CN107542455B - 一种随钻声波测井装置 - Google Patents

Abstract

一种随钻声波测井装置，采用分体式结构，仪器分为发射、接收和隔声3个独立部分，包括发射短节、接收短节、隔声体短节、过线管和滑环连接器，发射短节分别安装至少一组发射换能器，接收短节安装至少4组接收换能器，隔声体短节内、外表面加工非周期性排列的圆环形凹槽，过线管和滑环连接器组成跨短节的隔声连接器，三个短节通过丝扣相连组成仪器整体。与采用一体化结构的仪器相比，能够承受井下工作时的振动、冲击和扭矩变化，提高仪器的可靠性，可根据应用需要，增减每个短节的长度，降低加工难度。

Description

一种随钻声波测井装置

技术领域

本发明涉及一种随钻声波测井装置，具体地讲，本发明涉及石油钻井行业随钻声波测井仪器的系统结构。

背景技术

随钻声波测井仪器工作在井下充满液体的井眼中，对井眼周围地层进行测量，井眼周围地层不同，则仪器测量得到的地层声速也不相同。通过实时测量地层岩石纵波、横波的速度，不仅可提供地层孔隙度，还能进行岩石力学特性分析。

随钻声波测井仪器通常包括发射探头、接收探头、隔声体、发射电路和接收电路。发射探头、发射电路和接收探头、接收电路相隔一定距离分别安装在隔声体两端，用来发射和接收声波，并进行信号处理计算。由于发射探头产生的声波除了沿井壁传播之外，还会通过钻铤到达接收探头，该钻铤模式波的幅度较大，会淹没沿井壁传播到接收探头的滑行波，严重干扰地层声波速度的测量，因此需要在发射探头和接收探头之间的钻铤上刻有凹槽，对钻铤模式波的幅度进行衰减。

当仪器放置于充液井筒内时，发射电路为发射探头提供激励信号，使其发出声波，声波经过井内液体后，沿井壁传播折射后到达接收探头，在声波传播过程中，产生纵波、横波、斯通利波等，这些波的传播速度不同，它们分别按时间顺序先后到达接收探头。接收电路对接收到的信号进行放大、滤波、采集，根据该不同成分的声波分别到达不同接收探头的时间差以及各个接收探头之间的距离，通过多个接收探头所接收到的阵列信号数据处理，利用STC算法处理，计算出地层的纵波、横波、斯通利波等声波速度。

在现有的随钻声波仪器中，通常采用一体化钻铤结构，发射探头、接收探头、隔声体、发射电路和接收电路全部加工安装在一根钻铤上。为了使接收信号中的纵波、横波、斯通利波尽可能在时间上分离，从而提高接收电路利用STC算法计算不同声波速度的精度，通常使发射探头和接收探头之间相隔较远，可达6米以上。另外，随钻声波仪器通常采用阵列发射和接收，多个发射探头、接收探头以及配套复杂的发射电路和接收电路，使得仪器发射部分和接收部分的长度分别可达2米，从而使仪器的总长度在7米以上。仪器井下工作时，通常需要承受强烈的振动、冲击和较大的扭矩，如果仪器整体长度较长，则其整体强度下降，容易发生变形，造成仪器故障，可靠性下降。另外，整根钻铤加工的精度控制要求高，加工难度增大。

发明内容

本发明的目的是为避免一体化随钻声波仪器总体长度较长，机械强度降低，受井下工作时的振动、冲击和扭矩变化影响较大等问题，提供一种随钻声波测井装置，通过采用分体式结构，提高仪器的可靠性，并降低加工难度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种随钻声波测井装置包括发射短节、接收短节、隔声体短节。

发射短节安装至少一组发射换能器、发射电路模块，发射换能器的引线与发射电路模块相连。

接收短节安装至少4组接收换能器、接收电路模块，接收换能器的引线与接收电路模块相连。

隔声体短节的内、外表面加工非周期性排列的圆环形凹槽，隔声体短节通过丝扣分别与发射短节和接收短节连接在一起；发射电路模块与接收电路模块之间连接有信号线，信号线分别跨越各自短节与隔声体的丝扣连接处。

发射短节及接收短节与隔声体短节相连的一端以及隔声体短节两端均加工有跨短节连线仓和滑环连接器。

隔声体短节内居中安装过线管，过线管内部为发射电路模块和接收电路模块之间的信号连接线。

导引套固定在隔声体短节两端，过线管两端安装有密封圈，插入导引套内，并与导引套中部的径向通孔和隔声体两端的跨短节连线仓相通，跨短节连线仓内部加工有过线孔通向滑环连接器，过线管内部的信号线与滑环连接器相连。

