CN103233724B - 一种用于随钻声波测井的声源激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于应用地球物理测井领域，具体涉及一种用于随钻声波测井声源激励装置。随钻声波测井声源激励装置包括：控制系统和声源发射器；其特征在于：控制系统固定在钻铤的内部空腔内；控制系统用于产生驱动声源发射器的高电压正弦波脉冲信号；声源发射器由四个弧形的压电晶体换能器构成，声源发射器安装于钻铤外壁的圆环形凹槽内，用于电-声能量转换以向地层辐射声波。本发明的用于随钻声波测井的声源激励装置能向地层辐射与声源发射器固有主频无关的大功率和多频带的声波信号，适应多极子随钻声波的频带要求。

Description

一种用于随钻声波测井的声源激励装置

技术领域

本发明属于应用地球物理测井领域，具体地，涉及一种用于随钻声波测井声源激励装置，用于向地层辐射大功率和多频带的声源信号。

背景技术

随钻声波测井在钻井的同时进行声波测井，受钻井滤液侵入影响小，更能有效地探测井壁地层的岩性、物性和储集层参数。其目的是在钻井过程中确定地层纵波和横波速度，为油气田的勘探和开发提供重要信息，例如：实时的孔隙压力、井壁稳定性分析和岩石孔隙度等。随钻声波测井受钻具噪声、钻井液循环噪声和钻铤波的影响，为了获得高质量的测井数据，钻铤隔声、高精度测量、大功率和宽频带的声波发射及数字滤波等技术至关重要。

电缆声波测井中，大功率矩形脉冲是广泛采用的宽频激励声源方式（卢俊强，鞠晓东，成向阳，多极子阵列声波测井仪的换能器激励方法，高压电技术，2009，35(2)：324-328），其通过控制功率管在饱和区和截至区的开关状态及变压器阻抗匹配来产生激励声波发射器的脉冲信号，发射器近似工作在谐振方式，其脉冲主频带与变压器及发射器参数相关。专利公开号为CN102889079A的发明专利公开了一种声波测井发射换能器驱动系统，采用模数转换和抽头变压器的推挽结构，并利用功率放大器的线性放大区提供了一种频率可调的声源激励信号，并使发射器工作在受迫振动方式。

与电缆声波测井相比，随钻声波测井为了减小钻具和钻井滤液循环噪声以及多极子工作方式的要求，往往需要声波发射器能向地层辐射多个频带信号，虽然可以在钻铤上安装独立的单极子、偶极子和四极子模式声源，但增加了仪器长度和成本。用一个声源通过结构设计和控制实现多极子声波辐射是较好的选择，显然，矩形脉冲激励难以实现多个频带激励。抽头变压器推挽结构电路能够实现这种多频带的激励，但对多通道激励需要多个并行数模转换器和多个中心抽头变压器，电路结构复杂和大体积的变压器均不利于狭小钻铤内实现。用同一发射器产生多极子模式和向地层辐射大功率、多频带的声源激励信号，对于缩短仪器长度，降低仪器成本和数据处理等至关重要。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种随钻声波测井声源激励装置，通过同一位置的声源发射器向地层辐射大功率和多频带的声源信号。

一种随钻声波测井声源激励装置包括：控制系统和声源发射器；其特征在于：控制系统固定在钻铤的内部空腔内；控制系统用于产生驱动声源发射器的高电压正弦波脉冲信号；声源发射器由四个弧形的压电晶体换能器构成，声源发射器安装于钻铤外壁的圆环形凹槽内，用于电-声能量转换以向地层辐射声波。

优选地，控制系统通过钻铤上的插销锁定在钻铤的内部空腔内。

优选地，每个压电晶体换能器被包裹一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料。

优选地，绝缘材料为聚四氟乙烯。

优选地，控制系统由发射电子线路骨架和发射电子线路组成。

优选地，发射电子线路骨架的两端为圆柱体、两圆柱体之间为正四棱柱体，发射电子线路骨架的轴心设有水眼，与钻铤的水眼互相连通，发射电子线路骨架两端均设有O型密封圈，发射电子线路骨架通过O型密封圈与钻铤内壁紧密接触；在正四棱柱体上安装发射电子线路。

优选地，发射电子线路具有总线接口电路，总线接口电路与随钻声波测井井下仪器控制中心相连接，在总线接口电路与声源发射器之间有两个功能和结构完全相同的并行激励通道，每个激励通道包括：

发射控制器，与总线接口电路相连接；发射控制器为数字信号处理器、现场可编程门阵列器件或任何能够产生方波信号的微控制器；

电平变换电路，与发射控制器电路相连接；

功率管驱动电路，与电平变换电路相连接；

功率放大电路，与功率管驱动电路相连接，由一对工作在开关状态的大功率N沟道功率管和P沟道功率管组成；

宽频带变压器，位于功率放大电路与声源发射器之间，与声源发射器的两个正对的压电晶体换能器连接；每个压电晶体换能器的内、外表面各有一根引出导线，用于传输高电压的正弦波脉冲信号；正对的两个压电晶体换能器外表面的引出导线接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的一端连接；正对的两个压电晶体换能器的内表面引出导线接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的另一端连接。

