传播时间得出长源距声波接收器R3 21和R4 22所在侧的井壁地层的纵波波速；两个短源距声波接收器R1 31和R2 32，同样位于钻铤4上，与声波辐射器1和长源距声波接收器R3 21和R4 22同侧，用于接收被井旁的地层界面90反射回的脉冲声波，根据井旁地层界面反射回的脉冲声波的到达时间和井壁地层的纵波波速得出短源距声波接收器R1 31和R2 32所在侧的井旁地层界面到钻铤4所在井轴的距离，以及井旁地层界面90的方位。
由上面可以看出，声波辐射器(T)1、两个长源距声波接收器R3 21和R4 22，以及两个短源距声波接收器R1 31和R2 32都位于钻铤4的同一个侧边的。
再如图1所示，本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置还包括一个隔声体5，位于声波辐射器1和长源距声波接收器3之间的钻铤4上，与声波辐射器1和长源距声波接收器3同侧。
图2为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置中声波辐射器部分的剖视图，如图2所示，钻铤4具有一个水眼40，钻铤4的半径为R，声波辐射器1所在钻铤4的半径为r，而声波辐射器1可以为相控圆弧阵声波辐射器，并且其所占空间的方位角α小于90度，该声波辐射器1可以包括数个按照圆弧排列的压电振子阵元10，本实施例中包括3个压电振子阵元10，该压电振子阵元10为压电型偶极子。压电振子阵元10的工作频率为6-20千赫兹；三个压电振子阵元10的全部或者部分按照各自的幅度和相位加权振动辐射脉冲声波。
声波辐射器1的压电振子阵元T1、T2和T310之间具有间隙进行声电隔离，而且可以加载不等幅相移信号，工作模式可以采用两种模式，第一种是声波辐射器1上所有按照圆弧排列的压电振子阵元10按一定的幅度加权和相位加权进行振动，另一种方式是压电振子阵元10中的数个(相邻或者不相邻)按一定的幅度和相位加权参与振动，幅度加权的目的是减小辐射主瓣角和压制旁瓣，以控制声波辐射器1所辐射声波的声束角宽。并且三个压电振子阵元10，通过控制三个阵元的激励信号的延迟时间可以使该相控圆弧阵发射的声波能量集中向图2中所示的矢量的方向传播。
再如图1所示，本发明两个短源距声波接收器R1 31和R2 32对称地设置在相控圆弧阵声波辐射器T1的两侧，T1与R1 31和R2 32之间的距离范围为0.15m--0.50m，T1与长源距声波接收器R3 21之间的距离为1.0m以上；R3和R4等相邻接收探头之间的距离为0.15m--0.5m。如图2所示，在钻铤4上因安置T1而开槽的角宽α不大于90°。
图3为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置长源距工作方式的示意图，如图3所示，在井下测量时，相控圆弧阵声波辐射器1所辐射的脉冲声波主声束入射于钻铤4开槽一侧井壁界面。如图3所示，入射波的一部分声波能量沿着井壁9地层介质传播(即滑行纵波或滑行波)，并被长源距声波接收器R3 21和R4 22接收到，利用多个长源距声波接收器接收到的声波信号就可以测量井壁地层的纵波波速(滑行纵波速度)，这种测量方式称之为长源距测量方式。
图4为本发明随钻地层界面声波扫描测量装置短源距工作方式的示意图，如图4所示，在井下测量时，入射波的另一部分声波能量透过井壁9进入地层传播并被井旁地层界面90反射回井内后被短源距声波接收器R1 31和R2 32接收到，形成反射脉冲波波列，根据井旁地层界面90反射波的到达时间和井壁地层的纵波波速就可以计算地层界面90到井轴的距离。
上述中接收信号中无论沿井壁传播的“滑行波”信息还是井旁界面的“反射波”信息，波的传播路径都仅仅与某一侧井旁介质的信息有关。
再如图4所示，本发明的短源距声波测量方式中，短源距声波接收器R1 31和R2 32距离相控圆弧阵声波辐射器1比较近，在0.5m以内，使得相控圆弧阵声波辐射器1与短源距声波接收器R1 31和R2 32的工作接近于一个探头的自发自收工作，这就使得进入井旁地层的声波传播方向和由井旁地层界面反射回井内并被接收到的声波的传播方向都近似于与井轴垂直。这样井旁地层界面反射脉冲波所传播的几何路径相对较小、信号衰减相对较小。
由于短源距声波接收器和长源距声波接收器都设置在了钻铤的同一侧面，因此上述声学测量都是针对某一侧井壁进行的，即这种测量有一定的方位特征。通过钻井过程中钻铤的旋转，本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置都跟随旋转，就可以实现对整个圆周范围内所有井壁的扫描测量，从而就可以评价井旁地层界面的方位和距离分布。另外在钻铤处于不同深度时，利用本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置进行工作，也可以更加全面的实现本发明的目的。
