CN107762491B - 一种随钻声波测井辐射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种随钻声波测井辐射装置，属于石油天然气钻探领域。该随钻声波测井辐射装置包括钻铤骨架、发射压电振子、承压壳体和透声保护罩；所述钻铤骨架为安装支架，在其外壁上沿轴向依次开设有发射压电振子安装凹槽和承压壳体安装凹槽；所述发射压电振子沿周向镶嵌于所述发射压电振子安装凹槽内；所述承压壳体沿周向镶嵌于所述承压壳体安装凹槽内；所述透声保护罩覆盖在所述发射压电振子的外表面，并固定于所述钻铤骨架的外壁上。

Description

一种随钻声波测井辐射装置

技术领域

本发明属于石油天然气钻探领域，具体涉及一种用于随钻条件下产生多种井孔模式波的随钻声波测井辐射装置。

背景技术

受大斜度井、水平井和多分支井等复杂结构井油气勘探与开发需求的驱动，随钻声波测井技术近年来发展迅速，且有逐渐取代电缆声波测井的趋势。随钻声波测井将发射和接收换能器布置在钻铤上，在钻井过程中通过对各种井孔模式波的波速和衰减等声学信息的测量来直接获取地层参数，为油气田的勘探与开发提供重要信息。随钻声波测井在钻井的同时完成测井作业，减少了井场钻机占用时间，降低了作业成本和风险，更能及时准确地探测井眼附近地层的真实信息。

20世纪90年代，随钻声波测井首先在地层纵波的测量取得了成功。在地层纵波的随钻测井中，会激发出一种沿钻铤传播的钻铤模式波。钻铤模式波在波列中占主导地位，必须经过压制处理才能测量到地层纵波信息。出于压制或消除钻铤模式波的考虑，随钻单极子纵波测井仪器的工作频带通常大于10kHz。然而，大于10kHz的工作频率对于低频斯通利波的测量极其不利，特别是在慢速地层中，这也就限制了随钻声波测井技术的推广和应用。为了增强低频斯通利波的激发，随钻声波测井仪器增加了低频发射功能，同时增大了数据采样时间，从而可以在慢速地层中记录到低频斯通利波信息。与电缆声波测井相比，现有随钻声波测井仪器通过在厚壁钻铤上开设凹槽或槽孔来安置声源，特别是在多个不同位置布置独立的高频和低频发射器，这在很大程度上损害了钻铤的机械强度，对井下钻具组合相当不利。

为了扩大地层的测量范围，大功率宽带发射换能器的研发是随钻声波测井重要的关键技术之一，有助于获得高信噪比的声波全波列波形。尽管现有电缆声波测井中广泛使用了大功率宽带发射器，但由于结构尺寸的限制却无法直接照搬到随钻声波测井中。现有随钻声波测井发射器通常采用圆柱形或圆弧形结构，以嵌入式方式安置在钻铤中的凹槽或槽孔内，但这类发射器频带窄、电声转换效率低、辐射功率小，获得的声波波形信噪比低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种随钻声波测井辐射装置，可以在井下钻具中使用的、同时具有高频和低频单极子发射功能，通过在井下钻铤中同一位置布置该辐射装置就可在随钻条件下产生包括有滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波、斯通利波等多种井孔模式波。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种随钻声波测井辐射装置，包括钻铤骨架、发射压电振子、承压壳体和透声保护罩；

所述钻铤骨架为安装支架，在其外壁上沿轴向依次开设有发射压电振子安装凹槽和承压壳体安装凹槽；

所述发射压电振子沿周向镶嵌于所述发射压电振子安装凹槽内；

所述承压壳体沿周向镶嵌于所述承压壳体安装凹槽内；

所述透声保护罩覆盖在所述发射压电振子的外表面，并固定于所述钻铤骨架的外壁上。

所述钻铤骨架是由合金钢材料制作而成的厚壁管体，呈空心圆柱体结构；

所述承压壳体安装凹槽包括两个U型凹槽，沿周向呈180°对称分布；所述U型凹槽是在与骨架轴平面平行的平面上呈U型；

所述钻铤骨架的外壁沿着轴向设置有发射压电振子安装凹槽，所述发射压电振子安装凹槽为圆环形凹槽；

圆环形凹槽与U型凹槽之间的轴向距离为20～30mm；

所述钻铤骨架的管壁最薄处的壁厚大于12mm；

在所述钻铤骨架上设有中心孔眼、过线孔和螺纹通孔；

所述中心孔眼与钻铤骨架同轴线设置，且沿轴向贯通钻铤骨架的两个端面；当该随钻声波测井辐射装置装配于井下钻具中时，所述中心孔眼与钻铤水眼互相连通，形成了泥浆循环流动的通道；

