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井中三分量 声波远探测 测井装置及其测量方法

阅读：440发布：2020-05-17

专利汇可以提供井中三分量声波远探测测井装置及其测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种井中三分量声波远探测测井装置及其测量方法，井下声波远探测仪器包括螺旋形绕制的耐高温光纤绕制在圆柱体结构外侧呈现的螺旋管形态；圆柱体结构下部垂直依次安装有光纤陀螺仪和井下阵列式声源发生器；地面井口测井车控制井下声波远探测仪器的下井和升井，给井下声波远探测仪器提供电源，驱动井下阵列式声源发生器在作业时连续重复发射声波信号；地面DAS调制解调仪器连接螺旋形绕制的耐高温光纤，向螺旋形绕制的耐高温光纤里面发射激光脉冲，采集井下螺旋形绕制的耐高温光纤里面的背向散射瑞利波。本发明提供的井中三分量声波远探测测井装置，可以在高温下长时间工作，实现高速向上传输数据的功能。，下面是井中三分量声波远探测测井装置及其测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于分布式光纤传感的声波远探测测井装置，其特征在于，包括井下声波远探测仪器、地面井口测井车(10)、地面DAS调制解调仪器(11)；
所述的井下声波远探测仪器包括圆柱体结构(1)和螺旋形绕制的耐高温光纤(2)，螺旋形绕制的耐高温光纤(2)绕制在圆柱体结构(1)的外侧呈现螺旋管形态，作为井下声波信号接收单元；圆柱体结构(1)下部垂直依次安装有光纤陀螺仪(4)和井下阵列式声源发生器(3)；还包括铠装光电复合缆(5)，铠装光电复合缆(5)位于圆柱体结构(1)内，地面井口测井车(10)通过铠装光电复合缆(5)与井下阵列式声源发生器(3)、光纤陀螺仪(4)连接；
地面井口测井车(10)控制井下声波远探测仪器的下井和升井，并给井下声波远探测仪器提供电源，驱动井下阵列式声源发生器(3)在作业时连续重复发射声波信号；
安置在井口的地面DAS调制解调仪器(11)通过铠装光电复合缆(5)连接螺旋形绕制的耐高温光纤(2)，向螺旋形绕制的耐高温光纤(2)里面发射激光脉冲，采集井下螺旋形绕制的耐高温光纤(2)里面的背向散射瑞利波。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的声波远探测测井装置，其特征在于，所述的螺旋形绕制的耐高温光纤(2)为在圆柱体结构(1)上按照一定的角度缠绕单模或多模光纤，缠绕的角度在10度到80度之间，缠绕了螺旋形绕制的耐高温光纤(2)的圆柱体结构(1)外面套保护套，保护套最外层为抗压抗拉伸的金属或复合材料铠装。
3.井中三分量声波远探测测井装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对每个井下螺旋形绕制的耐高温光纤位置采集的声波数据进行处理；
S2：根据从井下阵列式声源发生器位置到达每个光纤检波点的直达声波走时和井下阵列式声源发生器位置到已知的检波点的距离，计算出从已知声源点到达每个已知检波点之间的声波平均速度；
S3：根据在声源位置激发的向上传播的直达波和传播到井眼里的反射波到按照螺旋形绕制耐高温光纤的走时和远离井眼的波阻抗界面上的反射点的距离计算出声波在此检波点位置的垂直纵波和水平纵波的速度；
如果数据处理人员拾取的是声波直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度；
如果拾取的是声波直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度；
S4：如果井下周围介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿过井剖面的水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下介质的声波波速度是非均匀的，那么在井下检波点测量到的垂直声波速度和水平方向或者接近水平方向或大角度入射的声波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度沿过井剖面的二维垂直速度和水平速度的各向异性；
如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和从井眼四周围水平方向或者大角度入射到井眼的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；
S5：对于沿二维过井剖面的检波点采集的三分量声波数据或在井下采集的三分量声波数据，可以根据在不同检波点记录三分量声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

说明书全文

井中三分量声波远探测 测井装置及其测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的井中三分量声波远探测测井装置及其测量方法。

