CN103235335A - 一种强声脉冲测井系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种强声脉冲测井系统，包括井下等离子体强声源、井下接收数传系统以及井上强声测井操控处理系统；井下等离子体强声源由主控系统、充电系统、储能单元、触发开关、等离子体放电电极、聚能反射罩和声源井下密封舱组成；井下接收数传系统由接收传感器阵列、前置放大器、数据采集单元、数传系统井下密封舱和井下遥传短节组成；井上强声测井操控处理系统由同步操控系统、发射端的馈电控制系统、接收端的井上遥传节点及数据记录与分析系统和测井绞车组成。本发明利用水下等离子体强声脉冲源作为井下震源，结合井下声波接收数传系统和井上的强声测井操控处理系统，实现高分辨、高精度和大深度测井声波层析成像分析。

Description

一种强声脉冲测井系统

技术领域

本发明涉及测井技术领域，具体为一种强声脉冲测井系统。

背景技术

在油田勘探与开发过程中，测井是确定和评价油气层的重要手段之一，也是解决一系列地质问题的重要手段，它能直接为石油地质和工程技术人员提供各项资料和数据。复杂地质条件下，石油储层准确评价、油藏管理和优化、油气生产监测、老油田二次开发及深海油气资源勘探，都急需突破井间测井声波层析成像技术。

目前，井下震源虽然类型繁多，如炸药、电火花、重锤、压电陶瓷、叠盘、轨道（偏心轮）、气枪和可控震源等，但由于这些设备必须置于井中，对设备体积小、耐高温、耐高压的要求很高，因此真正性能优越而可靠的产品并不多。即便是美英等国产品，其某些关键技术指标仍然不能满足高分辨、高精度和大深度测井声波层析成像分析的技术要求。

常规测井技术适用于单井测量，能够反映井眼附近地层信息，但其探测深度一般都比较浅，难以给出区域地层信息尤其是井间地层信息；地震探测使用了远距离声探测技术，虽然探测范围大，但其分辨率低，难以高效胜任当前的探测任务。美国Bolt公司的脉冲式气枪震源，激发能量较强、性能稳定。但是其管波强、并且体积庞大，很难用于深井的探测。美国西南石油公司的电火花震源，激发深度大、震源能量大、信号频带宽。但是它对井筒破坏作用大，并且电极易损耗。中国专利“井间电磁测井系统”（申请号：CN102704925A）发明了一种利用电磁进行井间测井的系统。但是该发明中发射电源功率有限，其对金属套管井可探测间距仅约200米，无法对井间距较大的井进行探测。此外，井间电磁测井还需要克服电磁波在金属套管等导磁介质中的发射与接收问题，是一项具有很大技术难度的探测技术。

随着水下等离子体强声技术的突破性进展和在体外冲击波碎石、管道除垢、食品卫生和污水处理、海洋地质勘探、水下目标探测和超宽带信号源等领域取得的显著成果和成功应用，为我们提供了一个新思路——将水下等离子体强声源作为井下震源。利用强声脉冲进行井间测井。

水下等离子体强声源工作原理是液电效应，它是指高功率脉冲电源对电极间隙内的水介质负载进行高电压、大电流的脉冲放电时，所产生的巨大的声脉冲以及其他的物理、化学等多种效应。

水下等离子体强声源发射声功率大（声源级可达240dB以上），并可通过反射聚焦技术形成指向性好的高强度声波，且具有脉宽窄、易控制等优点，将是一种能较好满足高分辨率、高精度和大深度测井声波层析成像分析技术需求的井下震源。

经调研国外对于该测井系统处于研究阶段，国内尚未发现利用水下等离子体强声脉冲产生的震源和井间声波检测系统。

发明内容

要解决的技术问题

针对井下装备体积小、耐高温和高压的特殊需求，测井信号作为一种宽带微弱信号，传感器性能直接关系到井下声波检测的灵敏度和保真度的特点，结合水下等离子体强声源发射声功率大、可聚焦、脉宽窄、易控制等优势，本发明提出了一种强声脉冲测井系统，该系统利用水下等离子体电声转换原理来产生强声源，通过井间声波检测系统实现井间声波检测。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种强声脉冲测井系统，其特征在于：包括井下等离子体强声源、井下接收数传系统以及井上强声测井操控处理系统；

所述井下等离子体强声源由主控系统、充电系统、储能单元、触发开关、等离子体放电电极、聚能反射罩和声源井下密封舱组成；声源井下密封舱提供井下等离子体强声源稳定工作环境；主控系统控制充电系统对储能系统进行充电，并控制触发开关启动等离子体放电电极；等离子体放电电极位于聚能反射罩的焦点处；

