一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置

摘要

本发明提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置，该方法包括：相控圆弧阵中的各接收换能器分别接收声波信号；按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定声波信号的入射方位。本发明是利用接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比传统的单极子换能器或圆弧阵中的任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，本发明能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。

说明书

技术领域

本发明涉及石油地球物理勘探领域，具体地，涉及一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置。

背景技术

随着石油勘探、开采难度的不断加大，对低孔、低渗、非均质等复杂地层中的油气藏分布规律和剩余油分布规律的研究成为持续关注的课题，对新的勘探方法和勘探技术的需求日益迫切。石油工业中广泛使用的声波测井仪器在地层评价中发挥着重要作用，而从声波测井技术的发展不难看出，换能器技术的发展和声波测井仪器的进步息息相关。换能器作为测井仪器的核心部件之一，其种类和工艺的进步可以提高资料质量甚至带来声波测井仪器的更新换代。

目前油田广泛使用的声波测井仪器的换能器依然主要采用单极子、偶极子、正交偶极和四极子等振动模式，这一类仪器统称为多极子声波测井仪器。单极子声波测井使用了对称振动声源，无法评价地层沿井圆周方向变化的特性，不具备周向方位分辨能力。而偶极子和四极子声波测井通过分别在充液井眼中激励弯曲波和螺旋波来近似测量地层的横波波速、确定地层最大和最小水平主应力方向，测量结果有一定的方位分辨能力。实际上，偶极子和四极子声波测井只能用于评价对称轴沿水平方向的横向各向同性(HTI)地层、确定快慢横波面的方位。偶极横波远探测测井也是利用井中的偶极声源对井旁的小地质构造进行成像，其方位分辨能力也会受到偶极子声源指向性的限制。

乔文孝等人在声波测井相控线阵方面开展了大量的基础研究工作，这些研究结果表明在声波测井中应用相控线阵可以明显提高测量信号的信噪比。中国石油大学(北京)与中国石油集团渤海钻探大港油田测井公司合作，成功地把相控线阵声波辐射技术应用到远探测反射声波成像测井仪中，应用实例表明该技术能够识别井旁10米左右的高角度裂缝等。但相控线阵声波辐射器与单极子声源类似，其辐射声场也同样具有轴对称性，这导致测量结果也不具有方位分辨能力。为了实现具有方位分辨能力的声波测井，乔文孝等人提出声波测井相控圆弧阵方案并对其辐射指向性和在井内、外产生的声场进行了研究。一系列的研究结果表明，相控圆弧阵声源能够向某一侧井壁定向辐射声波，而且该声源具有良好的周向指向性函数，结合先进的井下电子技术还可以使得相控圆弧阵向周向依次扫描辐射声场。在实验室进行的大量研究的基础上，相控圆弧阵发射换能器已经开始应用到新研制的仪器中，成功地取得了12口井的现场测量资料。利用相控圆弧阵作为声波辐射器可以使声波向周向方向定向辐射声波，但这种换能器应用到井下仪器中时，无论是在声源的结构、声源激励和控制电路、井眼中的波动模式及其所携带的信息和反演方法等方面都具有前所未有的复杂性和挑战性。从发射换能器角度考虑相控圆弧阵声波辐射器可以实现方位发射，向井壁定向辐射声波进而评价井外某一周向范围内的地层性质。而从接收换能器角度考虑，比如斯伦贝谢的Sonic Scanner仪器使用了沿一个圆周等间距分布的8个接收换能器，其工作方式是8个接收换能器独立接收声波信号，该仪器虽具有一定的周向分辨能力，但不足之处在于没有对同一个圆周上的各个接收换能器所接收的信号进行以提高方位分辨率和信噪比为目的的运算，没有把这方面的潜力充分发掘出来。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置，以提供一种具有该方位分辨率的周向定向声波接收技术。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，包括：

相控圆弧阵中的各接收换能器接分别收声波信号；所述相控圆弧阵由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成，且所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；

按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；

通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。

相应的，本发明还提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置，包括：

相控圆弧阵，由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成；所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；所述相控圆弧阵用于通过各接收换能器分别接收声波信号；

输出波形信号计算模块，用于按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；

入射方位确定模块，用于通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。

借助于上述技术方案，本发明将相控圆弧阵划分为多个接收子阵，每一接收子阵由多个相邻的接收换能器组成，针对每一接收子阵，对其中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理，计算得到该接收子阵的输出波形信号，进一步，通过对所有接收子阵的输出波形信号进行幅度统计，就可以确定声波信号的入射方位。本发明是利用接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比传统的单极子换能器或圆弧阵中的任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，因此，相比于现有技术，本发明能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。相对于八单元独立接收单元方案，本技术具有更高的方位分辨率和接收灵敏度。