优选地，钻铤的水眼和发射电子线路骨架的水眼轴线重合，钻铤的水眼和发射电子线路骨架的水眼孔径相同或不同。

优选地，每端的O型密封圈为一个或多个。

优选地，发射电子线路的一端通过发射电子线路骨架上的第一密封接头与随钻声波测井井下仪控制中心连接，另一端通过钻铤上的第二密封接头与声源发射器连接。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明的用于随钻声波测井的声源激励装置结构简单，能向地层辐射与声源发射器固有主频无关的大功率和多频带的声波信号，适应多极子随钻声波的频带要求。

附图说明

图1为本发明所述的随钻声波测井声源激励装置结构图；

图2为本发明所述的控制系统结构示意图；

图3为本发明所述的发射电子线路结构示意图；

图4a为本发明所述的单极子声源工作示意图；

图4b为本发明所述的四极子声源工作示意图；

图5为本发明所述的声源激励信号不同频率时的激励波形图；

图6为本发明所述的声源激励信号不同频率时的激励波形频谱图。

具体实施方式

如图1所示，随钻声波测井声源激励装置包括：控制系统3和声源发射器2；控制系统3通过钻铤1上的插销锁定在钻铤1的内部空腔内；控制系统3用于产生驱动声源发射器2的高电压正弦波脉冲信号；声源发射器2由四个弧形的压电晶体换能器6构成，声源发射器2安装于钻铤1外壁的圆环形凹槽内，用于电-声能量转换以向地层辐射声波。每个压电晶体换能器6被包裹一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料，如聚四氟乙烯。

如图2所示，控制系统3由发射电子线路骨架4和发射电子线路5组成，发射电子线路骨架4的两端为圆柱体、两圆柱体之间为正四棱柱体，发射电子线路骨架4的轴心设有水眼8，与钻铤1的水眼7互相连通，钻铤的水眼7和发射电子线路骨架的水眼8轴线重合、但孔径可以不同，用于钻井滤液流通；发射电子线路骨架4两端各有1个O型密封圈9，发射电子线路骨架4通过O型密封圈9与钻铤1内壁紧密接触，以使发射电子线路5和水眼7、水眼8内的钻井滤液隔离；当然，O型密封圈9也可以是多个；在正四棱柱体上安装发射电子线路5；当然，发射电子线路骨架4外壁也可根据发射电子线路5的数量和功能被加工成其他形状；发射电子线路5的一端通过发射电子线路骨架4上的第一密封接头11与随钻声波测井井下仪控制中心连接，另一端通过钻铤1上的第二密封接头10与声源发射器2连接。

如图3所示，发射电子线路具有总线接口电路12，总线接口电路12与随钻声波测井井下仪器控制中心相连接，总线接口电路12用于接收随钻声波测井井下仪控制中心送来的声波发射命令；在总线接口电路12与声源发射器2之间有两个功能和结构完全相同的并行激励通道，其中，每个激励通道包括：

发射控制器13，与总线接口电路12相连接，发射控制器13用于对接收自总线接口电路12的声波发射命令进行译码，并产生方波信号；发射控制器13为数字信号处理器、现场可编程门阵列器件或任何能够产生方波信号的微控制器；发射控制器13产生的方波频率决定了激励信号的频率，而方波的周期个数则决定了激励信号的带宽；

电平变换电路14，与发射控制器电路13相连接，用于将发射控制器13的方波信号电平调整到适于功率管驱动电路15控制端的电平；

功率管驱动电路15，与电平变换电路14相连接，用于产生能够驱动功率放大电路16的驱动信号；

功率放大电路16，与功率管驱动电路15相连接，由一对工作在开关状态的大功率N沟道功率管和P沟道功率管组成，用于对功率管驱动电路15产生的驱动信号进行功率放大，提供驱动宽频带变压器17的高电压和大电流方波信号。

宽频带变压器17，位于功率放大电路16与声源发射器2之间，与声源发射器2的两个正对的压电晶体换能器6连接；宽频带变压器17与声源发射器2的两个正对的压电晶体换能器6构成无源低通滤波器，用于滤除方波信号中的高频率成分，使加载在压电晶体换能器6上的激励信号为高电压的正弦波脉冲信号。

四个压电晶体换能器6在钻铤1外壁的圆环形凹槽内沿钻铤周向均匀布置，即形成两组正对的压电晶体换能器；两个并行激励通道分别控制两组正对的压电晶体换能器；声源发射器2的每个压电晶体换能器6的内、外表面各有一根引出导线，用于传输高电压的正弦波脉冲信号；正对的两个压电晶体换能器6外表面的引出导线接在一起，并与宽频带变压器17的次级绕组的一端连接；正对的两个压电晶体换能器6的内表面引出导线接在一起，并与宽频带变压器17的次级绕组的另一端连接；声源发射器2以此连线方式实现单极子和四极子声波发射。