背景技术

[0002] 声波测井是指利用声波在不同岩石的中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性不相同来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。声波测井是在钻孔中通过研究岩层中声波传播速度来确定岩层性质的一种测井方法。通常使用的声波速度测井仪包括一个声波发生器(T)和两个接收器(R。、R。)。记录的参数是声波到达两个接收器的时间差(△t)，即声波在两个接收器之间岩层中传播所需要的时间。实际上，它是一个时间测量系统。声波在岩层中传播的速度，由岩石的弹性、密度以及孔隙中流体的性质等决定。

[0003] 将一个受控声波振源放入井中,声源发出的声波引起周围质点的振动,在地层中产生体波即纵波和横波，在井壁一钻井液界面上产生诱导的界面波即伪瑞利波和斯通莱波。这些波作为地层信息的载体，被井下接收器接收，送至地面的记录下来，就是声波测井。接收器、声源统称为声系，根据声系排列及尺寸的不同，声波测井仪可分为补偿测井仪(BHC)、长源距声波测井仪(LSS)和阵列声波测井仪。声波在井内地层中传播由于地层岩石成分、结构、孔隙中流体成分的变化其波的速度、幅度甚至频率都会发生变化。声波测井分为声速测井和声幅测井。只记录声波速度变化的称为声速测井(AC)，而记录声幅度变化的则称为声幅测井。声波速度测井中短源声系仅记录纵波(即首波)传播时差，长源距声系可记录下纵波、横波、伪瑞利波、斯通莱波等各种波列的传播时差，所以又称为全波声波测井，而阵列声波仪由于声系复杂既可以记录纵波声速，又可以记录全波列声速，还可以记录声幅。

[0004] 声速测井测量地层声波速度。地层声波速度跟地层的岩性、孔隙度以及孔隙流体性质等因素有关。根据声波在地层中的传播速度，就可以确定地层孔隙度、岩性即孔隙流体性质。声波速度测井，可用来划分岩性、确定油气贮集层的孔隙度和划分气层，还可以提供地震勘探必需的速度资料。

[0005] 声波速度测井简称声速测井，它记录的是声波通过1米岩层所需的时间，测量地层滑行波的时差△t(地层纵波速度的倒数)。主要用以计算地层孔隙度、地层岩性分析和判断气层等。

[0006] 基于常规声波测井和数据处理方法仅能获得井外几米范围内的地层信息，随着勘探开发发展的需要，声波测井仅仅提供井周几米范围内的信息不能满足应用需求。近年来单井反射声波远探测技术的一个重要进展是利用偶极声波探测仪器来发射和接收地层深部的反射信号。利用多极子阵列声波测井中正交偶极探头发射频率低的特点，在地层中传播较远，测得的四分量数据能反映较远地层的信息，利用远探测声波测井的偶极分量数据处理分析方法，能够分析得到远离井眼地层中的裂缝、孔洞信息，还能得到井周几米到几十米的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布。

[0007] 综合考虑测井和地震勘探的特点，将声波测井记录的沿井壁传播的非均匀波改为井外层界面的反射波，同时降低声源频率，可望得到井壁外10～15m的层界面信息。为此提出一种新的测井方法——远探测声反射波测井。在井下发射低频声波信号，按地震勘探工作方式接收反射波已经从理论和实际测井资料解释中得到确认。用大幅度(4000V)的窄脉冲激发声学探头，可以得到频率接近10kHz的、可用于远探测反射波声波测井的低频声波信号。为接收低频反射波信号，选择谐振频率较低的接收探头。

[0008] 方位远探测声波成像测井仪(又称远探测方位反射声波测井仪)是一种可对距井眼周围较远地层进行探测的新一代声波成像测井仪器。方位远探测反射声波成像测井仪器利用测量的反射波信息，识别井旁远距离范围内的反射体，定量分析反射体距井筒的距离和方位。该仪器采用相控阵大功率发射技术、方位阵列接收技术以及独创的直接承压式有源发射、接收声系结构，使其能探测距离井筒40m以上某方位的反射体，方位分辨率22.5°。该仪器测量原理、结构设计与特点、性能参数以及方法模拟实验和现场试验验证了其效果，有效地弥补了测井探测深度太浅与地震勘探分辨率较低的缺陷，为深部复杂油气储层的精细描述提供新技术。

[0009] 目前的井下声波远探测仪器里面使用的都是单极或偶极或多极压电式声波换能器来接收远离井眼的波阻抗界面反射回到井眼里面的反射波信号，单极或偶极或多极压电式声波换能器及其配套的放大器、模数转换和数据存储器件以及井下数据传输模块等均无法在高温环境(深井)下长时间工作。另外由于井下声波远探测仪器目前都是电子仪器，其井下数据传输模块目前还解决不了井下大数据高速向井口的测井车里面的控制计算机进行实时传输的瓶颈问题。

