本發(fā)明屬于石油鉆井測井技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，是涉及一種與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀、測量慢地層橫波速度的方法。

背景技術(shù)：

根據(jù)測井方式，油田測井可分為電纜測井和隨鉆測井。電纜測井是通過電纜把聲波測井儀下放到油井中采集數(shù)據(jù)，測井操作過程要求停止鉆井作業(yè)并把鉆桿抽出，才能把聲波測井儀放進(jìn)油井內(nèi)。隨鉆測井則能夠?qū)崿F(xiàn)邊鉆井邊測量數(shù)據(jù)。因為隨鉆測井不會影響鉆井作業(yè)的進(jìn)度，所以可以縮短工程項目整體的完成時間，從而降低成本。

聲波測井的主要目的是應(yīng)用聲波方法測量地層的縱波速度與橫波速度。這些數(shù)據(jù)可以用于計算地層的彈性參數(shù)、孔隙度、孔隙壓力等。

隨鉆聲波測井中對聲波在地層中井孔響應(yīng)特征的很多認(rèn)識，都是基于電纜聲波測井研究延伸得到的。為了減少聲波測井儀對數(shù)據(jù)測量的干擾，電纜聲波測井儀會采用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料器件來實現(xiàn)聲源與接收器間的隔音。而隨鉆聲波測井儀是直接安裝在鉆鋌上，因為鉆鋌需要保證有足夠的強(qiáng)度來支撐鉆頭的鉆井活動，所以隨鉆聲波測井儀很難實現(xiàn)很好的隔音效果，并且隨鉆聲波測井儀整體的聲阻抗比較高。因此隨鉆聲波測井儀與電纜聲波測井儀之間，兩者對數(shù)據(jù)測量的影響存在非常大的差異。

現(xiàn)代隨鉆聲波測井方法主要包括單極子(monopole)測井和四極子(quadrupole)測井。當(dāng)?shù)貙訖M波速度大于油井中鉆井液波速時，該地層稱為快地層，此時，單極子測井通過測量油井中接收到的滑行縱波與滑行橫波的走時差，即可獲得該地層的縱波速度與橫波速度信息。當(dāng)?shù)貙訖M波速度小于鉆井液波速時，該地層稱為慢地層，只有縱波能在慢地層的油井壁上形成滑行縱波而無法形成滑行橫波，此時單極子測井僅可獲得地層縱波速度。對于慢地層橫波速度的測量，需要通過四極子測井來分析四極子源產(chǎn)生的螺旋波(screwwave)來測量。因此，想要通過隨鉆測井來獲得地層的縱波速度與橫波速度信息，在快地層中只需要使用單極子測井，但慢地層中需要同時使用單極子測井和四極子測井。不少松軟的泥巖層或壓力較高的砂巖層的橫波速度都小于鉆井液的波速，為典型的慢地層。

在慢地層中，傳統(tǒng)單極子源只能用于測量縱波速度，需要另外應(yīng)用四極子源產(chǎn)生的螺旋波才能獲得地層橫波速度信息。但螺旋波的波速是與波的頻率相關(guān)的，不同頻率的波以不同的速度傳播(這種現(xiàn)象稱為頻散)。四極子源產(chǎn)生的螺旋波包含很多頻率成分，只有當(dāng)頻率接近于低頻截止頻率時，它對應(yīng)的波速才是真實的地層橫波波速。因此四極子測井?dāng)?shù)據(jù)需要進(jìn)行一些專門的數(shù)據(jù)處理，用于修正頻散的影響，才能獲得真實的地層橫波速度。而螺旋波的頻散特性同時還受隨鉆聲波測井儀結(jié)構(gòu)與屬性的影響，因此應(yīng)用四極子測井測量地層橫波速度需要進(jìn)行比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，這可能會導(dǎo)致結(jié)果的可靠性降低。因此，同時使用單極子測井和四極子測井來分析地層橫波速度，操作過程和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜導(dǎo)致測量精度不高且效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀(也可簡稱為“與鉆具組合配合的測井儀”，即底部鉆具組合簡稱為鉆具組合，單極隨鉆聲波測井儀簡稱為測井儀)、測量慢地層橫波速度的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的對于慢地層橫波速度測量，需同時使用單極子測井和四極子測井來分析地層橫波速度，操作過程與數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，導(dǎo)致測量效率降低的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀，包括鉆鋌和鉆頭，鉆鋌的端部上安裝鉆頭，鉆鋌上連接有單極隨鉆聲波測井儀，單極隨鉆聲波測井儀包括：聲波接收器，聲波接收器安裝在鉆鋌上；單極子聲源，單極子聲源安裝在鉆鋌上，單極子聲源發(fā)出預(yù)定頻率范圍的聲波；其中，鉆鋌的外直徑d1與鉆頭的外直徑d2的比值為d，則0.75＜d＜1。

