專利名稱：：應(yīng)用移相法自動(dòng)控制聲束偏轉(zhuǎn)的聲波發(fā)射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種應(yīng)用相移法自動(dòng)控制聲束偏轉(zhuǎn)的聲波發(fā)射系統(tǒng)，特別適用于石油勘探聲波測(cè)井的
技術(shù)領(lǐng)域：
。現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)聲波測(cè)井均采用單一的園環(huán)狀壓-電晶體作為聲波發(fā)射探頭，包括中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的石油部的國家重點(diǎn)項(xiàng)目數(shù)控測(cè)井儀中的長源距聲波測(cè)井儀的聲波發(fā)射探頭也是單一的園環(huán)狀壓-電晶體。這種探頭僅僅是通過選擇燒結(jié)材料配方，改進(jìn)燒結(jié)工藝，以及在井眼尺寸允可的條件下盡量增大壓-電晶體的外徑，以期實(shí)現(xiàn)降低諧振頻率，增大發(fā)射功率，提高聲波在地層中的穿透能力，從而使接收到的聲波信號(hào)幅度增大。這些晶體的材料不外是鋯鈦酸鉛、鎢鎘、鈮鋰等，由于這些材料本身和井眼尺寸的限制，欲想提高接收信號(hào)的幅度是有局限性的。美國斯侖貝謝(SCHLUMBERGER)公司生產(chǎn)的(包括在中國使用的)聲波(長源距和短源距)測(cè)井儀中的聲波發(fā)射探頭，是由兩個(gè)壓-電晶體(或磁致伸縮換能器)組成，它們之間以電延遲線相連，以固定的17μS(微秒)的激發(fā)延遲時(shí)間依次被激發(fā)發(fā)射聲波信號(hào)，這樣的組合發(fā)射探頭發(fā)射的聲波信號(hào)具有一定的方向性，使得接收到的聲波信號(hào)幅度有所加強(qiáng)，但是該方向只對(duì)某種地層是最佳方向，使接收到的聲波信號(hào)幅度最大，對(duì)其它種類的地層就不一定是最佳方向，接收到的聲波信號(hào)幅度不一定最大。本發(fā)明的目的是提供一種完整的發(fā)射系統(tǒng)，利用本系統(tǒng)對(duì)于各種不同類型的地層都具有最佳方向，使接收到的聲波信號(hào)幅度最大，解決了常規(guī)(短源距)聲波測(cè)井中由于慢速地層(聲衰增大)或快速地層(聲衰減少)其聲阻抗與井內(nèi)泥漿聲阻抗差異大、在井壁上透射系數(shù)小而造成的接收信號(hào)過小的問題。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的依據(jù)基本的波動(dòng)理論，推導(dǎo)出在液、固相(如泥漿和地層)介質(zhì)中控制聲束偏轉(zhuǎn)的理論公式t＝X/Vm＝d/Vf，以此公式為基礎(chǔ)，建立一聲波發(fā)射系統(tǒng)，利用地層的聲速信號(hào)的相位移隨機(jī)地確定發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間(上式中的t為發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間，X為第i-1個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波信號(hào)Si-1的波前比第1個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波信號(hào)Si的波前多走的路程，Vm為聲波信號(hào)在泥漿中的傳播速度，d為相鄰發(fā)射探頭之間的距離，Vf為聲波信號(hào)在地層中的傳播速度)，即用上一個(gè)激發(fā)周期里測(cè)量到的聲速信號(hào)來自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)前激發(fā)周期里發(fā)射探頭發(fā)射的聲波波束的偏轉(zhuǎn)方向，使其處于最佳方向角，若干個(gè)發(fā)射探頭以相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間被依次激發(fā)，它們所發(fā)射的聲波信號(hào)以同相位迭加波的形式在地層中傳播，增大了接收信號(hào)的幅度。以下參照?qǐng)D1至圖9對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。