CN102505938B - 井周超声成像下井仪扫描头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井周超声成像下井仪扫描头；井周超声成像下井仪扫描头含有超声波晶体和壳体，壳体为空心柱状体，超声波晶体安装在壳体的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体的尾部朝向壳体内，超声波晶体与晶体安装通孔之间密封连接，超声波晶体的个数为N，N为大于等于2的自然数，N个超声波晶体围绕壳体的轴线均布在壳体的侧壁中，N个超声波晶体的高度一样，壳体的下端封闭，壳体的上端中央设有转轴孔，下井仪的转轴安装在转轴孔中；本发明提供了一种含多个超声波晶体，并且与下井仪的转轴连接方便可靠的井周超声成像下井仪扫描头。

Description

井周超声成像下井仪扫描头

（一）、技术领域：本发明涉及一种超声波扫描头，特别是涉及一种用于石油测井的井周超声成像下井仪扫描头。

（二）、背景技术: 井周超声成像下井仪是利用超声晶体来测量裸眼井或套管井井壁地质特性的测井仪器。目前所采用的超声晶体都是压电陶瓷晶体，且该压电陶瓷晶体是收发合一的，也就是说发射晶体和接收晶体是同一个晶体。当把晶体置于充满液体的井中，晶体离井壁距离适中的情况下，给晶体一个触发激励时，晶体就可以接收到经井壁反射回的超声信号。超声信号的反射时间反映了晶体离井壁的距离，反射幅度反映了井壁的声阻抗特性。当晶体在电机的驱动下旋转时，根据奈奎斯特准则控制晶体的发射，就可以得到井壁一周的反射时间和反射幅度。当仪器由电缆拉升时，晶体在井中就做螺旋扫描测量，通过对所测信号的处理，就可以得到井周的反射时间和反射幅度。通过计算机对反射时间和反射幅度进行灰度处理，再结合方位信息显示就可以得到井壁四周的图像。图1中所示的就是超声波晶体发射和接收反射信号的波形图，图1中的传播时间反映的是晶体离井壁的距离，回波幅度反映了井壁的声阻抗特性。

60年代，Mobil研究公司首先取得了井周超声成像下井仪这类仪器原理的专利。Amoco公司对改进仪器获得的图像以及Sandia国家实验室对提高仪器的工作温度都作出了贡献。Shell公司增加了自动增益控制线路，它有助于减小由于井壁与入射波不垂直而引起的垂向范围。Georgi利用实验室资料阐述了仪器探测裂缝和分辨附近特征的能力。Shell公司还证明了凹形换能器可以降低工作频率，并可保持较高的成像分辨率。现代的井周超声扫描测井仪是以上述技术为基础的声波成像仪器。

现有井周超声成像下井仪采集的数据量由于不同厂家的每圈发射次数不同而有所不同，但数据量都较大。数据量的增大就意味着传输时间的增加，从而导致测速的降低；同时，图像精度的要求也导致测速的降低。以哈利波顿公司生产的CAST-V的图像模式为例来说明最高测速的问题：它每转动一圈需要上传407个字的数据，此数据以每帧32个字，每帧50ms的速度上传，这样传输407个字就需要9块32字/帧的时间，这样，一圈数据传输的时间为407×50/32/9＝72ms，考虑到图像的精度为0.3in，则1英尺就需12/0.3＝40圈扫描，40圈扫描的时间为40×72ms＝2.9s，故最高测速为1英尺/2.9秒＝21英尺/分钟＝384米/小时。在3800米井深中完成一次测量就需10个小时，在7200米深的井中完成一次测量就需20个小时，这对于测井人员而言是无法忍受的，这也是目前此类仪器的缺点之一。

最大测井速度其实是遥测数传能力、超声成像仪器所要求的测井精度和超声成像仪器产生数据速度的综合体现。为了提高测井速度，首先就需要遥测的速度加快。只有遥测的速度加快了，才能使测井数据快速上传到地面。但是，一味地提高遥测数传速度并不能提高测井速度，因为井下仪器产生所要求精度的数据的速度达不到要求。故遥测速度只是超声成像仪器测速可以提高的先决条件。目前，国内的遥测数传可以到500Kbps，有的甚至可达1Mbps。这就为提高超声成像仪器测井速度提供了可能。

