《一種套管井方位聲波測井方法》是中國石油天然氣集團公司、中國石油大學（北京）於2006年11月30日申請的發明專利，該專利的申請號為2006101442457，公布號為CN101042046，公布日為2007年9月26日，發明人是車小花、喬文孝、鞠曉東。
《一種套管井方位聲波測井方法》採用由相控組合圓弧陣聲波輻射器、隔聲體和兩個單極子聲波接收換能器組成的聲系；相控組合圓弧陣聲波輻射器在充液井孔中所輻射的脈衝聲波沿一定方位角範圍內的某一側井壁介質（套管、水泥環和地層）中傳播並被井孔中不同位置的兩個單極子聲波接收換能器所接收，分別通過對兩種源距的接收信號的處理就可以獲取對應於該側井壁介質的聲學信息，從而實現對指定方位角範圍內固井質量和地層性質的評價。
2014年11月6日，《一種套管井方位聲波測井方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種套管井方位聲波測井方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種套管井方位聲波測井方法
- 公布號：CN101042046
- 公布日：2007年9月26日
- 申請號：2006101442457
- 申請日：2006年11月30日
- 申請人：中國石油天然氣集團公司、中國石油大學（北京）
- 地址：北京市西城區六鋪炕街6號
- 發明人：車小花、喬文孝、鞠曉東
- 分類號：E21B47/024（2006.01）、E21B47/14（2006.01）
- 代理機構：北京科龍寰宇智慧財產權代理有限責任公司
- 類別：發明專利
- 代理人：孫皓晨
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
聲波測井是在充液井孔中實施聲學測量的一種測井方法。在套管井中，通過對充液井孔中各種模式波的聲速和衰減等量的測量來評價固井質量。
從20世紀40年代到現在，聲波測井儀經歷了從單發射單接收、單發射雙接收及雙發射雙接收方式的發展過程。裸眼井測量內容由僅測量地層縱波速度發展到能夠測量充液井孔中滑行縱波、滑行橫波、斯通利波和彎曲波的波速和衰減的測量，拓寬了聲波測井在地層評價中的套用範圍。而在套管井中的聲波測井以測量套管和地層之間的水泥膠結質量為主要目的。
2006年11月前，國內外尚缺少在套管井內固井質量方位評價手段和過套管地層評價及預測套損等工程問題的有效測量技術。井下聲波電視測量技術僅僅能夠評價套管的幾何狀態，不能評價水泥膠結質量和套管外地層性質；目前廣泛使用的評價水泥固井質量的測井儀器，例如聲幅測井（CBL）和變密度聲波測井（VDL）等，都不具備方位（周向）分辨能力。進口的評價固井質量的扇區水泥膠結評價儀（SBT）等類似測井儀器只能對固井質量提供粗略的周向測量結果（方位解析度為60度），並且只能夠對第一界面的水泥膠結狀況進行評價，無法對第二界面的水泥膠結狀況和套管外地層性質做出評價。該發明公布了一種可以在套管井內使用的、能夠評價套管外水泥膠結質量的套管井方位聲波測井技術。隨著技術的進步和石油工程的發展，人們對包括第二界面水泥膠結狀況以及地層性質的評價在內的、具有周向分辨能力的套管井方位聲波測井技術的需求越來越迫切。Schlumberger公司於2005年提出了採用單極子和偶極子聲源在套管井中進行“三維”聲波測井的方法，但是，由於偶極子聲源的指向性的限制，這種方法存在方位解析度差和多解性的重大缺點。
該專利申請人提出採用ZL200310115236.1的發明專利中所述的任意指向性聲波輻射器，採用一個以上單極子聲波換能器接收方位聲波信號，聲波測量頻率在6千赫～20千赫範圍的、具有方位分辨能力的套管井聲波測井方法，可以形成一種新的套管井聲波測井技術。
發明內容
專利目的
《一種套管井方位聲波測井方法》的目的在於，提供了一種套管井方位聲波測井方法，該方法在發射探頭、聲傳播幾何路徑、測量原理和測量功能等方面相對於當前的測井方法進行了重大改進，使發射探頭髮出的聲波沿一定方位角範圍內某一側井壁介質（套管、水泥環和地層）傳播，接收信號中只含有這一側井壁介質的信息，從而實現對指定方位角範圍內固井質量、套管外地層介質性質進行評價。
技術方案
《一種套管井方位聲波測井方法》包括的步驟為：
a步驟：在充液套管井孔中依次設定相控組合圓弧陣聲波輻射器、隔聲體以及兩個接收探頭，所述接收探頭與相控組合圓弧陣聲波輻射器之間的距離分別為1米和1.5米；