參照?qǐng)D1，根據(jù)基本波動(dòng)原理，建立了聲波從裸眼中的泥漿入射到地層的物理模型，根據(jù)幾何聲學(xué)折射定律得出(Vm)/(Vf)=(Sinθm)/(Sinθf)(1)當(dāng)聲波的入射角θm等于臨界入射角時(shí)，折射角θf＝90°，(1)式變?yōu)?Vm)/(Vf)＝Sinθm(2)(1)、(2)式中的Vm和Vf分別是泥漿和地層的聲波傳播速度。參照?qǐng)D2，設(shè)聲波發(fā)射探頭由n+1個(gè)園環(huán)式壓電晶體組成(圖中T0，T1，……Tn所示)，它們沿聲波井下儀器軸線以間隔d順序排列，相互之間以可變延遲線相連(圖中0，t，……(n-1)t所示)，圖中所示的在單一均勻介質(zhì)中用夠相法控制發(fā)射聲束偏轉(zhuǎn)方向的物理模型，由此得到偏轉(zhuǎn)角θ＝arcSinx/d＝arcSinVt/d，式中V是介質(zhì)的聲波傳播速度，X為i-1個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波Si-1(i＝1，2，……n)的波前比第i個(gè)波前Si多走的路程。從(1)式和(2)式不難看出，要使得偏轉(zhuǎn)角θm變?yōu)槟酀{到地層的入射臨界角，當(dāng)間隔d和泥漿聲速Vm為確定值時(shí)，θm角由發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間t確定。即地層不同，其聲速就不同，入射臨界角也就不同，故我們可以用地層的聲速來調(diào)節(jié)發(fā)射聲束的偏轉(zhuǎn)角，使其變?yōu)槿肷渑R界角。為證實(shí)以上原理，我們對(duì)裸眼井或套管井的聲波測(cè)井模型進(jìn)行三種情況的分析討論。第一種情況各發(fā)射探頭之間總的激發(fā)延遲時(shí)間n×t小于第一個(gè)發(fā)射探頭T。發(fā)射的聲波傳播到井壁的時(shí)間的情況。(ⅰ)圖3所示的是發(fā)射探頭T0、T1，……T(n-1)、Tn都發(fā)射了聲波，但聲波波前還沒有到達(dá)井壁的情況。第i-1個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波Si-1的波前比第i(i＝1，2，……n)個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波Si的波前多走的路程是X＝d×Sinθm(3)將(2)式代入(3)式得X＝d×(Vm)/(Vf)(4)所以發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間是t＝(X)/(Vm)＝d×(Vm)/(Vf)÷Vm＝(d)/(Vf)(5)則從發(fā)射探頭T0開始發(fā)射聲波到發(fā)射探頭Tn發(fā)射的聲波總的激發(fā)延遲時(shí)間是t總＝n×t＝n×(f)/(Vf)(6)(ⅱ)圖4是發(fā)射探頭發(fā)射的聲波進(jìn)入到地層的情況。圖中虛線和點(diǎn)劃線都垂直于發(fā)射探頭T0，T1，……Tn-1，Tn所發(fā)射的聲波S0，S1，……Sn-1，Sn的傳播方向。虛線之間的距離是發(fā)射的聲波在發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間t內(nèi)聲波在泥漿中的傳播距離X(與上述所命的意義相同)，點(diǎn)劃線與井壁的交點(diǎn)a1，b3，C5，e7是發(fā)射探頭發(fā)射的聲波剛傳播到井壁上的點(diǎn)。例如點(diǎn)a1是T0發(fā)射的聲波S0傳播到井壁上的點(diǎn)，點(diǎn)b3是T1的聲波S1傳播到井壁上的點(diǎn)等等。由圖4可知，當(dāng)T0發(fā)射的聲波S0從點(diǎn)a傳播到點(diǎn)a1時(shí)，T1發(fā)射的聲波S1從點(diǎn)b傳播到點(diǎn)b1;Tn-1發(fā)射的聲波Sn-1從點(diǎn)C傳播到點(diǎn)C1;Tn發(fā)射的聲波Sn從點(diǎn)e傳播到點(diǎn)e1。圖中線段aa1＝bb1＝b2b3，又因?yàn)榫€段bb2＝X，所以b1b3＝c1c3＝e1e3＝X，又知道a1b3＝d，由(5)式可知，聲波S0從點(diǎn)a1傳播到b3時(shí)，聲波S1從點(diǎn)b1傳播到點(diǎn)b3，聲波Sn-1從點(diǎn)C1傳播到點(diǎn)C3，聲波Sn從點(diǎn)e1傳播到點(diǎn)e3。