CN106842330A - 小尺寸低频换能器及基于此的过油管声波测井系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小尺寸低频换能器及基于此的过油管声波测井系统及方法，包括由若干个压电陶瓷圆环组成的环形本体，环形本体的两端设有用于压紧环形本体的金属块，两个金属块之间通过穿过环形本体的螺杆连接，每个压电陶瓷圆环的内侧均设有正电极镀层，外侧均设有负电极镀层，且所有压电陶瓷圆环的正电极镀层和负电极镀层分别依次相连。本发明有较好性能的同时还可以更好地适用于各种不同尺寸的油井中。
Description
技术领域
本发明属于换能器测井领域，具体涉及一种小尺寸低频换能器及基于此的过油管声波测井系统及方法。
背景技术
在科技与经济飞速发展的今天，石油在国家发展中的工业、军事等诸多领域的影响都扮演了不可替代的作用，而且享有“液体黄金美誉”的石油资源珍贵性不言而喻。但是随着对油井开采技术的要求越来越高，现有的测井换能器因为其尺寸较大，难以满足一些小直径油井的检测开采要求。如果单一的缩小尺寸又会使得换能器的发射频率上升，影响检测结果，因此设计一种小尺寸且低频率的换能器成为了当下测井行业中研究的热点。目前用于测井装置中都不可缺少的涉及到换能器，但是换能器如果想获得20k左右的低频发射，其尺寸一般都在30mm-50mm甚至更大。由于现有装置中换能器尺寸较大且频率不够低，所以在基于这种较大尺寸设计的测井装置的尺寸也会较大检测效果不理想，设计一种小尺寸低频率的小直径测井换能器能很好的满足当代测井的要求，并将这种小尺寸低频率的测井换能器用于测井中，会很大程度上改善现代测井装备的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小尺寸低频换能器及基于此的过油管声波测井系统及方法，以克服现有技术中的问题，本发明有较好性能的同时还可以更好地适用于各种不同尺寸的油井中。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
小尺寸低频换能器，包括由若干个压电陶瓷圆环组成的环形本体，环形本体的两端设有用于压紧环形本体的金属块，两个金属块之间通过穿过环形本体的螺杆连接，每个压电陶瓷圆环的内侧均设有正电极镀层，外侧均设有负电极镀层，且所有压电陶瓷圆环的正电极镀层和负电极镀层分别依次相连。
进一步地，金属块为圆柱形，且金属块与压电陶瓷圆环外径相等。
进一步地，当仅设有金属块时，压电陶瓷圆环的内径为18mm，外径为22mm，高度为4mm；金属块的高度为53mm。
进一步地，环形本体的两端与金属块之间均设有金属环，且金属环的内外径分别与压电陶瓷圆环的内外径相等。
进一步地，当同时有金属块和金属环时，金属环的内径为18mm，外径为22mm，高度为16mm；金属块的高度为25mm。
进一步地，环形本体由10个压电陶瓷圆环组成。
一种基于小尺寸低频换能器的过油管声波测井系统，包括设置在井下套管中的发射用小尺寸低频换能器，发射用小尺寸低频换能器上连接有接收用小尺寸低频换能器，接收用小尺寸低频换能器上连接有用于对数据进行滤波、放大处理的电子仓，电子仓连接至用于对滤波、放大后的信号分析处理并判断漏点和窜槽位置的地面系统。
进一步地，发射用小尺寸低频换能器与接收用小尺寸低频换能器之间、接收用小尺寸低频换能器与电子仓之间以及电子仓与地面系统之间均通过电缆相连。
进一步地，发射用小尺寸低频换能器、接收用小尺寸低频换能器以及电子仓均设置在井下套管中设置的油管中。
一种基于上述过油管声波测井系统的测井方法，包括以下步骤：
步骤一：发射用小尺寸低频换能器通过激励产生声波，发出的声波会被接收用小尺寸低频换能器接收，当有漏点和窜槽情况发生时，来自漏点和窜槽的噪声和发射用小尺寸低频换能器发射的声波信号一起被接收用小尺寸低频换能器接收；
步骤二：在电子仓中对接收用小尺寸低频换能器接收到的信号经行滤波放大处理后，只留下井下来自漏点和窜槽的噪声信号；