所述井下接收数传系统由接收传感器阵列、前置放大器、数据采集单元、数传系统井下密封舱和井下遥传短节组成；数传系统井下密封舱提供井下接收数传系统稳定工作环境；接收传感器阵列接收井下声波，并将接收信号经过前置放大器放大滤波处理传入数据采集单元；数据采集单元对传入的信号进行AD转换，并缓存数据；数据采集单元通过CAN总线接口与井下遥传短节挂接，接收参数设置和启动命令；井下遥传短节通过数据总线与井上遥传节点通信，接收井下操作命令，并实时上传井下采集数据；

所述井上强声测井操控处理系统由同步操控系统、发射端的馈电控制系统、接收端的井上遥传节点及数据记录与分析系统和测井绞车组成；同步操控系统控制馈电控制系统和井上遥传节点及数据记录与分析系统；馈电控制系统为井间强声脉冲测井系统提供电力；井上遥传节点及数据记录与分析系统对从井下遥传短节上传的声波信号进行声波层析成像分析，获取被测地层的相应物理参数。

有益效果

本发明的有益效果为：

本发明提出的强声脉冲测井系统，利用水下等离子体强声脉冲源作为井下震源，结合井下声波接收数传系统和井上的强声测井操控处理系统，实现高分辨、高精度和大深度测井声波层析成像分析。其中井下等离子体强声源发射声功率大（声源级可达240dB以上），并可通过反射聚焦技术形成指向性好的高强度声波；而该高强度声波具有脉宽窄、易控制等优点，传播距离远，适用于大间距的测井，能够满足高分辨率、高精度和大深度测井声波层析成像分析技术需求。

附图说明

图1是本发明的总体方案。

图2是设备连接图。

图3是各子系统接口关系图。

图4为实验记录波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

参照附图1至附图3，本实施例中的强声脉冲测井系统包括井下等离子体强声源、井下接收数传系统以及井上强声测井操控处理系统。系统工作时，等离子体强声源和接收数传系统处于井下作业，强声测井操控处理系统由井上车载。

井下等离子体强声源由主控系统、充电系统、储能单元、触发开关、等离子体放电电极、聚能反射罩和声源井下密封舱组成。声源井下密封舱提供给井下等离子体强声源各个部件正常工作一个稳定的内部环境。

主控系统是井下等离子体强声源的控制中心，负责控制充电系统、储能单元、触发开关等子系统。主控系统根据接受的指令，启动充电系统对储能系统进行充电；根据指令在要求的时机触发触发开关，启动等离子体放电电极产生强声冲击波。同时主控系统检测环境工况，实时输出异常报警信号。

充电系统根据水下等离子体放电的特性和要求，对储能单元进行充电和控制。该系统包含高压发生电路等配套电路，实现快速、高效充电。

储能单元储存用于产生水下等离子体放电的高压能量，由耐高温、耐高压的无感异构脉冲电容器构成。储能单元容量、耐压、耐温和其它电特性，以及对它进行充电、放电的过程控制，直接关系到全系统的最终效果。

触发开关有多项作用。首先，触发间隙可以把充电回路和放电回路分离开来，保证充电过程顺利完成。第二，当电容器充电完毕，借助触发电路，触发间隙在指定时间迅速导通，让电容器储存的能量加到放电电极的主间隙上。

等离子体放电电极是井下强声源的强声产生部件，也是整个强声脉冲测井系统的关键重要部件。工作中，当触发开关导通后时，高压电容器所储存的能量就全部加在放电电极的主间隙上，形成水下等离子体高压放电，从而产生巨大的脉冲电流和强大的冲击波压力及声学效应。电极工作在高电压大电流环境下，要求具有较好的耐高温、耐腐蚀、耐高压性能。

聚能反射罩在井下等离子体强声源中起到能量汇聚和定向辐射的作用。利用反射聚束原理，把等离子体放电电极放在聚能反射罩的焦点处，强声源全向辐射的能量将汇聚到指定区域，达到提高强声辐射效率和指向性的目的。聚能反射罩的型面结构和材料是聚能反射罩性能的关键影响因素。

井下接收数传系统由接收传感器阵列、前置放大器、数据采集单元、数传系统井下密封舱和井下遥传短节组成。数传系统井下密封舱提供井下接收数传系统稳定工作环境。

接收传感器阵列承担井下声波接收（检波器）功能，由压电陶瓷水听器实现。在保证检测灵敏度和保真度前提条件下，还必须具备耐高温、耐高压、耐腐蚀特点。

前置放大器与接收传感器进行阻抗匹配，并将接收信号放大到采样电压要求；同时滤除带外噪声，保证较高的带外衰减；并具有较大的增益可调范围、较高的通道一致性和工作稳定性。

数据采集单元对前置放大器传来的放大滤波处理后的声波信号进行AD转换，并缓存数据；数据采集单元通过CAN总线接口与井下遥传短节挂接，接收参数设置和启动命令，发送采集数据到地面设备；同时产生数据采集单元的主控信号，实现信号放大、采集、通信的同步协调控制功能。