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是本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法流程示意图；

图2是本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置结构示意图；

图3是本实施例一提供的相控圆弧阵接收声波信号示意图。

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，而不是全部的实施例。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。

本发明提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S11，相控圆弧阵中的各接收换能器分别接收声波信号；所述相控圆弧阵由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成，且所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成。

具体的，相控圆弧阵中包含的多个接收换能器按照圆周均匀排列，相邻的接收换能器之间声电隔离，为了描述方便，以下将相控圆弧阵中的每一接收换能器称之为一个阵元，相邻的多个阵元可组成一个接收子阵，设相控圆弧阵所包含的接收换能器个数为N（N为自然数），即阵元数目为N，并设相控圆弧阵所包含的接收子阵个数为S（S为自然数），每一接收子阵所包含的阵元数目为M（M为自然数）。

当声波信号入射到相控圆弧阵上，相控圆弧阵中的N个阵元同时接收声波信号，由于相邻阵元之间声电隔离，因此该相控圆弧阵共接收到N道独立的声波信号，且声波传播到各阵元的到达时间不同。

步骤S12，按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到。

具体的，本步骤对每一接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理，使得各接收换能器接收到的声波信号同相位叠加，得到输出波形信号，由于输出波形信号是以接收子阵为接收单元，其声束主瓣角宽比任一单独接收换能器接收到的声波信号的声束主瓣角宽都要窄，因此，本发明从根本上提高了井下声学测量的方位分辨率。

针对各接收子阵计算其对应的输出波形信号，按照设定的圆周方向（顺时针或者逆时针）循环一周，得到所有接收子阵的输出波形信号，即完成整个圆周方向的扫描方位接收，形成扫描方位接收阵。

步骤S13，通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。

具体的，对扫描方位接收阵的幅度进行统计，就可以用于判断出入射声波的传播方向。

在一种较佳的实施例中，本发明步骤S12中，对接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到输出波形信号，具体包括如下步骤：

步骤S121，对接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据。

具体的，该步骤是对各阵元接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据。对声波信号进行数字离散处理为本领域的常用技术，此处不再赘述。

步骤S122，利用如下公式计算该接收子阵的输出波形信号：

$>\mathrm{WFe}(j\times \mathrm{dt})=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{a}_i{\mathrm{WF}}_i(j\times \mathrm{dt}+{\tau }_i)$>         （公式1）

公式1中，WFe(j×dt)为接收子阵的输出波形信号；

WF_i(j×dt)为序号为i的接收换能器对应的离散波形数据；

M为接收子阵包含的接收换能器个数，M为自然数；

i为按照顺时针或者逆时针方向对接收子阵中各接收换能器进行排序的序号，1≤i≤M，且i为自然数；

τ_i为序号为i的接收换能器对应的相位加权参数；

M为奇数时，$>{\tau }_{\frac{M+1}{2}}=0;$>

M为偶数时，$>{\tau }_{\frac{M}{2}}={\tau }_{\frac{M}{2}+1}=0;$>

a_i为序号为i的接收换能器的幅度加权参数；

j为波形数据序号；

dt为声波信号的时间采样间隔。

具体的，该步骤是以接收子阵中间位置上的阵元接收到声波信号的时刻作为计时参考点，对该接收子阵中其余阵元接收的声波信号进行相位调整，使该接收子阵中的所有阵元接收的声波信号都处于相同相位上，然后进行同相位叠加处理。

根据上述公式1，当接收子阵中包含的阵元数目M为奇数时，其中间位置上的阵元只有一个，以该阵元接收到声波信号的时刻为计时参考点，则有

类似的，当接收子阵中包含的阵元数目M为偶数时，其中间位置上的阵元有两个，以这两个阵元接收到声波信号的时刻为计时参考点，则有

当接收子阵中各阵元的相位加权参数相对于该接收子阵中间位置上的阵元是对称的情况时，本发明可实现对来自该中间位置接收换能器的法线方向的入射声波信号进行优势接收。在这种情况下，若M为奇数，则有:

$>\left(\begin{array}{c}{\tau }_1={\tau }_M\\ {\tau }_2={\tau }_{M-1}\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\tau }_{\frac{M-1}{2}}={\tau }_{\frac{M+3}{2}}\\ {\tau }_{\frac{M+1}{2}}=0\end{array}\right)$>

