CN102162358B - 一种随钻声波测井装置 - Google Patents

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一种随钻声波测井装置，包括钻铤和设置在钻铤上的发射换能器；发射换能器包括设置在两端的第一和第二端头金属块、位于中间的金属夹板、分别位于第一和第二端头金属块和金属夹板之间的多个压电陶瓷片；其中，压电陶瓷片数为偶数，压电陶瓷片极化方向为厚度方向，且相邻压电陶瓷片的极化方向相反；发射换能器的长度方向和钻铤的长度方向垂直。本发明可判断地层的纵波速度、横波速度、孔隙度和孔隙压力等信息，尤其是在软地层(地层的横波速度小于井内流体的声速)，利用本发明四极子的方式可以测量地层的横波速度，进行地应力分析，使得换能器的整体功能得到扩展。

Description

一种随钻声波测井装置
技术领域
本发明涉及一种随钻声波测井装置，尤其涉及一种随钻声波测井换能器组合。
背景技术
近年来，随着全球工业对石油需求量的逐年增加，石油勘探中大斜度井和水平井钻井十分活跃，随钻测井技术迅速发展，几乎所有的裸眼井电缆测井项目都可用随钻测井的方式进行。随钻声波测井技术是随钻测井技术的重要方法之一，具有边钻边测的特点。该技术是利用安装在钻铤上的发射声波换能器在井下钻井施工作业过程中产生声波，通过泥浆在地层中传播，经过一定时间的衰减后，被安装在钻铤上的接收声波换能器接收，再通过对衰减的声波信号进行分析，来判断地层信息。现在通常采用的随钻声波测井仪器中的单极子和偶极子测量方式，其主要存在的缺点：一是偶极子作为声源，其接收信号中有严重的钻铤波干扰，二是地层弯曲波波速和横波波速存在差别。而地层纵横波速度的准确求取在石油工业地层评价工作中意义非常重大。
发明内容
本发明目的在于提供一种随钻声波测井换能器组合，利用钻井过程中的随钻声波测井施工中得到的声波全波列，求取地层参数等信息。
为实现此目的，本发明提供一种随钻声波测井装置，该装置包括：钻铤和设置在钻铤上的发射换能器；发射换能器包括设置在两端的第一和第二端头金属块、位于中间的金属夹板、分别位于第一和第二端头金属块和金属夹板之间的多个压电陶瓷片；其中，压电陶瓷片数为偶数，压电陶瓷片极化方向为厚度方向，且相邻压电陶瓷片的极化方向相反；发射换能器的长度方向和钻铤的长度方向垂直。
本发明的优点在于：可判断地层的纵波速度、横波速度、孔隙度和孔隙压力等信息，尤其是在软地层(地层的横波速度小于井内流体的声速)，利用本发明四极子的方式可以测量地层的横波速度，进行地应力分析，使得换能器的整体功能得到扩展。
附图说明
本发明的示例性实施例将从下文中给出的详细说明和本发明不同实施例的附图中被更完全地理解，然而这不应该被视为将本发明限制于具体的实施例，而应该只是为了解释和理解。
图1为随钻声波测井装置示意图。
图2为隔声体结构示意图。
图3a为发射换能器结构示意图。
图3b为发射换能器安装示意图1。
图3c为发射换能器安装示意图2。
图4a为圆管状接收换能器结构示意图1。
图4b为圆管状接收换能器结构示意图2。
图5a为多层叠片式接收换能器结构示意图1。
图5b为多层叠片式接收换能器结构示意图2。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将意识到，所述示例性实施例的下述详细说明仅仅是说明性的，并且不是意在以任何方式加以限制。其他实施例将容易地呈现给受益于本公开的这类技术人员。现在，将详细地参考如若干附图中所示的示例性实施例的实施。遍及附图并且在后面的详细说明中将使用相同的附图标记来指出相同或类似的部分。
图1为随钻声波测井装置的示意图。如图1所示，一种随钻声波测井装置，包括钻铤1，钻铤顶端接头2位于最顶端，泥浆通道3位于钻铤中心，上稳定器5上部为采集与控制电路4，上稳定器5下部为接收换能器阵列6，接收换能器组合6下部与隔声体7连接，下稳定器9上部为发射换能器8，下稳定器9下部为发射电路和电源电路10，钻铤底端接头11位于最底端。整个测量装置位于井眼12中部，井眼12中充满泥浆13，井眼12外侧是地层14。
由发射换能器产生声波，传播路径如图1所示。声波通过泥浆向井外地层中传播，传播的速度和幅度受到地层的岩石性质影响，经过一定距离的传播后，再由接收换能器组合接收，由此可以建立声波的传播速度、幅度衰减和地层岩石物理性质之间的关系，从而可以得到岩石的纵波速度、横波速度、斯通滤波速度等，进而可以得到地层的孔隙度等参数，并可以进行地应力分析，还可以结合岩石密度参数得到岩石的杨氏模量和泊松比等力学参数。