在點(diǎn)b3，聲波S0和聲波S1進(jìn)行同相位迭加，依此類推，當(dāng)聲波S0，S1，……Sn-2的迭加波傳播到C5時(shí)，Tn-1發(fā)射的聲波Sn-1傳播到點(diǎn)C3，Tn發(fā)射的聲波Sn傳播到點(diǎn)e5。在點(diǎn)C5，聲波Sn-1與S0，S1，……Sn-2組成的迭加波進(jìn)行相位迭加，當(dāng)聲波S0，S1，……Sn-1組成的迭加波從點(diǎn)C5傳播到點(diǎn)e7時(shí)，聲波Sn也從點(diǎn)e6傳播到點(diǎn)e7。在點(diǎn)e7，聲波Sn和S0，S1，……Sn-1組成的迭加波進(jìn)行同相位迭加。在點(diǎn)e7后，聲波S0，S1，……Sn以同相位迭加波的形式在地層中傳播。第二種情況各發(fā)射探頭所發(fā)射的聲波波前到達(dá)井壁的時(shí)間t1大于發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間n×t的情況，與第一種情況(ⅱ)所述的相同，不另敘述。第三種情況如圖5所示，發(fā)射探頭發(fā)射的聲波波前傳播到井壁的時(shí)間t1小于發(fā)射探頭之間的發(fā)射延遲時(shí)間t的情況。設(shè)T0發(fā)射的聲波S0的波前以臨界角入射到地層傳播到b點(diǎn)所需要的時(shí)間t1等于各發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間t，則t必須滿足下列關(guān)系t＝(X-1×Sinθm)/(Vm)+1/(Vf)(7)(X-1×Sinθm)/(Vm)＝(d-1)/(Vf)(8)將(2)式分別代入(7)式和(8)式，可得t＝(x)/(Vm)(9)(x)/(Vm)＝(d)/(Vf)(10)從而得到t＝(x)/(Vm)＝(d)/(Vf)(11)即當(dāng)T0發(fā)射的聲波S0的波前傳播到b點(diǎn)時(shí)，發(fā)射探頭T1開始發(fā)射聲波，當(dāng)聲波S0的波前到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，聲波S1的波前也傳播到C點(diǎn)，在C點(diǎn)處，聲波S0和聲波S1進(jìn)行同相位迭加，發(fā)射探頭T2，T3，……Tn所發(fā)射的聲波情況同上，不另復(fù)述，最后，聲波S0，S1，……Sn的波前進(jìn)行同相位迭加，在地層中以同相位迭加波的形式進(jìn)行傳播。圖6示出了當(dāng)n＝3時(shí)，發(fā)射探頭T0、T1、T2、T3以t為相對(duì)延遲時(shí)間發(fā)射聲波信號(hào)和接收探頭R接收到的S0、S1、S2、S3同相位迭加波的時(shí)序圖。根據(jù)以上三種情況的分析討論，得出了相同的結(jié)論，即發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間都是t＝X/Vm＝d/Vf以此為基礎(chǔ)，對(duì)于各種地層的聲速的差異，利用它們不同的相位移隨機(jī)地確定發(fā)射探頭之間的激發(fā)延遲時(shí)間，使得各次發(fā)射波均以同相位迭加，使接收到的聲波信號(hào)能量始終處于最大。圖7是該發(fā)明實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制發(fā)射聲束偏轉(zhuǎn)的電路原理圖。圖中除〔AGD〕所示的為地面儀器部分外，其余部分是下井儀。井下電路邏輯控制部分〔HDLC〕在開始測(cè)井時(shí)，首先向d/Vf計(jì)算電路〔d/Vf·C〕賦于所測(cè)地層的估計(jì)聲速值Vf。d/Vf計(jì)算電路〔d/Vf·C〕計(jì)算出的t0＝d/Vf0輸至激發(fā)延遲控制部分〔FDC〕，然后激發(fā)延遲控制部分〔FDC〕向激發(fā)驅(qū)動(dòng)電路〔FC0～n〕發(fā)出依次激發(fā)驅(qū)動(dòng)的命令，使得發(fā)射探頭T0，T1，……Tn以相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間t0依次發(fā)射聲波。它們發(fā)射的聲波進(jìn)行迭加，變成具有一定方向(可能不是最佳方向)的聲波波束在地層中傳播。