当所述三个短节通过丝扣连接时，滑环连接器之间相互导通。

发射换能器和接收换能器可以是单极子换能器，也可以是多极子换能器。

本发明所述的测井装置具有的有益效果是：本发明采用分体式结构，仪器分为发射器、接收器和隔声体等3个独立短节，通过连接组合为仪器整体，能够承受井下工作时的振动、冲击和扭矩变化，提高仪器的可靠性，可根据应用需要，增减每个短节的长度，降低加工难度。

附图说明

图1为随钻声波测井装置示意图；

图2为换能器组件局部剖面示意图；

图3为隔声体短节的过线结构示意图；

图4为滑环连接器剖面示意图。

其中：1为发射短节，2为接收短节，3为隔声体短节，4为发射换能器，5为发射电路模块，6为发射电路盖板，7为发射端连线仓，8为接收换能器，9为接收电路模块，10为接收电路盖板，11为接收端连线仓，12为跨短节连线仓，13为压电陶瓷片，14为环氧树脂基板，15耐高温橡胶，16为过线管，17为隔声橡胶圈，18为扶正器，19为导引套，20为滑环连接器，21为非金属环，22为金属滑环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括具有空心圆柱体形状的发射短节1、接收短节2、隔声体短节3，隔声体短节3位于发射短节1和接收短节2之间，三个短节之间通过丝扣连接在一起。

发射短节1为一个2～3米的短钻铤，两端分别加工有公、母丝扣，发射短节1上分别安装至少一组发射换能器4组件、发射电路模块5、发射端连线仓7。发射换能器4由多个圆弧状的声波发射模块组成，在图2所示的实施例中，发射换能器4由两个半圆形声波发射模块组成，每个声波发射模块内包括至少1个耐高温发射型压电陶瓷片13，利用环氧树脂基板14和耐高温橡胶15硫化成型，每个压电陶瓷片13有两根引线从模块中引出，与发射电路模块5相连。发射换能器4可以是单极子换能器，也可以是多极子换能器，以适应软、硬地层的纵波和横波测量。声波发射模块的半径与发射端钻铤的外径相同，厚度为15～30mm，宽度为100～200mm。2个声波发射模块相对镶嵌安装在钻铤的外壁凹槽内，构成一组发射器。为提高声波发射能量，可安装多组发射换能器4。声波发射模块外面安装半圆形保护罩，保护罩固定在钻铤壁上，保护罩表面刻有多个回形槽。声波发射模块发出的声波通过环氧树脂基板14、耐高温橡胶15耦合，再经过保护罩表面的回形槽之后向外发射出去。在发射换能器4远离隔声体短节的一侧，加工有电路槽，发射电路模块5通过发射电路盖板6密封安装在电路槽内，声波发射模块的引线在发射端连线仓7内通过高压密封连接器与发射电路模块5相连。

接收短节2与发射短节1的结构类似，是一个2～4米的短钻铤，两端分别加工有公、母丝扣，接收短节2上分别安装接收换能器8组件、接收电路模块9、接收端连线仓11。接收换能器8同样由两个半圆形声波接收模块组成，外形和安装方式与发射换能器4相同。每个声波接收模块内包括2至10个耐高温接收型压电陶瓷片13，利用环氧树脂基板14和耐高温橡胶15硫化成型，每个压电陶瓷片13有两根引线从模块中引出。接收换能器8可以是单极子换能器，也可以是多极子换能器，以适应软、硬地层的纵波和横波测量。为提高声波接收的处理效果，接收换能器8的数量至少4组。接收电路模块安装在接收换能器8远离隔声体短节的一侧，安装方式与发射电路模块相同。接收电路模块9通过接收电路盖板10密封安装，声波接收模块的引线在接收端连线仓11内通过高压密封连接器与接收电路模块9相连。

隔声体短节3由空心圆柱形钻铤制成，两端分别加工有公、母丝扣，在钻铤外表面加工多个非周期性排列的圆环形凹槽。由于圆环形凹槽使钻铤表面发生突变，导致阻抗失配，沿钻铤传播的波发生反射和干涉使钻铤模式波被衰减，从而减小钻铤模式波的幅度。圆环形凹槽的宽度不同对钻铤模式波的隔声效果不同。当凹槽宽度为某一频率处钻铤模式波波长的1/4奇数倍时，凹槽对钻铤模式波有最大隔声量；当凹槽宽度为钻铤模式波波长的1/2偶数倍时，凹槽对钻铤模式波的隔声量最小。由于凹槽的隔声量随频率的变化而变化，因此采用宽度不同的凹槽组合或者轴向间距不等的同等宽度凹槽组合，最大限度地衰减钻铤模式波。虽然增加凹槽数量和宽度有利于减小钻铤模式波，但同时会增加钻铤长度，降低钻铤强度，因此凹槽宽度、深度和数量受到限制，具体数值由隔声体的隔声效果、所用钻铤材料、隔声体最大外径确定，为了更好地衰减钻铤模式波，隔声体长度至少大于2米。本实施例中，隔声体短节选用普通钻铤材料，长度3.6米，最大外径178mm，则凹槽宽度为10～30mm，凹槽深度为5～15mm，凹槽数量为8个，凹槽间距为60～120mm。