所述发射电子线路5的每个激励通道工作过程如下：

发射控制器13从总线接口电路12接收到声波发射命令和分析命令后，按声波发射命令约定的频率和周期个数输出特定的方波信号到输出管脚，顺次经电平变换电路14、功率管驱动电路15和功率放大电路16进行驱动信号功率放大；功率放大电路16的N沟道功率管和P沟道功率管在驱动信号控制下交替导通或关闭，使电流或从正高电压+HV经N沟道功率管至宽频带变压器17初级绕组流向参考地，或从参考地经宽频带变压器17初级绕组至P沟道功率管流向负高电压-HV，形成正负交替的双极性方波信号；双极性方波信号经宽频带变压器17和两个正对的压电晶体换能器6构成的低通滤波器低通滤波，消除高频率成分，生成大功率的正弦波激励电信号，控制压电晶体换能器6向地层辐射声波，完成一次声波发射。如此，周而复始，便形成了随钻声波测井的持续声源激励。

图4a，图4b分别给出了声源发射器2的单极子和四极子工作模式。当发射电子线路5的两个激励通道施加相位和幅度均相同的激励信号驱动声源发射器2时，四个压电晶体换能器6同时膨胀或同时收缩，声源发射器2工作在单极子方式；当发射电子线路5的两个激励通道施加相位相反，幅度相同的激励信号驱动声源发射器2时，若一个方向上的两个正对的压电晶体换能器6膨胀，则另一个方向上的两个正对的压电晶体换能器6收缩，反之亦然，此时，声源发射器2工作在四极子方式。

图5给出了施加在同一个压电晶体换能器6上的激励电信号时间域波形，压电晶体换能器6的固有主频为13kHz，激励电信号频率自上而下从2kHz至15kHz按1kHz步长递增，激励电信号的持续时间均为3个周期。

图6为对应于图5激励电信号的频谱图。可以看到，声源激励装置激励的声源频率与压电晶体换能器6的固有主频无直接相关关系，在随钻声波测井工作的频率带宽内得到了适合的激励波形，实现了多频带的多极子方式声波发射；特别的，能够使四极子随钻声波测井的一些发射频率，如6kHz频率，能有效位于其钻铤波截止频率（理论上10kHz左右）和钻具噪声频率（一般在1kHz~3kHz）之间。

Claims (1)

1.一种随钻声波测井声源激励装置，包括：控制系统和声源发射器；其特征在于：控制系统固定在钻铤的内部空腔内；控制系统用于产生驱动声源发射器的高电压正弦波脉冲信号；

声源发射器由四个弧形的压电晶体换能器构成，声源发射器安装于钻铤外壁的圆环形凹槽内；每个压电晶体换能器被包裹一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料；

绝缘材料为聚四氟乙烯；

控制系统由发射电子线路骨架和发射电子线路组成；

控制系统通过钻铤上的插销锁定在钻铤的内部空腔内；

发射电子线路骨架的两端为圆柱体、两圆柱体之间为正四棱柱体，发射电子线路骨架的轴心设有水眼，与钻铤的水眼互相连通，发射电子线路骨架两端均设有O型密封圈，发射电子线路骨架通过O型密封圈与钻铤内壁紧密接触；在正四棱柱体上安装发射电子线路；

发射电子线路具有总线接口电路，总线接口电路与随钻声波测井井下仪器控制中心相连接，在总线接口电路与声源发射器之间有两个功能和结构完全相同的并行激励通道，每个激励通道包括：

发射控制器，与总线接口电路相连接；发射控制器为数字信号处理器、现场可编程门阵列器件；

电平变换电路，与发射控制器电路相连接；

功率管驱动电路，与电平变换电路相连接；

功率放大电路，与功率管驱动电路相连接，由一对工作在开关状态的大功率N沟道功率管和P沟道功率管组成；

宽频带变压器，位于功率放大电路与声源发射器之间，与声源发射器的两个正对的压电晶体换能器连接；每个压电晶体换能器的内、外表面各有一根引出导线，用于传输高电压的正弦波脉冲信号；正对的两个压电晶体换能器外表面的引出导线接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的一端连接；正对的两个压电晶体换能器的内表面引出导线接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的另一端连接；

钻铤的水眼和发射电子线路骨架的水眼轴线重合，钻铤的水眼和发射电子线路骨架的水眼孔径相同或不同；

发射电子线路的一端通过发射电子线路骨架上的第一密封接头与随钻声波测井井下仪器控制中心连接，另一端通过钻铤上的第二密封接头与声源发射器连接；

每端的O型密封圈为一个或多个。