接收探頭R接收從地層傳播而來的聲波信號(hào)首先輸至放大增益部分〔HDAG〕，再經(jīng)電纜傳輸至地面儀器部分〔AGD〕進(jìn)行處理。處理后得到的地層聲速Vf再經(jīng)電纜反饋到邏輯控制部分〔HDLC〕，再經(jīng)d/Vf計(jì)算電路〔d/Vf·C〕計(jì)算出t＝d/Vf值后，輸至激發(fā)延遲控制部分〔FDC〕。當(dāng)?shù)诙€(gè)脈沖到來時(shí)，發(fā)射探頭以相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間t被依次激發(fā)，它們發(fā)射的聲波信號(hào)進(jìn)行迭加，以同相位迭加波的形式在地層中傳播。以下過程同上所述。不同點(diǎn)是在開始測(cè)井的第一個(gè)激發(fā)周期里，用人工賦于所測(cè)地層的估計(jì)聲速值Vf0來調(diào)節(jié)發(fā)射的聲波波束的方向，而在第二個(gè)和以后的激發(fā)周期里，則是根據(jù)實(shí)際測(cè)得的地層聲速信號(hào)，求出的t＝d/Vf來自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)射探頭T0，T1，……Tn之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間，從而調(diào)節(jié)發(fā)射聲波的波束方向，使其處于最佳方向角，使得接收器及接收到的聲波信號(hào)最大。從上可以看出，這種自動(dòng)控制是異步的，即是用上一個(gè)激發(fā)周期里測(cè)量的聲波信號(hào)來調(diào)節(jié)當(dāng)前激發(fā)周期里發(fā)射探頭發(fā)射的聲波波束的偏轉(zhuǎn)方向。這對(duì)于測(cè)井引起的深度誤差是極小的，可以忽略不計(jì)。如一般測(cè)井時(shí)，上提速度是1000米/小時(shí)，激發(fā)周期為50毫秒，可以求得在一個(gè)激發(fā)周期里，下井儀器在井中只上提了0.56厘米。本發(fā)明的實(shí)施例是一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)，下井儀聲系部分是這樣組成的發(fā)射探頭共四個(gè)，均采用PCM-4鋯鈦酸鉛壓-電晶體。它們的諧振頻率都是20千赫芝，源距為3.048米。在內(nèi)徑為13.5厘米，外徑為14.2厘米的鋼管內(nèi)充滿水的條件下，采用圖7所示的控制電路，測(cè)量出接收探頭接收到的首波幅度和發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖8所示，可以看出，相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間t＝15微秒時(shí)，接收到的首波幅度最大。已知鋼管的聲速是5460米/秒，理論計(jì)算出相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間為15.02微秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符合。下表顯示了發(fā)射探頭的個(gè)數(shù)n與被接收的聲波首波信號(hào)幅度HWAS的關(guān)系</tables>不難看出，被接收的聲波首波信號(hào)的幅度HWAS隨著發(fā)射探頭的個(gè)數(shù)n的增多而增大，當(dāng)n＝4時(shí)，HWAS為202.5毫伏，這完全能夠滿足實(shí)際測(cè)井的需要。如果還需要增大被接收聲波首波信號(hào)的幅度HWAS和進(jìn)一步改善發(fā)射探頭發(fā)射聲波信號(hào)的指向性和方向性時(shí)，只需增加發(fā)射探頭的個(gè)數(shù)n或使得發(fā)射探頭的幾何高度變小到合適的尺寸就可以了。圖9示出的是本發(fā)明所論述的應(yīng)用移相法自動(dòng)控制聲束偏轉(zhuǎn)的聲波發(fā)射系統(tǒng)的時(shí)序圖。權(quán)利要求1.