專利名稱：：一種雙相控聲波發(fā)射裝置的控制方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種石油勘探遠探測聲波成像測井裝置的雙相控聲波發(fā)射裝置的控制方法。
背景技術(shù)：
：常規(guī)聲波測井儀中使用的發(fā)射探頭是單極子聲源，該類聲波探頭發(fā)射聲波所形成的聲場類似于點聲源發(fā)射聲波形成的球形聲場，其發(fā)射聲波的能量呈放射狀均勻進入地層。由于接收探頭與發(fā)射探頭同處于井筒軸線上，因此發(fā)射探頭所發(fā)射的聲波經(jīng)過地層的擴散、折射、反射、衰減等物理效應后只有很少一部分聲波能量被接收探頭所接收，最終導致發(fā)射一接收系統(tǒng)的效率低和探測深度淺等問題。常規(guī)聲波測井只能探測到離井壁約0.5米的范圍。隨著勘探開發(fā)程度的不斷深入，目前聲波儀器向大功率、高效率且具有深探測功能方向發(fā)展。解決這一問題采用最新的方法是相控陣發(fā)射技術(shù)，并接收從地層深處反射回來的帶有地層深處信息的反射波信號。相控發(fā)射特點是所發(fā)射的聲波信號以一定寬度的波束向地層發(fā)射，其聲場有一定的指向性，聲效率高。但相控發(fā)射也具有一定的局限性。在測井過程中，聲波從井中進入地層會發(fā)生折射，不同巖性的地層其折射角不同，在地層中的各種界面與井軸的夾角也是不斷變化的。如果相控發(fā)射的聲束寬度和指向角僅適合某一種巖層或某一種角度的界面，則其它巖層或其他角度界面的聲波信號反射信息就會減小或丟失。如果相控發(fā)射的波束太寬，則發(fā)射有效功率就會受到影響，干擾信號也會加大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是研制一種應用遠探測雙相控聲波發(fā)射裝置，根據(jù)測井地質(zhì)巖性的縱波波速范圍，確定相控聲束的偏轉(zhuǎn)角和波束束寬，然后根據(jù)偏轉(zhuǎn)角確定每組相控探頭的延遲時間，使一次下井覆蓋所測的各種地層，達到增大儀器測量范圍的遠探測雙相控聲波發(fā)射裝置的控制方法。本發(fā)明的方案是下井探測儀應用的遠探測雙相控聲波發(fā)射裝置包括由多個單極子聲波換能器組成的兩組相控發(fā)射探頭和相應的相控發(fā)射控制電路。相控聲波發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射聲波的指向角可由下面的公式計算其中a——相控角，是探頭作為點聲源所發(fā)射的球聲場所形成的相控聲束方向與探頭徑向方向的夾角；v_—介質(zhì)中的傳播速度；t——延遲時間；h—一探頭的高度；d——探頭間隔。此公式表明了相控角與探頭的結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的傳播速度及延遲時間的關(guān)系，以及形成相控的條件。顯然式中v"因此在設計相控探頭時，當探頭的結(jié)構(gòu)確定以后，一定要針對不同的地層來確定延遲時間。相控聲波發(fā)射的波場除了具有一定的指向性外，其所形成的聲波波束還具有一定的寬度。利用相控聲波指向性函數(shù)公式所描繪出的指向性圖可形象地看出相控聲波發(fā)射的指向性和所發(fā)射的聲波束寬。下面是指向性公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中D——表示指向性函數(shù)；N—一組成相控探頭的換能器個數(shù)；X——聲波在介質(zhì)中傳播時的波長；d_—相鄰兩個換能器之間的距離；。一一設計的偏轉(zhuǎn)角度；"一一某一傳播方向的聲線與聲軸面的夾角。相控聲波發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)的變化可以引起所發(fā)射聲場指向性以及聲束寬度的變化。由指向角公式、指向性函數(shù)公式和指向性圖可以看出，相控聲波發(fā)射所發(fā)射的聲場除了與相控探頭的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及單極子聲波換能器發(fā)射的延遲時間有關(guān)外，還與介質(zhì)傳播聲波的速度或波長有關(guān)。也就是說在測井時相控聲波所發(fā)射的聲場在經(jīng)過不同地層介質(zhì)時，其指向角和波束寬度是在不斷變化的。另外，聲波從井中進入地層會發(fā)生折射，不同巖性的地層其折射角不同，在地層中的各種界面與井軸的夾角也是不斷變化的。如果相控發(fā)射的聲束寬度和指向角僅適合某一種巖層或某一種角度的界面，則其它巖層或其他角度界面的聲波信號反射信息就會減小或丟失。如果相控發(fā)射的波束太寬，則發(fā)射有效功率就會受到影響，干擾信號也會加大。采用雙相控聲波發(fā)射系統(tǒng)可以有效的解決上述所存在的問題。根據(jù)地層巖性不同的特點，將第一組相控聲波發(fā)射的各種相控參數(shù)調(diào)整到對應低速地層，也就是說其指向角和波束寬度適合探測低速地層；同理將另一組相控聲波發(fā)射的各種相控參數(shù)調(diào)整到適合測量高速地層。