发明内容

[0010] 本发明的目的是提供一种基于分布式光纤声波传感技术的井中三分量声波远探测测井装置，主要是用安装在井下阵列声源发生器上方的按照螺旋形绕制的耐高温光纤，替代目前广泛使用的单极或偶极或多极压电式声波换能器，接收离井眼距离较远处的波阻抗界面反射回来的声波信号，从而实现井下声波远探测的目的。

[0011] 本发明的技术方案：

[0012] 基于分布式光纤传感的声波远探测测井装置，包括井下声波远探测仪器、地面井口测井车、地面DAS调制解调仪器；

[0013] 所述的井下声波远探测仪器包括圆柱体结构和螺旋形绕制的耐高温光纤，螺旋形绕制的耐高温光纤绕制在圆柱体结构的外侧呈现螺旋管形态，作为井下声波信号接收单元；圆柱体结构下部垂直依次安装有光纤陀螺仪和井下阵列式声源发生器；还包括铠装光电复合缆，铠装光电复合缆位于圆柱体结构内，地面井口测井车通过铠装光电复合缆与井下阵列式声源发生器、光纤陀螺仪连接；

[0014] 地面井口测井车控制井下声波远探测仪器的下井和升井，给井下声波远探测仪器提供电源，驱动井下阵列式声源发生器在作业时连续重复发射声波信号；

[0015] 安置在井口的地面DAS调制解调仪器通过铠装光电复合缆连接螺旋形绕制的耐高温光纤，向螺旋形绕制的耐高温光纤里面发射激光脉冲，采集井下螺旋形绕制的耐高温光纤里面的背向散射瑞利波。

[0016] 本发明井下阵列式声源发生器可以为阵列式单极、偶极或多极压电陶瓷(晶体)、电火花震源、机电震源、井下可控震源等声源发生器，井下阵列式声源发生器上方的螺旋形绕制的耐高温光纤替代目前广泛使用的单极或偶极或多极压电式声波换能器。井下阵列式声源发生器在地面控制信号和驱动信号的作用下，向井眼周围的地下介质里连续重复发射大功率声波信号，发射源发出的低频声波信号传播到井眼四周的波阻抗界面(反射面)后，会根据菲列尔定律以与入射角相同的反射角反射回井眼，安装在井下阵列式声源发生器上方螺旋形绕制的耐高温光纤，就可以接收离井眼距离较远处的波阻抗界面反射回来的声波信号，从而实现井下声波远探测的目的。当反射回来的反射声波到达井眼并作用于耐高温光纤上时，反射波的波动信号会引起螺旋形绕制的耐高温光纤产生应变(拉伸或压缩)，从而引起耐高温光纤内的背向瑞利散射波的相位发生与波动信号同频率的变化。通过地面井口附近连接螺旋形绕制的耐高温光纤的DAS调制解调仪器里面的硬件和软件对采集到的背向瑞利散射波的相位数据进行调制和解调，即可将背向瑞利散射波的相位变化转变为反射声波的波动信号。通过对反射声波信号(数据)的进一步处理和解释，就可以了解远处波阻抗界面离井眼的距离和方位，波阻抗界面两侧的介质声波速度，两侧介质的弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼以外地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律。

[0017] 由于安装在井下声波远探测仪器里面的螺旋形绕制的耐高温光纤，完全可以在高温深井里面长时间采集远距离反射回来的反射声波信号，解决了井下单极或偶极或多极压电式声波换能器及其配套的放大器、模数转换和数据存储器件以及井下数据传输模块等无法在高温下长时间工作的难题。位于铠装光电复合缆5里面的螺旋形绕制的耐高温光纤，可以高速传输按照螺旋形绕制耐高温光纤里面的背向瑞利散射光信号到地面DAS调制解调仪器里面，解决了井下测井仪器采集的大量电信号数据难以实现高速向上传输的瓶颈问题。

