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摘 要 在声波测井中，常常会因为地层的衰减，使得声波测井仪无法接收声波的首波信号。为了增强接收的声波信号，通常采用两种方法：一是通过增大换能器尺寸来降低声波的频率从而减小地层衰减；二是增大换能器的发射功率来增大声波信号的功率，但是由于换能器所能承受的最大激发电压和温度的限制，致使发射声信号功率有限。所以，可以通过相控阵技术使阵列发射探头发出的声信号同相位叠加，改善指向性达到增强首波信号的目的。阵列声波测井仪有两种组成方式：一是单接收器和一维阵列声源的组合；二是单声源和一维阵列接收器的组合。换能器为薄圆管形压电换能器。本文采用了声波测井中的传输网络理论与指向性权系数的概念，推导出了换能器的几何形状与尺寸对线阵声源的导向系数的关系。通过改变阵列接收器接收到的声波信号的时间偏移量和线阵声源的激发延迟时间，可以令接收的首波幅度（阵列声源）与叠加波的首波幅度（阵列接收器）达到最大。通过本文提出的方法可以令声波测井中接收到的声波测井信号的首波幅度大大增加。关键词：阵列声波测井、相控阵、指向性、换能器、激发延迟时间AbstractIn acoustic logging, often because of the decline of formation makes sonic tool cannot receive the first wave of sound wave signal. In order to enhance the received acoustic signal, usually adopts two methods: one is through increased to reduce the frequency of the acoustic transducer dimension reducing formation attenuation; Second is to increase the transmission power of the transducer to increase the acoustic signal of power, but because of the transducer can bear the limit of maximum excitation voltage and temperature, the sound emission signal power co., LTD. So can make through phased array technology emission probe array acoustic signals with the phase superposition, achieve the enhancement purpose to the first wave signal to improve the directivity. Array acoustic logging tool is composed of two ways: one is the combination of single receiver and a one-dimensional array source; The second is simple sound source and the combination of a one-dimensional array receiver. Transducer is a thin circular tube in the shape of a piezoelectric transducer. This paper adopts the transmission network theory and directivity of acoustic logging weight coefficient, the concept of the geometric shape and size of the transducer is deduced on the relationship between the linear array direction Guide coefficient of sound source. By changing the array receiver to receive the