CN106948813A - 一种过钻头偶极子声波测井发射器及测井装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种过钻头偶极子声波测井装置的发射器及测井装置，所述发射器包括基板和2n个压电陶瓷板；其中，所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元组成；所述基板两端设置有通孔，利用固定件通过所述通孔将所述基板固定在所述过钻头偶极声波测井装置上；工作时，所述基板一侧的压电陶瓷板伸长，另一侧的压电陶瓷板缩短，推动所述基板形成弯曲振动，向介质辐射推力，产生声波。本发明中的分段式偶极子发射器具有低频、大功率发射的特点，适用于过钻头、小直径声波测井中的换能器，更适合软地层甚至超软地层的横波测量。

Description

一种过钻头偶极子声波测井发射器及测井装置
技术领域
本发明涉及矿产资源勘探及开发技术领域，特别是在矿场地球物理(测井)技术、钻井测量技术和随钻测量技术等领域，尤其涉及一种过钻头偶极子声波测井发射器及测井装置。
背景技术
大水平井段(如1000米以上)水力压裂前后的地层评价是我国页岩气开发的热点、难点与技术关键。过钻头正交偶极子声波测井技术是目前解决该问题的首选测量方式。
过钻头测井时近几年发展起来的一种新技术。过钻头测井是指测井仪器穿过钻头而进入测量井段进行测井数据采集的一种方式。过钻头测井技术有其独特的优点，主要包括以下几点：①减少作业风险，大部分时间测井仪器在钻杆内受到保护；②节约作业时间。过钻头测井无须将钻具取出地面就能够进行测井作业，较电缆测井而言，大大节约了完井作业时间。③获得连续可靠的测井数据。过钻头测井是在钻头及钻杆停止振动时，测井仪器组合穿过钻头对目的层进行测量。因此，获得的数据质量稳定可靠。④进行勘察测井。过钻头测井能够在不取出钻头的情况下进入裸眼段测量，获取储层的各种重要信息，用于指导继续钻井，为科学钻井提供帮助。
过钻头测井要求测井仪外径小，目前仪器外径为54mm,主要包括自然伽马、井温、感应电阻率、自然电位、地层密度、井径、中子孔隙度和单极子声波时差等。过钻头测井技术适用于水平井、大斜度井和井眼坍塌和页岩膨胀等恶劣井眼条件，已经在北海探井和评价井中进行了测量，克服了常规电缆测井遇阻的难题，取得了高质量的测井数据。
过钻头单极子声波时差仪器主要是进行横波和纵波速度测量，仪器直径54mm，多接收器的单极子声波测井仪记录的纵波速度和横波速度，结合密度测井资料可以计算岩石属性，包括泊松比、静态杨氏模量和最小水平应力梯度。应力数据以及能够反映储层质量参数(如粘土含量和孔隙度)，对选择最佳水力压裂措施层段很有用。但是，单极子声波测井仪器在软地层和超软地层不能测量得到地层的横波速度，因此也就无法得到岩石的属性，其主要原因是单极子声源所致。解决这一问题的主要办法是采用偶极子和正交偶极子换能器作为发射换能器，进行地层的横波声速测量。但是，目前还很少见到过钻头正交偶极子声波测井仪器商业使用的公开报道。
目前常规电缆式偶极子声波测井仪器外径为90mm，换能器(又称之为发射器)主要有两种，一种是电磁式偶极子声波换能器，另一种是叠片型弯曲振动压电换能器。一般叠片型弯曲振动压电换能器由厚度方向极化的压电陶瓷片和金属铝基片黏接而成。由于过钻头仪器外径很小(54mm)，叠片结构的弯曲振子的晶体和基片的几何尺寸都相应的减少，这使得正交偶极子换能器装配后，与常规正交偶极子声波仪器相比弯曲阵子辐射面变窄，造成换能器激发能量减弱、信噪比降低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种过钻头偶极子声波测井装置的发射器及其测井装置，主要是声波发射器的结构设计及其测井装置，在满足过钻头测井仪器机械要求的条件下，也能满足小直径正交偶极子声波测井发射器的声学性能要求。
为解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种过钻头偶极子声波测井装置的发射器，所述发射器包括基板和2n个压电陶瓷板；其中，
所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元组成；
所述基板两端设置有通孔，利用固定件通过所述通孔将所述基板固定在所述过钻头偶极声波测井装置上；
工作时，所述基板一侧的压电陶瓷板伸长，另一侧的压电陶瓷板缩短，推动所述基板形成弯曲振动，向介质辐射推力，产生声波。
优选地，所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元组成。
进一步优选地，所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元采用胶黏剂黏合而成。
进一步优选地，所述胶黏剂为环氧树脂。
进一步优选地，所述相邻压电陶瓷单元的极化方向相反。
优选地，所述压电陶瓷板和所述基板之间采用胶黏剂粘合而成。
进一步优选地，所述胶黏剂为环氧树脂。
优选地，所述基板是钛、铜、铝或低膨胀合金。
优选地，所述压电陶瓷板的材质为PZT4或PZT8。
第二方面，本发明还提供了一种包含第一方面所述发射器的过钻头偶极声波测井装置。
与常规叠片型偶极子发射器相比，本发明的分段式偶极子发射器设计可以增加发射器的弯曲变形量，增大发射器表面向外侧的推力，从而提高发射器的发射能量；本发明在有限的空间内可以实现较低频声波的发射，更加适合软地层甚至超软地层的横波测量等。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1为声波测量示意图；
图2为本实施例提供的偶极子发射器俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的偶极子发射器纵截面的示意图之一；
图4为本发明实施例提供的偶极子发射器纵截面的示意图之二；
图5为本发明实施例提供的偶极子发射器纵截面的示意图之三；
图6为两种发射器在40～5000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比；