一種使聲波測(cè)井儀的發(fā)射探頭所發(fā)射的聲波信號(hào)具有一定方向性的聲波發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于在兩種介質(zhì)(泥漿和地層)中，用地層的聲速信號(hào)的相位移隨機(jī)地確定發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間，以物理公式t=(x)/(Vm)=(d)/(Vf)為基礎(chǔ)，建立一聲波發(fā)射系統(tǒng)(上述式中t為發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間，x為第i-1個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波信號(hào)Si-1的波前比第i個(gè)發(fā)射探頭發(fā)射的聲波信號(hào)Si的波前多走的路程，Vm為聲波信號(hào)在泥漿中的傳播速度，d為相鄰發(fā)射探頭之間的距離，Vf為聲波信號(hào)在地層中的傳播速度)，即用上一個(gè)激發(fā)周期里測(cè)量到的聲速信號(hào)來自動(dòng)調(diào)節(jié)當(dāng)前激發(fā)周期里發(fā)射探頭發(fā)射的聲波波束的偏轉(zhuǎn)方向，使其處于最佳方向角，若干個(gè)發(fā)射探頭以相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間被依次激發(fā)，它們所發(fā)射的聲波信號(hào)以同相位迭加波的形式在地層中傳播，使接收到的聲波信號(hào)幅度最大。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于相鄰發(fā)射探頭間的距離d可任意選定。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于為進(jìn)一步改善發(fā)射探頭發(fā)射聲波的指向性，即增大被接收聲波信號(hào)的幅度，只需增多發(fā)射探頭的個(gè)數(shù)，或者使得發(fā)射探頭的幾何高度變小到合適的尺寸。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于它具有一個(gè)完整的井下邏輯電路網(wǎng)絡(luò)，邏輯控制單元HDLC向d/Vf計(jì)算電路d/Vf·C輸入相鄰發(fā)射探頭間的距離d，同時(shí)命令高壓電路HVC向激發(fā)驅(qū)動(dòng)電路FC0～n提供一直流高電壓，邏輯控制單元HDLC還同時(shí)激發(fā)電流脈沖電路FPC，使其不斷發(fā)射出周期為50毫秒(如發(fā)射頻率為20次/秒)的激勵(lì)脈沖信號(hào)，邏輯控制單元HDLC及時(shí)地給d/Vf計(jì)算電路d/Vf·C賦予所測(cè)地層的聲速值Vf，將計(jì)算出的d/Vf值輸至激發(fā)延遲控制單元FDC，由激發(fā)延遲控制單元FDC向激發(fā)驅(qū)動(dòng)電路FC0～n發(fā)出依次激勵(lì)的命令，使得發(fā)射探頭T0、T1、……Tn以相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間依次發(fā)射聲波信號(hào)，放大增單元HDAG將接收探頭R接收到的聲波信號(hào)放大，送至地面儀處理單元AGD，將處理后的地層聲速信號(hào)Vf反饋到井下邏輯控制單元HDLC。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)?shù)谝粋€(gè)激勵(lì)脈沖發(fā)出時(shí)刻，井下邏輯控制單元HDLC給計(jì)算電路d/Vf·C所賦予的地層聲速值Vf是估計(jì)值Vf0，而第二個(gè)和以后的激勵(lì)脈沖發(fā)出時(shí)刻，井下邏輯控制單元HDLC給計(jì)算電路d/Vf·C所賦予的地層聲速值Vf是隨機(jī)實(shí)測(cè)的真值。全文摘要本發(fā)明提供一種利用地層的聲速信號(hào)的相位移隨機(jī)地確定發(fā)射探頭之間的相對(duì)激發(fā)延遲時(shí)間，使若干個(gè)發(fā)射探頭所發(fā)射的聲波信號(hào)以同相位疊加波的形式在地層中傳播，使接收到的聲波信號(hào)幅度增大的聲波測(cè)井發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括原理方法及完整的井下邏輯電路網(wǎng)絡(luò)。文檔編號(hào)G01V1/40GK1031283SQ8710547公開日1989年2月22日申請(qǐng)日期1987年8月8日優(yōu)先權(quán)日1987年8月8日發(fā)明者法林申請(qǐng)人:西安石油勘探儀器總廠