CN111119839A - 随钻超声探头总成及随钻超声探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种随钻超声探头总成及随钻超声探测方法，该探头总成包括与钻铤连接的钻铤骨架，多个环形相控阵探头，该多个环形相控阵探头周向分布在钻铤骨架中，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束；以及透声保护罩，其连接在钻铤骨架外壁并对应探头位置设置，透声保护罩上设有利于声束的发射与接收通道。本发明可以在随钻条件下使用，形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理、石油工程中的井壁超声成像技术领域，特别是涉及一种用于井壁扫描成像的随钻超声探头总成及随钻超声探测方法。
背景技术
随钻井壁超声成像技术基于超声脉冲反射法在钻进过程中采集井壁界面的回波信号并以图像来表征井眼状况，从而可以实时评价井眼几何形状，探测井壁上裂缝、孔洞、层理分布状况，以及监测井壁失稳和气侵等现象。这项技术对于钻井工程和油气储层评价都具有十分重要的意义。
现有的随钻井壁超声成像仪器中所用的超声探头一般采用厚度模振动换能元件，如平面或凹面圆片振子。这类超声探头辐射声场的聚焦区域和指向性都是固定不变的，在井眼扩径、缩径、坍塌等井眼形状变化剧烈的井段适应能力很弱，甚至无法采集到井壁图像。另外，由于井下钻具偏心、岩屑冲刷等因素，在钻进过程中，内置在钻铤中的超声探头辐射面或接收面到井壁的距离(或环空间隙)变化比较大，现有超声探头无法调节径向探测深度，不利于随钻条件下进行高分辨率的井壁超声成像。尽管已有极少量仪器应用球形聚焦方式试图拓宽辐射声场的聚焦区域，但是由于反射回波信号的能量相对较弱、信噪比低，不能满足随钻条件下高分辨率井壁成像的需求。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种随钻超声探头总成及随钻超声探测方法，可以在随钻条件下使用，形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。
为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种随钻超声探头总成，包括：
与钻铤连接的钻铤骨架，
多个环形相控阵探头，该多个环形相控阵探头周向分布在钻铤骨架中，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束；以及
透声保护罩，其连接在钻铤骨架外壁并对应探头位置设置，透声保护罩上设有利于声束的发射与接收通道。
在本发明中，通过设置多个环形相控阵探头，将探头连接在钻铤骨架中并由透声保护罩防护，通过将环形相控阵探头沿钻铤骨架周向设置以及在聚焦区域内形成连续可调的声束，不仅实现在随钻条件下使用，而且对于不同井壁条件都能形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。
在一种实施方案中，所述钻铤骨架采用由合金钢材料制作而成的空心圆柱状厚壁管体。且中部设有用于泥浆通过的轴向通孔。
在一种实施方案中，所述钻铤骨架中沿周向设有多个用于安装探头的径向槽孔，每个探头安装在钻铤骨架的一个径向槽孔内。优选地，所述环形相控阵探头整体为圆柱体状。
在一种实施方案中，所述透声保护罩采用凸面结构。该凸面结构可起到辅助声束聚焦作用。优选地，透声保护罩上的声束通道采用透声通孔，该通孔的形状包括椭圆形、圆形或方形通孔。
在一种实施方案中，所述环形相控阵探头包括保护外壳、多个封装在保护外壳内的圆环振子以及设在相邻圆环振子之间的声电隔离夹层。
在一种实施方案中，所述环形相控阵探头包括五个同轴设置的圆环振子，所述圆环振子采用压电型陶瓷圆环。在一个优选的实施例中，所述声电隔离夹层采用橡胶层制作而成，并填充在相邻圆环振子之间的环形间隙内。
在一种实施方案中，所述压电型陶瓷圆环的上下表面均镀有银层，构成圆环振子的正负电极。
在一种实施方案中，所述环形相控阵探头内还设有位于圆环振子上下面的匹配层和背衬层，匹配层、圆环振子与声电隔离夹层以及背衬层一起被封装在保护外壳内。
在一种实施方案中，所述背衬层采用环氧树脂与金属粉末混合制成，所述保护外壳的末端位于背衬层上还设有用于密封、绝缘的环氧树脂填充层。
另一方面，本发明还提出了一种随钻超声探测方法，包括：
将如前述的探头总成与钻柱连接后一起下入井内，通过调整各个环形相控阵探头的信号强弱，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束，以适用不同井壁环境的成像要求。
在一种实施方案中，所述环形相控阵探头包括五个同轴设置的圆环振子，相邻圆环振子之间设有声电隔离夹层，通过对圆环振子的激励时间设置，形成对环形相控阵探头的信号强弱控制，满足不同的井壁环境下的成像要求。
