一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法

摘要

本发明提供了一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置及方法，该系统包括：声源装置，包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，阵元呈圆弧片状；计算单元，用于计算如下控制参数：每个相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；激励单元，用于按照计算单元计算出的控制参数，激励声源装置中的各个阵元振动以发射声波。本发明可以实现对井旁地层中的任意方向定向辐射声波，指向性图主瓣明显，旁瓣级低，方位分辨率高，探测距离远，信噪比高。

主权项

一种随钻三维反射声波成像测井相控阵声源装置，其特征在于，包括：计算单元，用于计算令井孔中的声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向目标方向且覆盖所述目标方向上的目标点时所需的控制参数；其中，所述声源装置包括沿钻铤的轴向依次设置的多个相控圆弧阵；所述相控圆弧阵包括按圆周均匀装设于钻铤外表面的多个阵元，所述阵元呈圆弧片状；所述控制参数包括：每个所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重，为每个所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间，以及为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间；所述计算单元包括：遍历模块、位置参数分解模块、单层计算模块、邻层计算模块；所述遍历模块，用于遍历每个所述相控圆弧阵，并触发所述位置参数分解模块和所述单层计算模块对当前遍历的所述相控圆弧阵进行计算；所述位置参数分解模块，用于针对当前遍历的所述相控圆弧阵，计算如下各项位置参数：所述目标点在当前遍历的所述相控圆弧阵的中间圆形横截面上的水平投影位置r'和在钻铤的轴向上的垂直投影位置z'；所述水平投影位置r'与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离r；所述水平投影位置r'在所述中间圆形横截面上所经过的半径与所述中间圆形横截面的基准半径之间的圆心角θ；所述垂直投影位置z'与所述中间圆形横截面的圆心之间的距离z；所述单层计算模块，用于按照如下公式构建关于当前遍历的所述相控圆弧阵中各个阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m的目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)：$O(A_1\mathrm{...}{A}_N\mathrm{...}{A}_m,{\mathrm{\Delta T}}_1\mathrm{...}{\mathrm{\Delta T}}_N\mathrm{...}{\mathrm{\Delta T}}_m)=\frac{\max \left[{\Phi }^{\prime }\left(r,\theta =\frac{\pi }{2}~\frac{3\pi }{2},z,\omega \right)\right]}{\max \left[{\Phi }^{\prime }\left(r,\theta =\left(0~\frac{\pi }{2},\frac{3\pi }{2}~2\pi \right),z,\omega \right)\right]}$其中，Φ'(r,θ,z,ω)表示当前遍历的所述相控圆弧阵在所述目标点形成的纵波场以位移形式表示的激发谱；且${\Phi }^{\prime }(r,\theta ,z,\omega )=\underset{n=0}{\overset{+\infty }{\Sigma }}\underset{N=1}{\overset{m}{\Sigma }}{A}_N\left[\frac{1}{2\pi }\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{B}_n^{\left(fo\right)}{K}_n\left(qr\right)e^{{\mathrm{ik}}_{z}z}{\mathrm{dk}}_z\right]\times \exp (-{\mathrm{i\omega \Delta T}}_N)\cos \left[n\left(\theta -\frac{N\pi -\pi }{4}\right)\right]$ω表示所述相控圆弧阵中各个阵元的振动频率；n表示方位阶数；N表示阵元的序号；m表示所述相控圆弧阵中阵元的数量；A_N表示序号是N的阵元对应的激励信号的幅度权重；ΔT_N表示为序号是N+1的阵元施加激励信号相比于为序号是N的阵元施加激励信号的延迟时间；表示地层中向外传播的纵波的势函数的系数；第二类贝塞尔函数K_n(qr)与共同描述了沿径向由内向外传播的波；q表示纵波的径向波数；i表示虚数单位；k_z表示液体内纵波的轴向波数；所述单层计算模块，还用于采用非常快速模拟退火算法，计算令所述目标函数O(A₁...A_N...A_m,ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m)取极小值时，当前遍历的所述相控圆弧阵中各个所述阵元对应的激励信号的幅度权重A₁...A_N...A_m和为当前遍历的所述相控圆弧阵中相邻阵元施加激励信号的延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m；所述邻层计算模块，用于计算当井孔中的所述声源装置在井旁地层中产生的纵波场的主瓣指向所述目标方向且覆盖所述目标点时，所述声源装置的主声束偏转角度θ₀；并按照如下公式计算为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号的延迟时间τ：$\tau =\frac{h\times {\mathrm{sin\theta }}_0}{v_f}$其中，h表示相邻的两个相控圆弧阵的中间圆形横截面之间的距离，v_f表示井内泥浆的声速；按照所述计算单元针对每个所述相控圆弧阵计算出的幅度权重A₁...A_N...A_m和延迟时间ΔT₁...ΔT_N...ΔT_m激励相应所述相控圆弧阵中的各个阵元振动，并按照所述计算单元计算出的延迟时间τ为所述声源装置中沿钻铤的轴向的相邻阵元施加激励信号。