步骤三：将处理后的噪声信号送至地面系统中处理，即能够判断井下漏点和窜槽的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的小尺寸低频换能器在有较好性能的同时还可以更好地适用于各种不同尺寸的油井中，另外本发明的振动模态不同，原有的测井换能器在外界因素的作用下其振动模态一般整体沿径向振动或者整体沿圆周方向振动，整个换能器整体振动，而本发明中设计的小尺寸低频测井换能器的振动时其结点在换能器的两端，只有中间部分的压电陶瓷圆环沿圆周方向振动，即两端固定的，只有中间部分有模态振动，另外本发明是纵向振动，径向辐射的，这样就可以在设计尺寸较小的同时，低频性能较好。
进一步地，本发明尺寸较小，单个压电陶瓷圆环直径为22mm，高度为4mm，可以适用于多种不同直径的油井中。
进一步地，本发明的小尺寸低频测井换能器由10个小直径的压电陶瓷圆环以及在压电陶瓷圆环两端的金属环及金属块或金属块组成，通过仿真验证设计的换能器发射频率较低且有较好的发射响应级。
本发明的测井系统由于使用了小尺寸换能器，所以在对一些井眼较小、对测井设备要求更高的测井环境中，本发明的测井系统会更加符合实际应用，结构简单，在能够适用于不同尺寸的油井中，同时测井系统的参数性能等还更加优异，将小尺寸低频换能器用于油管测井检测中，由于以前用于测井的换能器尺寸较大难以放入油管只能放入套管中检测，而本发明中的换能器尺寸较小可以满足油管尺寸上的要求，如此尺寸较小，频率为20K左右的换能器用于过油管检测在以往测井系统中几乎难以达到。
本发明方法采用小尺寸低频换能器，将该小尺寸低频换能器用于测井系统中，可以适用于多种不同尺寸的油井中，适用范围更广。
附图说明
图1为本发明的单个压电陶瓷环示意图；
图2为实施例1中设计的小尺寸低频换能器结构图；
图3为实施例1中设计的小尺寸低频换能器特征频率图；
图4为实施例1中设计的小尺寸低频换能器发射响应级图；
图5为实施例2中设计的小尺寸低频换能器结构图；
图6为实施例2中设计的小尺寸低频换能器特征频率图；
图7为实施例2中设计的小尺寸低频换能器发射响应级图；
图8为基于小尺寸低频测井换能器设计的测井系统。
其中，1、压电陶瓷圆环；2、正电极镀层；3、负电极镀层；4、金属块；5、金属环；6、地面系统；7、井下套管；8、射孔；9、岩石层；10、接收用小尺寸低频换能器；11、发射用小尺寸低频换能器；12、电子仓；13、电缆；14、漏点；15、水层；16、窜槽；17、油层；18、密封水泥；19、油管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1、图2、图5及图8，一种小尺寸低频换能器，包括由10个压电陶瓷圆环1组成的环形本体，环形本体的两端设有用于压紧环形本体的金属块4，金属块4为圆柱形，且金属块4与压电陶瓷圆环1外径相等，两个金属块4之间通过穿过环形本体的螺杆连接，环形本体的两端与金属块4之间还可以设有金属环5，且金属环5的内外径分别与压电陶瓷圆环1的内外径相等，每个压电陶瓷圆环1的内侧均设有正电极镀层2，外侧均设有负电极镀层3，且所有压电陶瓷圆环1的正电极镀层2和负电极镀层3分别依次相连。
当环形本体的两侧仅设置有金属块4时，压电陶瓷圆环1的内径为18mm，外径为22mm，高度为4mm；金属块4的高度为53mm。
当环形本体的两侧设置有金属环5和金属块4时，金属环5的内径为18mm，外径为22mm，高度为16mm；金属块4的高度为25mm。
一种基于小尺寸低频换能器的过油管声波测井系统，包括设置在油井中的发射用小尺寸低频换能器11，发射用小尺寸低频换能器11上连接有接收用小尺寸低频换能器10，接收用小尺寸低频换能器10上连接有用于对数据进行滤波、放大等一系列处理的电子仓12，电子仓12连接至用于对滤波、放大后的信号分析处理后来判断漏点14和窜槽16位置的地面系统6，发射用小尺寸低频换能器11与接收用小尺寸低频换能器10之间、接收用小尺寸低频换能器10与电子仓12之间以及电子仓12与地面系统6之间均通过电缆13相连。
一种基于上述过油管声波测井系统的测井方法，包括以下步骤：
步骤一：发射用小尺寸低频换能器11通过激励产生声波，发出的声波会被接收用小尺寸低频换能器10接收，当有漏点14和窜槽16情况发生时，来自漏点14和窜槽16的噪声和发射用小尺寸低频换能器11发射的声波信号一起被接收用小尺寸低频换能器10接收；
步骤二：在电子仓12中对接收用小尺寸低频换能器10接收到的信号经行滤波放大处理后，只留下井下来自漏点14和窜槽16的噪声信号；
步骤三：将处理后的噪声信号送至地面系统6中处理，即能够判断井下漏点14和窜槽16的位置。