井下遥传短节通过数据总线与井上遥控节点通信，接收上位机的井下操作命令，并实时上传井下采集数据，实现井下数据、命令的远程遥传功能。同时通过数据总线与数据采集单元互联互通。

井上强声测井操控处理系统由同步操控系统、发射端的馈电控制系统、接收端的井上遥传节点及数据记录与分析系统和测井绞车组成。

同步操控系统该系统是整个强声脉冲测井系统的控制中心，控制接收端的井上遥传节点及数据记录与分析系统和遥控发射端的馈电控制系统，指挥整个强声脉冲测井系统正常同步工作。

馈电控制系统为整个强声脉冲测井系统提供充足的电力，并控制井下等离子体强声源的供电方式和工作模式。馈电控制系统可以由井上电力系统提供能源，也可以测井绞车的发电机组供电。

井上遥传节点及数据记录与分析系统用于对数据采集单元和井下遥传短节上传的声波信号进行声波层析成像分析，获取被测地层的相应物理参数。

井上测井绞车将测井仪器由专用测井电缆送到井下，测井时绞车滚筒牵引电缆将仪器匀速上提或下放，被测信号由井下接收系统获取后，经缆芯传送到地面的记录分析仪器进行处理。同时搭载井上的其他设备，并可为井下仪器提供能源。

图3给出了本系统中子系统的接口关系。其中同步操控系统是整个井间声波发射与接收系统的控制中心，以工控机为主体，在其PCI总线上插入接口卡，通过接收端的井上井下遥传节点及CAN总线与多个数据采集短节和传感器短节相连，向信号采集单元发送配置参数、采集命令，启动数据记录分析系统接收处理井下采集数据。工控机的串行口接无线发射模块，发送遥控信号给发射端的馈电控制系统能量控制系统的无线接收模块，同时通过线控端直接输出这些控制信号到馈电控制系统能量控制系统，作为线控功能储备。

馈电控制系统能量控制系统可通过面板设置井下等离子体强声源的充电方式和工作模式，并启动井下强声发射；当馈电控制系统能量控制系统的无线接收模块或线控端收到同步操控系统发来的启动信号，解码驱动后通过绞车7芯电缆将这些控制信号及电源转发到井下的充电系统。充电系统再通过内部高压电缆给储能单元充电。当电压充满后，充电系统再通过高压电缆将高压触发脉冲送入触发开关，引燃隔离触发器，将储能单元的能量加载到等离子体放电电极上，使等离子体放电电极产生强声脉冲，并通过强声辐射器定向辐射出去。如果仪器外壳发生过热、渗漏等突发事故，主控系统将发出环境工况异常报警信号。

将设备的各个部件按照图2所给出的示意图进行连接。使用时，高压充电系统将市电升压并对储能电容充电。系统工作时，主控系统使触发开关导通，将储能电容存储的电荷全部加到放电电极上，使电极间的水变成等离子体，继而爆炸产生声脉冲。这一声脉冲在地层中传播，经距声源500米处的接收传感器阵列接收后将其转换为电信号，并送入数据采集器和示波器采集、显示、存储。电流电压探头同时将放电电压、电流信号送入数据采集系统进行同步采集。通过记录设备进行数据的记录，并如图4所示将结果波形显示。记录仪显示的既是接收到的地波信息，通过对地波信息的分析和处理即可获知在声源和接收处之间的地层信息。

Claims (1)

1.一种强声脉冲测井系统，其特征在于：包括井下等离子体强声源、井下接收数传系统以及井上强声测井操控处理系统；

所述井下等离子体强声源由主控系统、充电系统、储能单元、触发开关、等离子体放电电极、聚能反射罩和声源井下密封舱组成；声源井下密封舱提供井下等离子体强声源稳定工作环境；主控系统控制充电系统对储能系统进行充电，并控制触发开关启动等离子体放电电极；等离子体放电电极位于聚能反射罩的焦点处；

所述井下接收数传系统由接收传感器阵列、前置放大器、数据采集单元、数传系统井下密封舱和井下遥传短节组成；数传系统井下密封舱提供井下接收数传系统稳定工作环境；接收传感器阵列接收井下声波，并将接收信号经过前置放大器放大滤波处理传入数据采集单元；数据采集单元对传入的信号进行AD转换，并缓存数据；数据采集单元通过CAN总线接口与井下遥传短节挂接，接收参数设置和启动命令；井下遥传短节通过数据总线与井上遥传节点通信，接收井下操作命令，并实时上传井下采集数据；

所述井上强声测井操控处理系统由同步操控系统、发射端的馈电控制系统、接收端的井上遥传节点及数据记录与分析系统和测井绞车组成；同步操控系统控制馈电控制系统和井上遥传节点及数据记录与分析系统；馈电控制系统为井间强声脉冲测井系统提供电力；井上遥传节点及数据记录与分析系统对从井下遥传短节上传的声波信号进行声波层析成像分析，获取被测地层的相应物理参数。

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