這樣一次下井可以發(fā)射兩種不同束寬、不同偏轉(zhuǎn)角、不同頻率、不同能量的聲波進入地層，兩組相控聲波發(fā)射在測量過程中互相彌補可以兼顧到對各種不同巖性地層進行測量。最后通過對兩組聲波全波列信號進行相似、相關(guān)等處理，可實現(xiàn)井外地質(zhì)構(gòu)造的聲波成象。使用遠探測聲波成像測井裝置的控制方法為，測井前明確所測地層巖性的縱波傳播速度，根據(jù)速度計算需要的相控聲束偏轉(zhuǎn)角，最后利用偏轉(zhuǎn)角計算發(fā)射電路的延遲時間。(l)測井前根據(jù)該井地質(zhì)設計中的巖性和常規(guī)聲波測井等其它測井資料，基本確定縱波速度范圍及對應的相控偏轉(zhuǎn)角。常見巖性縱波速度如下<table>complextableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(2)計算兩組不同發(fā)射探頭的波束束寬，計算公式如下:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中——波束寬度；V——代表縱波傳播速度(m/s);N——代表組成相控探頭的換能器個數(shù)；一一代表單個換能器的高度(m);d—一代表相鄰換能器之間的間距(m);/一一代表換能器工作頻率(Hz)。(3)當偏轉(zhuǎn)角確定后根據(jù)下面的公式，計算相控探頭的延遲時間<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)根據(jù)計算出的延遲時間，在測井前對發(fā)射電路的延遲時間進行調(diào)節(jié)。因此，采用雙相控聲波發(fā)射裝置及其控制方法不僅解決了常規(guī)聲波測井單極子聲波發(fā)射功率小、聲場無指向性、效率低等缺點，還大大的增強了儀器的測量范圍。通過試驗證明采用雙相控聲波發(fā)射系統(tǒng)進行聲波測量可探測到井旁IO米范圍的地質(zhì)構(gòu)造情況。其應用前景廣闊。圖1是Tl相控發(fā)射聲波裝置示意圖圖2是T2相控發(fā)射聲波裝置示意圖圖3是雙相控聲波發(fā)射系統(tǒng)示意圖圖4是4個單極子換能器組成的相控發(fā)射探頭的指向性圖圖5是2個單極子換能器組成的相控發(fā)射探頭的指向性圖。具體實施例方式本方案是應用包括兩組相控發(fā)射探頭Tl、T2和相應的相控發(fā)射控制電路的遠探測雙相控聲波發(fā)射裝置做為下井探測儀見圖1、2。利用六個單極子聲波換能器組成雙相控聲波發(fā)射裝置。一組相控聲波發(fā)射由Tll和T12兩個聲波換能器構(gòu)成的Tl探頭為第一組相控聲波發(fā)射探頭，發(fā)射聲波的頻率可選為810KHz;由T21、T22、T23、T24四個聲波換能器構(gòu)成的T2探頭為第二組相控發(fā)射探頭，發(fā)射聲波的頻率為1015KHz。測井時由地面系統(tǒng)控制兩組相控聲波發(fā)射探頭交替發(fā)射。兩組相控聲波發(fā)射系統(tǒng)共用由R1R8八個寬頻帶接收換能器組成的接收陣列對聲波的全波列信號進行接收見圖3。每組相控系統(tǒng)所發(fā)射聲波的相控角由組成相控探頭的聲波換能器的幾何尺寸、相對位置、介質(zhì)的聲速以及相應的控制發(fā)射電路的延遲時間而確定。每組相控發(fā)射探頭中每個換能器都對應一道單獨的發(fā)射電路。在相應的發(fā)射控制電路中采用發(fā)射延遲時間連續(xù)可調(diào)的電路。其延遲時間可以從020微秒連續(xù)可調(diào)。最終使調(diào)節(jié)的延遲時間滿足相應的相控角。每個換能器都要求耐高溫155°C，耐壓100MPa。由下面的公式計算相控聲波發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射聲波的指向角。當儀器探頭組中換能器之間的間隔""是60mm，且相控延遲時間取8us時，^=1600111/3時，其相控聲波發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射聲波的指向角代入公式當儀器探頭組中換能器之間的間隔""是50mm，且相控延遲時間取8us時v二l600m/s時，其相控聲波發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射聲波的指向角代入公式利用相控聲波指向性函數(shù)公式描繪指向性圖可形象地看出相控聲波發(fā)射的指向性和所發(fā)射的聲波束寬。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>圖4和圖5分別是由四個單極子聲波換能器和由兩個單極子聲波換能器組成的雙相控聲波發(fā)射系統(tǒng)在一定條件下的聲場指向性圖(該指向性圖是由上面的公式計算而得。其中圖4中的N二4;d二40mm;入=0.0941m;a0=io°;a=(0-2n)。圖5中的N二2;d=50mm;人=0.097m;a。=l5°;a=(0-2n)。(l)測井前根據(jù)該井地質(zhì)設計中的巖性和常規(guī)聲波測井等其它測井資料，基本確定縱波速度范圍及對應的相控偏轉(zhuǎn)角。