CN103397878B - 一种变径隔声结构的随钻声波测井装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于应用地球物理勘探/声学测井领域，具体地，涉及一种变径隔声结构的随钻声波测井装置。变径隔声结构随钻声波测井装置，包括钻铤，所述钻铤的外侧设有声波发射装置和声波接收装置；其特征在于：在声波发射装置和声波接收装置之间设有变径隔声体，所述钻铤从发射装置到接收装置之间，依次为第一内径、第一长度的钻铤，第二内径、第二长度的钻铤，第三内径、第三长度的钻铤，第四内径、第四长度的钻铤。本发明降低了加工难度及成本，同时增强了钻铤的机械强度；从结构上阻隔换能器与钻铤之间的能量传递，与变径隔声体结合进一步消除钻铤波对地层信号的干扰。

Description

一种变径隔声结构的随钻声波测井装置
技术领域
本发明属于应用地球物理勘探/声学测井领域，具体地，涉及一种变径隔声结构的随钻声波测井装置。
背景技术
与电缆测井相比，随钻声波测井具有实时测量地层纵横波速度、实时预测地层压力和受泥浆侵入影响小等优势。目前，在水平井、大斜度井和深海钻井中，由于电缆测井成本高、风险大，随钻声波测井有替代电缆声波测井的趋势。
迄今为止所有的随钻声波测井仪器大都采用在发射换能器和接收换能器之间的钻铤内、外侧周期性或准周期性刻大量凹槽，来衰减沿着钻铤传播的仪器直达波，以便测到准确的地层信号。这种隔声体结构研发和加工费用不菲，加上其对钻铤强度的损害和使用工程中的维护，使得随钻声波测井仪器的成本较高，不利于随钻声波测井技术的推广和使用。另外，现有随钻四极子横波测井仪器在软地层中受钻铤模式仪器模式波干扰较大，在硬地层中四极子波频散非常严重，导致四极子横波速度测量不准。
发明内容
为克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种变径隔声结构的随钻声波测井仪器和装置，该变径隔声体采用长度大于波长的变径钻铤组合代替刻槽式的隔声体，既能满足隔声效果又能保证钻铤强度，且结构相对简单、加工成本低，同时控制发射换能器和接收换能器位置钻铤厚度来改变随钻四极子横波速度的测量精度。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种变径隔声结构随钻声波测井装置，包括钻铤，所述钻铤的外侧设有声波发射装置和声波接收装置；其特征在于：在声波发射装置和声波接收装置之间设有变径隔声体。
进一步地，所述钻铤从发射装置到接收装置之间的变径钻铤组合，依次为第一内径、第一长度的钻铤，第二内径、第二长度的钻铤，第三内径、第三长度的钻铤，第四内径、第四长度的钻铤。
进一步地，声波发射装置，包括发射换能器阵列、发射换能器保护罩；发射换能器阵列安装在钻铤外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构。
进一步地，声波接收装置，包括接收换能器阵列、接收换能器保护罩和透声窗；所述接收换能器阵列安装在钻铤外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构。
进一步地，所述钻铤设有防磨带，防磨带包括发射装置一侧的第一防磨带、接收装置一侧第二防磨带；第一防磨带、第二防磨带分别对发射换能器和接收换能器起到保护作用，同时也保证钻井过程中仪器在井眼中居中。
进一步地，钻铤两端分别设有第一标准锥形丝扣和第二标准锥形丝扣。
进一步地，所述钻铤两端具有第一内腔空间、第二内腔空间，中间具有第三内腔空间；第一内腔空间放置发射电路骨架及发射电子线路，第二内腔空间放置发射和接收电子线路之间的连接及通讯总线的走线管装置，第三内腔空间放置接收电路骨架及接收采集和控制电子线路。
进一步地，所述变径隔声体400的长度3米，每段变径钻铤的长度一般大于0.5米。
进一步地，发射换能器阵列的每个发射换能器都呈瓦片状，厚度10mm，外径由钻铤外径确定；其中，压电陶瓷晶体的厚度5～6mm，高度根据隔声体有效阻带的中心频率和带宽设计，可以实现单极子、偶极子和四极子发射声源。