有了高速遥测，现在的主要问题是提高超声成像仪器产生符合精度数据的能力。所谓精度，就是径向精度和垂直精度的统称。径向精度与井眼大小、晶体的声斑大小以及每圈测量的点数有关。垂直精度与晶体声斑大小和测井速度有关。在井眼大小和声斑大小以及每圈测量点数（200点/100点）都确定的情况下，通过选择不同尺寸扫描头可以保证测量的径向精度。垂直精度在声斑大小确定的情况下只与测井速度有关。测井速度过快，相邻两圈扫描的重叠率就会小于50％，甚至会没有重叠。根据奈奎斯特准则可知，其数据分辨率是不可信的。这也是导致测速慢的主要原因。下面以单晶体扫描形式来说明圈数据的提取及测速不能提高的原因。单晶体扫描形式中晶体运行轨迹平面展开图如图2所示，图2中， L是晶体转动一圈时仪器的垂直移动距离，v是测速，t是晶体扫描一圈所耗的时间，从下向上依次为第1圈扫描→第2圈扫描→第3圈扫描→第4圈扫描，前3圈扫描之间都有重复的部分，如果此时测速提高1倍，则相邻2圈扫描之间就不会重复50％，从而导致数据的不可信，测速提高再提高时，相邻2圈（如：第3圈和第4圈）扫描之间就没有重合部分，数据就更加不可信，所以，现有单晶体扫描是不能提高测速的。

（三）、发明内容：本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种含多个超声波晶体，并且与下井仪的转轴连接方便可靠的井周超声成像下井仪扫描头。

本发明的技术方案：一种井周超声成像下井仪扫描头，含有超声波晶体和壳体，壳体为空心柱状体，超声波晶体安装在壳体的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体的尾部朝向壳体内，超声波晶体与晶体安装通孔之间密封连接，超声波晶体的个数为N，N为大于等于2的自然数，N个超声波晶体围绕壳体的轴线均布在壳体的侧壁中，N个超声波晶体的高度一样，壳体的下端封闭，壳体的上端中央设有转轴孔，下井仪的转轴安装在转轴孔中。

壳体内设有水平的接线柱板，接线柱板下表面的高度高于超声波晶体的尾部上边沿的高度，接线柱板上设有N个接线柱，N个接线柱的中部均穿过接线柱板，接线柱的上端和下端分别位于接线柱板的上面和下面，N个超声波晶体尾部的信号线分别与N个接线柱的下端电连接，转轴中间空心处的信号线与接线柱的上端电连接。

接线柱板设在壳体内侧壁的台阶上，接线柱板的上部设有压块，压块的外侧面与壳体的内侧面之间密封连接，压块的下端内部设有空腔体，接线柱的上端位于该空腔体中，壳体的上部设有瓶盖形螺套，瓶盖形螺套的盖底中部为空心，瓶盖形螺套与壳体上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套的盖底压在压块上，转轴孔设在压块上表面的中部，转轴孔和空腔体之间设有隔板，隔板的中间设有信号线通孔，信号线通孔将转轴孔和空腔体连通起来，隔板的周边设有转轴固定通孔，转轴通过转轴固定通孔内的螺钉固定在转轴孔中。

压块的外侧面中部设有外凸缘，外凸缘的下表面与壳体的上端面连接，外凸缘的上表面与瓶盖形螺套的盖底连接，外凸缘的下表面与壳体的上端面之间设有定位键，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间密封连接，外凸缘与瓶盖形螺套之间通过定位螺钉定位。

接线柱板与压块通过固定螺钉固定在一起，压块的外侧面与壳体的内侧面之间设有压块密封圈，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间设有螺套密封圈，超声波晶体的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈，超声波晶体通过晶体螺钉固定在壳体上，转轴孔内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈。

壳体的底部设有放油螺纹通孔，放油螺纹通孔内设有放油螺钉，放油螺钉与放油螺纹通孔之间密封连接。

放油螺钉与放油螺纹通孔之间设有放油密封圈。

N为2，或为3，或为4，或为5，或为6。

超声波晶体为压电陶瓷晶体。各超声波晶体的性能要求基本保持一致，以保证测量数据的可信度。

本下井仪超声波扫描头含有至少两个超声波晶体，采用该扫描头的下井仪可以在保证精度的情况下提高测井速度，下面以扫描头中含有两个超声波晶体时的例子来说明：测井时，电机的转速维持不变，即电机转速与单个超声波晶体时的电机转速相同以保证测量的径向精度。

