CN105637177A - 用于lwd/mwd测井系统的声信号衰减器 - Google Patents

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Abstract

用于LWD/MWD测井系统的声信号衰减器的一个实例可以被实现为可定位在井筒中的声测井工具。所述工具包括纵向工具主体。声信号发射器和声信号接收器被安装在所述工具主体中并且彼此纵向间隔开。包括形成在所述工具主体的部分的外表面中的多个狭槽的声信号衰减器被定位在所述发射器与所述接收器之间。每个狭槽包括从所述狭槽的内表面延伸到所述狭槽中的多个突起。在操作中，每个狭槽中的所述多个突起操作来使穿过所述工具主体从所述发射器传播至所述接收器的声信号衰减。

Description

用于LWD/MWD测井系统的声信号衰减器
技术领域
本公开涉及在井筒中实现的随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)测井系统。
背景
与来自地球的烃类的回收有关，井筒通常被使用多种不同的方法和设备来钻出。根据一种常用方法，将牙轮钻头或固定切削刃钻头抵靠地下地层旋转来形成井筒。钻头通过附接到钻头的钻柱的旋转和/或通过由地下钻井马达赋予钻头的旋转力来在井筒中旋转，所述地下钻井马达由钻井流体沿着钻柱并穿过井下马达的流动来提供动力。在一些情况下，当进行钻井时，希望评估被钻探的地层。各种仪器在钻柱中运行来测量可以被用于评估地层的参数。这种系统通常被称为随钻测井(LWD)和随钻测量(MWD)。
声测井工具可以被用在MWD和LWD系统中来测量地层的声学特性，从所述声学特性可以得到所述地层的图像、机械特性或其他特征。声能是由测井工具产生的，并且声波由声测井工具中的声接收器所接收，所述声波包括由传播穿过地层或声测井系统的声能所产生的周期性振动干扰。声波可以根据它们的频率、振幅和传播速度来进行特征化。针对地层的感兴趣的声学特性可以包括压缩波速度、剪切波速度、表面波速度(例如，斯通利波)以及其他特性。声图像可以被用于描绘井筒壁状况和远离井筒的其他地质特征。声学测量在地震相关、岩石学、岩石力学以及其他领域中具有应用。声测井工具的有效运行可能由在井下由测井工具所遇到的不希望的噪声信号所妨碍。
附图说明
图1示出在示例性钻机中实现的示例性井下声测井工具。
图2A-图2F示出在图1的井筒中在井下实现的示例性声测井工具。
图3A和图3B示出形成在图1的声测井工具的工具主体的外表面上的狭槽的透视图。
图4A-图4D示出形成在狭槽的内表面上的突起的实例，所述狭槽形成在图1的声测井工具的工具主体上。
图5示出包括图1的声测井工具被定位所在的井的区域的实例。
图6是使用图1的声测井工具来衰减声信号的示例性过程的流程图。
在各图中，类似的参考符号指示类似的元件。
详细描述
本公开描述了用于LWD/MWD测井系统的声信号衰减器。声学测量系统(声测井工具)在LWD和电缆(wireline)测井应用中实现。在实现定位在井筒中的声测井工具的一个实例中，安装在声测井工具中的声信号发射器传输声信号(或声波)。声信号传播穿过所述区域(例如地层、多个地层或地层的部分)，井筒正穿过所述区域或已穿过所述区域来钻出。安装在声测井工具中的声信号接收器接收声响应，所述声响应包括来自地层的一个或多个声信号。声信号接收器可以包括接收器阵列，并且可以记录声响应。所述响应可以被用来确定穿过地层的压缩波和剪切波速度(以及慢度)。