下面对本发明的操作过程做详细描述：
本发明设计了实施例1和实施例2两种方案。两种方案中小尺寸低频测井径换能器由多个直径较小的压电陶瓷圆环1、压电陶瓷两端的金属环5及金属块4或金属块4和覆盖在压电陶瓷圆环1内、外壁上沿圆周方向设置的银电极矩形条组成，压电陶瓷圆环1上的银电极覆盖在压电陶瓷圆环内、外壁上，压电陶瓷圆环1内、外壁上对应的银电极连接在一起，各银电极之间的压电陶瓷极化方向与环形本体的径向方向平行，压电陶瓷圆环1的银电极极化形成正电极和负电极，正电极与负电极沿压电陶瓷圆筒内外壁设置。单个压电陶瓷圆环1的形状如图1所示，设置圆环的内径为r，外径为R，高度为h,在压电陶瓷圆环1的内部的银镀层经过径向极化后形成正电极镀层2，压电陶瓷圆环的外部的银镀层经过径向极化后形成负电极镀层3，在正负银电极之间的实体为压电陶瓷材料。
实施例1
如图2所示，小直径测井换能器有三部分组成，分别为10个相同的压电陶瓷圆环1、在压电陶瓷的上下两端装有等大小的金属环5以及覆盖在上下两个金属环5外的圆柱形金属块4。将多个这种小直径的压电陶瓷圆环1、金属环5以及金属块4组合起来形成小直径低频测井换能器，如图2所示。
本实施例的小直径低频测井换能器设计中，共用到了10个压电陶瓷圆环1，每个压电陶瓷圆环1的内径为2r＝18mm，外径2R＝22mm，高度h＝4mm。在压电陶瓷两端的金属环5内外直径与单个压电陶瓷圆环1相同，金属环5的高度为16mm，金属环5的数量为2个，分别位于压电陶瓷部分的两端。在两个金属环5的上面和下面分别设计了一个等直径大小圆柱形金属块4，其高度为25mm，具体形状如图2所示。
对上述设计的换能器的进行了特征频率测试得到其在沿圆周方向下振动模态情况如图3所示，在其沿圆周方向振动模态下的特征频率为20k左右，发射频率较低，比较理想。而且小尺寸换能器的这种模态下换能器两端结点几乎没有振动，但在小尺寸低频换能器的中间部分的压电陶瓷圆环振动较为明显。压电陶瓷的谐振频率分径向谐振频率与厚向谐振频率，径向频率与直径成反比，也就是直径越大，径向频率越小；厚向频率与厚度成反比，也就是片子越薄，频率越高。在本发明中压电陶瓷圆环换能器采用径向极化的方式，一方面在厚度相同的情况下使用较小直径的压电陶瓷圆环，另一方面在直径相同的情况下将将一个高度较高的压电陶瓷圆环优化成多个厚度较薄的压电陶瓷组合在一起使得压电陶瓷圆环的高度变高，在压电陶瓷圆环的上方和下方增加了金属环和金属块降低发射换能器的发射频率，具体的组合方式如图2所示，这样在保证小尺寸的同时又有较好低频性能。根据设计的小尺寸低频换能器，将其放入水中模拟其发射响应级性能，得到其发射响应级曲线如下图4所示，从图中可以看出发射响应级峰值出现在20k左右，较为接近小尺寸低频换能器的特征频率，在20k左右的发射响应级达到146，发射响应级性能良好，这同时验证了小尺寸低频换能器的可行性。
实施例2
本实施例小直径测井换能器包括两部分组成，分别为10个相同的压电陶瓷圆环1、在压电陶瓷的上下两端的圆柱形金属块4。将10个这种小直径的压电陶瓷圆环1及2个金属块4组合起来形成小直径低频测井换能器，如图5所示。
本实施例的小直径低频测井换能器的设计中，共用到了10个压电陶瓷圆环1，每个压电陶瓷圆环1的内径为2r＝18mm，外径2R＝22mm，高度h＝4mm，与实施例1相同。在压电陶瓷两端的金属块4外径与单个压电陶瓷圆环外径相同，其高度为53mm，具体形状如图5所示。
同样对上述设计的换能器的进行了频率测试得到其在沿圆周方向上振动模态的情况如图6所示，在其径向振动模态下的特征频率为19.5k左右，特征频率点较低，同样在实施例中压电陶瓷两端金属块几乎没有产生振动，只有中间的压电陶瓷圆环产生了振动。在目前用于测井行业中使用的换能器难以在保证小尺寸的同时且有如此好的低频性能，在目前的测井换能器中比较创新。
根据设计的小尺寸低频换能器，将其放入水中模拟其发射响应级性能，得到其发射响应级曲线如下图7所示。从本实施例设计小尺寸低频测井换能器中的发射响应级可以看出发射响应级峰值出现在19.8k左右，几乎和发射频率相吻合且其发射响应级达到144，发射响应及性能较好，较为接近小尺寸低频换能器的特征频率。
应用