所述过线孔位于钻铤骨架的径向管壁内，且沿轴向贯通钻铤骨架的两个端面；在钻铤骨架的管壁内沿周向呈180°对称分布两个所述过线孔；

所述螺纹通孔位于钻铤骨架的管壁内，其将钻铤骨架的U型凹槽与位于U型凹槽同侧的过线孔连通；在钻铤骨架的管壁内沿周向呈180°对称分布两个所述螺纹通孔；

所述螺纹通孔的孔径为14～18mm，两螺纹通孔中心轴线的几何中心的径向距离为115～120mm；

所述过线孔的孔径为8～10mm，两个过线孔的轴线的几何中心的径向距离为90～95mm。

所述发射压电振子呈圆弧片状结构，在其上端面的中心处浇注有定位销，该定位销与发射压电振子连成一整体；

发射压电振子的正、负电极引线穿过定位销引至其上端面的外部，正、负电极引线均为高温导线；

正、负电极引线与定位销形成无缝隙紧密粘合；

所述定位销的外壁沿周向嵌套有O型密封圈；

所述定位销的直径为20～30mm，高度为8～10mm。

在所述圆弧形凹槽中镶嵌有四片发射压电振子，相邻发射压电振子间留有空隙；

四片发射压电振子通过四片透声保护罩紧固于钻铤骨架上；

四片发射压电振子各自所占据的方位区域分别为：0～90°、90～180°、180～270°和270～360°；

每片所述发射压电振子的圆心角α为85～89°之间，高度为120～130mm，厚度为15～25mm。

所述发射压电振子包括框体承载架、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；

所述框体承载架是由聚四氟乙烯或聚醚醚酮或聚酰亚胺制作而成的圆弧形框架，沿其轴向依次设有第一和第二承载面，所述第一承载面与第一压电陶瓷片的形状对应，所述第二承载面与第二压电陶瓷片的形状对应；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别沿轴向镶嵌于框体承载架上对应的第一承载面内和第二承载面内，且与框体承载架的内侧边缘填充有高温粘结剂；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的内、外表面均镀有银层，正、负电极引线分别由镀有银层的内、外表面引出；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的银层的外部分别缠绕有玻璃纤维预应力层；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化方向相同，且以并联方式连接；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的横截面均为圆弧形，采用整块径向极化的高温发射型圆弧形压电陶瓷晶体构成，或者由多块切向极化的高温发射型梯形压电陶瓷条依次连接拼镶而成；

所述第一压电陶瓷片的高度为45～55mm，厚度为4～6mm，圆心角为60～80°；所述第二压电陶瓷片的高度为65～75mm，厚度为6～8mm，圆心角为60～80°；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的中心的轴向距离为65～75mm；

在所述框体承载架以及第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的外表面包裹有一层水密绝缘层，在所述水密绝缘层外表面又硫化有一层高温氟橡胶隔震层；

在所述圆环形凹槽底部铺设有弹性隔震垫，然后再镶嵌发射压电振子，通过弹性隔震垫将所述发射压电振子与钻铤骨架隔离。

所述承压壳体的外侧面为圆弧形面，内侧面为矩形面；

在所述承压壳体的内部设有电气接口，所述电气接口为L型连通结构，其上端面位于承压壳体的内侧面上，呈圆孔开口，该圆孔开口与钻铤骨架上的螺纹通孔连通，下端面位于承压壳体的底端面上；

在所述圆孔开口的周围的承压壳体的内侧面上设有环形沟槽，在其内设有O型密封圈，用于承压壳体与钻铤骨架的U型凹槽之间的密封；

在所述承压壳体的边缘设有多个通孔，小圆柱头螺钉穿过通孔将承压壳体紧固于钻铤骨架的U型凹槽内；

所述承压壳体由钢质材料加工制作而成，其长度为45～55mm，径向厚度为20～30mm，边缘圆心角为30～40°。

所述随钻声波测井辐射装置包括呈L型结构的电气连接器，用于连接发射压电振子与外部激励电路系统；

所述电气连接器包括设置在两端的第一密封塞和第二密封塞，以及位于第一密封塞和第二密封塞之间的高温导线；所述第一密封塞和第二密封塞上均带有O型密封圈；

所述第一密封塞位于承压壳体上的圆孔开口的外部，且位于钻铤骨架的螺纹通孔中；

所述第二密封塞还带有密封胶套，所述第二密封塞安装于承压壳体内的电气接口中；

所述高温导线位于所述电气连接器内，两端分别焊接于所述第一密封塞和第二密封塞的端面，所述第一密封塞中的插针与所述发射压电振子的正、负电极引线连接，所述第二密封塞中的插针与外部激励电路系统连接。