除了来自地层的声响应，声信号接收器还接收影响压缩波和剪切波速度测量的准确度的不希望的声信号。声信号的从发射器到接收器传播穿过声测井工具本身的部分(被称为工具模式)是这种不希望的声信号的实例。因此，所述工具模式干扰压缩波和剪切波到达，从而降低了读数的质量和准确度。在利用LWD测井系统实现的声测井工具中的不希望的声信号的其他实例包括来自钻井噪声的声信号，诸如钻头的振动、钻柱与井筒之间的撞击、钻井泥浆的循环和来自井筒中的其他噪声源的声信号。
本公开描述了一种声信号衰减器，所述声信号衰减器可以被实现来减少(例如最小化或消除)穿过声测井工具传播的不希望的声信号(例如工具模式)。所述技术可以被直接应用至当钻井时使工具模式、钻井噪声以及其他不希望的声信号衰减的LWD和MWD声学/声波工具。衰减器可以在任何应用中实现，在所述应用中在相同的工具主体上纵向分开固定的发射器与接收器之间传输的声波要被隔离。实现本文所描述的技术能够增加衰减器的效率并减少工具的长度，从而产生生产速度上的增加、生产成本上的减少、制造问题上的减少以及测井数据质量上的增加。减少的工具模式还可以增加测井工具能够测量(例如具有较快的压缩波速度和剪切波速度的地层)的地层慢度的范围。
图1是钻机100和钻柱4的示意图，所述钻柱4包括定位在井筒6中的声测井工具30。旋转钻机100可以包括在地面2上方升起并配备有提升设备3的钻架1。钻柱4由端到端附接(例如通过螺纹或以其他方式)的钻杆形成，并且被悬吊在井筒6中。钻头5被附接到钻柱4的井下末端来钻出井筒6。钻柱4(例如，通过软管14)被连接到泥浆泵15，所述泥浆泵15允许通过钻柱4将钻井泥浆注入到井筒6中。钻井泥浆可以从泥浆池16抽取，所述泥浆池16可以被馈送有来自井筒6的剩余泥浆。在钻井操作期间，钻柱4可以借助于装配至钻柱4的上端的方钻杆21或者可替代地由顶部驱动单元(未示出)或井下钻井马达(未示出)被驱动成旋转运动。
图2A-图2F示出可以在井筒(例如图1的井筒)中在井下实现的声测井工具的示例性实现方式。一个或多个工具(例如，LWD工具、MWD工具、电缆工具)可以被附接到钻柱4并且在井筒4中在井下定位。图2A是可定位在井筒6中并且(例如连续地)可附接到一个或多个工具的声测井工具30的一些实现方式的平面视图。如图2A中所示，声测井工具30可以包括纵向工具主体206。声信号发射器202可以被安装在工具主体206中。声信号接收器204可以被安装在工具主体206中，并且与发射器202纵向间隔开。在一些实现方式中，声信号发射器202相对于声信号接收器204可以更接近井筒6的表面，而在其他实现方式中，发射器202相对于接收器204可以更接近钻头5。
声信号衰减器208被形成在工具主体206的在发射器202与接收器204之间的部分的外表面中。声信号衰减器208包括多个狭槽(例如第一狭槽208a、第二狭槽208b、第三狭槽208c以及其他狭槽)。图2B是被包括在图2A中示出的工具主体206中的示例性狭槽的平面视图。图2B中示出的狭槽包括从狭槽的内表面延伸到狭槽中的多个突起。类似地，被包括在工具主体206中的每个狭槽包括从每个狭槽的内表面延伸到每个狭槽中的多个突起。所述多个突起产生针对每个狭槽的不均匀(例如波浪形)轮廓。如下文所述，每个狭槽中的多个突起操作来使沿着工具主体206从发射器202传输至接收器204的声信号衰减。
所述多个突起可以具有不同的轮廓。例如，图4A和图4D中的每一个是形成为突起阵列的多个突起的透视图。如图4A中所示，阵列中的每个突起402可以终止于尖锐边缘。可替代地，如图4D中所示，每个突起408可以终止于圆形边缘。例如，图4D中示出的阵列中的突起可以通过使用表面函数(例如，z＝sin(x)·sin(y))来形成。在一些实现方式中，突起阵列可以包括终止于尖锐边缘的一个或多个突起和终止于圆形边缘的一个或多个突起的组合。