进一步地，接收换能器阵列为长条状结构，厚度10mm，宽度25mm，长度由接收晶体个数和间距决定，一般至少包含4个以上的压电陶瓷接收晶体；在钻铤周向上可以间隔180°对称放置2组接收换能器阵列，也可以间隔90°放置4组接收换能器阵列用来同时实现单极子、偶极子和四极子接收，优先选用4组接收换能器阵列，其中每组接收换能器阵列301由氟橡胶等弹性材料与钻铤相隔离，进一步从结构上阻隔换能器与钻铤之间的能量传递
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
1、本发明是根据不同内径钻铤(长度大于1个波长)的固有阻带组合可以拓宽阻带，在发射换能器和接收换能器之间进行3次最优化变径设计，以达到隔声效果，相比之前所有隔声体均是利用在发射换能器和接收换能器之间刻很多较短的凹槽来衰减钻铤波，降低了加工难度及成本，同时增强了钻铤的机械强度；
2、本发明用氟橡胶等弹性材料将接收换能器阵列和钻铤之间进行隔离，从结构上阻隔换能器与钻铤之间的能量传递，与变径隔声体结合进一步消除钻铤波对地层信号的干扰。
附图说明
图1为本发明的变径隔声结构的随钻声波测井仪器结构示意图；
图2为本发明的变径隔声结构的随钻声波测井仪器在实验室的测量波形图；
图3为本发明在实验室的测量波形的时间-时差相关图。
具体实施方式
如图1所示，变径隔声结构随钻声波测井装置，包括钻铤100，所述钻铤100的外侧设有声波发射装置200和声波接收装置300；在声波发射装置200和声波接收装置300之间设有变径隔声体400。
所述钻铤100从发射装置200到接收装置300之间，依次为：第一内径d1、第一长度L1的钻铤401，第二内径d2、第二长度L2的钻铤402，第三内径d3、第三长度L3的钻铤403，第四内径d4、第四长度L4的钻铤404；即在发射装置200和接收装置300之间的钻铤有3次变径，且每段变径结构的长度都大于1个波长(即L1、L2、L3和L4都大于1个波长)，为了保证四极子横波测井速度精确度，其中，内径d1和d4处的钻铤壁厚必须大于钻铤外径的三分之一，另外两个内径d2和d3处的钻铤壁厚及变径结构长度的具体尺寸可根据随钻声波测井钻铤变径声系隔声的最优化设计方法设计得到。
声波发射装置200，包括发射换能器阵列201、发射换能器保护罩202；发射换能器阵列201安装在钻铤100外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构；发射换能器阵列201的每个发射换能器都呈瓦片状，厚度10mm，外径由钻铤外径确定；其中，压电陶瓷晶体的厚度5～6mm，高度根据隔声体有效阻带的中心频率和带宽设计，可以实现单极子、偶极子和四极子发射声源。发射换能器保护罩202为一保护盖板，覆盖发射换能器压电晶片外部，用于保护发射换能器压电晶片，并允许发射换能器辐射声波信号进入地层。
声波接收装置300，包括接收换能器阵列301、接收换能器保护罩302和透声窗303。所述接收换能器阵列301安装在钻铤100外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构。接收换能器阵列301为长条状结构，厚度10mm，宽度25mm，长度由接收晶体个数和间距决定，一般至少包含4个以上的压电陶瓷接收晶体。在钻铤周向上可以间隔180°对称放置2组接收换能器阵列，也可以间隔90°放置4组接收换能器阵列用来同时实现单极子、偶极子和四极子接收，优先选用4组接收换能器阵列，其中每组换能器换能器阵列301由氟橡胶等弹性材料与钻铤相隔离，进一步从结构上阻隔换能器与钻铤之间的能量传递。接收换能器保护罩302为一保护盖板，覆盖于接收换能器压电晶片外部，用于保护接收换能器压电晶片，并允许沿地层中传播的声波信号进入接收换能器。透声窗303为一镶嵌于保护盖板的非金属材料，用于提高声波信号的透声效果。
所述钻铤100设有防磨带500，防磨带500包括发射装置200一侧的第一防磨带501、接收装置300一侧第二防磨带502。第一防磨带501、第二防磨带502分别对发射换能器和接收换能器起到保护作用，同时也保证钻井过程中仪器在井眼中居中。
钻铤100两端分别设有第一标准锥形丝扣601和第二标准锥形丝扣602。