所述透声保护罩采用合金钢材料制作而成，在其内部设有透声窗和定位槽；

所述透声窗包括沿周向周期性排列的多个槽孔，每个槽孔沿径向贯通透声保护罩的内外壁；

在所述槽孔中浇注有一层高温耐磨透声橡胶；

所述定位槽设在透声保护罩内壁的上端，其下端的形状与发射压电振子中的定位销相对应，用于锁紧定位销，另一端与承压壳体上的电气接口的下端面连通；

在所述透声保护罩上，透声窗的数量为12～14个，相邻两个透声窗在周向上的夹角为20～30°，在轴向上的间距为6～9mm；

在所述透声保护罩的上、下两端的内壁上设有周向凸起带，其将发射压电振子紧密卡在圆环形凹槽内；

在所述透声保护罩的上、下两端均设有多个通孔，当透声保护罩覆盖于发射压电振子的外表面时，通过该通孔用沉头螺钉将透声保护罩紧固于钻铤骨架上。

所述随钻声波测井辐射装置安装在井下钻具中且距钻头20m以上的位置处，透声保护罩和发射压电振子直接与井内钻井液相接触。

所述第一压电陶瓷片以低阶径向振动模式工作，发射低频声波信号，工作频率为4～10kHz；

所述第二压电陶瓷片以高阶弯曲振动模式工作，发射高频声波信号，工作频率为10～16kHz；

所述随钻声波测井辐射装置有两种发射模式：

高频单极发射模式：所有发射压电振子同相位工作，以高压矩形窄脉冲激励所述随钻声波测井辐射装置，这时第二陶瓷片以谐振方式发射高频信号，而第一陶瓷片以非谐振方式发射高频信号，这样既能向外发射高频单极子声波信号，又能抑制部分低频信号；所述高压矩形窄脉冲的脉宽为30～50μs；

低频单极发射模式：所有发射压电振子同相位工作，以高压矩形宽脉冲激励所述随钻声波测井辐射装置，这时第一陶瓷片以谐振方式发射低频信号，而第二陶瓷片以非谐振方式发射低频信号，这样既能向外发射低频单极子声波信号，又能抑制部分高频信号；所述高压矩形宽脉冲的脉宽为50～125μs。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)以阵列式结构和多模耦合振动方式来提高发射功率和拓展工作带宽，从而成为在随钻声波测井作业中可以同时具有高频和低频单极子发射功能的大功率宽带随钻声波测井辐射装置，并可以利用本发明在井下钻铤中同一个位置布置该辐射装置来优化仪器结构，缩短仪器长度，降低仪器成本，增强钻铤机械强度；

(2)通过对辐射装置发射功率的提高和带宽的拓展来提高井孔模式波的激发能量，从根本上改善地层有用信号的信噪比，以扩大快、慢地层的测量范围。

附图说明

图1是本发明随钻声波测井辐射装置的示意图。

图2是本发明随钻声波测井辐射装置的钻铤骨架的示意图。

图3是本发明随钻声波测井辐射装置的发射压电振子的示意图。

图4是本发明随钻声波测井辐射装置的发射压电振子的内部结构示意图。

图5是本发明随钻声波测井辐射装置的透声保护罩的示意图。

图6是本发明随钻声波测井辐射装置的承压壳体的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明装置以阵列式结构和多模耦合振动方式来提高发射功率和拓展工作频带，从而成为在随钻声波测井作业中可以同时具有高频和低频单极子发射功能的大功率宽带声波辐射器，并可以利用本发明在井下钻铤中同一个位置布置该辐射装置来优化仪器结构，缩短仪器长度，降低仪器成本，增强钻铤机械强度，以及扩大快、慢地层的测量范围。在井下钻铤中同一位置布置大功率宽带声波辐射器就可同时实现高频和低频单极子辐射功能，从而可获得高信噪比的快地层纵波、横波和斯通利波波形，以及慢地层纵波和斯通利波波形。