图4B和图4C中的每一个是形成为邻近彼此布置的多个峰和谷的多个突起的透视图。如图4B中所示，突起的每个峰可以终止于尖锐边缘404。可替代地，如图4C中所示，突起的每个峰可以终止于弯曲边缘406，从而赋予所述多个突起波浪形外观。阵列中的或作为多个峰/谷的突起的布置可以是均匀的或不均匀的。例如，阵列中的突起彼此可以是等距的或者不是等距的。每个突起的高度、峰和谷的幅度或峰/谷的波长可以彼此相等或不相等。因此，一般来说，形成多个突起的狭槽内表面中的突起的任何布置是可能的。
所述多个突起(图4A-图4D)可以由任何材料加工技术来形成，例如铸造、锻造、钻孔、压制或其他技术。所述突起被有意地形成在每个狭槽的内表面中。所述突起可以通过在铸造过程期间使用型芯来形成。对于被锻造用于较高机械强度的轴环，所述狭槽和突起可以通过研磨或电火花加工来形成。突起的波浪形表面通过在声能被反射回之前使有待由衰减材料吸收的声能多次发生折射来增加衰减效率。因此，声能被减少用于反射波。当峰谷距离或突起的数量(或者两者)增加时，衰减的质量能够增加。突起的尺寸和数量可以被选择来减少或最小化工具上的应力集中。
在一些实现方式中，多个狭槽中的一个或多个或者所有狭槽可以被填充有噪声衰减材料。噪声衰减材料(例如，聚合物材料，诸如橡胶、泡沫、聚合物材料和噪声吸收颗粒的混合物或者能够吸收声信号的其他材料)可以填充整个狭槽或者仅仅狭槽的部分。具有较高声能吸收率的材料将产生较高的衰减效率。
在一些实现方式中，狭槽可以是直的，而在其他实现方式中，诸如在图2A中示出的那些实现方式中，多个狭槽中的每一个可以是弓形狭槽。也就是说，每个狭槽可以是弯曲的并且具有曲率半径。例如，图2F是示例性抛物线形狭槽275的平面视图，其中进入的声能在发射器202的方向上被反射之前，在狭槽的峰与谷之间的部分中被反射。此外，每个弓形狭槽可以是远离发射器202的凹形和弯曲。弓形狭槽的曲率半径可以足以使沿着工具主体从发射器202传输至接收器204的声信号衰减。当弓形狭槽的峰与谷之间的距离增加时，在发射器方向上被反射之前被折射并且由衰减材料吸收的声能的量也增加，从而产生声能衰减上的增加。
狭槽的对称性还使得反射波彼此干扰并减少它们的幅度。与在工具主体206上跨越相同长度的直狭槽相比，弓形狭槽的截面占据更大的区域，从而产生声测井工具30的断面惯性矩和断面极惯性矩上的增加。因此，声测井工具30承受(例如，从钻柱4传递的)力矩和转矩的强度针对弓形狭槽可以相对于直狭槽更高。两个或更多个弓形狭槽可以彼此相同(即，具有相同的狭槽宽度和曲率半径)。可替代地或此外，弓形狭槽中的一些可以彼此相同，而其他弓形狭槽不同于彼此(即具有不同的狭槽宽度或具有不同的曲率半径或者两者都不同)。
多个狭槽可以被设置在工具主体206的在发射器202与接收器204之间的部分中的多个位置处。每个狭槽可以占据相应的位置，所述位置可以跨越工具主体206的外表面的部分。例如，多个狭槽可以被围绕工具主体206的截面表面周向地布置。可以形成工具主体206的多个这种截面表面，每个截面表面包括相应的多个狭槽。多个截面表面可以被沿着工具主体206的轴线在发射器202与接收器204之间堆叠，从而产生多个狭槽。
在一些实现方式中，狭槽可以跨越工具主体206的外表面的整个厚度，以使得狭槽是穿过工具主体206的外表面的孔。例如，在声学工具30被连接到工具(例如电缆工具或其他工具)、在纵向主体中形成通孔不会显著减小工具强度的实现方式中，一个或多个狭槽或所有狭槽可以跨越工具主体206的外表面的整个厚度。