所述钻铤100两端具有第一内腔空间701、第二内腔空间702，中间具有第三内腔空间703；第一内腔空间701放置发射电路骨架及发射电子线路，第二内腔空间702放置发射和接收电子线路之间的连接及通讯总线的走线管装置，第三内腔空间703放置接收电路骨架及接收采集和控制电子线路。
所述变径隔声体400的长度3米(从发射换能器到距离发射换能器最近的接收换能器之间的长度)，其中四段钻铤401、402、403、404的壁厚的最优化组合由钻铤外径所控制，其中最薄的壁厚1厘米左右，要满足钻井机械强度的要求。为降低变径产生的钻铤波反射的干扰，变径处进行倒角或渐变处理。另外，为保证在不同壁厚钻铤中传播的钻铤波形成其固有阻带以及降低钻铤反射波干扰，每段变径钻铤的长度一般大于0.5米。所述变径隔声体400形成一个带宽4～5kHz的有效阻带。
为了进一步证明本发明的变径隔声结构的随钻声波测井仪器和装置的隔声效果，我们对上述理论设计的随钻声波测井仪器的隔声进行了实验验证。首先验证的是由声源发射、经过变径组合的钻铤后到达第8个接收换能器器组成的阵列实验测量钻铤波波形，源距范围为3.0～4.05米，如图2所示，从图中可以看出，经过变径组合后，钻铤波波幅得到了大幅度的衰减和减弱。我们进一步对该阵列波形进行了时间—时差相关处理，图3给出了本发明在实验室的测量波形的时间-时差相关图，虽然实验波形中钻铤波并未完全被压制，但其幅度得到了有效压制，对后续的地层纵波时差不再产生影响，从图3中可以看出，从时间-时差相关图中拾取的纵波时差(速度的倒数)与实验中设计的地层纵波速度一致，而钻铤波部分的相关性明显降低。因此，通过实验测量结果进一步验证了本发明的随钻声波测井仪器和装置可用于随钻声波测井仪器的有效隔声。

Claims (1)

1.一种变径隔声结构随钻声波测井装置，包括钻铤，所述钻铤的外侧设有声波发射装置和声波接收装置；其特征在于：在声波发射装置和声波接收装置之间设有变径隔声体，该变径隔声体采用长度大于波长的变径钻铤组合代替刻槽式的隔声体，以压制钻铤模式仪器模式波干扰，可通过控制发射换能器和接收换能器位置处的钻铤厚度来改变地层声速的测量精度；
所述钻铤从声波发射装置到声波接收装置之间的变径钻铤组合，依次为第一内径、第一长度的钻铤，第二内径、第二长度的钻铤，第三内径、第三长度的钻铤，第四内径、第四长度的钻铤；
声波发射装置，包括发射换能器阵列、发射换能器保护罩；发射换能器阵列安装在钻铤外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构；
声波接收装置，包括接收换能器阵列、接收换能器保护罩和透声窗；所述接收换能器阵列安装在钻铤外侧，包括压电陶瓷晶体和防震、密封、绝缘结构；
所述钻铤设有防磨带，防磨带包括声波发射装置一侧的第一防磨带、声波接收装置一侧第二防磨带；第一防磨带、第二防磨带分别对发射换能器和接收换能器起到保护作用，同时也保证钻井过程中仪器在井眼中居中；
钻铤两端分别设有第一标准锥形丝扣和第二标准锥形丝扣；
所述钻铤两端具有第一内腔空间、第二内腔空间，中间具有第三内腔空间；第一内腔空间放置发射电路骨架及发射电子线路，第二内腔空间放置发射换能器和接收换能器电子线路之间的连接及通讯总线的走线管装置，第三内腔空间放置接收电路骨架及接收采集和控制电子线路；
所述变径隔声体的长度3米，每段变径钻铤的长度一般大于0.5米；
发射换能器阵列的每个发射换能器都呈瓦片状，厚度10mm，外径由钻铤外径确定；其中，压电陶瓷晶体的厚度5～6mm，高度根据隔声体有效阻带的中心频率和带宽设计，可以实现单极子、偶极子和四极子发射声源；
接收换能器阵列为长条状结构，厚度10mm，宽度25mm，长度由压电陶瓷晶体个数和间距决定，一般至少包含4个以上的压电陶瓷晶体；在钻铤周向上可以间隔180°对称放置2组接收换能器阵列，也可以间隔90°放置4组接收换能器阵列用来同时实现单极子、偶极子和四极子接收，选用4组接收换能器阵列，其中每组接收换能器阵列由氟橡胶弹性材料与钻铤相隔离，进一步从结构上阻隔换能器与钻铤之间的能量传递。
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