本发明适用于随钻声波测井作业施工的情况，不同于电缆声波测井，声波辐射装置仅需要布置在井下钻铤中的同一位置，并且基本不影响钻铤的机械强度和其它功能。本发明的随钻声波测井辐射装置以阵列式结构和多模耦合振动方式实现了大功率宽带声波辐射器，同时具有高频和低频单极子辐射功能，可以在钻井过程中获得高信噪比的快地层纵波、横波和斯通利波波形，以及慢地层纵波和斯通利波波形。

所述辐射装置包括钻铤骨架，以及镶嵌于其外壁的发射压电振子、透声保护罩和镶嵌于钻铤骨架外壁内的承压壳体。

图1是本发明随钻声波测井辐射装置的示意图。如图1所示，本发明的随钻声波测井辐射装置具体包括：钻铤骨架1、四片发射压电振子2、四片透声保护罩3和两个承压壳体4。本发明的随钻声波测井辐射装置以钻铤骨架1为安装支架，四片发射压电振子2和两个承压壳体4分别沿周向镶嵌于钻铤骨架1的外壁内，四片透声保护罩3对应覆盖在四片发射压电振子2的外表面，且用沉头螺钉12紧固于钻铤骨架1的外壁上。

图2是本发明随钻声波测井辐射装置的钻铤骨架的示意图。如图2所示，钻铤骨架1是由合金钢材料制作而成的厚壁管体，呈空心圆柱体结构。钻铤骨架1的外壁沿着轴向预置有圆环形凹槽7和U型凹槽8(与骨架轴平面平行的平面上呈U型)，圆环形凹槽与U型凹槽轴向距离为20～30mm；圆环形凹槽7用作为四片发射压电振子2的容置空间，其几何尺寸由发射压电振子2的内外半径、径向厚度和轴向高度等几何参数确定；U型凹槽沿周向呈180°对称分布两个，作为两个承压壳体4的容置空间，U型凹槽的几何尺寸由承压壳体4的长度、宽度和厚度等几何参数确定。由于钻铤骨架1上开设有多段凹槽，使得其管壁的壁厚变薄，为满足井下钻铤机械强度的要求，钻铤骨架最薄的壁厚一般大于12mm。

钻铤骨架1内部构造有中心孔眼9、螺纹通孔10和过线孔11。中心孔眼9位于钻铤骨架1的轴心，且沿着轴线贯通钻铤骨架1的两端面；当辐射装置装配于井下钻具中，中心孔眼1与钻铤水眼互相连通，形成了泥浆循环流动的通道；螺纹通孔10位于钻铤骨架1的径向管壁内，沿周向呈180°对称分布两个，且贯穿钻铤骨架1的U型凹槽7和过线孔11，用于安装电气连接器5一端的密封塞5A。过线孔11位于钻铤骨架1的径向管壁内，沿周向呈180°对称分布两个，且沿着轴向贯通钻铤骨架1的两端面，作为连接电气连接器5一端的密封塞5A与外部激励电路系统的高温导线14的容置空间。螺纹通孔的孔径14～18mm，两螺纹通孔几何中心(螺纹通孔的轴线上的中心点，即几何中心)的径向距离115～120mm。过线孔的孔径8～10mm，两过线孔中心的径向距离90～95mm。

图3是本发明随钻声波测井辐射装置的发射压电振子的示意图，其用于电声转换且发射高频和低频声波脉冲信号。如图3所示，发射压电振子2呈圆弧片状结构，并且，在其上端面的中心处浇注有小圆柱定位销2A，与发射压电振子2联成一整体。发射压电振子2的正、负电极引线2B穿过小圆柱定位销2A引至其上端面的外部，引线均为高温导线。正、负电极引线2B与小圆柱定位销2A形成无缝隙紧密粘合，保证了发射压电振子2的严格密封、绝缘。小圆柱定位销2A的外壁沿周向嵌套有O型密封圈2C以防止井内钻井液的流入电气接口中。定位销可以是钢质材料或高温工程塑料制作而成的小圆柱体，也可以是钢质材料或高温工程塑料制作而成的小椭圆柱体或其他形状的结构。小圆柱定位销2A的直径20～30mm，高度8～10mm。

结合图1和图3，优选四片发射压电振子2镶嵌于钻铤骨架1外壁的圆环形凹槽7内，相邻压电振子间留有空隙以避免振动相互耦合，用于电声转换且发射高频和低频声波脉冲信号。四片发射压电振子2通过外覆盖四片透声保护罩3来紧固于钻铤骨架1中，以及通过小圆柱定位销2A来限定各自的方位区域。四片发射压电振子2各自所占据的方位区域分别为：0～90°、90～180°、180～270°和270～360°。发射压电振子2近似1/4圆弧片状结构，圆心角α略小于90°，其值在85～89°之间，高度120～130mm，厚度15～25mm，内外半径r和R由钻铤的规格确定。

