CN108571317A - 一种随钻测井井径测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种随钻测井井径测量系统，其包括：至少三个超声相控阵探头，超声相控阵探头安装在钻铤的外壁上，其中，超声相控阵探头包含多个弧形排布的超声探头元，其中，处于中间位置的超声探头元的表面与钻铤外壁平行；数据处理电路，其与各个超声相控阵探头连接，用于根据各个超声相控阵探头传输来的测量信号确定随钻测井的井径。本系统利用超声相控阵技术，在钻井过程中可以进行井径测量，该系统能够有效降低由于仪器倾斜、井壁凹凸不平等原因造成的测量数据错误或者缺失带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种随钻测井井径测量系统。
背景技术
在随钻测井诸多测量参数中，井径信息是一个重要的决策参数。井径参数不仅能够直观形象的反映井壁稳定性，例如钻井过程中经常出现的缩径、坍塌卡钻和井眼扩大等状况，而且还能辅助中子和电阻率测井校正，估算固井所需水泥浆量，定位石油开采过程中裂缝的位置。现有的井径测量方式主要有机械臂测量和非接触式测量两种方法，其中非接触式测量又包括磁法检测和超声检测，而磁法检测多用于套损的检测。
目前，利用超声反射法检测井壁信息是一项成熟的技术，由此延伸出了超声成像测井和井下电视技术。如图1所示，随钻超声井径测量是把单个或2个超声换能器101安装在钻铤短节100上，超声换能器101能够发射500kHz的超声脉冲，超声脉冲通过钻井液103达到井壁102并被井壁102所反射，超声换能器101能够接收来自井壁102反射回的超声波。通过检测超声回波时差和井内泥浆声速，也就能够获取超声换能器到井壁的距离，这种测量方法易受仪器偏心的影响，测量精度较低。后来采用如图2所示的钻铤上布置3个超声换能器的方式，这种方式可以解决仪器偏心对测量结果的影响，实现了高精度、偏心修正的随钻井径测量。
但是，无论采用单个、2个还是3个超声换能器的测量方式，均存在由于仪器倾斜或者井壁凹凸不平，超声换能器接收不到来自井壁反射回的超声波，从而造成井径测量数据不准或者数据缺失。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种随钻测井井径测量系统，所述系统包括：
钻铤；
至少三个超声相控阵探头，所述超声相控阵探头安装在所述钻铤的外壁上，其中，所述超声相控阵探头包含多个弧形排布的超声探头元，其中，处于中间位置的超声探头元的表面与所述钻铤外壁平行。
根据本发明的一个实施例，所述超声相控阵探头还包括：
超声波激发电路，其包括多个激发脉冲通道，所述多个激发脉冲通道与所述多个超声探头元一一对应连接以用于激发对应的超声探头元发射相应的超声波。
根据本发明的一个实施例，所述超声波激发电路按照所述超声探头元的排布顺序依次激发各个超声探头元。
根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：
数据处理电路，其与各个超声相控阵探头连接，用于根据各个超声相控阵探头传输来的测量信号确定随钻测井的井径。
根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路配置为先检测超声相控阵探头中心位置处的超声探头元的反馈信号，其中，
如果中心位置处的超声探头元存在反馈信号，则将所述中心位置处的超声探头元所发出的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号；
如果中心位置处的超声探头元没有反馈信号，则将需要检测的超声探头元逐次向两侧径向扩散直至检测到反馈信号，将检测到的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号。
根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路包括：
测距数据生成模块，其与各个超声相控阵探头连接，用于根据所述超声相控阵探头传输来的测量信号生成对应于该超声相控阵探头的测距数据；
测距数据校正模块，其与所述测距数据生成模块连接，用于根据各个超声相控阵探头的测距数据生成对应的等效中心数据；
