CN108979628B - 一种随钻声波多极子组合测井模式及信号收发同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式，能够同时实现对地层纵波、横波和斯通利波等全波列测量和方位成像，并根据钻井作业实际需求，提出钻进测井模式和提钻测井模式两种随钻声波多极子组合测井模式，提供更加丰富的地层评价信息。同时针对随钻声波多极子测井装置的组合工作模式，在不同模式中的工作参数各不相同，发射接收需要进行同步控制，本发明提出发射接收通信和同步控制合二为一的信号收发同步方法，保证随钻声波多极子测井装置在每种工作模式下，以及不同模式切换过程中按既定流程工作，提高测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及随钻声波测井技术领域，具体涉及一种随钻声波多极子组合的测井模式及组合测井模式下的信号收发同步方法。
技术背景
随钻声波测井技术在钻井的同时测量地层的纵波和横波速度，这两个弹性波速度为地下油气资源的勘探和开发提供了重要信息，包括孔隙压力、上覆岩层压力梯度、岩性、岩石力学属性等。同时与电缆声波测井技术相比，随钻声波减少井场钻机占用时间，提高钻井效率，降低钻井安全风险，可以满足大斜度井、水平井以及深水钻井的需求。自1990年以来，随钻声波测井技术首先在测量地层的纵波速度方面取得了成功，在此基础上于2000年左右利用四极子技术实现了随钻地层横波速度测量，近年来又发展了具有方位测量的随钻声波测井技术。
第一代随钻声波测井仪主要利用单极子声源测量纵波速度。当地层中的横波速度大于井筒流体的纵波速度(这种情况被称为快地层)，随钻单极子声波测井仪也能提供横波速度。当地层的横波速度小于井筒流体的纵波速度(这种情况被称为慢地层)，由于纵波在到达井筒时不会发生临界折射，随钻单极子声波测井仪则无法提供横波速度。
单极子声源在测量慢地层横波方面的局限促使工业界开发了第二代随钻声波测井仪，通过偶极子声源或四极子声源测量地层的横波速度，偶极子技术在随钻声波测井中由于钻杆的存在而受限制，主要是低频率时，第二代随钻偶极子声波仪器挠曲波与地层挠曲波之间存在严重干扰。而低频段四极子波在地层中以地层横波速度传播，不存在沿钻杆传播的四极子钻铤波，因此四极子声源成为随钻声波横波测井的最佳选择。
尽管随钻四极子声波测井仪具有随钻单极子声波测井仪无法比拟的优点，但是与偶极子比，四极子声源不是定向的，无法提供井周360°范围不同方位的速度信息。随着利用随钻声波测井仪进行水平井和大斜度井地质导向的需要，第三代随钻声波测井仪重点放在井周方位速度成像的测量上，主要采用偶极子或偏极子声源，在钻进旋转过程中可以提供井周16个方位上测量的地层速度，用来描述井周三维岩石力学特征。
现有的三代随钻声波测井仪在功能方面各有侧重，如第一代随钻声波测井仪实现纵波测量，第二代随钻声波测井仪实现纵波+横波测量，第三代随钻声波测井仪实现方位测量。水平井地质导向和储层评价需要随钻声波测井技术提供更加丰富的信息，即实现纵波、横波和斯通利波等全波列测量和方位成像，但现有技术还没有这方面的研究。随着随钻声波测井技术的发展，目前随钻声波多极子(主要指四极子)测井仪器具备方位单极或偶极发射、四方位接收阵列波形的功能，只是在井下内存模式记录了原始波形数据，但没有开发和利用这种具有方位信息的声波测量技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有随钻声波测井技术难以兼顾全波列测量和方位成像的缺点，提出一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式方法及该组合测井模式下的信号收发同步方法，该组合测井模式方法能够同时实现对纵波、横波和斯通利波等全波列测量和方位成像，该组合测井模式下的信号收发同步方法则可以保证随钻声波多极子测井装置按既定流程工作。
一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式，包括钻进测井模式和提钻测井模式，通过检测随钻声波多极子测井装置转速和所在位置的环空压力来识别其工作状态，从而进行提钻测井模式和钻进测井模式的切换，包括如下步骤：
1)随钻声波多极子测井装置开始测量；
2)检测随钻声波多极子测井装置的工作状态，判断装置转速是否为0且环空压力较小；
3)若是表明所述装置未处于正常钻进工作状态，进入步骤4)，否则进入步骤4’)；
4)所述装置进入提钻测井工作模式；
5)进行单极子模式测量；
6)进行四极子模式测量；
7)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
8)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
9)若到达，则返回到步骤1)重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4)，按所述提钻测井模式继续进行下一深度点测量；