图4是本发明随钻声波测井辐射装置的发射压电振子的内部结构示意图。如图4所示，发射压电振子2具体由框体承载架2D、第一压电陶瓷片2E、第二压电陶瓷片2F以及若干用于保护、密封、绝缘和减震的包裹层结构(图中未标注)组成。其中，框体承载架2D是由聚四氟乙烯或聚醚醚酮或聚酰亚胺制作而成的圆弧形框架，并且，沿其轴向预设有第一和第二承载面，第一承载面与第一压电陶瓷片2E形状对应，第二承载面与第二压电陶瓷片2F形状对应。第一和第二压电陶瓷片2E、2F分别沿轴向镶嵌于框体承载架2D对应的第一和第二承载面内，且与框体承载架2D内侧边缘填充有高温粘结剂紧密接合。第一和第二压电陶瓷片2E、2F外层分别缠绕有玻璃纤维预应力层，这样确保了压电陶瓷片具有安全可靠的性能。第一和第二压电陶瓷片2E、2F的内、外表面镀有银层，正、负电极引线2B由镀有银层的内、外表面引出。第一和第二压电陶瓷片2E、2F极化方向相同，以并联方式连接，这样增大了发射压电振子的电容量，有利于吸收较大电能量，从而提高了发射功率。第一压电陶瓷片2E以低阶径向振动模式工作，发射低频声波信号，工作频率4～10kHz；第二压电陶瓷片2F以高阶弯曲振动模式工作，发射高频声波信号，工作频率10～16kHz。将第一压和第二电陶瓷片组合并采用不同的激励措施就可形成两种发射模式。高频单极发射模式，所有发射压电振子同相位工作，以高压窄脉冲激励，这样第二陶瓷片以谐振方式发射高频信号，而第一陶瓷片以非谐振方式发射高频信号，同时抑制了第一陶瓷片的低频信号；低频单极发射模式，所有发射振子同相位工作，以高压矩形宽脉冲激励，这样第一陶瓷片以谐振方式发射低频信号，而第二陶瓷片以非谐振方式发射低频信号，同时抑制了第二陶瓷片的高频信号。第一和第二压电陶瓷片2E、2F的工作频率首尾相连，从而有效地拓宽了发射压电振子的工作频带。第一和第二压电陶瓷片2E、2F的横截面为圆弧形，既可以选择整块径向极化的高温发射型圆弧形压电陶瓷晶体，也可以由切向极化的高温发射型梯形压电陶瓷条依次连接拼镶而成。优化压电陶瓷片的结构参数，使不同谐振频率，不同带宽的振动模态加以组合且相邻振动模态的振动同相位叠加，可实现本发明辐射装置的工作宽带进一步拓宽。第一压电陶瓷片2E的高度45～55mm，厚度4～6mm，圆心角60～80°。第二压电陶瓷片2F的高度65～75mm，厚度6～8mm，圆心角60～80°。第一和第二压电陶瓷片2E、2F中心的轴向距离为65～75mm。

结合图3和图4，框体承载2D以及第一和第二压电陶瓷片2E、2F的外表面灌封有环氧树脂密封胶，形成了一层含有防水性能的水密绝缘层，以改善发射压电振子密封、绝缘性能。水密绝缘层外表面又硫化有一层高温氟橡胶隔震层，以提高发射压电振子的抗震性能。结合图1和图3，发射压电振子2由氟橡胶等弹性隔震垫与钻铤骨架1隔离，从结构上解除发射压电振子2与钻铤骨架1间的能量耦合。发射压电振子1以阵列式结构排列，以多模耦合振动方式工作，从而可以提高辐射装置的发射功率，以及拓宽工作频带。