若M为偶数，则有:

$>\left(\begin{array}{c}{\tau }_1={\tau }_M\\ {\tau }_2={\tau }_{M-1}\\ ·\\ ·\\ ·\\ {\tau }_{\frac{M}{2}-1}={\tau }_{\frac{M}{2}+2}\\ {\tau }_{\frac{M}{2}}={\tau }_{\frac{M}{2}+1}=0\end{array}\right)$>

在一种较佳的实施例中，本发明中，相位加权参数可根据相控圆弧阵的圆周半径及其所包括的接收换能器数目确定。

具体的，以接收子阵中间位置的阵元接收到声波信号的时刻作为计时参考点时，相位加权参数τ_i反映了各阵元接收到声波信号的时间之差，当相控圆弧阵的阵元个数固定时，圆周半径越大，各阵元接收到同一声波信号的时间差就越大，相邻阵元的相位加权参数之间的差异也越大，反之，当相控圆弧阵的圆周半径越小，各阵元接收同一声波信号的时间差就越小，相邻阵元的相位加权参数之间的差异也越小；当相控圆弧阵的圆周半径固定时，相控圆弧阵所包括的接收换能器数目越多，各阵元接收同一声波信号的时间差就越小，相邻阵元的相位加权参数之间的差异也越小，反之，当相控圆弧阵所包括的接收换能器数目越少，各阵元接收同一声波信号的时间差就越大，相邻阵元的相位加权参数之间的差异也越大。

在一种较佳的实施例中，本发明中，相控圆弧阵所包含的接收换能器数目N满足如下关系：N≥8；

相控圆弧阵所包含的接收子阵数目S满足如下关系：1≤S≤N；

接收子阵所包含的接收换能器数目M满足如下关系：

在一种较佳的实施例中，本发明提供的声波测井方位接收方法所应用的声波频率范围是6～20千赫兹。

本发明提供的声波测井方位接收方法利用了接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，因此，相比于现有技术，本发明提供的声波测井方位接收方法能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。相对于现有的八单元独立接收单元方案（比如斯伦贝谢的Sonic Scanner仪器），本发明具有更高的方位分辨率和接收灵敏度。

此外，本发明既可以应用于电缆声波测井，也可以应用于随钻声波测井。

在声波测井领域，除可以单独应用本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法之外，还可以与已有的基于圆弧阵的方位发射技术结合起来应用，实现既可以向任意方向聚焦式地辐射声波能量，也可以聚焦式地接收来自任意方向的声波能量，从而实现全方位的三维声波测井技术，更有效地对非均质复杂油气藏进行探测。

相应的，本发明还提供一种基于相控圆弧阵的声波测井方位接收装置，以实现本发明所提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法，如图2所示，该声波测井方位接收装置包括：

相控圆弧阵21，由按圆周均匀排列且相互之间声电隔离的多个接收换能器组成；所述相控圆弧阵包括多个接收子阵，所述接收子阵由所述相控圆弧阵中的多个相邻接收换能器组成；所述相控圆弧阵用于通过各接收换能器分别接收声波信号；

输出波形信号计算模块22，用于按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号，其中，所述接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到；

入射方位确定模块23，用于通过对所有接收子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定所述声波信号的入射方位。

在一种较佳的实施例中，所述输出波形信号计算模块22对所述接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到输出波形信号时，具体用于：

对所述接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行数字离散处理，得到离散波形数据；

利用如下公式计算该接收子阵的输出波形信号：

$>\mathrm{WFe}(j\times \mathrm{dt})=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{a}_i{\mathrm{WF}}_i(j\times \mathrm{dt}+{\tau }_i)$>