b步驟：改變參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器的陣元組合，並施加合適的延遲激勵以實現井下聲源向某一側井壁輻射聲波；
c步驟：進入井壁介質的聲波僅沿一定方位角範圍內的某一側井壁介質傳播，使此方位角範圍內的井壁介質參與振動，而該方位角範圍外的井壁介質不參與振動；
d步驟：各個接收探頭接收上述方位角範圍內的不同源距的聲波信號，使其僅僅包含與傳播路徑有關的某一側井壁介質的信息；
e步驟：通過對上述不同源距的多道接收信號的處理得到該側井壁介質的聲學信息。
f步驟：通過對不同方位角方向的井壁介質進行掃描測量來實現整個圓周井壁介質的聲學評價；
較佳的，所述的參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器的陣元數大於1，並且其相對對稱的陣元同位相振動；
較佳的，所述的參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器的陣元間施加的激勵延遲為：R（cosα1-cosαn）/c，其中，R-相控組合圓弧陣聲波輻射器半徑；Rcosα1-一振動陣元與輻射中心的連線在輻射方向中心軸上的投影；Rcosαn-另一振動陣元與輻射中心的連線在輻射方向中心軸上的投影；c-聲速；α1-一陣元與輻射方向中心軸的夾角；αn-另一陣元與輻射方向中心軸的夾角。
較佳的，所述的接收探頭布置在相控組合圓弧陣聲波輻射器的任意一側；較佳的，所述的接收探頭為單極子聲波接收換能器；較佳的，所述聲波的測量頻率範圍為6千赫～20千赫；較佳的，所述套管井方位聲波測井聲系在井孔中上升或下降過程中對不同深度點進行測試；較佳的，所述的處理是指聲波到達時間和幅度的計算處理；較佳的，所述的井壁介質為套管、水泥環和地層。
附圖說明
圖1為該發明套管井方位聲波測井聲系示意圖；
圖2為該發明相控組合圓弧陣聲波輻射器示意圖；
圖3為該發明套管井方位聲波測井方法流程圖；
圖4為該發明相控圓弧陣聲波輻射器聲波輻射方向控制示意圖；
圖5為該發明套管井方位聲波測井示意圖。
附圖示記說明：1-相控組合圓弧陣聲波輻射器；2-隔聲材料；3-兩個單極子聲波接收換能器；4-隔聲體；5-套管內壁；6-圓弧陣聲波輻射器。
權利要求
1、《一種套管井方位聲波測井方法》其特徵在於，其包括的步驟為：
a步驟：在充液套管中依次設定相控組合圓弧陣聲波輻射器、隔聲體以及兩個接收探頭，所述接收探頭與相控組合圓弧陣聲波輻射器之間的距離分別為1米和1.5米；
b步驟：改變參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器的陣元組合，並施加合適的延遲激勵以實現井下聲源向某一側井壁輻射聲波；
c步驟：進入井壁介質的聲波僅沿一定方位角範圍內的某一側井壁介質傳播，使此方位角範圍內的井壁介質參與振動，而該方位角範圍外的井壁介質不參與振動；
d步驟：各個接收探頭接收上述方位角範圍內的不同源距的聲波信號，使其僅僅包含與傳播路徑有關的某一側井壁介質的信息；
e步驟：通過對上述不同源距的多道接收信號的處理得到該側井壁介質的聲學信息。
f步驟：通過對不同方位角方向的井壁介質進行掃描測量來實現整個圓周井壁介質的聲學評價。
2、根據權利要求1套管井方位聲波測井方法，其特徵在於，所述的參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器的陣元間施加的激勵延遲為：R（cosα1-cosαn）/c，其中，R-相控組合圓弧陣聲波輻射器半徑；Rcosα1-一振動陣元與輻射中心的連線在輻射方向中心軸上的投影；Rcosαn-另一振動陣元與輻射中心的連線在輻射方向中心軸上的投影；c-聲速；α1-一陣元與輻射方向中心軸的夾角；αn-另一陣元與輻射方向中心軸的夾角。
3、根據權利要求1或4所述的套管井方位聲波測井方法，其特徵在於，所述的接收探頭為單極子聲波接收換能器。
4、根據權利要求1所述的套管井方位聲波測井方法，其特徵在於，所述聲波的測量頻率範圍為6千赫～20千赫。
5、根據權利要求1所述的套管井方位聲波測井方法，其特徵在於，所述的處理是指聲波到達時間和幅度的計算處理。
6、根據權利要求1所述的套管井方位聲波測井方法，其特徵在於，所述的井壁介質為套管、水泥環和地層。
實施方式