图5是本发明随钻声波测井辐射装置的透声保护罩的前视图，其覆盖于所述发射压电振子的外表面，用于将发射压电振子紧固于所述钻铤骨架中以及声波能量透声耦合，同时有利于减弱井内泥浆循环流动对发射压电振子表面的冲蚀。透声保护罩3由合金钢材料制作而成，其形状与发射压电振子2相似。结合图1和图5，透声保护罩3内部构造有透声窗3A和定位槽3B。透声窗3A由多个槽孔沿着周向周期性排列而成，且沿径向贯穿保护罩的内外壁，槽孔的横截面既可以是圆形或椭圆形或矩形，也可以是它们的组合，最大程度地允许发射压电振子向外辐射声波信号。当辐射装置位于充液井孔内，透声窗3A中槽孔内部充满井内钻井液，或者槽孔内部也可以浇注一层高温耐磨透声橡胶(在槽孔中浇注一层橡胶)。定位槽3B预设于透声保护罩3内壁上端，其形状与发射压电振子中的小圆柱定位销2A相对应，用于锁紧小圆柱定位销2A，进一步，限定了发射压电振子2各自的方位区域，以及阻挡了井内钻井液流入电气接口。一个透声保护罩3内，透声窗3A布置的数量12～14个，相邻透声窗周向夹角20～30°，轴向间距6～9mm。

透声保护罩3在其上、下两端构造有两段周向凸起带3C以及多个通孔3D(上、下均设通孔，且通过沉头螺钉固定)。当透声保护罩3覆盖于发射压电振子2的外表面时，通过通孔用沉头螺钉12将透声保护罩3紧固于钻铤骨架上，同时上、下端周向凸起带3C紧紧卡死发射压电振子2，使发射压电振子2紧密嵌入于圆环形凹槽7内。透声保护罩具有良好的透声和耐磨性能，既能够允许发射压电振子向外辐射声波信号，又能够减弱井内泥浆循环流动对发射压电振子表面的冲蚀。

在随钻声波测井施工作业中，辐射装置安装在井下钻具中且距钻头20m以上的位置，透声保护罩3和发射压电振子2直接与井内钻井液相接触，有利于辐射声波能量最大程度地透射入井外地层中。

图6是本发明随钻声波测井辐射装置的承压壳体的示意图。结合图1和图6，承压壳体4镶嵌于钻铤骨架1的U型凹槽8内，用于容置连接发射压电振子的电气连接器，与U型凹槽形状相对应。承压壳体4的外侧面为圆弧形，而其内侧面为矩形面。承压壳体4内部构造有电气接口4A。电气接口4A呈L型连通结构，从一端面转弯贯穿至内侧面，这样导致了在其内侧面形成了圆孔开口4B。同时，在圆孔开口4B的周围布置有环形沟槽4C。电气接口4A用于安装电气连接器5。电气连接器5呈L型结构，用于连接发射压电振子2与外部激励电路系统。电气连接器5包括预设在两端的第一和第二密封塞5A、5B，以及位于密封塞之间的高温导线5C。其中，第二密封塞5B带有密封胶套5D。第一密封塞5A位于圆孔开口4B外部，并且，安装于钻铤骨架1的螺纹通孔10中。第二密封塞5B安装于承压壳体4内的电气接口4A中。承压壳体4的边缘布置了多个通孔4D，小圆柱头螺钉13穿过通孔4D将承压壳体4紧固于钻铤骨架的U型凹槽8。当辐射装置位于充液井孔内，承压壳体4的外侧面外露，且与井内钻井液接触，承压壳体4的内侧面与钻铤骨架1的U型凹槽8的紧密接触。电气连接器5的两端密封塞均带有O型密封圈，同时承压壳体4与钻铤骨架的U型凹槽8间设有O型密封圈，形成了三级密封结构，有效地隔离井内钻井液。承压壳体4由钢质材料加工制作而成，承压壳体4的长度45～55mm，径向厚度20～30mm，边缘圆心角30～40°(指4外侧圆弧面周向两边缘的夹角，简称为边缘圆心角)。

本发明所述的辐射装置可以以下列两种发射模式进行工作：

高频单极发射模式：优选四个发射压电振子，所有发射压电振子同相位工作，高压矩形窄脉冲(脉宽30～50μs)激励所述辐射装置，既能向外发射高频单极子声波信号，又能抑制部分低频信号。

低频单极发射模式：优选四个发射压电振子，所有发射压电振子同相位工作，高压矩形宽脉冲(脉宽50～125μs)激励所述辐射装置，既能向外发射低频单极子声波信号，又能抑制部分高频信号。

本发明的辐射装置提高了发射功率和拓宽了工作频带，具有高频和低频单极子发射功能。在井下钻铤中同一位置布置该辐射装置，随钻声波测井施工作业中，高频单极发射模式可用于快地层随钻单极子声波测井，能够获得高信噪比的纵波、横波和斯通利波波形；低频单极发射模式可用于慢地层随钻单极子声波测井，能够获得高信噪比的纵波和斯通利波波形。