其不同巖性的相控偏轉(zhuǎn)角取值參考下表<table>complextableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>(2)計算兩組不同發(fā)射探頭的聲束束寬，計算公式如下:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>Tl組探頭相控后形成的聲束束寬是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>代入公式€)—3cft=2arCSin(0.42V)計算結(jié)果是0—3必=42°T2組探頭相控后形成的聲束束寬是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>代入公式—3必=2arcsin(0.42V)計算結(jié)果是—必=21°(3)當偏轉(zhuǎn)角確定后根據(jù)下面的公式，計算相控探頭的延遲時間<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>如果主要巖性地層是致密砂巖，其縱波傳播速度是5500m/s，則其相控偏轉(zhuǎn)角約需12°則Tl組探頭計算出的相控延遲時間是t二(0.075Xsin12°)/1600"10us，T2組探頭計算出的相控延遲時間是t=(0.065Xsinl2°)/1600^8us。如果主要巖性地層是灰?guī)r，其縱波傳播速度是7000m/s，則其相控偏轉(zhuǎn)角約需9。則Tl組探頭計算出的相控延遲時間是t二0.075Xsin9。/1600"8us，T2組探頭計算出的相控延遲時間是t二0.065Xsin9。/1600"7us。(4)根據(jù)計算出的延遲時間，在測井前對發(fā)射電路的延遲時間進行調(diào)節(jié)。權(quán)利要求1.一種雙相控聲波發(fā)射裝置的控制方法，下井探測儀應用的遠探測雙相控聲波發(fā)射裝置包括由多個單極子聲波換能器組成的兩組相控發(fā)射探頭和相應的相控發(fā)射控制電路，多個寬頻帶接收換能器，其特征在于(1)、測井前根據(jù)該井地質(zhì)設計中的巖性和常規(guī)聲波測井的測井資料，確定縱波速度范圍及對應的相控偏轉(zhuǎn)角；(2)、計算兩組不同發(fā)射探頭的聲束束寬，計算公式如下<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>Θ</mi><mrow><mo>-</mo><mn>3</mn><mi>db</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>arcsin</mi><mrow><mo>(</mo><mn>0.42</mn><mfrac><mi>v</mi><mrow><mi>N</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mi>f</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中Θ-3db代表波束寬度；v代表縱波傳播速度m/s；N代表組成相控探頭的換能器個數(shù)；h代表單個換能器的高度m；d代表相鄰換能器之間的間距m；f代表換能器工作頻率Hz。(3)、當偏轉(zhuǎn)角確定后根據(jù)下面的公式，計算相控探頭的延遲時間<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>d</mi><mo>)</mo></mrow><mo>·</mo><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow><mi>v</mi></mfrac></mrow>]]></math></maths>(4)、根據(jù)計算出的延遲時間和聲束束寬，在測井前對發(fā)射電路的延遲時間和聲束束寬進行調(diào)節(jié)。全文摘要本發(fā)明涉及一種石油測井的雙相控聲波發(fā)射裝置的控制方法，裝置包括由多個單極子聲波換能器組成的兩組相控發(fā)射探頭和相應的相控發(fā)射控制電路，(1)測井前根據(jù)該井地質(zhì)設計中的巖性和常規(guī)聲波測井的測井資料，確定縱波速度范圍及對應的相控偏轉(zhuǎn)角；(2)由計算公式Θ<sub>-3db</sub>＝2arcsin(0.42(ν/(N(h+d)f))計算兩組不同發(fā)射探頭的聲束束寬；(3)由公式，t＝((h+d)·sinα)/ν計算相控探頭的延遲時間；(4)根據(jù)計算出的延遲時間和聲束束寬，在測井前對發(fā)射電路的延遲時間和聲束束寬進行調(diào)節(jié)，通過試驗證明采用此方法進行聲波測量可探測到井旁10米范圍的地質(zhì)構(gòu)造情況，其應用前景廣闊。文檔編號G01V1/40GK101349758SQ20071011919公開日2009年1月21日申請日期2007年7月18日優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日發(fā)明者劉志云,劉炳忠,曹學偉,朱振生,李國英,柴細元,趙旭東申請人:中國石油天然氣集團公司;大港油田集團有限責任公司