井径确定模块，其与所述测距数据校正模块连接，用于根据各个超声相控阵探头的等效中心数据生成随钻测井的井径数据。
根据本发明的一个实施例，所述测距数据校正模块根据如下表达式计算超声相控阵探头的等效中心数据：
其中，rc表示超声相控阵探头的等效中心数据，d(n+1)/2表示处于中间位置的超声探头元N(n+1)/2的中心点到钻铤外表面的距离，dj表示生成反馈信号的超声探头元Nj的中心点到钻铤外表面的距离，rj表示超声探头元Nj的测距数据，θ表示超声探头元Nj与超声探头元N(n+1)/2的内部弧度夹角，n表示超声相控阵探头所包含的超声探头元的总数。
根据本发明的一个实施例，所述数据处理电路基于三个超声相控阵探头的三角关系和各自对应的等效中心数据生成所述井径数据。
根据本发明的一个实施例，所述多个超声相控阵探头等角距圆周分布。
本发明所提供的随钻测井的井径测量系统利用超声相控阵技术，在钻井过程中可以进行井径测量，该系统能够有效降低由于仪器倾斜、井壁凹凸不平等原因造成的测量数据错误或者缺失带来的影响。该系统还可以应用于超声井壁成像等领域，有助于提高测量数据准确性和完整性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1和图2是现有的超声井径测量装置的实现原理示意图；
图3是根据本发明一个实施例的随钻测井井径测量系统的电路结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的超声相控阵井径测量系统示意图；
图5是根据本发明一个实施例的超声相控阵探头测距校正的原理示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的随钻测井井径测量系统，该系统采用超声相控阵探头来发射和接收声波信号，并根据上述声波信号来计算随钻测井的井径。
图3示出了本实施例所提供的随钻测井井径测量系统的电路结构示意图。
如图3所示，本实施例所提供的井径测量系统优选地包括至少三个超声相控阵探头301以及数据处理电路302。其中，如图4所示，本实施例中，这些超声相控阵探头301分别安装在钻铤100的外壁上。各个超声相控阵探头301的结构类似，其优选地均包括多个弧形排布的超声探头元303(即超声探头元N1、超声探头元N2、……、超声探头元Nn)，处于中间位置的超声探头元的表面与钻铤100的外壁平行。其中，n优选地配置为奇数，这样位于超声探头元N(n+1)/2两侧的超声探头元便相对于超声探头元N(n+1)/2对称排布。
本实施例中，上述多个超声相控阵探头优选地等角距圆周分布。例如，如果该井径测量系统中包含了三个超声相控阵探头301，那么这三个超声相控阵探头301中相邻探头之间的夹角将为120°。当然，在本发明的其他实施例中，上述多个超声相控阵探头还可以采用其他合理的分布形式，本发明不限于此。
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，各个超声相控阵探头301所包含的超声探头元的数量可以根据实际需要以及场景配置为不同的合理值(即n可以取不同的合理值)，本发明不限于此。
为了使得各个超声探头元能够发射超声波，本实施例中，各个超声相控阵探头301还分别包括有超声波激发电路。其中，超声相控阵探头301所包含的超声波激发电路包含有多个激发脉冲通道，这些激发脉冲通道与该超声相控阵探头301中的各个超声探头元303连接，这样各个超声探头元303也就可以在对应的激发脉冲通道的激发下发射出超声波。
本实施例中，超声相控阵探头301中的超声波激发电路优选地按照超声探头元303的排布顺序来依次激发各个超声探头元303。具体地，如图4所示，本实施例中，各个超声探头元303的电路激发时刻(即超声探头元N1、超声探头元N2、……、超声探头元Nn的激发时刻分别为t1、t2、……、tn)是不同的，超声相控阵探头301中的超声波激发电路优选地按照编号顺序从1到n依次激发超声探头元303。其中，相邻超声探头元之间的激发的时延为Δt。本实施例中，时延Δt的具体取值优选地为50μs。当然，在本发明的其他实施例中，上述时延Δt的具体取值还可以根据实际需要配置为其他合理值，本发明不限于此。
