阵列声波测井仪

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In 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 time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o90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m f sin sin m f V V /θ/θ=（1）式（1）中：m V －声波在泥浆中传播的速度；f V －声波在地层中传播的速度；m θ－声波从泥浆到地层的入射角；f θ— 地层对入射角声波的折射角。

当声波以临界角入射时，即90o f θ=，式（1）为：sin m θ=m f V V / （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]f X V t = （3） 式（3）中：X －阵列声源中换能器单元1i T -发射声波时，换能器单元1i T - 发射的声波在介质里移动的距离：f V －声音在介质中传播的声速 t －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arcsin x d θ/= （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n ＋1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：arcsin arcsin m x d V t d θ//== （5）式（5）中 ：m V －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t 能够改变要接收的波束方向的偏转角θ。

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θ，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]f t d V /= （6）式（6）中 ：f V －地层里纵波或横波的速度。

如果令f V 为地层中纵波的传播速度，则接收探头R 的声压为()()()(1)2p s P t P t P t n f /π=+=+1()00011()()()()22n j m t t t j t p s m n x w H e d x H e d ωωωωωωωππ∞∞-∆+∆-=+=+∑⎰⎰ （7）式中： ()p P t —纵波声压；()s P t —横波声压；()x ω—基本换能器的谱函数；()p H ω—地层的纵波系统函数；()s H ω—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；△t 1—基本换能器n T 与1n T -所产生的横波到达b 点时相差的时间。