CN103696761B - 一种随钻声波测井换能器短节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种随钻声波测井换能器短节。恶劣的井下钻井条件给随钻测井技术带来了不利的应用环境，具体表现在钻杆与井壁间不断的强烈碰撞，以及井下充斥的高压、高温泥浆对敏感的声系统和电气元件构成严重威胁。一种随钻声波测井换能器短节，包括钻铤和密封套筒，其特征在于：所述位于密封套筒内的钻铤的两个不同的横截面上沿圆周方向对称设置有一对高频换能器和一对低频换能器，一对高频换能器和一对低频换能器的空间连线相互垂直。本发明基于低频、宽带、小型以及大功率、高效率的声发射系统，在保证钻铤的机械强度的前提下，实现不同频段换能器的多数量分层装配方式。
Description
技术领域
本发明属于油田工程中利用声波进行随钻测井的技术领域，涉及一种随钻声波测井换能器短节。
背景技术
1989年，斯伦贝谢公司进行了随钻声波测井仪研制的可行性研究，利用窄频方法，考虑换能器设计和钻铤的匹配问题，于1991年成功研制了世界上第一支随钻声波时差测井仪，之后哈里伯顿公司于1995年6月也推出一种新型的随钻声波测井仪，随后利用声波进行随钻测井的相关技术蓬勃发展。随钻声波测井技术以更高的安全系数大大提高了钻井效率，优化了完井方式。然而恶劣的井下钻井条件给随钻测井技术带来了不利的应用环境，具体表现在钻杆与井壁间不断的强烈碰撞，以及井下充斥的高压、高温泥浆对敏感的声系统和电气元件构成严重威胁。另一方面，为了获得更远的传播距离，低频、宽带、小型以及大功率、高效率的声波换能器成为发展的重要趋势。然而在实际应用中由于牵扯到声波换能器的安装、防水、压力失衡以及低频和轻小型的矛盾等问题，因此换能器短节的研制已成为一个瓶颈难题。
发明内容
本发明要提供一种随钻声波测井换能器短节，其目的是基于低频、宽带、小型以及大功率、高效率的声发射系统，在保证钻铤的机械强度的前提下，实现不同频段换能器的多数量分层装配方式。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种随钻声波测井换能器短节，包括钻铤和密封套筒，其特别之处在于：钻铤位于密封套筒内，钻铤的两个不同的横截面分别设置一对高频换能器和一对低频换能器，一对高频换能器沿圆周方向对称设置，一对低频换能器沿圆周方向对称设置，一对高频换能器和一对低频换能器的空间连线相互垂直，实现高频换能器和低频换能器组合的发声形式；
所述高频换能器和低频换能器均沿钻铤轴线方向设置于钻铤上开设的装配腔内；
所述高频换能器和低频换能器的控制线缆穿设于钻铤上设置的线缆槽内，控制线缆的控制件集中设置于钻铤上开设的电气腔内。
所述高频换能器和低频换能器后端部设置有弹簧压紧机构，前端部与钻铤紧密贴合。
所述高频换能器和低频换能器的结构均为复合棒型，前端部设置有定位销，定位销上设置有定位O型圈，后端部上设置有定位螺栓，定位螺栓上设置有定位O型圈，弹簧压紧机构包括压紧弹簧，压紧弹簧穿设于靠近后端部定位螺栓上，定位螺栓的尾部穿过装配腔内设置的定位隔板且通过其尾部上的垫片和螺母固定位置。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明将有效的利用钻铤的体积空间，实现高频换能器和低频换能器组合的发声形式，完成了不同频段换能器(对)分层次垂直交叉布放的结构设计，增加了系统的机械强度；
2、本发明中套筒密封的方式有效的将井下泥浆隔离开来，保证了声学换能器及电气元件的清洁，避免了井下高压、水浸和强冲击等恶劣工况，有效延长了其使用寿命。