随钻声波测井技术是目前急需研发的高端、先进测井技术。本发明随钻声波测井辐射装置适用于新一代随钻声波测井仪器研制，在海上和陆地油气市场都有巨大应用前景。而且，本发明装置技术思路具有可行性，可实现系列产品产业化生产，这将直接改变中国目前此类装置全部依赖进口的现状，产生巨大的经济效益。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述随钻声波测井辐射装置包括钻铤骨架、发射压电振子、承压壳体和透声保护罩；

所述钻铤骨架为安装支架，在其外壁上沿轴向依次开设有发射压电振子安装凹槽和承压壳体安装凹槽；

所述发射压电振子沿周向镶嵌于所述发射压电振子安装凹槽内；

所述承压壳体沿周向镶嵌于所述承压壳体安装凹槽内；

所述透声保护罩覆盖在所述发射压电振子的外表面，并固定于所述钻铤骨架的外壁上；

所述发射压电振子包括框体承载架、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别沿轴向镶嵌于框体承载架上；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化方向相同，且以并联方式连接；

所述第一压电陶瓷片以低阶径向振动模式工作，发射低频声波信号，工作频率4～10kHz；所述第二压电陶瓷片以高阶弯曲振动模式工作，发射高频声波信号，工作频率10～16kHz。

2.根据权利要求1所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述钻铤骨架是由合金钢材料制作而成的厚壁管体，呈空心圆柱体结构；

所述承压壳体安装凹槽包括两个U型凹槽，沿周向呈180°对称分布；所述U型凹槽是在与骨架轴平面平行的平面上呈U型；

所述钻铤骨架的外壁沿着轴向设置有发射压电振子安装凹槽，所述发射压电振子安装凹槽为圆环形凹槽；

圆环形凹槽与U型凹槽之间的轴向距离为20～30mm；

所述钻铤骨架的管壁最薄处的壁厚大于12mm；

在所述钻铤骨架上设有中心孔眼、过线孔和螺纹通孔；

所述中心孔眼与钻铤骨架同轴线设置，且沿轴向贯通钻铤骨架的两个端面；当该随钻声波测井辐射装置装配于井下钻具中时，所述中心孔眼与钻铤水眼互相连通，形成了泥浆循环流动的通道；

所述过线孔位于钻铤骨架的径向管壁内，且沿轴向贯通钻铤骨架的两个端面；在钻铤骨架的管壁内沿周向呈180°对称分布两个所述过线孔；

所述螺纹通孔位于钻铤骨架的管壁内，其将钻铤骨架的U型凹槽与位于U型凹槽同侧的过线孔连通；在钻铤骨架的管壁内沿周向呈180°对称分布两个所述螺纹通孔；

所述螺纹通孔的孔径为14～18mm，两螺纹通孔中心轴线的几何中心的径向距离为115～120mm；

所述过线孔的孔径为8～10mm，两个过线孔的轴线的几何中心的径向距离为90～95mm。

3.根据权利要求2所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述发射压电振子呈圆弧片状结构，在其上端面的中心处浇注有定位销，该定位销与发射压电振子连成一整体；

发射压电振子的正、负电极引线穿过定位销引至其上端面的外部，正、负电极引线均为高温导线；

正、负电极引线与定位销形成无缝隙紧密粘合；

所述定位销的外壁沿周向嵌套有O型密封圈；

所述定位销的直径为20～30mm，高度为8～10mm。

4.根据权利要求3所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：在所述圆环形凹槽中镶嵌有四片发射压电振子，相邻发射压电振子间留有空隙；

四片发射压电振子通过四片透声保护罩紧固于钻铤骨架上；

四片发射压电振子各自所占据的方位区域分别为：0～90°、90～180°、180～270°和270～360°；

每片所述发射压电振子的圆心角α为85～89°之间，高度为120～130mm，厚度为15～25mm。

5.根据权利要求4所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：

所述框体承载架是由聚四氟乙烯或聚醚醚酮或聚酰亚胺制作而成的圆弧形框架，沿其轴向依次设有第一承载面和第二承载面，所述第一承载面与第一压电陶瓷片的形状对应，所述第二承载面与第二压电陶瓷片的形状对应；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别沿轴向镶嵌于框体承载架上对应的第一承载面内和第二承载面内，且与框体承载架的内侧边缘填充有高温粘结剂；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的内、外表面均镀有银层，正、负电极引线分别由镀有银层的内、外表面引出；所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的银层的外部分别缠绕有玻璃纤维预应力层；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的横截面均为圆弧形，采用整块径向极化的高温发射型圆弧形压电陶瓷晶体构成，或者由多块切向极化的高温发射型梯形压电陶瓷条依次连接拼镶而成；