4’)所述装置进入钻进测井工作模式；
5’)进行单极子模式测量；
6’)进行偏极子模式测量；
7’)进行偶极子模式测量；
8’)进行四极子模式测量；
9’)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
10’)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
11’)若到达，则返回到步骤1)，重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4’)，按所述钻进测井模式继续进行下一深度点测量。
进一步地，所述随钻声波多极子测井装置包括发射换能器、隔声体、接收换能器阵列和发射接收控制与通信单元。
进一步地，所述发射接收控制与通信单元连接所述发射换能器与所述接收换能器阵列，包括发射控制板、第一RS485总线驱动器、第二RS485总线驱动器和接收控制板，其中，所述发射控制板连接所述发射换能器，所述接收控制板连接所述接收换能器阵列，所述第一RS485总线驱动器和所述第二RS485总线驱动器之间通过一对双绞线连接，该双绞线分时传输发射参数和同步控制信号；所述第二RS485总线驱动器的管脚RO分别连接所述发射控制板的管脚RXD和FIRE，其中，RXD用于接收通用异步串行(UART)总线通信信号，FIRE用于接收同步触发控制信号。
进一步地，在所述钻进测井模式下，每个深度记录点依次完成单极子、偏极子、偶极子和四极子四种模式组合测量，其中，单极子和四极子模式测量时只发射1次，用于测量纵波、横波和斯通利波速度，偏极子和偶极子模式测量时则发射多次用于方位声波成像，每个深度记录点组合测量时间最小为20s。
进一步地，在所述提钻测井模式下，每个深度记录点依次完成单极子和四极子二种模式组合测量，其中单极子和四极子模式测量时只发射1次，用于测量纵波、横波和斯通利波速度，每个深度记录点组合测量时间最小为1s。
本发明还提出一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式的信号收发同步方法，应用于随钻声波多极子测井装置的发射接收控制与通信单元，并在发射控制板和接收控制板之间传输发射参数和同步控制信号，包括如下步骤：
(1)接收控制板设置为发送模式，即将管脚DIR信号置高，通过第一RS485总线驱动器发送发射参数，在发送结束后将管脚DIR信号置低，即将接收控制板设置为接收模式，等待发射控制板响应；
(2)发射控制板接收并解码所述接收控制板发来的所述发射参数，根据所述发射参数配置相关寄存器，配置结束将第二RS485总线驱动器设置为发送模式，向所述接收控制板发送配置完成命令，同时打开管脚FIRE外部触发中断，做好发射准备；
(3)所述接收控制板接收到所述发射控制板发来的配置完成命令后，向所述发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号；
(4)所述发射控制板检测到所述FIRE下降沿触发信号，进入中断子程序，按所述发射参数进行发射，发射完成后，关闭外部中断，然后所述发射控制板处于接收状态等待所述接收控制板发来的下一次发射参数；
(5)所述接收控制板发送FIRE信号后，延时10ms后判断是否完成当前模式测量，如果未完成，返回第(3)步，再次向所述发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号，进行下一次测量；
(6)如果完成当前模式测量，判断当前深度记录点所有模式是否全部完成采集，若未完成，返回步骤(1)，进行下一种模式测量；若全部模式完成，结束该深度记录点的所有测量。
进一步地，所述发射参数包括发射模式、波形形式、发射频率或/和发射波形周期个数中的至少一种。
进一步地，所述发射模式包括单极子、偏极子、偶极子或四极子中的一种。
进一步地，所述波形形式包括矩形波或正弦波。
进一步地，所述发射频率范围为5-12kHz；发射波形周期个数为3-5个。
本发明有益的技术效果：
本发明的一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式，能够同时实现对地层纵波、横波和斯通利波等全波列测量和方位成像，并根据钻井作业实际需求，提出钻进测井模式和提钻测井模式两种随钻声波多极子组合测井模式，充分利用随钻声波多极子测井装置下井的宝贵时间，提供更加丰富的地层评价信息。同时针对现有技术采用发射接收之间通讯和同步控制信号分离的方案，信号线较多，给井下随钻声波多极子测井装置的安装和使用带来不便，本发明提供的随钻声波多极子测井装置的组合工作模式，不同模式中的工作参数各不相同，发射接收需要进行同步控制，本发明采用发射接收通信和同步控制合二为一的方案，保证随钻声波多极子测井装置在每种工作模式下，以及不同模式切换过程中按既定流程工作，提高测量效率。