可替代地，狭槽可以被形成在工具主体206的外表面上，以跨越工具主体206的厚度的部分。在这种实现方式中，狭槽不跨越工具主体206的外表面的整个厚度。在一些实现方式中，狭槽可以被形成在工具主体206的内表面上，以跨越工具主体206的厚度的部分。同样，一些狭槽可以被形成在工具主体206的外表面上，而其他狭槽可以被形成在内表面中。
图2E是工具主体206的一些实现方式的透视图和平面视图，其中所述工具主体206包括单个狭槽。例如，图2A中示出的多个狭槽可以由单个狭槽252来替代，所述单个狭槽252跨越了工具主体206的所有或几乎所有(例如，50％或更多)的圆周，并且跨越工具主体206的不到整个厚度。工具主体206的横截面视图示出钻井泥浆流动穿过的环状体256，和跨越工具主体206的整个圆周的狭槽254的横截面视图。在这种实现方式中，狭槽的所有或几乎所有内表面可以包括多个突起，诸如上文中所描述的那些突起。噪声衰减材料可以不或者可以被包括在整个单个狭槽252或者其部分中。例如，在声学工具30被连接到工具(例如LWD工具)、在纵向主体中形成通孔可能将工具强度减少至在工具可以操作的强度下方的水平的实现方式中，一个或多个狭槽或所有狭槽可以跨越工具主体206的厚度的部分。工具强度可以包括例如抗弯强度或抗扭强度(或两者)、抗拉伸强度或抗压缩力强度(或两者)或者它们的组合。在一些实现方式中，一些狭槽可以跨越工具主体206的整个厚度，而其他狭槽可以跨越工具主体206的不到整个厚度。
图2C是工具主体206的一些实现方式的平面视图，其中形成在工具主体206上的多个狭槽包括弓形狭槽和直狭槽(例如弓形狭槽208a、208b、208c，直狭槽220a、220b、220c以及其他弓形狭槽或直狭槽)的组合。图2D是工具主体206的一些实现方式的平面视图，其中形成在工具主体206上的多个狭槽只包括直狭槽(例如，直狭槽220a、220b、220c、220d、220e以及其他直狭槽)。在图2C和图2D中的每一个中所示出的实现方式中，一个或多个狭槽或所有狭槽可以包括上文所述的多个突起。同样，一个或多个狭槽或所有狭槽可以包括上文所述的噪声衰减材料。图2C和图2D中示出的狭槽能够跨越工具主体206的整个厚度。可替代地，所述狭槽能够跨越工具主体206的整个厚度的部分。图3A是工具主体206的包括跨越工具主体206的整个厚度的部分的多个弓形狭槽(例如，弓形狭槽208a、208d、208e、208f)的部分的透视图。图3B是工具主体206的包括多个直狭槽(例如302、304、306、308)的部分的透视图。在一些实现方式中，一些狭槽可以被形成为工具主体206中的孔，而其他狭槽跨越工具主体206的不到整个厚度。
在狭槽跨越的厚度部分与工具主体206的整个厚度之间的比率可以足以改进声信号衰减，同时维持工具主体206的强度以当操作时能承受井筒6中的井下状况。在一些实现方式中，在形成狭槽的工具主体的厚度可以基于工具主体材料的屈服强度、工作温度、转矩/力矩额定值、工具主体的直径以及其他参数来确定。在狭槽跨越工具主体206的厚度的部分的实现方式中，所有狭槽的深度可以是相同的。可替代地，一些狭槽可以被形成为具有与其他狭槽不同的深度。
图5是邻近声测井工具30被定位所在的井筒510的感兴趣的区域512的实例的平面视图。发射器202产生多个声信号。信号的部分502可以行进到区域512中，穿过所述区域的部分，并随后回传退出到井筒中，并由接收器204接收为声信号数据。信号的这个部分502可以是被用于评估所述区域的数据。信号的另一个部分504可以撞击井筒壁511，被反射回来，并由接收器204接收为声信号数据。信号的另一个部分506可以从发射器202到接收器204行进穿过工具主体206。这些信号可以代表被称为工具模式信号的声信号数据。