進(jìn)一步地，單極子聲源所發(fā)出的聲波的預(yù)定頻率范圍是5khz至10khz。

進(jìn)一步地，聲波接收器的數(shù)量為多個，多個聲波接收器沿鉆鋌的中心軸線方向間隔排列。

進(jìn)一步地，單極子聲源的聲波激發(fā)方向與油井井壁表面的法向方向成30°至60°夾角。

進(jìn)一步地，單極子聲源與聲波接收器之間由隔聲體銜接。

進(jìn)一步地，單極隨鉆聲波測井儀還包括控制電路模塊和數(shù)據(jù)記憶模塊，控制電路模塊與聲波接收器、單極子聲源、數(shù)據(jù)記憶模塊均電連接，控制電路模塊與數(shù)據(jù)記憶模塊均設(shè)置在鉆鋌的內(nèi)腔中。

根據(jù)本技術(shù)方案的另一方面，提供了一種測量慢地層橫波速度的方法，應(yīng)用前述的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行鉆井操作與測量操作，在進(jìn)行鉆井操作的過程的同時實現(xiàn)同步測量地層縱波速度和橫波速度，其中測量操作包括以下步驟：

步驟s10：利用單極子聲源激發(fā)聲波信號；

步驟s20：通過聲波接收器接收經(jīng)過地層傳播來的聲波數(shù)據(jù)；

步驟s30：當(dāng)所測量地層為快地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，利用滑行橫波來計算地層橫波速度；

步驟s40：當(dāng)所測量地層為慢地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，通過直接測量地層中透過橫波來計算地層橫波速度。

利用鉆頭、鉆鋌組成的鉆井工裝進(jìn)行油井鉆井工作，同時，利用由聲波接收器與單極子聲源所組成的測量工裝對地層縱波速度與地層橫波速度進(jìn)行測量，通過設(shè)計鉆鋌的外直徑d1與所鉆得油井的井口直徑d2的比值d大于0.75，并同時設(shè)定單極子聲源所激發(fā)的聲波頻率范圍，這樣以使聲波接收器能夠接收地層中的透過橫波，從而利用透過橫波來測量地層橫波速度。如此，測量地層橫波速度的操作只需應(yīng)用單極子測井即可，而無需再將單極子測井與四極子測井相結(jié)合來測量地層橫波速度，簡化了測量地層橫波速度的操作難度，從而提高了地層橫波速度測量的效率和測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀位于油井中的側(cè)面剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀位于油井中的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀中單極子聲源的裝配結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀中的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行測量過程的流程框圖；

圖5為本發(fā)明實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀中的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行測量獲得的聲波測量圖。

其中，圖中各附圖標(biāo)記：

100、地層；10、隔聲體；

20、鉆鋌；30、鉆頭；

40、聲波接收器；50、單極子聲源。

具體實施方式

為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”或“設(shè)置于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者間接在該另一個元件上。當(dāng)一個元件被稱為是“連接于”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或間接連接至該另一個元件上。

需要理解的是，術(shù)語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

如圖1和圖2所示，本實施例的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀包括，其中底部鉆具組合鉆鋌20、鉆頭30，鉆鋌20上安裝了單極隨鉆聲波測井儀，其中單極隨鉆聲波測井儀包括聲波接收器40和單極子聲源50，鉆頭30連接在鉆鋌20的端部上，聲波接收器40安裝在鉆鋌20上，單極子聲源50安裝在鉆鋌20上，單極子聲源50與聲波接收器40間隔設(shè)置在鉆鋌20上，并且單極子聲源50發(fā)出預(yù)定頻率范圍的聲波，其中，鉆鋌20的外直徑d1與鉆頭30的外直徑d2的比值為d，則0.75＜d＜1。