在该方法中，实现了周向上多个方位方向合成声束的动态控制，该动态控制可以是在下井前通过对与探头连接的电路板的参数进行设置形成，也可以是通过控制器来控制和修改与探头连接的电路板的参数形成。通过对周向上多个方位方向合成声束的动态控制增强了辐射声束的聚焦能力，提高了有用信号的信噪比，增大了有效径向探测深度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
在井下钻头附近的钻铤中布置本发明的探头总成可实现多个方位方向合成声束的动态聚焦发射和接收，从根本上增加了有效回波信号的能量，提高了信噪比和探测能力，能够适应不同形状、大小的井眼的高分辨率成像需求。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1是本发明的随钻超声探头总成的其中一种实施例的结构示意图；
图2是图1中的环形相控阵探头的其中一种实施例的截面结构示意图；
图3是图2中的五阵元等宽度同轴环形相控阵列探头的横截面示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
发明人在发明过程中注意到，现有的随钻井壁超声成像仪器中所用的超声探头一般采用厚度模振动换能元件，如平面或凹面圆片振子。这类超声探头辐射声场的聚焦区域和指向性都是固定不变的，在井眼扩径、缩径、坍塌等井眼形状变化剧烈的井段适应能力很弱，甚至无法采集到井壁图像。
针对以上不足，本发明的实施例提出了一种随钻超声探头总成，下面进行详细说明。
图1显示了本发明的随钻超声探头总成的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，本发明的随钻超声探头总成主要包括：钻铤骨架1、多个环形相控阵探头2和多片透声保护罩3。其中，可随钻并在井壁成像的环形相控阵探头2以钻铤骨架1为支撑结构体，多个环形相控阵探头2沿着周向均匀内嵌在钻铤骨架1的内部。多片透声保护罩3对应覆盖在环形相控阵探头2的辐射面或接收面上，且通过嵌入或镶嵌的方式固定连接在钻铤骨架1的外壁上。
在一个实施例中，周向分布的环形相控阵探头2的数量优选为三个或四个，从而能够实时获取高分辨率的井壁超声图像。在本发明的实施例中，下面以在一个钻铤骨架1中设置四个环形相控阵探头2的结构为例进行说明。
在一个实施例中，如图1所示，钻铤骨架1是由合金钢材料制作而成的厚壁管体，呈空心圆柱状。钻铤骨架1的外壁沿着周向均匀开设有四个径向槽孔(图中未示出)，其作用是作为四个环形相控阵探头2的容置空间，径向槽孔的几何尺寸由环形相控阵探头2的参数确定。钻铤骨架1的内部还构造有中心孔眼11，中心孔眼11设在钻铤骨架1的中部，且沿着轴向贯通钻铤骨架1。钻铤骨架1与钻铤或井下钻具连接并下入井下时，中心孔眼11与钻铤的水眼连通，形成泥浆循环流动的通道。
在一个实施例中，钻铤骨架1的外径172～205mm，高度100～120mm，中心孔眼11的内径57～72mm，径向槽孔的内径25～35mm，深度20～30mm。钻铤骨架1的尺寸配合连接的钻铤的尺寸。
在一个实施例中，如图2示出了环形相控阵探头2的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，环形相控阵探头2包括由五个同轴设置的圆环振子211，该五个圆环振子211等间距排列形成为环形相控阵列21，各圆环振子211之间充填有声电隔离夹层212。该声电隔离夹层212优选由橡胶层制作形成，实现相邻圆环振子211之间的声电隔离。
在一个实施例中，如图2所示，圆环振子211均为压电型陶瓷圆环，极化方向为厚度方向。压电型陶瓷圆环的上下表面均镀有银层，构成了圆环振子211的正负电极。圆环振子211的结构尺寸可以是等宽度，或者也可以是等面积。同轴排列的圆环振子211的前辐射面粘接有匹配层22(图2中为下面)。匹配层22为聚合物与金刚砂的混合物，匹配层的厚度约为4～6mm，满足1/4波长的匹配理论。同轴排列的圆环振子211的背面还浇注有背衬块23(图2中为上面)。这种结构既提高了灵敏度，又拓展了带宽。该背衬块23由一层环氧树脂与金属粉末混合而成，声阻抗为9.14～12.58MRayl，厚度为15～20mm。圆环振子211、环形橡胶夹层212、匹配层22和背衬块23封装于保护外壳25内部，并在保护外壳25末端灌封环氧树脂填充层24，实现环形相控阵探头2的密封、绝缘。以这种结构形成的环形相控阵探头2的直径25～35mm，高度20～30mm，频率200～600kHz。