两个晶体的扫描形式中晶体的运行轨迹平面展开图如图3所示，两个晶体的轨迹线如图4所示。图4中，A为第一个晶体的轨迹线，B为第二个晶体的轨迹线。图3中，从下向上依次为第一个晶体的第1圈扫描→第二个晶体的第1圈扫描→第一个晶体的第2圈扫描→第二个晶体的第2圈扫描→第一个晶体的第3圈扫描→第二个晶体的第3圈扫描， L1是晶体转动一圈时仪器的垂直移动距离，v1是测速，v1=2v，测速v1比图2中的测速v提高了1倍，t是晶体扫描一圈所耗的时间。对于单个晶体扫描形式而言，前后两次的扫描不能重复，垂直精度不能保证。但是，由于现在是两个晶体，其不重复部分可以由另外一个晶体来代替测量。通过对数据的拟合处理，可以得到一圈完整的扫描数据，从而保证了仪器测量的垂直精度。这样，在测速提高一倍达760米/小时的情况下，采用2个晶体是能够保证测量精度的。

3个晶体和4个晶体的情况与上面2个晶体的情况类似。3个晶体之间相差120°，4个晶体之间相差90°。3个晶体可以把测速提高3倍达1100米/小时，此时要求遥测速度为300Kbps；4个晶体可以把测速提高4倍达1520米/小时，此时遥测速度为400Kbps。

本发明的有益效果：1、本发明含有至少两个超声波晶体，采用本发明的下井仪可以在保证精度的情况下极大提高测井速度（无论是在裸眼井还是在套管井中）。并且，下井仪的转轴安装在压块上的转轴孔中，下井仪的转轴中间空心处的信号线通过接线柱板上的接线柱与超声波晶体尾部的信号线连接，因此，本发明与下井仪的转轴之间的连接方便可靠。

2、本发明的壳体、超声波晶体、压块和瓶盖形螺套之间都采用密封圈连接，防水性强，可耐高压，非常适合在石油测井中使用。

（四）、附图说明：

图1为超声波晶体发射和接收反射信号的波形图；

图2为单晶体扫描形式中晶体运行轨迹平面展开图；

图3为两个晶体的扫描形式中晶体的运行轨迹平面展开图；

图4为两个晶体的轨迹线示意图；

图5为含有两个超声波晶体的井周超声成像下井仪扫描头的结构示意图；

图6为含有三个超声波晶体的井周超声成像下井仪扫描头的结构示意图；

图7为含有四个超声波晶体的井周超声成像下井仪扫描头的结构示意图。

（五）、具体实施方式：实施例一：参见图5，图中，井周超声成像下井仪扫描头含有两个超声波晶体2和壳体1，壳体1为空心柱状体，超声波晶体2安装在壳体1的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体2的发射接收面朝向壳体1外，超声波晶体2的尾部朝向壳体1内，超声波晶体2与晶体安装通孔之间密封连接，两个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，两个超声波晶体2的高度一样，壳体1的下端封闭，壳体1的上端中央设有转轴孔24，下井仪的转轴7安装在转轴孔24中。

壳体1内设有水平的接线柱板3，接线柱板3下表面的高度高于超声波晶体2的尾部上边沿的高度，接线柱板3上设有两个接线柱4，两个接线柱4的中部均穿过接线柱板3，接线柱4的上端和下端分别位于接线柱板3的上面和下面，两个超声波晶体2尾部的信号线9分别与两个接线柱4的下端电连接，转轴7中间空心处的信号线8与接线柱4的上端电连接。

接线柱板3设在壳体1内侧壁的台阶上，接线柱板3的上部设有压块5，压块5的外侧面与壳体1的内侧面之间密封连接，压块5的下端内部设有空腔体23，接线柱4的上端位于该空腔体23中，壳体1的上部设有瓶盖形螺套6，瓶盖形螺套6的盖底中部为空心，瓶盖形螺套6与壳体1上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套6的盖底压在压块5上，转轴孔24设在压块5上表面的中部，转轴孔24和空腔体23之间设有隔板21，隔板21的中间设有信号线通孔22，信号线通孔22将转轴孔24和空腔体23连通起来，隔板21的周边设有转轴固定通孔，转轴7通过转轴固定通孔内的螺钉18固定在转轴孔24中。