time offset and linear array acoustic signal source excitation delay time, can receive the first wave of sound source (array) and superposition of wave amplitude of the first wave amplitude (array receiver) maximum. By the proposed approach can make sonic logging in the received the first wave of acoustic logging signal amplitude increase greatly.Keywords: array sonic logging、phased array、directivity、transduc、Stimulate the delay time25引 言声波测井就是利用声波在油井下面的地层中传播后，因为不同的地层密度等参数不一样，导致接收到的声波的参数产生变化，分析这些变化的参数，就可以分析出这些地层的结构，岩石属性，以及石油的分布情况，估计出储集层的孔隙度等性质。在具体的操作过程中，声波是这样传播的，首先在井下的一定深度放置一个声源，称为声波发射探头T，油井中有大量泥浆，探头发射的声波穿过泥浆到达油井的井壁，再到地层中去，经过衰减等变化，声波传到了接收端，称为声波接收探头R 。声速测井中，只有折射角为沿井壁传播的滑行波是有用的。因为油井内泥浆是液相介质，井壁周围地层是固相介质，因此从泥浆入射到地层地声波转换称成滑行纵波和滑行横波。比较常规声速测井与全波列测井这两种测井的方法，主要不同点是所测得声波种类不同，前者主要测量地层的纵波波速，后者不但需要测纵波波速，还需要测横波波速。一般采用的方法，较为准确地测量地层地纵波的声速和横波的声速。为了分离横波与纵波信号，我们需要加大源距，减小它们之间的互相影响。 因为源距变长，所以需要增强发射探头T的有效发射能量。无论全波列测井还是常规声速测井，不同的地层声波的衰减会不同，比如在裂缝或溶洞的周围，衰减造成声波能量下降，由于声波的能量下降了，导致无法使”记录门波”被触发。无法触发的记录门波被续至波激发，变化体现在声速测井仪接收的曲线上，会有“周波跳跃”现象出现。增加发射探头的有效发射能量可以很好地解决“周波跳跃”现象。提高发射探头的发射功率，要受到其材料性质本身的限制。从另外一方面来说，只是单单增强声波的发射功率，拉长余波持续的时间从而减小测井时探头发出的声波的重复频率。缓慢的向上拉电缆，测井作业时间会被延长，但是这样做可以保障采样密度。若将探头的体积变大，则可以降低声波的发射频率，从而提升它的穿透能力但是这受到了井眼尺寸约束。因为发射探头T的声压辐射的指向性会影响接收的声波信号，从而也会影响测井记录资料的质量。LAST是线阵列声波发射探头，它是由许多个基本换能器构成的，可以通过改变被测量岩层纵向波的速度来改变LAST发出的声波的偏转方向，其发射得能量值可以用测出的信号的波幅参数来控制。这样就使接收的横向波信号或纵向波信号与接收系统的动态范围扩大，传输至地表的波信号也不会失真，获得的横向波信息与纵向波信息会更加精确。因为LAST的声压辐射的指向性是动态变化的，所以还能减小单个换能器声压辐射指向性对测井记录数据精确度的影响。1 基本原理及物理模型的建立1.1物理模型介绍声波从井中泥浆（液态介质）入射到地层（固态介质）的物理模型如图（1）所示 图（1）由几何声学折射定律可以得到 （1） 式（1）中：声波在泥浆中传播的速度；声波在地层中传播的速度；声波从泥浆到地层的入射角； 地层对入射角声波的折射角。当声波以临界角入射时，即，式（1）为： （2）1.2基本原理如图（2）所示， 图（2）根据移相法的原理可以知道：线阵声源的辐射声波波阵面的方向，可以通过在声源激励中加入延迟装置来改变。在单一均匀介质中有1 （3）式（3）中：X阵列声源中换能器单元发射声波时，换能器单元 发射的声波在介质里移动的距离：声音在介质中传播的声速两个紧挨着的声源之间的激发延迟时间。则有发射的声波的波束偏转角为 （4）式（4）中，d声源间的距离。 1.3线性声波发射探头物理模型图（3）线列声波发射探头物理模型如图（3）所示。将上述移相法原理推广应用到液相和固相两种机介质同时存在的实际测井条件中。