在一个实施例中，如图3示出了本发明提供的五阵元等宽度同轴环形相控阵列的横截面示意图。如图3所示，同轴环形相控阵列21由处于同一平面内的圆环振子211和环形橡胶夹层212交替叠加排列而成。其中每个圆环振子211的上表面是一组电极，下表面是另一组电极。由外侧向中心，对每个圆环振子211施加有延时的激励信号，实现了聚焦发射。同理，由中心向外侧，对每个圆环振子211接收到的反射回波信号进行延时叠加处理，实现了聚焦接收。随钻测井中，井壁反射界面与环形相控阵列21的环空间隙随钻进作业是不断改变的，通过改变各个圆环振子211的延时量，使得环形相控阵列21的焦距总是等于环空间隙，辐射声波总是聚焦在井壁界面上，或者接收波束总是来自井壁界面反射回波信号的汇聚，即实现了动态聚焦发射和接收。圆环振子21的内外半径由中心向外侧逐渐增大，并且每个圆环振子21的宽度相等，宽度3～5mm。
另一方面，本发明还提出了一种随钻超声探测方法，该方法包括：将如前述的探头总成与钻柱连接后一起下入井内，通过调整各个环形相控阵探头2的信号强弱，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束，以适用不同井壁环境的成像要求。
在一个优选的实施例中，环形相控阵探头2包括五个同轴设置的圆环振子，相邻圆环振子之间设有声电隔离夹层，通过对圆环振子的激励时间设置，形成对环形相控阵探头2的信号强弱控制，满足不同的井壁环境下的成像要求。
此外，结合图1和图2，本发明提供的随钻井壁成像超声探头阵列总成的透声保护罩3直接覆盖在环形相控阵探头2的辐射面或接收面上，并且用紧固件镶嵌在钻铤骨架1的外壁上。透声保护罩3呈凸起状结构，可以减弱井内钻井液循环流动对环形相控阵探头2的辐射面的磨损、冲蚀。透声保护罩3上还构造有透声通道31(或称为透声窗)，该透声通道31可以是圆形结构，或者也可以是椭圆形结构或其他结构，最大程度地允许发射的超声脉冲信号向外传播及反射的回波信号向内传播并被接收。
在一个实施例中，本发明随钻超声探头总成是利用电子相控阵技术来控制周向分布的环形相控阵探头2所形成的声束，实现多个方位与方向的声束的动态聚焦，从而使合成声束在一定宽度、深度范围内连续可控，实现了不同井眼形状大小的高分辨率井壁超声成像。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种随钻超声探头总成，其特征在于，包括：
与钻铤连接的钻铤骨架，
多个环形相控阵探头，该多个环形相控阵探头周向分布在钻铤骨架中，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束；以及
透声保护罩，其连接在钻铤骨架外壁并对应探头位置设置，透声保护罩上设有利于声束的发射与接收通道。
2.根据权利要求1所述的探头总成，其特征在于，所述钻铤骨架采用由合金钢材料制作而成的空心圆柱状厚壁管体，且中部设有用于泥浆通过的轴向通孔。
3.根据权利要求1或2所述的探头总成，其特征在于，所述钻铤骨架中沿周向设有多个用于安装探头的径向槽孔，所述环形相控阵探头整体为圆柱体状，每个探头安装在钻铤骨架的一个径向槽孔内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的探头总成，其特征在于，所述透声保护罩采用凸面结构，透声保护罩上的声束通道采用透声通孔，该通孔的形状包括椭圆形、圆形或方形通孔。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的探头总成，其特征在于，所述环形相控阵探头包括保护外壳、多个封装在保护外壳内的圆环振子以及设在相邻圆环振子之间的声电隔离夹层。
6.根据权利要求5所述的探头总成，其特征在于，所述环形相控阵探头包括五个同轴设置的圆环振子，所述圆环振子采用压电型陶瓷圆环；所述声电隔离夹层采用橡胶层制作而成，并填充在相邻圆环振子之间的环形间隙内。
7.根据权利要求6所述的探头总成，其特征在于，所述压电型陶瓷圆环的上下表面均镀有银层，构成圆环振子的正负电极。
8.根据权利要求7所述的探头总成，其特征在于，所述环形相控阵探头内还设有位于圆环振子上下面的匹配层和背衬层，匹配层、圆环振子与声电隔离夹层以及背衬层一起被封装在保护外壳内。
9.根据权利要求8所述的探头总成，其特征在于，所述背衬层采用环氧树脂与金属粉末混合制成，所述保护外壳的末端位于背衬层上还设有用于密封、绝缘的环氧树脂填充层。
10.一种随钻超声探测方法，其特征在于，包括：
将如权利要求1至9中任一项所述的探头总成与钻柱连接后一起下入井内，通过调整各个环形相控阵探头的信号强弱，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束，以适用不同井壁环境的成像要求。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述环形相控阵探头包括五个同轴设置的圆环振子，相邻圆环振子之间设有声电隔离夹层，通过对圆环振子的激励时间设置，形成对环形相控阵探头的信号强弱控制，满足不同的井壁环境下的成像要求。
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