其中，WFe(j×dt)为接收子阵的输出波形信号；

WF_i(j×dt)为序号为i的接收换能器对应的离散波形数据；

M为接收子阵包含的接收换能器个数，M为自然数；

i为按照顺时针或者逆时针方向对接收子阵中各接收换能器进行排序的序号，1≤i≤M，且i为自然数；

τ_i为序号为i的接收换能器对应的相位加权参数；

M为奇数时，$>{\tau }_{\frac{M+1}{2}}=0;$>

M为偶数时，$>{\tau }_{\frac{M}{2}}={\tau }_{\frac{M}{2}+1}=0;$>

a_i为序号为i的接收换能器的幅度加权参数；

j为波形数据序号；

dt为声波信号的时间采样间隔。

在一种较佳的实施例中，所述相位加权参数根据所述相控圆弧阵的圆周半径及其所包括的接收换能器数目确定。

在一种较佳的实施例中，所述相控圆弧阵21所包含的接收换能器数目为N，N为自然数，且N≥8；

所述相控圆弧阵21所包含的接收子阵数目为S，S为自然数，且1≤S≤N；

所述接收子阵所包含的接收换能器数目为M，M为自然数，且

在一种较佳的实施例中，本发明提供的声波测井方位接收装置应用的声波频率范围是6～20千赫兹。

本发明提供的声波测井方位接收装置中各模块分别用于实现前述声波测井方位接收方法的各步骤，由于在方法实施例中已经对各步骤进行了详细说明，在此不再赘述。

实施例一

本实施例以一具体的声波测井方位接收实施例对本发明提供的基于相控圆弧阵的声波测井方位接收方法及装置进行说明。

如图3所示，本实施例中，相控圆弧阵由8个接收换能器（即8个阵元）按照圆周均匀排列组成，各阵元之间声电隔离，按照顺时针方向对这8个阵元进行编号，分别为：Q1～Q8，该相控圆弧阵包括8个接收子阵，每一接收子阵由相邻的三个阵元组成，例如，编号为Q1、Q2、Q3的阵元组成一个接收子阵，编号为Q2、Q3、Q4的阵元组成一个接收子阵，编号为Q3、Q4、Q5的阵元组成一个接收子阵等等，依次类推。

根据前述说明可知，本实施例中，相控圆弧阵包含的阵元数目N=8，接收子阵数目S=8，每一接收子阵包含的阵元数目M=3。

本实施例进行声波测井方位接收的具体过程如下：

步骤A1，相控圆弧阵中的8个阵元分别接收声波信号。

步骤A2，对这8个阵元所接收的声波信号进行数字离散处理，得到相应的离散波形数据。

步骤A3，按照顺时针或者逆时针方向，依次计算各接收子阵的输出波形信号；其中，每一接收子阵的输出波形信号为对该接收子阵中各接收换能器接收的声波信号进行相控叠加处理得到。

下面以编号Q2、Q3、Q4的阵元所组成的接收子阵为例，对计算输出波形信号的过程进行具体说明：

对该接收子阵中的三个阵元按照顺时针方向重新排序（在接收子阵内部排序），编号Q2、Q3、Q4的阵元对应的序号分别为1、2、3（以下简称1号阵元、2号阵元、3号阵元）；该接收子阵中间位置的阵元为2号阵元。

假设声波信号沿图3中的箭头方向入射到该接收子阵，以2号阵元接收到该声波信号的时刻为计时参考点，1号阵元、2号阵元、3号阵元对应的相位加权参数分别为τ₁、τ₂、τ₃，且τ₂=0。

为了在入射波的传播方向上形成波束，需将1号阵元和3号阵元对应的离散波形数据分别在时间上向前移动τ₁和τ₃，然后将这三个阵元对应的离散波形数据进行同相位叠加；设一般情况下，1号阵元、2号阵元、3号阵元对应的离散波形数据分别为：WF₁(j×dt)、WF₂(j×dt)、WF₃(j×dt)；则该接收子阵的输出波形信号为：

WFe(j×dt)＝a₁WF₁(j×dt+τ₁)+a₂WF₂(j×dt)+a₃WF₃(j×dt+τ₃)      （公式2）

公式2中，WFe(j×dt)为输出波形信号；j为波形数据序号，dt为声波信号的采样时间间隔，a₁、a₂和a₃分别是1号阵元、2号阵元和3号阵元的幅度加权参数，并且a₁、a₂和a₃满足如下关系：a₁+a₂+a₃=1。

公式2中，当τ₁=τ₃时，可以对2号换能器法线方向的声波信号进行优势接收，即声波信号的入射方向垂直于2号换能器。

图3所示的相控圆弧阵中其余各接收子阵的输出波形信号的计算过程与以上过程类似，在此不再赘述。

步骤A4，通过对图3所示的相控圆弧阵中所有子阵的输出波形信号的幅度进行统计，确定出声波信号的入射方位。

本发明是利用接收子阵的输出波形信号来确定声波信号的入射方位，由于接收子阵的输出波形信号比传统的单极子换能器或圆弧阵中的任意单个接收换能器所接收声波信号的声束主瓣角宽都窄，因此，相比于现有技术，本发明能够从根本上提高井下声学测量的方位分辨率和信噪比，并可以确定声波的入射方位。

以上所述的具体实施例，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例而已，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。