图7两种发射器在500～1000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比；
图8两种发射器在2000～3000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比。
具体实施方式
下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的声波测量示意图，如图1所示，测井装置1位于充满泥浆7介质的井孔9中，所述井孔9外是地层8。其中，测井装置1包括发射电路2,、发射器3、隔声体4、接收器阵列5和接收电路6。在工作时，测井装置1与电缆10连接，由发射电路2产生电信号，使发射器3产生声波，经过泥浆7介质，到达地层8，然后在地层8中传播。再由接收器阵列5将带有地层8信息的声波信号转化为电信号，然后根据所接收的电信号进行地层评价。声波传输过程如图1中箭头所示。
图2为本发明实施例提供的偶极子发射器俯视示意图。
如图2所示，该实施例的发射器，包括：压电陶瓷板31和基板32，其中所述压电陶瓷板31至少为2n个，而压电陶瓷板31由2n块的压电陶瓷单元311组成；其中n为自然数。
所述基板两端设置有通孔321，利用固定件通过所述通孔321将所述基板32固定在所述过钻头偶极声波测井装置1上；
工作时，所述基板32一侧的压电陶瓷板31伸长，另一侧的压电陶瓷板31缩短，推动所述基板32形成弯曲振动，向介质辐射推力，产生声波。发射器具体分解示意图如图3所示，当然，也可以通过采用改变压电陶瓷单元311的排列方式和电极连接方式，形成其他形式的偶极发射器，如图4和图5所示，而不局限于图3中所示的形式。需要指出的是，图3、图4和图5中箭头方向为压电陶瓷单元311的极化方向，其中，相邻压电陶瓷单元311的极化方向相反，正电极11和负电极12分别与两片压电陶瓷单元311之间的电极连接，具体连接方式如图3、图4和图5所示。当然，也可以选择图3、图4和图5之外的连接方式。
需要说明的是，2n个压电陶瓷板31均匀分布在基板32的两侧，如图3、图4和图5中所示，基板两侧的2个压电陶瓷板各由8块压电陶瓷单元组成。其中，在实际操作过程中，压电陶瓷板一般用螺钉通过穿孔321固定在测井装置1上，一般穿孔优选在基板长度方向的两端，而形状和数量根据具体情况设定，优选为圆形，数量一般为4个，但不局限于4个。
在一个示例中，基板32一般是钛、铜、铝、低膨胀合金等金属材料。
在另一个示例中，压电陶瓷板31是由压电陶瓷单元311采用胶黏剂粘合而成。所述胶黏剂优选为环氧树脂等高分子材料，但也不仅局限于此类胶黏剂。优选地，所述压电陶瓷板31和所述基板32之间也采用胶黏剂粘合而成。进一步优选地，所述胶黏剂为环氧树脂等高分子材料，但也不仅局限于此类胶黏剂。
在又一个示例中，压电陶瓷板材料为PZT4或PZT8，但不局限于这两种类型的压电陶瓷材料。
为了突出显示本发明中分段式偶极子发射器在测井中的应用优势，我们测量了常规和分段式偶极子发射器在空气中自由状态下的导纳性能，图中粗线表示常规偶极子发射器，细线表示分段式偶极子发射器。图6为两种发射器在40～5000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比图，从图上可以看出，分段式偶极子发射器具有较低的谐振频率和较高的电导峰值。图7为两种发射器在500～1000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比图，由图可知，分段式偶极子发射器的谐振频率比常规偶极子发射器降低了80Hz，而电导峰值约为常规偶极子发射器的13倍。图8为两种发射器在2000～3000Hz频率范围内的电导-频率曲线对比图，由图可知，分段式偶极子发射器的谐振频率比常规偶极子发射器降低了380Hz，而电导峰值约为常规偶极子发射器的4倍。
由图6至图8的测量结果对比可知，本发明中的分段式偶极子发射器具有低频、大功率发射的特点，适用于过钻头、小直径声波测井中的换能器，更适合软地层甚至超软地层的横波测量。
采用正交偶极子声波数据可以用来确定横波环向各向异性特征，并进一步获得井壁周围地层的各向异性信息，特别是在地层裂隙特征的研究及地应力的测量中有着广泛的应用。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种过钻头偶极子声波测井装置的发射器，其特征在于，所述发射器包括基板和2n个压电陶瓷板；其中，
所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元组成；
所述基板两端设置有通孔，利用固定件通过所述通孔将所述基板固定在所述过钻头偶极声波测井装置上；
工作时，所述基板一侧的压电陶瓷板伸长，另一侧的压电陶瓷板缩短，推动所述基板形成弯曲振动，向介质辐射推力，产生声波。
2.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元组成。
3.根据权利要求2所述的发射器，其特征在于，所述压电陶瓷板由2n块的压电陶瓷单元采用胶黏剂黏合而成。
4.根据权利要求3所述的发射器，其特征在于，所述胶黏剂为环氧树脂。
5.根据权利要求3所述的发射器，其特征在于，所述相邻压电陶瓷单元的极化方向相反。
6.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述压电陶瓷板和所述基板之间采用胶黏剂粘合而成。
7.根据权利要求6所述的发射器，其特征在于，所述胶黏剂为环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述基板是钛、铜、铝或低膨胀合金。
9.根据权利要求1所述的发射器，其特征在于，所述压电陶瓷板的材质为PZT4或PZT8。
10.一种包含权利要求1-7任意一项权利要求所述发射器的过钻头偶极子声波测井装置。
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