參閱圖1所示，其為該發明套管井方位聲波測井聲系示意圖，其包括相控組合圓弧陣聲波輻射器1、隔聲體4和兩個的接收探頭。這裡所述的接收探頭為單極子聲波接收換能器3，其中所述的相控組合圓弧陣聲波輻射器1為該申請人在2003.11.24申報的ZL200310115236.1的發明專利中所述的任意指向性聲波輻射器。
請參閱圖2所示，其為該發明相控組合圓弧陣聲波輻射器示意圖，其包括若干個圓弧陣6以及隔聲材料2，所述的隔聲材料2位於圓弧陣6之間。
請參閱圖3所示，其為該發明套管井方位聲波測井方法流程圖；其步驟包括：
a步驟：在充液井孔中依次設定相控組合圓弧陣聲波輻射器1、隔聲體4以及兩個單極子聲波接收換能器3，所述單極子聲波接收換能器3與相控組合圓弧陣聲波輻射器1之間的距離分別為1米和1.5米；
b步驟：改變參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器1的陣元組合，並施加合適的延遲激勵以實現井下聲源向某一側井壁5輻射聲波；
c步驟：進入井壁介質的聲波僅沿一定方位角範圍內的某一側井壁介質傳播，使此方位角範圍內的井壁5介質參與振動，而該方位角範圍外的井壁5介質不參與振動；
d步驟：各個單極子聲波接收換能器3接收上述方位角範圍內的不同源距的聲波信號，使其僅僅包含與傳播路徑有關的某一側井壁5介質的信息；
e步驟：通過對上述不同源距的多道接收信號的處理得到該側井壁5介質的聲學信息。
f步驟：通過對不同方位角方向的井壁5介質進行掃描測量來實現整個圓周井壁介質的聲學評價；
對於a步驟所述的單極子聲波接收換能器3與相控組合圓弧陣聲波輻射器1之間的距離問題，鑒於源距為1米的聲幅測井（CBL）和源距為1.5米的變密度聲波測井（VDL）已經成為國內外聲波測井的標準，因此，在圖1所示的聲系中取最小源距（TR1）為1米（接近於3英尺）、取次最小源距（TR2）為1.5米（接近於5英尺）。如此，該發明提出的測量技術的測量結果與當前的測量技術的測量結果具有一定的可比性，但同時具有傳統測量技術所不具備的方位測量功能。
對於b步驟所述的實現井下聲源向某一側井壁5輻射聲波，其實現過程中所述的參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器1的陣元數既可以是偶數，也可以是奇數，並且其相對對稱的陣元同位相振動；為了便於說明利用相控組合圓弧陣聲波輻射器實現方位掃描輻射聲波，我們假設半徑為R的相控圓弧陣由24個陣元組成，如圖4所示，假設在某一次測量中圓弧陣上有6個陣元振動，即由1～6號陣元工作來完成某一次聲波輻射（其它陣元不工作），並設1號與6號陣元同位相振動、2號與5號陣元同位相振動、3號與4號陣元同位相振動。假設4、5、6號陣元的激勵起始時刻分別為t1、t2和t3，並取：
根據相控圓弧陣輻射指向性原理可知，這6個陣元協同工作的結果是使聲波沿著圖中所示的x方向輻射。類似地，當取0～5號陣元按相應的延遲時間激勵工作時就可以使聲波沿著圖中所示的x1方向輻射。
若參與工作的相控組合圓弧陣聲波輻射器1的陣元數為奇數，則以中間的陣元的中心軸線為參考，兩邊對稱的陣元進行同位相振動，依次改變參與工作的陣元組合併施加合適的延遲激勵就可以實現井下聲源向並壁圓周進行方位掃描輻射聲波。
該發明所述的井壁介質為套管、水泥環和地層；同時所述相控圓弧陣的輻射指向性、聲波信號的幅度與聲波頻率有關。為了保證該發明所提出的套管井方位聲波測井有良好的方位分辨能力同時兼顧聲波信號的信噪比，該發明要求聲波測量頻率範圍為6千赫～20千赫。這個頻率範圍與傳統的聲波測井的頻率範圍是一致的，因而利用該發明所述方法的測量結果與傳統聲波測井的測量結果有可比性。
請參閱圖5所示，為該發明套管井方位聲波測井示意圖，所述套管井方位聲波測井聲系在井孔中上升或下降過程中對不同深度點進行測試；並且所述的兩個單極子聲波接收換能器3可以布置在相控組合圓弧陣聲波輻射器1的任意一側。
所述的對上述不同源距的多道接收信號的處理，是指聲波到達時間和幅度的計算處理，通過對不同源距的多道接收信號的處理就可以計算出與該側井壁介質所對應的各種模式波的聲速和衰減，進而實現對指定方位角範圍內套管外水泥膠結狀態和地層性質的方位聲學評價。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種套管井方位聲波測井方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