應(yīng)用本技術(shù)方案的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行油井鉆探并同時進(jìn)行地層的隨鉆測量，利用鉆頭30、鉆鋌20組成的鉆井工裝進(jìn)行油井鉆井工作(鉆鋌20連接在鉆桿上，通過動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動鉆桿以帶動鉆鋌20、鉆頭30轉(zhuǎn)動)，同時，利用由聲波接收器40、單極子聲源50所組成的測井工裝對地層縱波速度與地層橫波速度進(jìn)行測量，通過設(shè)計鉆鋌20的外直徑d1與所鉆得油井的井口直徑(即鉆頭30的外直徑d2)的比值d大于0.75(即0.75＜d＜1)，并同時設(shè)定單極子聲源50所激發(fā)的聲波頻率范圍，這樣以使聲波接收器40能夠接收地層中的透過橫波，從而利用透過橫波來測量地層橫波速度。如此，測量地層橫波速度的操作只需應(yīng)用單極子測井即可，而無需再將單極子測井與四極子測井相結(jié)合來測量地層橫波速度，簡化了測量地層橫波速度的操作難度，從而提高了地層橫波速度測量的效率和測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。

研究實驗結(jié)果證明，在隨鉆測井過程中，當(dāng)鉆鋌20的外直徑d1與油井的直徑即鉆頭30的外直徑d2的比值d達(dá)到一定的比例范圍，即0.75＜d，并且相配合地設(shè)定單極子聲源50所激發(fā)聲波源的頻率在合適的頻率范圍時，高聲阻抗的鉆鋌20會使慢地層中的斯通利波與透過橫波解耦，使得地層透過橫波可以被聲波接收器40所探測到。由于地層透過橫波沒有頻散影響，即所有頻率的透過橫波都是以地層橫波速度進(jìn)行傳播，因此，地層透過橫波速度可以直接用于測量地層橫波速度。

在本實施例中，單極子聲源50所發(fā)出的聲波的預(yù)定頻率范圍是5khz至10khz，例如所激發(fā)的聲波頻率為5khz、5.5khz、6khz、6.5khz、7khz、7.5khz、8khz、8.5khz、9khz、9.5khz、10khz，當(dāng)然也可以設(shè)定為在該頻率范圍內(nèi)的其他頻率的聲波，例如5.6khz、7.8khz等等，在此聲波頻率范圍進(jìn)行激發(fā)聲波，能夠降低油井內(nèi)其他信號波的干擾。優(yōu)選地，在實際進(jìn)行測量的過程中，選用聲波頻率范圍為7khz至9khz的聲波進(jìn)行激發(fā)測量。

如圖1所示，本實施例的單極隨鉆聲波測井儀中聲波接收器40的數(shù)量為多個，多個聲波接收器40沿鉆鋌20的中心軸線方向間隔排列。如此，在鉆鋌20上形成由上至下的陣列式排布，當(dāng)聲波由單極子聲源50激發(fā)出去并傳播至油井地層形成縱向、橫向偏振的地層波傳播之后，利用陣列式排布的聲波接收器40能夠提高接收到由地層傳播過來的滑行縱波、滑行橫波或者地層透過橫波的信噪比，從而測量獲得地層縱波速度和地層橫波速度。

如圖3所示，為了增加地層透過橫波的強(qiáng)度，單極子聲源50的聲波激發(fā)方向與油井井壁表面的法向方向成30°至60°夾角。單極子聲源50激發(fā)出所需聲波并在地層中轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的穿透波，由于聲波激發(fā)角度的設(shè)置，能夠使所激發(fā)的聲波在地層中轉(zhuǎn)化為透過橫波的波能量更高，從而增強(qiáng)地層透過橫波的強(qiáng)度，使得聲波接收器40能夠更清晰地接收地層透過橫波。優(yōu)選地，將單極子聲源50的聲波激發(fā)方向設(shè)計成與油井井壁表面的法向方向成40°至50°夾角，更優(yōu)選為45°。