在一个例子中，隔声体7大约设置在整个钻铤1的中下部，整个钻铤1为一体结构，隔声体7通常设置在发射换能器8和接收换能器6之间，其主要功能是减弱或者延迟声波从发射换能器8通过钻铤1直接传播到接收换能器6，为保证钻铤1在钻井过程中的安全施工，隔声体7还必须具备一定的强度，在强烈的轴向、径向和周向等力的作用下不会发生大的变形和折断。如图2所示，隔声体7是在钻铤上刻有导声槽15，导声槽15的宽度为5mm-50mm，深度为1mm-30mm，以便增加声波在其上的传播路径达到减弱直达波的目的。
在一个实施例中，所述发射换能器8为2个，接收换能器组合6为4个。利用多元阵列接收，是因为它具有垂直其轴线平面接收指向性窄的特性，有利于确定测量地层的空间位置，阵元数量越多，指向性越强。
本实施例中，两个发射换能器相互垂直放置，且换能器之间中心距离为30mm至90mm。
本发明所述的声波换能器主要是通过控制电路系统控制发射换能器8、接收换能器6和采集与控制电路4来完成地层声速等信息测量的。控制系统设计了两个工作模式，即：单极子工作模式和四极子工作模式。每种模式决定了使用发射换能器8和接收换能器6的种类、数目以及数据采样率等参数。在实际测量时，每个模式可以独立进行，模式的选择视实际测量条件和测量要求而定。
在一个实施例中，采用单极子工作模式，一个发射换能器8产生声波，接收换能器6接收声波。
在一个实施例中，采用四极子工作模式，二个发射换能器8产生声波，接收换能器6接收声波。
本发明中利用单极子和四极子组成的多极子源工作模式，可以直接测量地层纵波、横波、斯通滤波声速和衰减等参数，既可以相互参考验证，也可以单独处理，大大提高了装置的可信度和应用范围。利用纵波、横波速度可以计算地层的弹性模量、泊松比，预测地层破裂压力，利用纵波、横波速度比还可以用于判断气层。
在一个例子中，各接收换能器的周边设有声窗，声窗位于各换能器的钻铤上，由于其声阻抗与钻铤内的硅油和钻铤外的泥浆声阻抗相匹配，因而有利于在地层中的回波不衰减或者较少衰减地被接收。
在一个实施例中，本发明所述发射换能器8由端头金属块16、铜箔17、压电陶瓷块18、铜箔19和金属夹板20构成圆柱体，外层包裹玻璃纤维和环氧树脂或者硅橡胶21保护层，如图3a所示。图3b和图3c分别是发射换能器安装示意图，所述发射换能器8为发射型压电陶瓷片18、金属夹板20和端头金属12黏结而成，耐高温发射型压电陶瓷片18直径为20mm-60mm，其厚度为3mm-100mm，其数量为2-80(偶数)片，极化方向为厚度方向，黏结时相邻压电陶瓷片18极化方向相反。端头金属16直径为20mm-60mm，其厚度为3mm-100mm。夹板金属20直径为20mm-60mm，其厚度为3mm-100mm。铜箔17和铜箔19直径均为20mm-80mm，其厚度均为0.1mm-5mm，其数量共为4-82(偶数)片，高温导电胶涂抹在铜箔17、铜箔19表面。铜箔17与信号线正极连接，铜箔19与信号线负极连接。
在一个例子中，所述的接收换能器6结构如图4a和图4b所示。它由两个同样的接收型高温压电陶瓷材料制作的圆管22串联而成，其灵敏度比用一个圆管提高一倍，每一个陶瓷圆管长10mm-100mm，外径10mm-40mm，壁厚1.0mm-10.0mm。两压电陶瓷管串联后的正极信号引线24和负极信号引线25都是高温导线，这些部件组合为一体，装配到钻铤1上。接收换能器的声窗26外径尺寸与钻铤1相同，壁厚0.5mm-5.0mm，长度40mm-140mm，其内腔充满油27，或内腔充满氟橡胶、硅橡胶等其它合适绝缘物质。
接收换能器6也可以采用另一种结构方式，见图5a和图5b。这种结构的接收换能器6由基片28和压电陶瓷29黏结而成。基片28为低膨胀合金材料，长度为30mm-60mm，宽度为15mm-40mm，厚度为0.1mm-2mm。压电陶瓷29为接收型压电陶瓷材料，长度为30mm-60mm，宽度为15mm-40mm，厚度为2mm-5mm。黏结胶为高温导电胶。用黏结胶将压电陶瓷29正极黏结在中间基片28上，然后再将压电陶瓷29负极与两侧的基片用黏结胶黏结在一起，并将各部件加固在钻铤1上。接收换能器6的声窗30外径尺寸与钻铤1相同，壁厚0.5mm-5.0mm，长度40mm-140mm，其内腔充满油31，或内腔充满氟橡胶、硅橡胶等其它合适绝缘物质。
由于本发明的结构，将发射换能器8与两种不同的接收换能器阵列组合，使用两种不同的工作模式发射声波，而两种接收换能器阵列接收的信号是通过不同地质结构的反射、折射和吸收等多种不同的物理过程，经处理这些接收信号的差异来判断储层的含油气及其储量。特别是，加入四极子工作模式，可以有效地测量软地层的横波信息，从而可以分析地层的各向异性等。
尽管已经示出并描述了本发明的特殊实施例，然而在不背离本发明的示例性实施例及其更宽广方面的前提下，本领域技术人员显然可以基于此处的教学做出变化和修改。因此，所附的权利要求意在将所有这类不背离本发明的示例性实施例的真实精神和范围的变化和更改包含在其范围之内。