所述第一压电陶瓷片的高度为45～55mm，厚度为4～6mm，圆心角为60～80°；所述第二压电陶瓷片的高度为65～75mm，厚度为6～8mm，圆心角为60～80°；

所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的中心的轴向距离为65～75mm；

在所述框体承载架以及第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的外表面包裹有一层水密绝缘层，在所述水密绝缘层外表面又硫化有一层高温氟橡胶隔震层；

在所述圆环形凹槽底部铺设有弹性隔震垫，然后再镶嵌发射压电振子。

6.根据权利要求5所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述承压壳体的外侧面为圆弧形面，内侧面为矩形面；

在所述承压壳体的内部设有电气接口，所述电气接口为L型连通结构，其上端面位于承压壳体的内侧面上，呈圆孔开口，该圆孔开口与钻铤骨架上的螺纹通孔连通，下端面位于承压壳体的底端面上；

在所述圆孔开口的周围的承压壳体的内侧面上设有环形沟槽，在其内设有O型密封圈，用于承压壳体与钻铤骨架的U型凹槽之间的密封；

在所述承压壳体的边缘设有多个通孔，小圆柱头螺钉穿过通孔将承压壳体紧固于钻铤骨架的U型凹槽内；

所述承压壳体由钢质材料加工制作而成，其长度为45～55mm，径向厚度为20～30mm，边缘圆心角为30～40°。

7.根据权利要求6所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述随钻声波测井辐射装置包括呈L型结构的电气连接器，用于连接发射压电振子与外部激励电路系统；

所述电气连接器包括设置在两端的第一密封塞和第二密封塞，以及位于第一密封塞和第二密封塞之间的高温导线；所述第一密封塞和第二密封塞上均带有O型密封圈；

所述第一密封塞位于承压壳体上的圆孔开口的外部，且位于钻铤骨架的螺纹通孔中；

所述第二密封塞还带有密封胶套，所述第二密封塞安装于承压壳体内的电气接口中；

所述高温导线位于所述电气连接器内，两端分别焊接于所述第一密封塞和第二密封塞的端面，所述第一密封塞中的插针与所述发射压电振子的正、负电极引线连接，所述第二密封塞中的插针与外部激励电路系统连接。

8.根据权利要求7所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述透声保护罩采用合金钢材料制作而成，在其内部设有透声窗和定位槽；

所述透声窗包括沿周向周期性排列的多个槽孔，每个槽孔沿径向贯通透声保护罩的内外壁；

在所述槽孔中浇注有一层高温耐磨透声橡胶；

所述定位槽设在透声保护罩内壁的上端，其下端的形状与发射压电振子中的定位销相对应，用于锁紧定位销，另一端与承压壳体上的电气接口的下端面连通；

在所述透声保护罩上，透声窗的数量为12～14个，相邻两个透声窗在周向上的夹角为20～30°，在轴向上的间距为6～9mm；

在所述透声保护罩的上、下两端的内壁上设有周向凸起带，其将发射压电振子紧密卡在圆环形凹槽内；

在所述透声保护罩的上、下两端均设有多个通孔，当透声保护罩覆盖于发射压电振子的外表面时，通过该通孔用沉头螺钉将透声保护罩紧固于钻铤骨架上。

9.根据权利要求8所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：所述随钻声波测井辐射装置安装在井下钻具中且距钻头20m以上的位置处，透声保护罩和发射压电振子直接与井内钻井液相接触。

10.根据权利要求9所述的随钻声波测井辐射装置，其特征在于：

所述随钻声波测井辐射装置有两种发射模式：

高频单极发射模式：所有发射压电振子同相位工作，以高压矩形窄脉冲激励所述随钻声波测井辐射装置，这时第二陶瓷片以谐振方式发射高频信号，而第一陶瓷片以非谐振方式发射高频信号，这样既能向外发射高频单极子声波信号，又能抑制部分低频信号；所述高压矩形窄脉冲的脉宽为30～50μs；

低频单极发射模式：所有发射压电振子同相位工作，以高压矩形宽脉冲激励所述随钻声波测井辐射装置，这时第一陶瓷片以谐振方式发射低频信号，而第二陶瓷片以非谐振方式发射低频信号，这样既能向外发射低频单极子声波信号，又能抑制部分高频信号；所述高压矩形宽脉冲的脉宽为50～125μs。

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