本发明的相控圆弧阵的辐射指向性、声波信号的幅度与声波频率有关。为了保证本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置的地层界面声波扫描测量方法有良好的方位分辨能力同时兼顾声波信号的信噪比，声波测量频率范围最好为6kHz--20kHz。在这个频段内，随钻声波测量也可以较好地避开了钻井过程中钻头冲击噪声和钻柱内泥浆流动噪声的影响。
本发明的随钻地层界面声波扫描测量方法可以用于随钻情况下的声波测井，首先是包括一声波辐射器位于一钻铤一侧，数个长源距声波接收器和数个短源距声波接收器，均位于钻铤上，且均与声波辐射器同侧。图5为本发明随钻地层界面声波扫描测量方法的流程图，如图5所示，本发明随钻地层界面声波扫描测量方法具体包括如下步骤：
步骤101，声波辐射器在井孔内向一侧井壁辐射脉冲声波；具体包括：
步骤101a，相控圆弧阵向某一侧井壁辐射脉冲声波；
步骤101b，脉冲声波沿井壁介质传播；
步骤101c，脉冲声波透过井壁向井旁传播并被井旁地层界面反射回井内。
声波辐射器、数个长源距声波接收器和数个短源距声波接收器都是位于钻铤的同一侧上，声波辐射器的数个按照圆弧排列的压电振子阵元均向该侧钻铤所在钻井的井壁发射声波，工作模式可以采用两种模式，第一种是声波辐射器上所有按照圆弧排列的压电振子阵元按一定的幅度加权和相位加权进行振动，另一种方式是压电振子阵元中的数个(相邻或者不相邻)按一定的幅度和相位加权残余振动，幅度加权的目的是减小辐射主瓣角和压制旁瓣，以控制声波辐射器所辐射声波的主声束角宽。
步骤102，数个长源距声波接收器接收沿井壁介质所传播的脉冲声波，根据井壁介质内脉冲声波的传播时间得到长源距声波接收器所在侧的井壁地层的纵波波速；
在井下测量时，相控圆弧阵声波辐射器1所辐射的脉冲声波主声束入射于钻铤开槽一侧井壁界面，入射波的一部分声波能量沿着井壁地层介质传播(即滑行纵波或滑行波)，并被长源距声波接收器接收到，利用多个长源距声波接收器接收到的声波信号就可以测量井壁地层的纵波波速(滑行纵波速度)，这种测量方式称之为长源距测量方式。
入射波的另一部分声波能量透过井壁进入地层传播并被井旁地层界面反射回井内后被短源距声波接收器接收到，形成反射脉冲波波列，根据地层界面反射波的到达时间和井壁地层的纵波波速就可以计算地层界面到井轴的距离。
步骤103，数个短源距声波接收器接收到井旁地层界面反射回的脉冲声波，根据井旁地层界面反射回的脉冲声波的到达时间和井壁地层介质中的纵波波速，得到井旁地层界面到井轴的距离，以及井旁地层界面的方位；具体包括：
步骤103a，通过短源距接收器接收到的反射波波列得到地层界面反射波的到时；
步骤103b，通过井壁介质的纵波波速和地层界面反射波的到时确定地层界面到井轴的距离；
步骤103c，根据声波探头所在钻铤的侧面位置确定地层界面相对于井眼的方位角。
步骤102和103中接收信号中无论沿井壁传播的“滑行波”信息还是井旁地层界面的“反射波”信息，波的传播路径都仅仅与某一侧井旁介质的信息有关。
因为声波辐射器、数个长源距声波接收器和数个短源距声波接收器布置在了钻铤的同一侧面，因此上述声学测量都是针对某一侧井壁进行的，即这种测量有一定的方位特征。通过钻井过程中钻铤的旋转，所有的声波发收探头都跟随旋转，就可以实现对整个圆周范围内所有井壁的扫描测量，从而就可以评价井旁地层界面的方位和距离分布。另外可以在钻铤处于不同深度时，利用本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置进行工作，也可以更加全面的实现本发明的目的。
本发明随钻地层界面声波扫描测量装置和随钻地层界面声波扫描测量方法采用在钻铤的一侧开槽放置声波发收探头的方案，因此随钻地层界面声波扫描测量装置的介入不影响钻铤的原有各种功能。本发明采用在钻铤的一侧开槽放置随钻地层界面声波扫描测量装置的方案使得每一次声波测量都具有方位分辨能力。本发明采用短源距声波接收器获取地层界面反射波的传播路径最短、测量信噪比高、探测距离大。本发明提供了一套在随钻条件下实施扫描测量井旁地层界面的距离和方位的完整解决方案，利用本发明的随钻地层界面声波扫描测量装置和随钻地层界面声波扫描测量方法不但可以在随钻条件下评价井旁地层内有无裂缝、层理及其离井轴的距离，还可以测定其方位角，这对于水平井、大斜度井的地层评价、井旁地层裂缝和界面评价、定向钻井、定向射孔等工程具有重大意义。
以上所述的具体实施方式，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，以上所述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。