附图说明
图1为随钻声波多极子测井装置示意图；
图2为发射接收控制与通信单元的接收控制板与发射控制板通信与同步示意图；
图3为4个发射换能器施加不同极性的电压示意图；
图4为随钻声波多极子组合测井模式工作流程图；
图5为钻进模式下的随钻声波多极子组合测井方式图；
图6为提钻模式下的随钻声波多极子组合测井方式图；
图7为接收控制板与发射控制板通信与同步工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，随钻声波多极子测井装置包括发射换能器、隔声体、接收换能器阵列和发射接收控制与通信单元。
发射换能器是在钻铤表面安装的一组(通常为4个)换能器，四个换能器相隔90°均布在钻铤的圆周，且处于与钻铤轴向垂直的同一个平面内，如图所示换能器A、换能器B、换能器C、换能器D分别对准钻铤圆周0°，90°，180°，270°方向。
隔声体位于发射换能器和接收换能器阵列之间，用于衰减发射换能器发出沿钻铤直接传播到接收换能器阵列的钻铤波信号，一般采用钻铤内壁或外壁周期性刻槽结构。
接收换能器阵列是在钻铤表面安装的多组接收换能器单元，通常为4-8组，相邻两个接收换能器单元之间距离相等，每组接收换能器单元包括四个接收换能器，与发射换能器类似，四个接收换能器相隔90度均布在钻铤的圆周，与发射换能器所在平面相平行，且分别对准钻铤圆周0°，90°，180°，270°方向，即与对应方向的发射换能器在同一条直线上。
发射接收控制与通信单元连接发射换能器与接收换能器阵列，由图2所示，包括发射控制板、第一RS485总线驱动器、第二RS485总线驱动器和接收控制板，其中发射控制板连接所述发射换能器，接收控制板连接所述接收换能器阵列，具体是与每组接收换能器单元中的每个接收换能器连接，第一RS485总线驱动器和第二RS485总线驱动器之间通过一对双绞线连接，该双绞线可以分时传输发射参数和同步控制信号，第二RS485总线驱动器的管脚RO分别连接所述发射控制板的管脚RXD和FIRE，其中，RXD用于接收通用异步串行(UART)总线通信信号，FIRE用于接收同步触发控制信号。
由图3所示，通过给4个发射换能器施加不同极性的电压，可实现不同的声源加载方式，因此有四种工作模式：
单极子(monopole)：单极子模式对四个发射换能器施加相同极性的电压激励，四个发射换能器均为膨胀振动，将每组接收换能器单元的四个接收换能器求平均，作为单极子模式的输出信号，公式如下：
S_m＝(S_n1+S_n2+S_n3+S_n4)/4 (1)
其中，S_n1，S_n2，S_n3，S_n4为每组四个接收换能器的输出。
偏极子(unipole)：偏极子模式只对其中一个发射换能器施加电压激励，同时记录与该发射换能器处于同一方向的接收换能器信号，作为偏极子模式的输出信号，公式如下：
S_u＝S_ni (2)
其中，S_ni，i＝1，2，3或4，为与工作的发射换能器在钻铤圆周上处于同一方向的接收换能器的输出信号。
偶极子(dipole)：偶极子模式对相对的两个发射换能器施加极性相反的电压激励，同时分别记录与这两个发射换能器处于同一方向的接收换能器信号，将每组接收换能器单元相对的两个接收换能器相减，作为偶极子模式的输出信号，其中以第一和第三两个接收换能器为例，公式如下：
S_d＝S_n1-S_n3 (3)
其中，S_n1和S_n3为第一和第三两个接收换能器的输出信号。
四极子(quadrupole)：四极子模式对相对的两个发射换能器施加极性相同的电压激励，但相邻的发射换能器施加的电压极性相反，如1,3施加正向电压，2,4施加反向电压，同时记录每组接收换能器单元四个接收换能器信号，四极子模式输出信号计算如下：
S_q＝(S_n1+S_n3)-(S_n2+S_n4) (4)
其中偏极子和偶极子模式具有方位特性，单极子和四极子模式没有方位特性。
本发明的随钻声波多极子测井装置的组合测井模式方法包括钻进测井模式和提钻测井模式，如图4所示，通过检测随钻声波多极子测井装置转速和所在位置的环空压力来识别其工作状态，从而进行提钻测井模式和钻进测井模式的切换，具体工作流程如下：
1)随钻声波多极子测井装置开始测量；
2)检测随钻声波多极子测井装置的工作状态，判断所述装置转速是否为0且环空压力较小；
3)若是表明所述装置未处于正常钻进工作状态，进入步骤4)，否则进入步骤4’)；
4)所述装置进入提钻测井工作模式；
5)进行单极子模式测量；
6)进行四极子模式测量；
7)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
8)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
9)若到达，则返回到步骤1)重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4)，按提钻测井模式继续进行下一深度点测量；
4’)所述装置进入钻进测井工作模式；