设：LATS是由n1个基本换能器组成的，它们在油井下面排列成一条直线（仪器中轴线）间距为d，并且用电动态激发延迟线连接。则式（4）变为： （5）式（5）中 ：泥浆声速。设泥浆的声速在任意深度的某一范围内相同，而值阵列声波发射探头中的换能器单元之间的距离d是固定的，所以激发延迟时间能够改变要接收的波束方向的偏转角。不同的地层它的密度等参数不同，导致声波在其中以不同的速度和不同的角度传播。这样我们便可以根据测量地层的波速来改变LAST发出波束偏转的角度，通过理论推导，实际情况下，根据油井的半径分为大、中、小三种情况，这三种情况下，基本换能器的激发延迟时间均为2 （6）式（6）中 ：地层里纵波或横波的速度。如果令为地层中纵波的传播速度，则接收探头R的声压为 （7）式中： 纵波声压； 横波声压；基本换能器的谱函数； 地层的纵波系统函数； 地层的横波系统函数； t横波与纵波传至接收探头R时相差的时间；t1基本换能器与所产生的横波到达b点时相差的时间。公式里的第一项证明，是线阵发射探头中的每个基本换能器间的激发延迟时间是通过测量地的纵向波的波速来调节的，则发出的纵向波在岩层中通过同相位叠加波的方式进行传播。这令接收的纵波信号强度有了大幅提升；第二项证明，虽然各基本换能器在地层中产生的是一个不同相的叠加波，它相对于纵波滞后时间到达R。又因为各基本换能器在地层中产生的纵波是一个同相位叠加波，所以横波到达接收探头R时，接收的声波的波列中产生的波形畸变大大增加。这样可以增加测量地层横波声速与纵波声速的精确度。如果以作为岩层的横向波波速，则每个基本换能器单元在岩层中发出的横向波都用同相位的方式传播，从而大大增加接收探头R收到的横向波信号与探头在声波波列中引发的波形畸变。根据接收到的声波信号幅度大小来控制发射声波的基本换能器的个数可以完成对LATS发射的声能量的大小的动态控制。如果接收到的声波信号幅度较大时，则就应该减少发射声波的基本换能器的个数；相反的，就应该增加发射声波的基本换能器的个数。这样就扩大了声波信号接收系统的动态范围，使得接收到的声波波列可以不失真地传输到地面。这个系统的工作原理就是用在前一个激发周期里测量的参数，来控制本个激发周期里LATS发出声束的发射声能量大小与偏转方向。1.4 声波测井仪器声系的设计原则(1)能够实现原本的功能，即阵列声波测井仪的功能；（2）有创新精神，解决问题要找到重点；（3）要有自己的体系，不但可以对原本测井质量进行控制，又能够对测量结果进行检验；（4）要具有创新的设计思路，比现有的声波测井仪的功能更加齐全，比如能够组合或分析的成分增加；（5）要加入对地震的勘察迭加理念，要存在若干相同源距，多次测量被测岩层； 在井下采用相控阵技术激发声波，发出的声波在地层中形成声束，通过控制相邻的探头的发射时间可以控制声束的大小和方向。若间隔时间大于20 s，能量开始降低，由于能量变低不足以维持声束的形状，形状会产生变化，相同相位叠加的波阵面在油井的内壁上延伸，导致首波在固体中迭加。这使得接收到的首波波幅加强。于是，在设计仪器过程中，要根据不同的目的设计不同的相控参数。2.电路原理和电路图图（4）电路原理图上图是控制声束产生偏转的声波测井系统的电路原理图，如图（4）所示。图（4）的SCD是声波测井过程中放置在地面上的仪器。HDLC单元是逻辑控制电路，它被放置在井下。（）C单元是计算电路，HVC单元是高压倍压电路。另外，FC0-n 单元是激发电路，FPC单元是激发脉冲电路。FDC单元是激发延迟控制电路。在测井的过程中，发射探头里每个压电晶体之间的距离d由HDLC传到（）C，同时由HDLC控制HVC发送直流高压电到FC0-n。从这之后， FPC单元不断地发送周期为20ms的窄激发脉冲。在FPC正在发送第一个脉冲的时候，HDLC向给（）C赋予所测地层的估计声速Vf0。（）C单元计算出t0值（）后，向FDC输入它的值。之后，通过FDC发送命令给FC0-n，让它们之间按照时间t0一个接一个的激发，t0是相对延迟时间。所以T0到也按照t0一个接一个的发射声波。发出的声波在地层中叠加形成波束射入地层，该波束有方向性，但不一定是最佳方向。HDAG单元是放大增益电路，它也是位于井下的。之前形成的波束在地层中传播，通过接收探头接收传到HDAG中进行放大，之后信号被电缆传至地面，由地面的仪器进行分析与处理。是处理后的声波在地层中的速度，之后 再由电缆传回HDLC，再由HDLC传到（）C计算激发相对延迟时间t= 。得出t后，把t由（）C传到FDC。当发送第二个激发脉冲的时候，T0到以t一个接一个的发射声波。