單極子聲源50激發(fā)時會同時在鉆鋌上形成鉆鋌波，鉆鋌波在一定程度上將影響聲波接收器40接收到的地層有效信號，因而，為了減弱鉆鋌波的影響，單極隨鉆聲波測井儀還包括隔聲體10，隔聲體10連接在鉆鋌20上，并且隔聲體10位于聲波接收器40與單極子聲源50之間，此時，聲波接收器40與單極子聲源50之間通過隔聲體10形成聲波阻隔狀態(tài)，從而減弱鉆鋌波對聲波接收器40對地層波的接收影響。

鉆鋌20是由多節(jié)具有較大重量和剛度的鋼制桿狀件組合形成，鉆頭30連接在鉆鋌20的端部上，單極隨鉆聲波測井儀是組成整個鉆鋌組合中的一節(jié)(即單極隨鉆聲波測井儀是安裝在該鋼制桿狀件上的)，并且單極隨鉆聲波測井儀的單極子聲源50與鉆頭30的距離一般為十幾米或更大。

進(jìn)一步地，單極隨鉆聲波測井儀還包括控制電路模塊(未圖示)和數(shù)據(jù)記憶模塊(未圖示)，控制電路模塊與聲波接收器40之間、控制電路模塊與單極子聲源50、控制電路模塊與數(shù)據(jù)記憶模塊之間均電連接，控制電路模塊與數(shù)據(jù)記憶模塊均設(shè)置在測井儀所安裝的鉆鋌20的內(nèi)腔中。在進(jìn)行隨鉆測井的操作過程中，鉆頭30進(jìn)行鉆進(jìn)油井的操作，并同時利用控制電路模塊開啟單極子聲源50進(jìn)行激發(fā)測量聲波，通過控制電路模塊開啟聲波接收器40對由地層傳播來的滑行縱波、滑行橫波或者地層透過橫波進(jìn)行測量，并將測量所得數(shù)據(jù)通過控制電路模塊將測量所得的聲波壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過控制電路模塊記錄到數(shù)據(jù)記憶模塊中。在最后的數(shù)據(jù)處理中：對快地層，直接利用記錄到的滑行縱波計算地層縱波速度，直接利用記錄到的滑行橫波計算地層橫波速度；對慢地層，地層縱波速度仍利用所記錄的滑行縱波進(jìn)行計算，地層橫波速度則是通過分析所記錄的地層透過橫波來獲得。

根據(jù)本技術(shù)方案的另一方面，提供了一種測量慢地層橫波速度的方法。如圖4所示，本實施例的測量慢地層橫波速度的方法應(yīng)用前述的與底部鉆具組合配合使用的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行鉆井操作與測量操作，其中該測量慢地層橫波速度的方法包括以下步驟：

步驟s10：利用單極子聲源50激發(fā)聲波信號，利用前述的單極隨鉆聲波測井儀中的單極子聲源50激發(fā)的聲波頻率設(shè)定為5khz至10khz，而且單極子聲源50所激發(fā)聲波方向與油井表面的法向方向成30°至60°夾角，并且結(jié)合其鉆鋌20的外直徑d1與油井的孔徑(即鉆頭30的外直徑d2)的比值d為0.75＜d＜1；

步驟s20：通過聲波接收器40接收經(jīng)過地層傳播來的聲波數(shù)據(jù)，這樣，單極子聲源50所激發(fā)聲波在經(jīng)過地層轉(zhuǎn)換并傳播后，聲波接收器40接收獲得地層的滑行縱波、滑行橫波或地層透過橫波；

步驟s30：在數(shù)據(jù)分析階段，當(dāng)所測量地層為快地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，利用滑行橫波來計算地層橫波速度；

步驟s40：同樣是在數(shù)據(jù)分析階段，當(dāng)所測量地層為慢地層時，利用滑行縱波來計算地層縱波速度，通過直接測量地層中透過橫波來計算地層橫波速度。

如圖5所示，本技術(shù)方案的測量慢地層橫波速度的方法利用前述所提供的單極隨鉆聲波測井儀進(jìn)行隨鉆測井操作，獲得了其中某地層的滑行縱波、透過橫波以及斯通利波與相關(guān)計量參數(shù)(時間參數(shù)/ms、單極子聲源與聲波接收器之間的距離/m)的聲波測量圖，通過圖中所得到的地層透過橫波，能夠方便地計算獲得該地層橫波速度。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。