[0018] 按照螺旋形绕制耐高温光纤的内部为直径在数厘米的圆柱体结构，圆柱体结构由可卷曲的实心或空心的复合材料制成，或者由可卷曲的空心金属管材制成，在圆柱体结构上按照一定的角度缠绕耐高温单模或多模光纤，缠绕的角度在10度到80度之间，缠绕了按照螺旋形绕制的耐高温光纤的圆柱体结构外面套上一层或数层保护套，最外层是抗压抗拉伸的金属或复合材料铠装，用于保护圆柱形结构上按照螺旋形绕制的耐高温光纤在井下高压环境中不受损坏。

[0019] 所述光纤陀螺仪，即光纤惯导定向定位系统安装在按照螺旋形绕制的耐高温光纤和井下阵列式声源发生器之间。当井下声波远探测仪器工作时，光纤陀螺仪同步记录井下阵列声源发生器和按照螺旋形绕制的耐高温光纤的实时位置、速度和姿态信息。当井下声波远探测仪器与地面测井车里面的多通道控制和数据采集子系统通信连接时，井下声波远探测仪器将实测的井下声波测井数据上传到地面控制和数据采集处理子系统，光纤陀螺仪也将实测的井下阵列声源发生器和按照螺旋形绕制的耐高温光纤的实时位置、速度和姿态信息上传到地面控制和数据采集处理子系统。光纤陀螺仪实时记录的井下阵列声源发生器和按照螺旋形绕制的耐高温光纤的实时位置、速度和姿态信息将用于对系统采集的井下远探测声波数据进行定位和定向处理，以识别远离井眼的波阻抗界面所处的位置和具体方位，实现对井下远离井眼的目标的准确可靠探测。

[0020] 所述地面DAS调制解调仪器是基于高性能相位解调的时域光反射仪Φ-OTDR技术。并且采用了在光纤中注入副载波、高能量、高消光比、高光学信噪比、高相干光脉冲来实现高性能Φ-OTDR技术，以便从极弱的瑞利散射干涉信号中精确地提取相位变化信息。另外在掺铒光纤放大器中引入新型长周期光纤光栅滤波器来实现低噪声光放大技术，有效降低DAS调制解调仪器系统中光信号放大的噪声以提升光学信噪比。同时采用了多频、高相干、低噪声探测光脉冲来实现多频光脉冲抗衰技术，以便有效抑制瑞利散射信号随机衰落对系统性能的劣化影响。最后引入反馈控制电路，进行反馈控制，使干涉仪始终工作在稳定的光程差状态，利用干涉仪主动稳定技术有效抑制外界干扰信号对系统稳定性和信号保真度的影响。

[0021] 所述用于触发地面DAS调制解调仪器在井下声波源激发的同时开始同步采集三分量井中声波数据的触发信号，是与测井车上声波测井仪器里发出的井下声波发射源触发信号一致的信号，可以通过有线或无线的方式直接发送到地面DAS调制解调仪器的触发端口里作为启动DAS仪器采集井下声波数据的触发信号。

[0022] 通过对在地面DAS调制解调仪器采集的从螺旋形绕制的耐高温光纤里反射回来的瑞利散射光的相位数据进行调制解调处理，可以获得按照螺旋形绕制的耐高温光纤各位置分布的三分量声波数据。根据按照螺旋形绕制的耐高温光纤上任意一个检波点到每个声源点的距离，以及从该检波点检测到的从该声源点沿地下介质传播到该检波点的直达纵波走时、直达横波走时、沿井眼外波阻抗界面折射到该检波点的折射波走时和从地下波阻抗界面反射到该检波点的反射波走时等数据，通过反演计算可求出地下介质的纵波速度，横波速度，纵波速度和横波速度在不同方位上的速度各向异性，纵波和横波在地下介质中传播的衰减系数(特性)，远离井眼的波阻抗界面的距离、位置和方位，然后精细准确的建立地下介质的二维或三维声波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型。

[0023] 所以本发明还提供该井中三分量声波远探测测井装置的测量方法，包括以下步骤：

[0024] S1：对每个井下螺旋形绕制的耐高温光纤位置采集的声波数据进行处理；

[0025] S2：根据从井下阵列式声源发生器位置到达每个光纤检波点的直达声波走时和井下阵列式声源发生器位置到已知的检波点的距离，计算出从已知声源点到达每个已知检波点之间的声波平均速度；

[0026] S3：根据在声源位置激发的向上传播的直达波和传播到井眼里的反射波到按照螺旋形绕制耐高温光纤的走时和远离井眼的波阻抗界面上的反射点的距离计算出声波在此检波点位置的垂直纵波和水平纵波的速度；