发出的声波在地层中同相位叠加，在地层中传播。后面的过程和前面一段一样。开始测井时，在第一个周期里估计声速是被人为赋予的，这是它们的不同点。而在第二个和以后的激发脉冲周期里，需要用测出的地层中的声速信号，计算出t值，用t =（）来自动调节激发延迟时间，这样是为了使发出的声束的方向达到最佳，也为了接收的声信号最大。激发延迟时间用什么波控制，接收的同类型的声波信号就最大。比如，用横波控制激发延迟时间，那么接收到的横波信号就是最大的。同理，把横波换成纵波，那么接收到的纵波就是最大的。使用前一个周期中得出的数据来控制后一个周期里的数据，这种控制的方式叫做异步控制。上面介绍的声波测井仪器用的就是这种异步的控制方式，用前一个周期里得出的声波在地层中的速度这项数据来调节后一个周期里的波束方向。这种异步控制会产生误差。一般来说，激发周期是20ms，测井时电缆每小时上提1000米，通过计算，一个周期电缆向上移动了0.56厘米。所以说，来自异步的影响可以忽略。3. 误 差 分 析之前分析过，声波测井仪是异步控制的，用前一个周期里得出的声波在地层中的速度这项数据来调节后一个周期里的波束方向。异步控制会产生一个深度差异。举个例子，激发周期是50ms，测井时电缆每小时上提720米，通过计算，一个周期电缆向上移动了1厘米。所以说，来自异步的影响可以忽略。加减计数器存在误差，为 1个计数脉冲，最低的加计数频率是5/a MHz，减计数频率为5MHz，因为1，以至于发射声束的偏转方向动态控制电路的误差最大为0.2s。LATS里面的基本换能器以直线按顺序排列，换能器之间的距离设为d，把换能器看做点，两换能器的距离应为它们各自中点之间的距离。因为声波测井仪的间距Ld，以致误差可以忽略不计。4.实验测量和数据分析我们对根据以上原理设计的电路进行了实验测量。线状阵列发射探头LATS的基本换能器单元To和接收器R的形状都是圆管形的压电晶体，除了形状相同，它们的高度与谐振频率也相同，高度都是38cm，频率都为20KHZ4.1实验1：LATS由To和T1组成，声系的源距为0.8M，被放置到一个内径为13.5cm，外径为14.2的半圆聚氯乙烯材料的凹槽里。图（5）a为To发出的声波接收到的纵波幅度波形图，图（5）b为接收到的用声波纵波在聚氯乙烯材料中的速度调节的激发延迟时间发出的声波的纵波幅度波形图。根据图形对比可以明显看出，LATS可以大幅度提升接收到的纵波信号幅度。图（5）To和LATS发射声波时接收的纵波信号4.2实验2：采用与实验1相同的声系，放置到一个内径为13.5cm，外径为14.2的半圆铝槽中。图（6）a为用横波的速度调节相对延迟时间接收器收到的信号，里面的A表示横波传至接收探头R时波列中波形的畸变。图（6）b为不用横波的速度调节相对延迟时间接收器收到的信号，里面的B表示横波传至接收探头R时波列中波形的畸变。根据这两个图可以明显的看出图（6）b里引起的畸变大。 （a）横波同相位 （b）横波不同相位图（6）LATS发射声波时接收纵波信号和横波信号 4.3实验3：LATST0T1组成，它们之间的间隔d为8.6cm，声系的源距为3048M。我们不断地发迹基本换能器之间的激发延迟时间，得到的纵波首波幅度HWAS与激发延迟时间的关系如图（7）所示。从图（7）可以看出，在激发延迟时间为15s时，接收的纵波首波幅度最大。钢管的声速为5460M/S，由公式（4）计算出的激发延迟时间为1502s，理论计算值和实验测量值相符合。 图（7）激发延迟时间和HWAS的关系曲线4.4实验4：LATS声系和试验条件同实验3。T0和T0T3分别发射声波时，R接收的声波波列分别如图（8）（a）和图（8）（b）所示。其中C点和D点是横波在接收的声波波列中引起的波形畸变。显然，用所测得地层的纵波声速调节LATA发射声束的偏转方向，使纵波在地层中以同相位的方式传播，可使横波在接收的声波波列中引起的波形畸变大增加，这与公式（5）相符合。（A）n1 （B）n4图（8）R接收的全波列波形4.5实验5：LATS声系和试验条件同实验3。使比较器1的参考电压为3V，使比较器2的参考电压为2V，比较器3的参考电压为1V。表里的BSXF表示声波幅度选通滑动门前三个发出的正半波的幅度的平均值。通过改变放大电路的放大倍数，分别记录BSXF为大于3时，大于2小于3时，大于1小于2时以及小于1时，接收探头R两端测到的纵波首波的波幅。下表里的n表示的是有几个换能器发射声波。