CN104213912A - 一种具有隔声结构的随钻声波探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有隔声结构的随钻声波探头，接收和发射探头均采用模块化结构，即在一个“U”形探头仓的内部水平叠加排布有数层压电振子模块，探头仓内充满硅油并由密封盖板密封，在密封盖板中部预置有透声窗，探头仓壁设有高压密封插头，压电振子模块的正负极引线通过高压密封插头引出，发射和接收探头数量按1:4匹配。本发明的优点在于：综合考虑压电振子模块设计安装、压电振子模块与探头仓、探头与钻铤的匹配问题，尽量减少探头噪声对随钻声波测井的影响，获得正确的地层岩石纵横波声速。另外通过模块化结构使得探头模块易于拆卸和互换以及探头模块的单独测试和功能校验。

Description

一种具有隔声结构的随钻声波探头

技术领域

本发明涉及测井技术领域的一种随钻声波探头，具体是一种具有隔声结构的随钻声波探头。

背景技术

近年来，声波测井技术已成功应用于随钻过程中。随钻声波测井采用滑行波测量方式实时测量地层岩石纵横波声速的变化，通过测量地层的纵、横波波速，不仅可提供地层孔隙度、通过实时地层压力预测提高钻井安全系数、通过与地震资料结合降低地球物理勘探风险和提高地质导向效率，还能进行岩石机械特性分析及钻井事故预测。随钻声波测井在钻井的同时完成声波测井作业，减少了井场钻机占用时间，从钻井-测井一体化服务中节省成本。对于大斜度井、水平井或特殊地质环境钻井，电缆测井困难或风险大，以至于不能进行作业，随钻声波测井可以取而代之。因此该项技术在钻井工程和油气勘探方面有着尤为重要的意义。

但由于其随钻工作环境的特殊性，使得随钻声波测井的实现要比电缆测井技术复杂得多。随钻声波测井要取得成功，首先必须解决声波探头及安装工艺的问题。目前电缆测井使用的声波探头无法照搬到随钻测井中，国内随钻声波测井专利主要涉及声波换能器或者钻铤隔声体的内容，其中CN 201241697Y涉及的一种随钻声波偶极子换能器可用于声波探头的制作，然而在专利中没有考虑隔声及减震，这样会给随钻声波的测量带来很大的影响。102162358 A涉及的是一种随钻声波测井换能器组合，接发换能器采用多个压电陶瓷片，它是通过在钻铤上刻槽对来抑制发射探头到接收探头之间的钻铤直达波。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种具有隔声结构的随钻声波探头，通过安装在钻铤上，构成单发四收探头随钻声波声系，采用定向发射、接收技术，实时测量的地层岩石纵横波声速可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力力学参数计算、井眼稳定性预测等，通过井下测控电路进行井下波形实时处理，提取时差后送往地面。

本发明的技术方案是：

具有隔声结构的随钻声波探头，接收和发射探头均采用模块化结构，即在一个“U”形探头仓的内部水平叠加排布有数层压电振子模块，探头仓内充满硅油并由密封盖板密封，在密封盖板中部预置有透声窗，探头仓壁设有高压密封插头，压电振子模块的正负极引线通过高压密封插头引出，发射和接收探头数量按1:4匹配。

上述方案还包括：

所述的压电振子模块由压电振子和两块夹板组成，压电振子插入两侧的夹板的凹槽中，采用高温粘结胶把两部分粘接成为一体。

每层压电振子模块均通过两侧的夹板固定在探头仓内设的基座上，并在夹板与基座之间增加橡胶隔音垫。

上述方案进一步包括：透声窗采用绝缘材料制作的耐磨透声窗口，绝缘材料包括氟橡胶或硅橡胶，透声窗的声阻抗与探头仓内的硅油和钻铤外的泥浆声阻抗相匹配。

探头仓外壁设有隔声橡胶垫。

本发明的优点在于：综合考虑压电振子模块设计安装、压电振子模块与探头仓、探头与钻铤的匹配问题，尽量减少探头噪声对随钻声波测井的影响，获得正确的地层岩石纵横波声速。另外通过模块化结构使得探头模块易于拆卸和互换以及探头模块的单独测试和功能校验。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

图1  本发明具体应用在随钻方位声波测井装置的示意图。

图2  图1中A-A截面放大图，即本发明探头模块结构示意图。

图3-A  图2中压电振子模块俯视图。

图3-B  图3的压电振子模块主视图。

图中：

1  专用钻铤              2  隔声体               3  测控电路

4  供电电池              5  下导流套             6  上导流套

7  上扶正器              8  下扶正器           9  接收探头阵列

10 发射探头             11 隔声橡胶垫           12探头仓

13高压密封插头          14基座                 15橡胶隔音垫                     16紧固螺钉              17密封圈               18密封盖板   

19透声窗                20压电振子模块         21压电振子

22夹板                  23正极引线             24负极引线。

具体实施方式

实施例1

具有隔声结构的随钻声波探头，接收和发射探头均采用模块化结构，即在一个“U”形探头仓的内部水平叠加排布有数层压电振子模块，探头仓内充满硅油并由密封盖板密封，在密封盖板中部预置有透声窗，探头仓壁设有高压密封插头，压电振子模块的正负极引线通过高压密封插头引出，发射和接收探头数量按1:4匹配。

实施例2

具有隔声结构的随钻声波探头，接收和发射探头均采用模块化结构，即在一个“U”形探头仓的内部水平叠加排布有数层压电振子模块，探头仓内充满硅油并由密封盖板密封，在密封盖板中部预置有透声窗，探头仓壁设有高压密封插头，压电振子模块的正负极引线通过高压密封插头引出，发射和接收探头数量按1:4匹配。