在随钻声波测井仪器中，发射电路和接收电路分别产生发射和接收的控制时序，接收电路还作为仪器系统控制中心，实现发射和接收信号之间的同步，因此，发射端和接收端之间需要连接有数据通信线和控制信号线。图3所示的实施例为隔声体短节3的过线结构示意图。由于钻铤隔声体刻有凹槽，因此无法在隔声体表面或其壁中加工走线孔，为实现发射端和接收端之间的贯通连线，在一体化钻铤结构的仪器中，可采用多种方式，如泥浆流道中的过线管直接将发射端和接收端连接起来，但是在本发明所述的装置中，由于存在跨短节连接的问题，因此采用过线管结合滑环连接的过线方式。

在隔声体短节3的中心孔内安装有空心圆柱形过线管16，其中部固定安装橡胶扶正器18，使过线管16居中，避免强烈震动。过线管16内部为连接发射端和接收端的耐高温信号线。过线管16两端安装有密封圈，插入导引套19内，并与导引套19中部的径向通孔相通，导引套19通过螺栓固定在隔声体短节3上，并使其通孔两端通向隔声体短节3两端的跨短节连线仓，跨短节连线仓上面安装密封盖板，其内部加工有过线孔通向短节端部的滑环连接器20，信号线与滑环连接器20相连。可采用不同方式的滑环连接器，包括钻铤丝扣滑环连接器、公母插头式中心滑环连接器。图4所示的实施例为隔声体短节的丝扣滑环连接器20剖面结构示意图。隔声体短节端部镶嵌有玻璃钢非金属环21，并在其上镶形铜金属滑环22，金属滑环22与过线管16内的导线相连。

发射短节1和接收短节2与隔声体短节3连接的端部同样加工有跨短节连线仓，且连接丝扣处安装有滑环连接器20，跨短节连线仓与发射短节1和接收短节2各自的电路槽之间均加工有细长通孔，发射电路模块5和接收电路模块9的引出线分别通过各自的跨短节连线仓到达滑环连接器20。当三个短节连接在一起时，金属滑环22之间相互接触在一起，发射电路和接收电路之间即可实现贯通连线。

Claims (2)

1.一种随钻声波测井装置，包括发射短节（1）、接收短节（2）、隔声体短节（3），发射短节（1）及接收短节（2）分别与隔声体短节（3）相连，其特征是：所述发射短节（1）、隔声体短节（3）、接收短节（2）通过丝扣依次连接并通过滑环连接器（20）相互导通；所述发射短节（1）内安装发射换能器（4）和发射电路模块（6）；所述接收短节（2）安装接收换能器（8）和接收电路模块（9）；隔声体短节（3）的内、外表面加工非周期性排列的圆环形凹槽，隔声体短节（3）内居中安装过线管（16），过线管（16）内部设有连接发射电路模块（5）和接收电路模块（9）的信号线，隔声体短节（3）两端丝扣连接处的滑环连接器（20）通过该信号线相连；还包括导引套（19），导引套（19）固定在隔声体短节（3）两端；过线管（16）两端插入导引套（19）内，过线管（16）内的信号线通过导引套（19）中部的径向通孔和隔声体短节（3）两端的滑环连接器（20）相连；所述发射短节（1）、接收短节（2）、隔声体短节（3）的丝扣连接端分别加工有跨短节连线仓（12），跨短节连线仓（12）内部加工有过线孔通向滑环连接器（20）；过线管（16）内的信号线通过导引套（19）中部的径向通孔和跨短节连线仓（12）内部的过线孔，与滑环连接器（20）相连；所述隔声体短节（3）可以多个串联；所述发射短节（1）内安装至少一组发射换能器（4）和发射电路模块（6），发射换能器（4）的引线与发射电路模块（6）相连；所述接收短节（2）安装至少4组接收换能器（8）、接收电路模块（9），接收换能器（8）的引线与接收电路模块（9）相连。

2.根据权利要求1所述的一种随钻声波测井装置，其特征是：所述发射换能器（4）和接收换能器（8）是单极子换能器或多极子换能器。