3、适用范围广：本发明装置基于低频、宽带、小型以及大功率、高效率的声发射系统，在保证钻铤的机械强度的前提下，实现不同频段换能器的多数量分层装配方式。所发明的系统需有利于声能量沿钻铤的前向传播，有利于换能器及其电气系统免受井下恶劣工况的影响，有利于随钻声波测井换能器短节的日常维护和检修。
附图说明
下面结合附图对本发明随钻声波测井换能器短节作进一步详细说明。
图1为本发明随钻声波测井换能器短节的结构示意图。
图2为本发明随钻声波测井换能器短节的A-A剖面图。
图3为本发明随钻声波测井换能器短节的B-B剖面图。
图4为本发明随钻声波测井换能器短节的C-C剖面图。
图5为本发明随钻声波测井换能器短节的D-D剖面图。
其中：1. 钻铤；2. 密封套筒；3. 高频换能器；4. 低频换能器；5. 定位O型圈；6. 定位销；7. 定位螺栓；8. 装配腔；9. 压紧弹簧；10. 线缆槽；11. 电气腔；12.套筒紧固螺栓；13.套筒密封圈。
具体实施方式
参见图1-图5，一种随钻声波测井换能器短节，包括钻铤1和密封套筒2，钻铤1位于密封套筒2内，钻铤1的两个不同的横截面分别设置一对高频换能器3和一对低频换能器4，一对高频换能器3沿圆周方向对称设置，一对低频换能器4沿圆周方向对称设置，一对高频换能器3和一对低频换能器4的空间连线相互垂直，实现高频换能器3和低频换能器4组合的发声形式；
高频换能器3和低频换能器4均沿钻铤1轴线方向设置于钻铤1上开设的装配腔8内；
高频换能器3和低频换能器4的控制线缆穿设于钻铤1上设置的线缆槽10内，控制线缆的控制件集中设置于钻铤1上开设的电气腔11内。
高频换能器3和低频换能器4后端部设置有弹簧压紧机构，前端部与钻铤1紧密贴合。
高频换能器3和低频换能器4的结构均为复合棒型，前端部设置有定位销6，定位销6上设置有定位O型圈5，后端部上设置有定位螺栓7，定位螺栓7上设置有定位O型圈5，弹簧压紧机构包括压紧弹簧9，压紧弹簧9穿设于靠近后端部定位螺栓7上，定位螺栓7的尾部穿过装配腔8内设置的定位隔板且通过其尾部上的垫片和螺母固定位置。
下面将对本发明进一步详细地说明：
本发明中的2个高频换能器3和2个低频换能器4，通过压紧弹簧9使其前端面紧紧贴合在钻铤1上；
为了保证钻铤1的机械强度，2个高频换能器3和2个低频换能器4沿钻铤1的长度方向是分层次排布的，沿钻铤1的圆周方向是垂直交叉排布。也就是说，两个高频换能器3在钻铤1的横截面上沿圆周方向呈180°均布，两个低频换能器4在钻铤1的横截面上沿圆周方向也呈180°均布，并且置放于相应腔体的高频换能器3和低频换能器4沿钻铤1的长度方向是在不同的横截面上分层次排布的，沿钻铤1的圆周方向是呈90度的垂直交叉排布的；
所有控制线缆通过相应的线缆槽10进入电气腔11，各腔体之间通过相应的高频换能器3的线缆槽10和低频换能器4的线缆槽10连通用于通信线缆的穿越；电气腔11用于置放发射电路板、接收电路板、数据存储器以及供电电池等，电路板可为各种适宜的结构，圆环状或板条状。
随钻声波测井高频换能器3和低频换能器4的结构均为复合棒型，每个换能器的辐射头部分都是通过两个定位销6和相应的定位O型圈5定位，其后半部分是通过定位螺栓7以及相应的定位O型圈5定位的，最终换能器的辐射头端面通过压紧弹簧9紧紧贴合在钻铤1上，从而使换能器的辐射声能量沿钻铤1的长度方向前向传播。每个换能器的线缆通过高频换能器3的线缆槽 10或低频换能器4的线缆槽10到达电气腔11。
本发明中的声波测井声系统装置的具体装配过程如下：
(1). 对高频换能器3，首先将2个换能器前辐射头定位O型圈5均匀涂抹润滑剂后置于定位销6的对应密封槽内；