[0027] 如果数据处理人员拾取的是声波直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度；

[0028] 如果拾取的是声波直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度；

[0029] S4：如果井下周围介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿过井剖面的水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下介质的声波波速度是非均匀的，那么在井下检波点测量到的垂直声波速度和水平方向或者接近水平方向或大角度入射的声波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度沿过井剖面的二维垂直速度和水平速度的各向异性；

[0030] 如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和从井眼四周围水平方向或者大角度入射到井眼的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；

[0031] S5：对于沿二维过井剖面的检波点采集的三分量声波数据或在井下采集的三分量声波数据，可以根据在不同检波点记录的三分量声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

[0032] 本发明的有益效果：

[0033] 本发明提供的井中三分量声波远探测测井装置，使用的是按照螺旋形绕制的耐高温光纤，完全可以在高温深井里面长时间采集远距离反射回来的反射声波信号，井下无需任何电子器件和线路，解决了井下单极或偶极或多极压电式声波换能器及其配套的高成本放大器、模数转换和数据存储器件以及井下数据传输模块等无法在高温下长时间工作的难题。

[0034] 按照螺旋形绕制的耐高温光纤与井下铠装光电复合缆里面的耐高温光纤是同一根光纤，可以高速传输按照螺旋形绕制的耐高温光纤里面的背向瑞利散射光信号到井口的分布式光纤声波信号调制解调仪器(DAS)里面，解决了井下测井仪器采集的大量电信号数据难以实现高速向上传输的瓶颈问题。

[0035] 此发明可以极大的降低井下采集三分量声波数据的设备仪器制造成本、实现高效率采集超高密度或极高空间分辨率的井下三分量声波数据，通过处理分析就可以了解远处波阻抗界面离井眼的距离和方位，波阻抗界面两侧的介质声波速度，两侧介质的弹性参数特性或粘弹参数特性，以及井眼以外地下介质的岩性、孔隙度、渗透率、孔隙内流体的类型与饱和度，以及井下介质中不同流体的分布规律，还可以得到远离井眼地层中的裂缝、孔洞信息，以及井周几米到几十米的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布，实现声波测井远探测技术的广泛推广应用。附图说明

[0036] 图1是本发明工作原理示意图。

[0037] 图2是本发明系统结构示意图。

[0038] 图3是本发明垂直方向布设的在圆柱状结构AB上按螺旋形绕制的光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

[0039] 图4是本发明在圆柱状结构AB上按照螺旋形绕制耐高温光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

[0040] 图5是本发明在平面上展开的在圆柱状结构AB上按照螺旋形绕制的耐高温光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的声波。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

[0042] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0043] 如图1和图2所示，基于分布式光纤传感的声波远探测测井装置，包括井下声波远探测仪器、地面井口测井车10、地面DAS调制解调仪器11；

[0044] 所述的井下声波远探测仪器包括圆柱体结构1和按照螺旋形绕制的耐高温光纤2，螺旋形绕制的耐高温光纤2绕制在圆柱体结构1的外侧呈现螺旋管形态，作为井下声波信号接收单元；圆柱体结构1下部垂直安装有光纤陀螺仪4和井下阵列式声源发生器3；还包括铠装光电复合缆5，铠装光电复合缆5位于圆柱体结构1内，地面井口测井车10通过铠装光电复合缆5与井下阵列式声源发生器3、光纤陀螺仪4连接；地面DAS调制解调仪器11通过铠装光电复合缆5与绕制在圆柱体结构1外侧呈现螺旋管形态的耐高温光纤2相连接。

[0045] 地面井口测井车10控制井下声波远探测仪器的下井和升井，给井下声波远探测仪器提供电源，驱动井下阵列式声源发生器3在作业时连续重复发射声波信号；

[0046] 安置在井口的地面DAS调制解调仪器11通过铠装光电复合缆5连接螺旋形绕制的耐高温光纤2，向按照螺旋形绕制的耐高温光纤2里面发射激光脉冲，采集井下按照螺旋形绕制的耐高温光纤2里面的背向散射瑞利波。