基于上述方案中设计的小尺寸低频测井换能器，将其应用于测井系统中，本发明设计了如图8所示测井系统。如图8所示的基于小尺寸低频测井换能器的油井检测系统由电缆13、检测装置、地面系统6、井下套管7、密封水泥18、油管19、射孔8和岩石层9连接构成。其中检测装置由上至下依次由电子仓12、发射用小尺寸低频换能器11和接收用小尺寸低频换能器10三部分组成，将发射换能器11、接收换能器10、电子仓12放入上端开口的油管19中，电子仓12的上端连接电缆13，通过电缆13与地面系统6相连。井下套管7置于井液中，井下套管7与井壁之间用密封水泥18密封，岩石层9分布着水层15和油层17。接收用小尺寸低频换能器10和发射用小尺寸低频换能器11均是在上述两个实施例中设计的小尺寸低频换能器。检测装置工作时，发射用小尺寸低频换能器11通过激励产生声波，发出的声波会被接收用小尺寸低频换能器10接收，当有漏点14和窜槽16情况发生时，来自漏点14和窜槽16的噪声会和发射用小尺寸低频换能器11发射的声波信号一起被接收用小尺寸低频换能器10接受，在电子仓12中对接收到的信号经行滤波放大处理后，只留下井下来自漏点14和窜槽16的噪声信号，将处理后的噪声信号送至地面系统6中处理，可以判断井下漏点14或窜槽16的位置，这样小尺寸低频换能器即可用于小直径的测井中。
Claims (10)
1.小尺寸低频换能器，其特征在于，包括由若干个压电陶瓷圆环(1)组成的环形本体，环形本体的两端设有用于压紧环形本体的金属块(4)，两个金属块(4)之间通过穿过环形本体的螺杆连接，每个压电陶瓷圆环(1)的内侧均设有正电极镀层(2)，外侧均设有负电极镀层(3)，且所有压电陶瓷圆环(1)的正电极镀层(2)和负电极镀层(3)分别依次相连。
2.根据权利要求1所述的小尺寸低频换能器，其特征在于，金属块(4)为圆柱形，且金属块(4)与压电陶瓷圆环(1)外径相等。
3.根据权利要求2所述的小尺寸低频换能器，其特征在于，压电陶瓷圆环(1)的内径为18mm，外径为22mm，高度为4mm；金属块(4)的高度为53mm。
4.根据权利要求1所述的小尺寸低频换能器，其特征在于，环形本体的两端与金属块(4)之间均设有金属环(5)，且金属环(5)的内外径分别与压电陶瓷圆环(1)的内外径相等。
5.根据权利要求4所述的小尺寸低频换能器，其特征在于，金属环(5)的内径为18mm，外径为22mm，高度为16mm；金属块(4)的高度为25mm。
6.根据权利要求1所述的小尺寸低频换能器，其特征在于，环形本体由10个压电陶瓷圆环(1)组成。
7.一种基于权利要求1所述的小尺寸低频换能器的过油管声波测井系统，其特征在于，包括设置在井下套管(7)中的发射用小尺寸低频换能器(11)，发射用小尺寸低频换能器(11)上连接有接收用小尺寸低频换能器(10)，接收用小尺寸低频换能器(10)上连接有用于对数据进行滤波、放大处理的电子仓(12)，电子仓(12)连接至用于对滤波、放大后的信号分析处理并判断漏点(14)和窜槽(16)位置的地面系统(6)。
8.根据权利要求7所述的一种基于小尺寸低频换能器的过油管声波测井系统，其特征在于，发射用小尺寸低频换能器(11)与接收用小尺寸低频换能器(10)之间、接收用小尺寸低频换能器(10)与电子仓(12)之间以及电子仓(12)与地面系统(6)之间均通过电缆(13)相连。
9.根据权利要求7所述的一种基于小尺寸低频换能器的过油管声波测井系统，其特征在于，发射用小尺寸低频换能器(11)、接收用小尺寸低频换能器(10)以及电子仓(12)均设置在井下套管(7)中设置的油管(19)中。
10.一种基于权利要求7所述的过油管声波测井系统的测井方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：发射用小尺寸低频换能器(11)通过激励产生声波，发出的声波会被接收用小尺寸低频换能器(10)接收，当有漏点(14)和窜槽(16)情况发生时，来自漏点(14)和窜槽(16)的噪声和发射用小尺寸低频换能器(11)发射的声波信号一起被接收用小尺寸低频换能器(10)接收；
步骤二：在电子仓(12)中对接收用小尺寸低频换能器(10)接收到的信号经行滤波放大处理后，只留下井下来自漏点(14)和窜槽(16)的噪声信号；
步骤三：将处理后的噪声信号送至地面系统(6)中处理，即能够判断井下漏点(14)和窜槽(16)的位置。
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