Claims (12)

1.一种随钻声波测井装置，包括钻铤和设置在钻铤上的发射换能器；发射换能器包括设置在两端的第一和第二端头金属块、位于中间的金属夹板、分别位于第一和第二端头金属块和金属夹板之间的多个压电陶瓷片；其中，压电陶瓷片数为偶数，压电陶瓷片极化方向为厚度方向，且相邻压电陶瓷片的极化方向相反；发射换能器的长度方向和钻铤的长度方向垂直。
2.如权利要求1所述的随钻声波测井装置，其特征在于发射换能器的外层包裹玻璃纤维和环氧胶或者硅橡胶的绝缘层。
3.如权利要求1所述的随钻声波测井装置，其特征在于：发射换能器的金属夹板与压电陶瓷片之间及压电陶瓷片与压电陶瓷片之间用穿钉和/或胶黏剂装配和黏结而成。
4.如权利要求1所述的随钻声波测井装置，其特征在于：发射换能器为2个，2个发射换能器相互垂直放置。
5.如权利要求4所述的随钻声波测井装置，其特征在于：两个发射换能器反向激励点火的四极子工作模式。
6.如权利要求1或4所述的随钻声波测井装置，其特征在于：发射换能器采用单极子工作模式点火发射。
7.如权利要求1所述的随钻声波测井装置，其特征在于包括设置在钻铤上不同于发射换能器位置的接收换能器，接收来自发射换能器的信号。
8.如权利要求7所述的随钻声波测井装置，其特征在于：接收换能器包括接收型高温压电陶瓷材料制成的圆管。
9.如权利要求7所述的随钻声波测井装置，其特征在于：接收换能器由基片和压电陶瓷片黏合而成。
10.如权利要求7所述的随钻声波测井装置，其特征在于：接收换能器的周边设有声窗。
11.如权利要求7所述的随钻声波测井装置，其特征在于：接收换能器由接收换能器阵列代替。
12.一种发射换能器，包括设置在两端的第一和第二端头金属块、位于中间的金属夹板、分别位于第一和第二端头金属块和金属夹板之间的多个压电陶瓷片；其中，压电陶瓷片数为偶数，压电陶瓷片极化方向为厚度方向，且相邻压电陶瓷片的极化方向相反；发射换能器的长度方向和钻铤的长度方向垂直。
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