[0047] 具体施工时，如图1和图2所示，首先在按照螺旋形绕制的耐高温光纤2的尾端做一个特殊的技术处理，比如安装消光器或者把光纤打一个结，用以消除光纤在该尾端点的强反射信号，随后把螺旋形绕制的耐高温光纤2的首端连接到安置在地面DAS调制解调仪器11上。通过铠装光电复合缆5把井下声波远探测仪器从井口下放到井底，然后同时启动井下声波远探测仪器和地面DAS调制解调仪器11；地面井口测井车10控制井下声波远探测仪器里面的井下阵列式声源发生器3连续发射声波，地面DAS调制解调仪器11根据来自控制井下声波远探测仪器的触发信号，同步开始记录按照螺旋形绕制的耐高温光纤2接收到的从井眼周围介质里面传播到井眼里面的直达声波、折射声波、反射声波，面波和多次波信号，光纤陀螺仪4实时记录的井下阵列式声源发生器3和按照螺旋形绕制的耐高温光纤2的实时位置、速度和姿态信息；同时启动井口地面测井车10上的绞车，通过铠装光电复合缆5向上缓慢的提升井下声波远探测仪器，同时井下声波远探测仪器连续采集井下声波信号，在完成预先设计的井下声波远探测仪器需要测量的井段后，停止井下阵列式声源发生器3和地面DAS调制解调仪器11工作，并把井下声波远探测仪器提出井口。

[0048] 本实施方案的井下声波信号接收单元为安装在井下阵列声源发生器上方的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2。

[0049] 更具体的过程为，主控装置可以为一个计算机控制的地面DAS调制解调仪器11，该主控装置实时控制所有(DAS)井下三分量声波数据的采集和存储，即采集数据装置与主控装置相连接，通过主控装置对数据采集装置的控制操作，完成(DAS)井下三分量声波数据的采集和存储。井下三分量声波信号的传感是通过安装在井下阵列声源发生器上方的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2来实现的，此系统可以直接测量井下介质的二维或三维声波速度并计算出井下介质(地层或岩层)的二维或三维弹性或粘弹性参数。

[0050] 井下阵列式声源发生器3可以是阵列式单极、偶极或多极压电陶瓷(晶体)、电火花震源、机电震源、井下可控震源等声源发生器；

[0051] 安装在井下阵列式声源发生器3上方的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2，用于感应井下阵列声源发生器激发的直达声波、折射声波、反射声波、面波和多次波信号；

[0052] 安装在井下声波远探测仪器中部的光纤陀螺仪4实时记录的井下阵列式声源发生器3和螺旋形绕制的耐高温光纤2在采集井下声波数据时的实时位置、速度和姿态信息；

[0053] 在工区地面上连接螺旋形绕制的耐高温光纤2首端的地面DAS调制解调仪器11接收按照螺旋形绕制的耐高温光纤2中因声波的波动传播引起的光纤上各点的背向瑞利散射波的相位变化信息，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的光纤背向瑞利散射波的相位变化信息转换成声波的实际波动信号，并将此模拟波动信号通过模数转换电路转换成数字波动信号，然后将数字波动信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。

[0054] 如图2所示，在地面井口测井车10控制和驱动井下声波远探测仪器，井下阵列式声源发生器3向井眼周围的介质里发射的声波，会被井下按照螺旋形绕制的耐高温光纤2感应到。由于远离井眼的波阻抗界面6的存在，从井眼里传播的直达声波7在遇到波阻抗界面6后，会从波阻抗界面6反射回到井眼里，根据斯涅尔定律其反射角与入射角相同。反射回到井眼的反射声波8会被耐高温光纤2感应到。当耐高温光纤2感应到在井周围介质里面传播的直达声波7、反射声波8和折射声波9时，按照螺旋形绕制的耐高温光纤2上各点(各位置)会随着声波波动的传播而产生相同频率的应变(拉伸或压缩)，此应变会造成按照螺旋形绕制的耐高温光纤2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，地面DAS调制解调仪器11可以检测到此相位的变化，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2内各检波点(各位置)的背向瑞利散射波的相位变化信息转换成声波的实际波动信号，并将此模拟波动信号在DAS仪器里通过模数转换电路转换成数字波动信号，然后将数字波动信号存储到计算机中用于后续的声波数据处理工作。

[0055] 图3是按照螺旋形绕制的耐高温光纤2在放置在垂直方向上的示意图，此耐高温光纤2按照一定角度α绕制在圆柱体结构件上，外面加装保护光缆的复合材料或钢质护套，最外层是耐磨抗压的非金属或金属材料编织的铠装。图4是按照螺旋形绕制的耐高温光纤2放置在在垂直方向上的透视示意图。