所述的压电振子模块由压电振子和两块夹板组成，压电振子插入两侧的夹板的凹槽中，采用高温粘结胶把两部分粘接成为一体。

每层压电振子模块均通过两侧的夹板固定在探头仓内设的基座上，并在夹板与基座之间增加橡胶隔音垫。

实施例3一种典型实施例

参照附图1，随钻方位声波测井装置包括：专用钻铤1、声波声系（发射探头10，接收探头阵列9）、测控电路3、供电电池4及上下导流套5、6。专用钻铤1为外径为178mm的无磁钻铤，专用钻铤1中心为泥浆流道，为了安装声波声系，在专用钻铤1加工时设计扶正器7、8，以保证有足够的位置安装声系，通过扶正器侧壁开槽放置声系，声系通过上下导流套5、6分别与上端随钻测量系统MWD(Measurement While Drilling)进行通讯连接并与供电电池4、测控电路3连接，导流套与钻铤开孔严格同心，通过高压密封塞进行内外的连接。供电电池4、测控电路3分别装在特制抗压筒中，特制抗压筒居中放置在专用钻铤1的泥浆流道中，通过与钻铤内径相同的橡胶扶正器与钻铤内壁相连。在上扶正器7与下扶正器8之间为隔声体2。整个测量系统位于井眼中，井眼中充满泥浆。

参照附图2，随钻方位声波测井装置的声系采用单发四收模式，包括1个发射探头10， 4个接收探头组成接收探头阵列9，发射探头10布置在钻铤的下扶正器8的凹槽内，接收探头阵列9轴向排列布置在钻铤的上扶正器6的凹槽内。声系通过上下导流套5、6分别与上端MWD进行通讯连接并与供电电池4、测控电路3连接。接收和发射探头都采用模块化设计制作，由压电振子模块20、探头仓12、透声窗19、密封盖板18组成，即：把压电振子模块20固定在探头仓12内，探头仓12充满硅油并使用密封盖板18密封，其中密封盖板外套透声窗19。模块化结构既能够实现与钻铤的声隔离，又具有声波的定向辐射。探头模块的易于拆卸和互换以及探头模块的单独测试和功能校验。

如图3所示，压电振子模块20由压电振子21和两块夹板22组成。其中压电振子21是随钻声波测井声波探头的核心部件，通过分析压电振子的材料和几何尺寸对谐振频率的影响，可以得出基片材料、压电陶瓷类型、压电振子长度、宽度和厚度、压电振子固定点距离等压电振子的基本参数。采用ANSYS有限元软件包对可压电振子在空气中不同边界条件下的振动模态进行了数值模拟，对两端简支、两端钳定、一端简支一端自由、一端钳定一端自由和一端简支一端钳定五种边界条件下的压电振子的振动模态分别进行了数值模拟和实验测量，模拟结果表明在不同的机械边界条件下相同频带内的振动模态个数和同一振动模态的频率值相差较大。根据模拟结果和实验所需采用合适的边界条件。把压电振子21插入到的夹板22的凹槽中，充分考虑到压电振子21与夹板22的整体性，采用高温粘结胶把两部分粘接成为一体。高温粘结胶同时起到减震的效果。采用高温焊锡把压电振子的正负极引线23、24焊到探头仓12的高压密封插头13上。

接收和发射探头都采用多层压电振子模块20径向叠加排列方式，多层压电振子结构提高了探头对有用声波信号的辐射能量。采用紧固螺钉把压电振子模块20固定在探头仓12的基座14上，为了达到较好的隔音效果，在压电振子模块20与基座14之间增加橡胶隔音垫15。在安装多层压电振子模块20后在探头仓12内注满硅油，使用密封盖板18密封，密封为端面密封，要求盖板18与探头仓12之间的金属面绝对光滑，所选择密封圈17材料为全氟橡胶，具有优异的耐腐蚀性能及优异的耐热性能，长期耐温最高可达310摄氏度。密封盖板18外套透声窗19，透声窗19采用耐磨透声窗口，材料为氟橡胶、硅橡胶或其它适合的绝缘材料，透声窗19的声阻抗与探头仓12内的硅油和专用钻铤1外的泥浆声阻抗相匹配，因而有利于声波在地层中的发射及接收较少的衰减。考虑探头仓12与钻铤1之间的隔声，加装隔声橡胶垫11。

Claims (5)

1.一种具有隔声结构的随钻声波探头，包括接收和发射探头，其特征是：接收和发射探头均采用模块化结构，即在一个“U”形探头仓的内部水平叠加排布有数层压电振子模块，探头仓内充满硅油并由密封盖板密封，在密封盖板中部预置有透声窗，探头仓壁设有高压密封插头，压电振子模块的正负极引线通过高压密封插头引出，发射和接收探头数量按1:4匹配。

2.根据权利要求1所述的具有隔声结构的随钻声波探头，其特征是：所述的压电振子模块由压电振子和两块夹板组成，压电振子插入两侧的夹板的凹槽中，采用高温粘结胶把两部分粘接成为一体。

3.根据权利要求2所述的具有隔声结构的随钻声波探头，其特征是：每层压电振子模块均通过两侧的夹板固定在探头仓内设的基座上，并在夹板与基座之间增加橡胶隔音垫。

4.根据权利要求1、2或3所述的具有隔声结构的随钻声波探头，其特征是：透声窗采用绝缘材料制作的耐磨透声窗口，绝缘材料包括氟橡胶或硅橡胶，透声窗的声阻抗与探头仓内的硅油和钻铤外的泥浆声阻抗相匹配。

5.根据权利要求4所述的具有隔声结构的随钻声波探头，其特征是：探头仓外壁设有隔声橡胶垫。