(2).将高频换能器3的定位销6置放于装配腔8的相应定位孔内，并使高频换能器3的前辐射端面与钻铤1尽量贴合；
(3).将2个换能器定位O型圈5均匀涂抹润滑剂后置于定位螺栓7的相应密封槽内，定位螺栓7由高频换能器3后腔旋入相应的螺纹孔；
(4).当定位螺栓7在高频换能器3装配腔10内刚露出时，将换能器预压紧弹簧9压紧在高频换能器3的尾部，从而使高频换能器3的前辐射端面因弹力作用而紧紧贴合在钻铤1上；
(5).继续旋入定位螺栓7直至定位O型圈5完全进入高频换能器3的尾部为止；
(6).用两个定位销6和相应的定位O型圈5对换能器的辐射头部分定位，通过定位螺栓7以及相应的定位O型圈5对换能器的后半部分定位，从高频换能器3后腔内上紧定位螺栓7；
(7).将高频换能器3的线缆通过高频换能器3的线缆槽 10引入电气腔11；
(8).重复步骤(1)到(7)装配另一支高频换能器3；
(9).按照步骤(1)到(8)装配另两只低频换能器4；
(10).将发射电路板、接收电路板、数据存储器以及供电电池等合理置放于电气腔11中，并进行电气连接；
(11).将套筒密封圈13均匀涂抹润滑剂后置于钻铤1的对应密封槽内；
(12).将密封套筒2从后端套入钻铤1上，并通过套筒紧固螺栓12进行定位。
本发明中的随钻声波测井换能器短节所实现的主要功能包括：
(1).高频换能器3和低频换能器4组合的发声形式，拓展了随钻声波测井应用所需要的声波发射频带宽度，丰富了信号的编码形式，提高了井下数据的传输效率；
(2).不同频段换能器(对)分层次垂直交叉布放的结构形式保证了钻铤1的机械强度，增加了系统的机械稳定性；
(3).换能器通过其尾部的预压紧弹簧使其前辐射端面充分压紧钻铤1，这种设计有利于声能量沿钻铤前向传播，减小了换能器与钻铤1间的声能传播损失；
(4).套筒密封的方式有效的将井下泥浆隔离开来，保证了声学传感器及电气元件的清洁，避免了井下高压、水浸和强冲击等恶劣工况，延长了其使用寿命，有利于系统的日常维护与检修。
Claims (1)
1.一种随钻声波测井换能器短节，包括钻铤(1) 和密封套筒(2)，其特征在于：钻铤(1)位于密封套筒(2)内，钻铤(1)的两个不同的横截面分别设置一对高频换能器(3)和一对低频换能器(4)，一对高频换能器(3)沿圆周方向对称设置，一对低频换能器(4) 沿圆周方向对称设置，一对高频换能器(3)和一对低频换能器(4)的空间连线相互垂直，实现高频换能器(3)和低频换能器(4)组合的发声形式；
在密封套筒（2）内的钻铤（1）外侧埋放套筒密封圈（13），套筒密封圈（13）均匀涂抹润滑剂后置于钻铤（1）对应的密封槽内；
所述高频换能器(3)和低频换能器(4)均沿钻铤(1)轴线方向设置于钻铤(1)上开设的装配腔(8)内；
所述高频换能器(3)和低频换能器(4)的控制线缆穿设于钻铤(1)上设置的线缆槽（10）内，控制线缆的控制件集中设置于钻铤(1)上开设的电气腔（11）内；
所述高频换能器(3)和低频换能器(4)后端部设置有弹簧压紧机构，前端部与钻铤(1)紧密贴合；
所述高频换能器（3）和低频换能器（4）的结构均为复合棒型，前端部设置有定位销（6），定位销（6）上设置有定位O型圈（5），后端部上设置有定位螺栓（7），定位螺栓（7）上设置有定位O型圈（5），弹簧压紧机构包括压紧弹簧（9），压紧弹簧（9）穿设于靠近后端部定位螺栓（7）上，定位螺栓（7）的尾部穿过装配腔(8)内设置的定位隔板且通过其尾部上的垫片和螺母固定位置；
所述高频换能器（3）和低频换能器（4）的后端部均设置有后腔，用于调整压紧弹簧（9）。
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