[0056] 图5是按照螺旋形绕制的耐高温光纤2沿圆柱体结构1的AB沿横向展开的示意图。在圆柱体结构1上按照一定角度α按照螺旋形绕制的耐高温光纤2沿AB横向展开后变成了一段与圆柱体结构1的端面展开线AA或BB成α角度的直光纤。如果在井中布设的是垂直光纤，沿水平方向传播回井眼里的反射声波8到达井眼里布设的直光纤时，其沿水平方向传播的波动无法引起直光纤在沿其垂直延伸方向上的应变，也不会引起光纤内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，连接地面DAS调制解调仪器11就检测不到垂直入射到直光纤的水平声波波动信号。根据理论分析可知，一段直光纤能够感应到的波动信号的
2
灵敏度与波动信号传播的方向和光纤的延伸方向的夹角θ依从(存在)cosθ的关系。即当声波波动传播的方向与光纤延伸的方向平行(θ＝0o)时，cosθ2＝1，此时直光纤对此波动信号(垂直向上传播的直达波)的敏感度达到最大值1；即当声波波动传播的方向与光纤延伸的方向垂直(θ＝90o)时，cosθ2＝0，此时直光纤对此垂直于光纤延伸方向的波动信号(水平反射波)的敏感度达到最小值0，因此直光纤无法检测到垂直于光纤延伸方向传播的波动信号。

[0057] 图3、图4和图5中的垂直于按照螺旋形绕制的耐高温光纤2传播的波动信号在到达耐高温光纤后，由于按照螺旋形绕制的耐高温光纤2上的光纤与该波动信号的入射角不是90o，而是αo，螺旋形绕制的耐高温光纤2就能够探测到垂直向上传播的直达声波和水平方向或大入射角度传播的反射声波8，因此在井下布设的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2可以检测到传播到按照螺旋形绕制的耐高温光纤2的声波的全波场信号，包括直达声波7、折射声波9、反射声波8、面波和多次波，因此本发明可以采集到井下三分量声波数据。

[0058] 井下三分量远探测声波数据采集结束后，首先对井下不同深度位置采集的三分量声波数据进行处理，根据从每个声源点即井下阵列式声源发生器3到达按照螺旋形绕制的耐高温光纤2上的每个波动信号检波点的直达波走时和声源点到每个已知的检波点的距离，可以非常准确容易的计算出从声源点到达每个已知检波点的声波平均速度。如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均速度。如果拾取的是直达横波的走时，计算出的就是横波的平均速度。

[0059] 如果井下周围介质的声波速度是均匀的，则垂直向上传播和沿过井剖面的水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下检波点测量到的垂直声波速度和水平方向或者接近水平方向或大角度入射的声波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度沿过井剖面的二维介质的垂直速度和水平速度的各向异性；

[0060] 如果地下介质的声波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的声波速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下介质的声波速度是非均匀的，那么在井下接收点位置测量到的垂直声波速度和沿水平方向或者大角度入射的声波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的声波的速度不一致现象，计算出声波速度在井眼周围三维空间的速度各向异性及其分布特征；

[0061] 对于沿二维过井剖面的不同检波点采集的二维三分量声波数据或在井下采集的三维三分量声波数据，可以根据在不同检波点记录三分量声波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下介质的声波衰减系数或Q值。

[0062] 本实施方案在实施时，利用安装在井下声波远探测仪器上部的按照螺旋形绕制的耐高温光纤2，直接测量井周围介质的二维或三维声波速度和计算地下介质(地层或岩层)的弹性或粘弹性参数，可以精细准确的建立井下介质的二维或三维声波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型，用于对井下声波资料进行数据处理及成像，比如各向同性波动方程或逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，Q补偿或Q偏移等。利用光纤陀螺仪4实时记录的井下阵列式声源发生器3和按照螺旋形绕制的耐高温光纤2的实时位置、速度和姿态信息，在偏移成像时就可以准确的确定远离井眼的波阻抗界面的具体方位和离井眼的距离，从而真正实现井下远离井眼的地质目标的准确探测，并且能够分析得到远离井眼地层中的裂缝、孔洞信息，还能得到井周几米到几十米的地层构造信息，进而了解地层中的裂缝、孔洞方位、倾角和分布。

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井中三分量声波远探测测井装置及其测量方法

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