通过发迹接收放大电路的放大增益使其输出的声波信号幅度随之发迹来模拟地层不同而引起的声波信号幅度大小不同的情况。实验证明是可以通过接收的声幅参数来自动控制LATS发射声能量的大小。图（9）表BSXF与JSXF之间的关系为了更加的方便简洁，可以使用单片机来动态控制LATS发出的声束偏转方向与发出的声波能量。通过查阅资料，我们可以知道：声波在泥浆中的速度是每秒1600米，比在空气中快得多，在固体中传播的更快，比如在白云岩岩层里声波的速度是每秒7900米，白云岩中的入射临界角是1141。由于石泥岩密度较低，相比较 白云岩声波在石泥岩中衰减较大。在石泥岩中声波的速度是每秒1800米。在石泥岩中入射临角为6244。斯伦贝谢公司是美国的一家最大的油田技术服务公司。该公司产的一种长源距的声波测井仪用的声波发射探头延迟时间是固定的，为17us，用的是双磁致深的换能器组合。图（9）为双磁致深换能器的声能量辐射指向性图。而我们用的声波阵列发射探头在几种不同地层的中的在入射临角方向上的声能量辐射指向性如图（10）所示。比较图（9）与图（10），斯伦贝谢公司的这种延迟时间固定为17us的双磁致深换能组合的发射探头的能量只想分布是不随地层改变而改变的；但是我们用的声波阵列发射探头发出的波束，其偏转角是根据地层的波速来控制的，它的发射能量分布图显示其能量分布根据地层不同而不同。并且入射临界角没有发生变化，这样接收的信号强度最大。自然而然的，声波阵列发射探头的性能要优于固定延迟时间的双磁致深换能组合的声波发射探头。 图（10）双磁致伸换能器的声能量辐射指向性图（11）阵列发射探头的声能量辐射指向性5.结论通过以上分析和实验可以得到如下结论：1、在地层的横、纵波声速中，我们选择用纵波声速来对LATS发射声束进行其偏转方向的调节。在调节过后，滑行纵、横波都发生了相位的变化。其中纵波是同相位叠加，而滑行横波则是不同相位叠加。如此一来，纵波的信号幅度就会大大增加，同时，滑行横波的波形则产生巨大的畸变。而横、纵波声速有着两个特性：可靠性和精确性。对于增加其可靠性，我们需要用常规声速测井仪的门限技术来记录纵波首波的时差信号；对于增加其精确性，我们则要用全波列记录方式和一些数字信号处理技术对测井记录的全波列进行处理。2、在地层的横、纵波声速中，我们选择用横波声速来对LATS发射声束进行其偏转方向的调节。在调节过后，滑行纵、横波都发生相位的变化。其中横波是同相位叠加，而纵波则是不同相位叠加。如此一来，横波的信号幅度就会大大增加，其波形产生巨大的畸变，并且其测量地层的精确度也大大提高。3、要确保LATS发出的声能量的总面积不发生改变的同时减小基本换能器的高度，就需要把基本换能器的数量增加。然后我们选择用横波声速来对LATS发射声束进行其偏转方向的调节，在调节过后，滑行纵、横波都发生相位的变化。其中横波是同相位叠加，而纵波则是不同相位叠加。由于减小了基本换能器的高度，这导致了单个基本换能器发出的声能量低，限制了岩层中产生的纵波，记录门波无法被触发。相比与纵波，横波的波幅比较大，可以触发记录门波，所以可以用记录门波来记录岩层里的横波时差信号。另一方面，基本换能器的高度变小，其声辐射指向性在柱坐标系平面的各方向趋于均匀，而LATS的声辐射指向性在测井过程中是随着的地层的变化而变化的，因此，可减小声辐射指向性对测井资料质量的影响。4、因为所测量的声幅数能控制LATS的声能量大小，所以我们需要扩大声波信号系统的动态范围，以确保声波全波列在被接收，并通过放大电路后不会产生失真。致 谢在此次毕业设计当中我选择的从未接触过的题目，所以遇到了许多的问题和困难。在实验研究及论文的写作期间，法老师都给予了我大量的指导。课题进展中的每一个阶段更是与法老师对我的教导与帮助分不开。所以此次毕业设计才能顺利的完成。在此，我要向法老师表示我深深的敬意与谢意！同时此次毕业设计还受到了同学的大力支持和帮助，在这里向你们致谢，感谢此次为我提供帮助的朋友和同学们对我此次毕业设计的大力支持。参 考 文 献1马大猷，沈壕：声学手册科学出版社 1983年。2法林：一种声波阵列发射探头的设计，石油学报，1991，3期3Fa Lin and Wang Haiyun:Sonic Array Transmitting, Receiving Sonde and Processing of Received Waves, International Well Logging Symposium Transactions, 1990, P. DD1-DD22 附 录以下为此次MA