5’)进行单极子模式测量；
6’)进行偏极子模式测量；
7’)进行偶极子模式测量；
8’)进行四极子模式测量；
9’)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
10’)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
11’)若到达，则返回到步骤1)，重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4’)，按钻进测井模式继续进行下一深度点测量。
在钻进测井模式下，如图5所示，随钻声波多极子测井装置随钻具钻进时，装置在旋转状态下测量，可实现方位成像，因此每个深度记录点，装置可依次完成单极子、偏极子、偶极子和四极子四种发射模式下的数据采集。其中单极子和四极子发射一次，不用于方位成像。而偏极子和偶极子需要发射多次，用于方位成像。钻进测井模式下，每个深度记录点单次记录时间最小为20s。
在提钻测井模式下，如图6所示，当前钻井完成后，随钻声波多极子测井装置随钻具一起上提，提钻模式下，随钻声波多极子测井装置不旋转，因此无法成像，每个深度记录点只需要完成单极子和四极子发射模式下的数据采集，每个深度记录点单次记录时间最小为1s。
为了实现本发明给定的随钻声波多极子测井装置的组合测井模式，需要在单极子、偏极子、偶极子、四极子四种模式之间进行切换测量，由于每种模式下发射换能器与接收换能器阵列均要同步工作，即启动发射后，不同换能器接收单元同步记录各种模式波到达的时刻。此外单极子、偏极子、偶极子、四极子四种不同工作模式下的发射激励方式、发射频率、接收阵列记录方式、数据计算方法等工作参数均不相同，因此接收控制板与发射控制板之间需要建立通信，传递工作参数信息，同时需要产生同步控制信号，实现发射接收之间的同步，基于此，本发明还提出了一种随钻声波多极子测井装置的组合测井方法的信号收发同步方法。
发射接收控制与通信单元的接收控制板和发射控制板之间通过RS485总线进行半双工通信，同时利用RS485总线传输同步控制信号，接收控制板作为通信和同步信号的发起端，连接第一RS485总线驱动器；发射控制板作为通信和同步信号的接收端，连接第二RS485总线驱动器，第二RS485总线驱动器的管脚RO分别连接发射控制板的管脚RXD和FIRE，其中，RXD用于接收通用异步串行(UART)总线通信信号，FIRE用于接收同步触发控制信号。
具体步骤如下：
(1)接收控制板设置为发送模式，即将管脚DIR信号置高，通过第一RS485总线驱动器发送发射参数，所述发射参数包括发射模式、波形形式、发射频率或/和发射波形周期个数中的至少一种，其中发射模式包括单极子、偏极子、偶极子或四极子中的一种；波形形式包括矩形波、正弦波；发射频率范围为5-12kHz；发射波形周期个数为3-5次，在发送结束后将管脚DIR信号置低，即将接收控制板设置为接收模式，等待发射控制板响应；
(2)发射控制板接收并解码接收控制板发来的发射参数，根据发射参数配置相关寄存器，配置结束将第二RS485总线驱动器设置为发送模式，向接收控制板发送配置完成命令，同时打开管脚FIRE外部触发中断，做好发射准备；
(3)接收控制板接收到发射控制板发来的配置完成命令，向发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号；
(4)发射控制板检测到FIRE下降沿触发信号，进入中断子程序，按发射参数进行发射，发射完成后，关闭外部中断；发射控制板处于接收状态等待接收控制板发来的下一次发送配置命令；
(5)接收控制板发送FIRE信号后，延时10ms后判断是否完成当前模式测量，如果未完成，返回第(3)步，再次向发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号，进行下一次测量，其中单次测量时间也设置为10ms；
(6)如果完成当前模式测量，判断当前深度记录点所有模式是否全部完成采集，若未完成，返回步骤(1)，进行下一种模式测量。若全部模式完成，结束该深度记录点的所有测量。
以上所述的具体实施例，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了部分说明，并不用于限制本发明，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)
1.一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式，其特征在于：包括钻进测井模式和提钻测井模式，通过检测随钻声波多极子测井装置转速和所在位置的环空压力来识别其工作状态，从而进行提钻测井模式和钻进测井模式的切换，包括如下步骤：
1)随钻声波多极子测井装置开始测量；
2)检测随钻声波多极子测井装置的工作状态，判断所述装置转速是否为0且环空压力较小；