图6是使用图1的声测井工具来使声信号衰减的示例性过程600的流程图。在一些实现方式中，声测井工具30能够实现过程600的至少部分来使工具模式声信号衰减。在602处，将声测井工具附接到传送柱(conveyancestring)(例如钻柱、电缆、声传输线或在井筒510中可以被定位在井下的其他柱)。如上所述，所述声学工具包括纵向主体206、安装在工具主体206中的发射器202以及安装在工具主体206中并与发射器纵向间隔开的接收器206。在一些实现方式中，接收器包括接收从发射器传输穿过地层的声信号的接收器阵列(例如，接收器204a、204b、204c、204d)。声信号衰减器208包括多个狭槽(诸如上文所描述的那些狭槽)，将所述多个狭槽径向地围绕或纵向地沿着工具主体的在发射器202与接收器204之间的部分来设置。在一些实现方式中，可将所述多个狭槽布置在发射器202与接收器204之间连续地布置的各级中(例如，第一级502、第二级504、第三级506)。每一级可以包括一个或多个狭槽。更接近接收器204形成的第一级比更接近发射器形成的第二级更能够使声信号衰减。
在604处，将传送柱和声测井工具接近区域512放置到井筒中，所述区域512如上所述可以包括地质地层、多个地质地层或地质地层的部分。在606处，激活声信号发射器来将声信号发送到区域512中。
在608处，通过声信号衰减器来使由声信号发射器所产生的声信号的行进穿过工具主体(即工具模式)的部分衰减。因为工具主体206是金属的(例如，由硬钢制成)，所以工具模式噪声信号以高速穿过工具主体206行进至接收器204，从而干扰从区域512到达接收器204的压缩波和剪切波。声信号衰减器操作以使得狭槽的内表面上的多个突起、填充狭槽的所有或部分的聚合物材料或狭槽的弓形性质(或者它们的组合)使声能多次折射到狭槽中并使剩余的声能反射。在一个或多个狭槽是弓形的实现方式中，反射的声信号会聚并干扰传播穿过工具主体206的声信号，从而减小传播的声信号的幅度。当声信号传播穿过布置有声信号衰减器的多个狭槽的多个级时，声信号(例如，工具模式)减小至低于可接受的阈值或者被消除(或两者)。以这种方式，声信号衰减器能够捕集声噪声信号(诸如工具模式噪声信号)并使这种信号衰减。
在610处，声信号接收器204接收来自区域512的声信号数据。声信号数据是响应于声信号发射器202所传输的声信号而产生的。例如，声信号数据可以包括在到达接收器204之前传播穿过区域512的声信号502、在到达接收器204之前传播穿过工具主体206的声信号(例如工具模式噪声信号)、在到达接收器204之前传播穿过井筒510的声信号504、在到达接收器204之前传播穿过工具主体206的来自其他源(例如，钻头、泥浆马达或其他源)的声信号，或者它们的组合。在612处，例如通过接收器204将接收的声信号数据存储或传输用于随后的数据处理。
已经描述了多种实现方式。尽管如此，将理解在不背离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种修改。

Claims (20)

1.一种可定位在井筒中的声测井工具，所述工具包括：
纵向工具主体；
声信号发射器，所述声信号发射器被安装在所述工具主体中；
声信号接收器，所述声信号接收器被安装在所述工具主体中，并且与所述发射器纵向间隔开；以及
声信号衰减器，所述声信号衰减器包括多个狭槽，所述多个狭槽形成在所述工具主体的在所述发射器与所述接收器之间的部分的外表面中，每个狭槽包括从所述狭槽的内表面延伸到所述狭槽中的多个突起。
2.如权利要求1所述的测井工具，其中所述多个突起被构造来使沿着所述工具主体从所述发射器传输至所述接收器的声信号衰减。