压块5的外侧面中部设有外凸缘26，外凸缘26的下表面与壳体1的上

端面连接，外凸缘26的上表面与瓶盖形螺套6的盖底连接，外凸缘26的下表面与壳体1的上端面之间设有定位键17，外凸缘26的外侧面与瓶盖形螺套6的内侧面之间密封连接，外凸缘26与瓶盖形螺套6之间通过定位螺钉20定位。

接线柱板3与压块5通过固定螺钉15固定在一起，压块5的外侧面与壳体1的内侧面之间设有压块密封圈16，外凸缘26的外侧面与瓶盖形螺套6的内侧面之间设有螺套密封圈27，超声波晶体2的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈14，超声波晶体2通过晶体螺钉13固定在壳体1上，转轴孔24内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈19。

壳体1的底部设有放油螺纹通孔11，放油螺纹通孔11内设有放油螺钉10，放油螺钉10与放油螺纹通孔11之间密封连接。

放油螺钉10与放油螺纹通孔11之间设有放油密封圈12。

超声波晶2体为压电陶瓷晶体。各超声波晶体2的性能要求基本保持一致，以保证测量数据的可信度。

实施例二：参见图6，图中，图中编号与实施例一相同的，代表的意义相同，

其工作过程也基本相同，相同之处不重述，不同之处是：壳体1内设有三个超声波晶体2，三个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，三个超声波晶体2的高度一样。

实施例三：参见图7，图中，图中编号与实施例一相同的，代表的意义相同，其工作过程也基本相同，相同之处不重述，不同之处是：壳体1内设有四个超声波晶体2，四个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，四个超声波晶体2的高度一样。

Claims (7)

1.一种井周超声成像下井仪扫描头，含有超声波晶体和壳体，其特征是：

壳体为空心柱状体，超声波晶体安装在壳体的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体的尾部朝向壳体内，超声波晶体与晶体安装通孔之间密封连接，超声波晶体的个数为N，N为大于等于2的自然数，N个超声波晶体围绕壳体的轴线均布在壳体的侧壁中，N个超声波晶体的高度一样，壳体的下端封闭，壳体的上端中央设有转轴孔；

壳体内设有水平的接线柱板，接线柱板下表面的高度高于超声波晶体的尾部上边沿的高度，接线柱板上设有N个接线柱，N个接线柱的中部均穿过接线柱板，接线柱的上端和下端分别位于接线柱板的上面和下面，N个超声波晶体尾部的信号线分别与N个接线柱的下端电连接；

接线柱板设在壳体内侧壁的台阶上，接线柱板的上部设有压块，压块的外侧面与壳体的内侧面之间密封连接，压块的下端内部设有空腔体，接线柱的上端位于该空腔体中，壳体的上部设有瓶盖形螺套，瓶盖形螺套的盖底中部为空心，瓶盖形螺套与壳体上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套的盖底压在压块上，转轴孔设在压块上表面的中部，转轴孔和空腔体之间设有隔板，隔板的中间设有信号线通孔，信号线通孔将转轴孔和空腔体连通起来，隔板的周边设有转轴固定通孔。

2.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：

所述压块的外侧面中部设有外凸缘，外凸缘的下表面与壳体的上端面连接，外凸缘的上表面与瓶盖形螺套的盖底连接，外凸缘的下表面与壳体的上端面之间设有定位键，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间密封连接，外凸缘与瓶盖形螺套之间通过定位螺钉定位。

3.根据权利要求2所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：所述接线柱板与压块通过固定螺钉固定在一起，压块的外侧面与壳体的内侧面之间设有压块密封圈，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间设有螺套密封圈，超声波晶体的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈，超声波晶体通过晶体螺钉固定在壳体上，转轴孔内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈。

4.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：所述壳体的底部设有放油螺纹通孔，放油螺纹通孔内设有放油螺钉，放油螺钉与放油螺纹通孔之间密封连接。

5.根据权利要求4所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：所述放油螺钉与放油螺纹通孔之间设有放油密封圈。

6.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：所述N为2，或为3，或为4，或为5，或为6。

7.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪扫描头，其特征是：所述超声波晶体为压电陶瓷晶体。