再次如图3所示，数据处理电路302与各个超声相控阵探头301连接，其能够根据各个相控阵探头301所传输来的测量信号确定随钻测井的井径。
具体地，本实施例中，数据处理电路302优选地包括：测距数据生成模块302a、测距数据校正模块302b以及井径确定模块302c。其中，测距数据生成模块302a与各个超声相控阵探头301中的各个超声探头元303连接，其能够接收各个超声探头元303所传输来的反馈信号。
本实施例中，测距数据生成模块302a优选地配置为先检测超声相控阵探头中心位置处的超声探头元的反馈信号。即对于某一超声相控阵探头来说，测距数据生成模块302a会首先检测该超声相控阵探头中超声探头元N(n+1)/2的反馈信号。
如果中心位置处的超声探头元N(n+1)/2存在反馈信号，那么此时测距数据生成模块302a则会将该中心位置处的超声探头元N(n+1)/2的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号。
而如果中心位置处的超声探头元N(n+1)/2不存在反馈信号，即超声探头元N(n+1)/2没有接收到相关的超声波反射信号，那么此时测距数据生成模块302a则会将检测的超声探头元逐次向两侧径向扩散直至检测到反馈信号，测距数据生成模块302a便会将此时检测到的反馈信号来作为该超声相控阵探头的测量信号。
例如，如果某一超声相控阵探头的中心位置处的超声探头元N(n+1)/2没有接收到相关超声波反射信号，那么该超声探头元N(n+1)/2将不存在反馈信号，此时测距数据生成模块302a将会检测该超声相控阵探头中超声探头元N(n+1)/2-1是否存在反馈信号。其中，如果超声探头元N(n+1)/2-1存在反馈信号，那么测距数据生成模块302a则会将超声探头元N(n+1)/2-1的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号；而如果超声探头元N(n+1)/2-1不存在反馈信号，那么测距数据生成模块302a将会检测该超声相控阵探头中超声探头元N(n+1)/2+1是否存在反馈信号。依此类推，直至测距数据生成模块302a从该超声相控阵探头中的某一超声探头元检测到反馈信号为止。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，测距数据生成模块302a还以用其他合理方式来获取各个超声相控阵探头的测量信号，本发明不限于此。
在得到各个超声相控阵探头301的测量信号后，测距数据生成模块302a会根据上述测量信号生成各个超声相控阵探头301的测距数据，即超声相控阵探头301到井壁的距离。
测距数据生成模块302a与测距数据校正模块302b连接，其能够将自身生成的各个超声相控阵探头301的测距数据发送至测距数据校正模块302b。本实施例中，测距数据校正模块302b会根据超声相控阵探头301的测距数据生成该超声相控阵探头301的等效中心数据。
由于对于某一超声相控阵探头301来说，其内部所包含的超声探头元是弧形排布地，因此各个超声探头元到钻铤的外表面的距离也是不一样的。因此为了得到更加准确的井径数据，也就需要对各个超声探头元测得的数据进行校正，即将各个超声探头元测得的数据等效于该超声相控阵探头中间位置处的超声探头元N(n+1)/2应该测得的数据(即等效中心数据)。
具体地，本实施例中，测距数据校正模块302b优选地根据如下表达式来计算超声相控阵探头的等效中心数据：
其中，rc表示超声相控阵探头301的等效中心数据，d(n+1)/2表示处于中间位置的超声探头元N(n+1)/2的中心点到钻铤外表面的距离，dj表示生成反馈信号的超声探头元Nj的中心点到钻铤外表面的距离，rj表示超声探头元Nj的测距数据，θ表示超声探头元Nj与超声探头元N(n+1)/2的内部弧度夹角，n表示超声相控阵探头所包含的超声探头元的总数。
对于超声相控阵探头301来说，其内部的超声探头元的排布情况是固定的且已知的，因此相邻超声探头元之间的夹角Δθ以及各个超声探头元的中心点到钻铤102的表面的距离也将是已知的。这样超声探头元Nj与超声探头元N(n+1)/2的内部弧度夹角θ也就可以根据如下表达式计算得到：