3.如权利要求1所述的测井工具，其中所述多个狭槽被设置在所述工具主体的在所述发射器与所述接收器之间的所述部分中的多个位置处。
4.如权利要求3所述的测井工具，其中所述多个位置形成在所述发射器与所述接收器之间连续地布置的多个级，每个级包括所述多个狭槽中的一个或多个狭槽，并且其中更接近所述接收器形成的第一级比更接近所述发射器形成的第二级更能够使所述声信号衰减。
5.如权利要求1所述的测井工具，其还包括定位在所述狭槽中的噪声衰减材料。
6.如权利要求5所述的测井工具，其中所述噪声衰减材料包括聚合物材料。
7.如权利要求5所述的测井工具，其中所述噪声衰减材料填充整个所述狭槽。
8.如权利要求1所述的测井工具，其中所述多个狭槽中的每一个包括弓形狭槽。
9.如权利要求8所述的测井工具，其中所述弓形狭槽是远离所述发射器的凹形和弯曲。
10.如权利要求8所述的测井工具，其中所述弓形狭槽的曲率半径将使沿着所述工具主体从所述发射器传输至所述接收器的所述声信号衰减。
11.如权利要求9或10所述的测井工具，其中所述多个弓形狭槽中的至少两个弓形狭槽彼此相同。
12.如权利要求1至10所述的测井工具，其中所述多个狭槽被径向地围绕工具主体的在所述发射器与接收器之间的所述部分来设置
13.如权利要求1至13所述的测井工具，其中所述多个狭槽被纵向地沿着所述工具主体的在所述发射器与所述接收器之间的所述部分来设置
14.权利要求1所述的测井工具，其还包括随钻测井(LWD)工具或电缆工具。
15.权利要求1至14所述的测井工具，其中所述接收器包括接收从所述发射器传输穿过地层的声信号的接收器阵列。
16.一种从钻入地质地层的区域中的井筒获得声数据的方法，所述方法包括：
将井声测井工具附接到传送柱，所述声测井工具包括：
纵向工具主体；
声信号发射器，所述声信号发射器被安装在所述工具主体中；
声信号接收器，所述声信号接收器被安装在所述工具主体中，并且与所述发射器纵向间隔开；以及
声信号衰减器，所述声信号衰减器包括多个狭槽，所述多个狭槽形成在所述工具主体的在所述发射器与所述接收器之间的部分的外表面中，每个狭槽包括从所述狭槽的内表面延伸到所述狭槽中的多个突起；
将所述传送柱和所述声测井工具接近所述区域放置到所述井筒中；
激活所述声信号发射器并产生多个声信号；
将所述声信号的部分发送到所述井筒和所述区域中；
利用所述声信号衰减器来使由所述声信号发射器所产生的所述声信号的行进穿过所述工具主体的部分衰减；
由所述声信号接收器接收来自所述区域的声信号数据，所述声信号数据是响应于由所述声信号发射器传输的所述声信号而产生的；以及
将所述接收的声信号数据存储或传输用于随后的数据处理。
17.权利要求16所述的方法，其中利用所述声信号衰减器来使由所述声信号发射器所产生的所述声信号的行进穿过所述工具主体的所述部分衰减包括：
将所述多个狭槽设置在所述工具主体的在所述发射器与所述接收器之间的所述部分中的多个位置处；以及
连续地布置所述多个位置以形成多个级，每个级包括所述多个狭槽中的一个或多个狭槽，并且其中更接近所述接收器形成的第一级比更接近所述发射器形成的第二级更能够使所述声信号衰减。
18.权利要求16所述的方法，其中利用所述声信号衰减器来使由所述声信号发射器所产生的所述声信号的行进穿过所述工具主体的所述部分衰减包括将噪声衰减材料定位在每个狭槽中。
19.权利要求16所述的方法，其中所述传送柱是钻柱、电缆或电线中的至少一种。
20.权利要求16所述的方法，其中所述多个狭槽中的每个狭槽包括弓形狭槽，所述弓形狭槽是远离所述发射器的凹形和弯曲。
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