3)若是表明所述装置未处于正常钻进工作状态，进入步骤4)，否则进入步骤4’)；
4)所述装置进入提钻测井模式；
5)进行单极子模式测量；
6)进行四极子模式测量；
7)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
8)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
9)若到达，则返回到步骤1)重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4)，按提钻测井模式继续进行下一深度点测量；
4’)所述装置进入钻进测井模式；
5’)进行单极子模式测量；
6’)进行偏极子模式测量；
7’)进行偶极子模式测量；
8’)进行四极子模式测量；
9’)完成当前深度点测量，进入空闲状态；
10’)定时检测所述装置的工作状态，判断是否到达定时时间；
11’)若到达，则返回到步骤1)，重新检测所述装置的工作状态，否则返回到步骤4’)，按钻进测井模式继续进行下一深度点测量。
2.根据权利要求1所述的组合测井模式，其中特征在于：所述随钻声波多极子测井装置包括发射换能器、隔声体、接收换能器阵列和发射接收控制与通信单元。
3.根据权利要求2所述的组合测井模式，其特征在于：所述发射接收控制与通信单元连接所述发射换能器与所述接收换能器阵列，包括发射控制板、第一RS485总线驱动器、第二RS485总线驱动器和接收控制板，其中,所述发射控制板连接所述发射换能器，所述接收控制板连接所述接收换能器阵列，所述第一RS485总线驱动器和所述第二RS485总线驱动器之间通过一对双绞线连接，该双绞线分时传输发射参数和同步控制信号；所述第二RS485总线驱动器的管脚RO分别连接所述发射控制板的管脚RXD和FIRE，其中，RXD用于接收通用异步串行(UART)总线通信信号，FIRE用于接收同步触发控制信号。
4.根据权利要求1或2所述的组合测井模式，其特征在于：在所述钻进测井模式下，每个深度记录点依次完成单极子、偏极子、偶极子和四极子四种模式组合测量，其中，所述单极子和四极子模式测量时只发射1次，用于测量纵波、横波和斯通利波的速度；偏极子和偶极子模式测量时则发射多次用于方位声波成像，每个深度记录点组合测量时间最小为20s。
5.根据权利要求1或2所述的组合测井模式，其特征在于：在所述提钻测井模式下，每个深度记录点依次完成单极子和四极子二种模式组合测量，其中，所述单极子和四极子模式测量时只发射1次，用于测量纵波、横波和斯通利波速度，每个深度记录点组合测量时间最小为1s。
6.一种随钻声波多极子测井装置的组合测井模式的信号收发同步方法，其特征在于：应用于如权利要求1所述的随钻声波多极子测井装置的发射接收控制与通信单元中，并在其发射控制板和接收控制板之间传输发射参数和同步控制信号，包括如下步骤：
(1)所述接收控制板设置为发送模式，即将管脚DIR信号置高，通过第一RS485总线驱动器发送发射参数，在发送结束后将所述管脚DIR信号置低，即将所述接收控制板设置为接收模式，等待所述发射控制板响应；
(2)所述发射控制板接收并解码所述接收控制板发来的所述发射参数，根据所述发射参数配置相关寄存器，配置结束将第二RS485总线驱动器设置为发送模式，向所述接收控制板发送配置完成命令，同时打开管脚FIRE外部触发中断，做好发射准备；
(3)所述接收控制板接收到所述发射控制板发来的配置完成命令后，向所述发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号；
(4)所述发射控制板检测到所述FIRE下降沿触发信号，进入中断子程序，按照所述发射参数进行发射，发射完成后，关闭外部中断，然后所述发射控制板处于接收状态等待所述接收控制板发来的下一次发射参数；
(5)所述接收控制板发送完FIRE信号后，延时10ms后判断是否完成当前模式测量，如果未完成，返回第(3)步，再次向所述发射控制板发送字节数据“0x00”作为管脚FIRE下降沿触发信号，进行下一次测量；
(6)如果完成当前模式测量，判断当前深度记录点所有模式是否全部完成采集，若未完成，返回步骤(1)，进行下一种模式测量；若全部模式完成，结束该深度记录点的所有测量。
7.根据权利要求6所述的信号收发同步方法，其特征在于：所述发射参数包括发射模式、波形形式、发射频率或/和发射波形周期个数中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的信号收发同步方法，其特征在于：所述发射模式包括单极子、偏极子、偶极子或四极子中的一种。
9.根据权利要求7或8所述的信号收发同步方法，其特征在于：所述波形形式包括矩形波或正弦波。
10.根据权利要求7或8所述的信号收发同步方法，其特征在于：所述发射频率范围为5-12kHz；发射波形周期个数为3-5个。
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