如图5所示，假设在某一超声相控阵探头中，超声探头元N5测量得到的反馈信号，测距数据生成模块302a根据该反馈信号所生成的对应于超声探头元N5的测距数据为r5。而超声探头元N5与中心位置处的超声探头元N(n+1)/2的夹角θ将可以根据如下表达式计算得到：
那么该超声相控阵探头的中心等效数据rc将为：
在此如图3所示，本实施例中，测距数据校正模块302b与井径确定模块302c连接，其能够将各个超声相控阵探头的等效中心数据传输至井径确定模块302c，由井径确定模块302c根据各个超声相控阵探头的等效中心数据来生成随钻测井的井径数据。
本实施例中，井径确定模块302c优选地根据各个超声相控阵探头之间的三角关系和各自对应的等效中心数据来计算得到随钻测井的井径数据。
从上述描述中可以看出，本实施例所提供的随钻测井的井径测量系统利用超声相控阵技术，在钻井过程中可以进行井径测量，该系统能够有效降低由于仪器倾斜、井壁凹凸不平等原因造成的测量数据错误或者缺失带来的影响。该系统还可以应用于超声井壁成像等领域，有助于提高测量数据准确性和完整性。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
Claims (8)
1.一种随钻测井井径测量系统，其特征在于，所述系统包括：
至少三个超声相控阵探头，所述超声相控阵探头安装在钻铤的外壁上，其中，所述超声相控阵探头包含多个弧形排布的超声探头元，其中，处于中间位置的超声探头元的表面与所述钻铤外壁平行；
数据处理电路，其与各个超声相控阵探头连接，用于根据各个超声相控阵探头传输来的测量信号确定随钻测井的井径。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述超声相控阵探头还包括：
超声波激发电路，其包括多个激发脉冲通道，所述多个激发脉冲通道与所述多个超声探头元一一对应连接以用于激发对应的超声探头元发射相应的超声波。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述超声波激发电路按照所述超声探头元的排布顺序依次激发各个超声探头元。
4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理电路配置为先检测超声相控阵探头中心位置处的超声探头元的反馈信号，其中，
如果中心位置处的超声探头元存在反馈信号，则将所述中心位置处的超声探头元所发出的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号；
如果中心位置处的超声探头元没有反馈信号，则将需要检测的超声探头元逐次向两侧径向扩散直至检测到反馈信号，将检测到的反馈信号作为该超声相控阵探头的测量信号。
5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述数据处理电路包括：
测距数据生成模块，其与各个超声相控阵探头连接，用于根据所述超声相控阵探头传输来的测量信号生成对应于该超声相控阵探头的测距数据；
测距数据校正模块，其与所述测距数据生成模块连接，用于根据各个超声相控阵探头的测距数据生成对应的等效中心数据；
井径确定模块，其与所述测距数据校正模块连接，用于根据各个超声相控阵探头的等效中心数据生成随钻测井的井径数据。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述测距数据校正模块根据如下表达式计算超声相控阵探头的等效中心数据：
其中，rc表示超声相控阵探头的等效中心数据，d(n+1)/2表示处于中间位置的超声探头元N(n+1)/2的中心点到钻铤外表面的距离，dj表示生成反馈信号的超声探头元Nj的中心点到钻铤外表面的距离，rj表示超声探头元Nj的测距数据，θ表示超声探头元Nj与超声探头元N(n+1)/2的内部弧度夹角，n表示超声相控阵探头所包含的超声探头元的总数。
7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述数据处理电路基于三个超声相控阵探头的三角关系和各自对应的等效中心数据生成所述井径数据。
8.如权利要求1～7中所述的系统，其特征在于，所述多个超声相控阵探头等角距圆周分布。
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