CN111119869B - 超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法，该超声换能器检测装置包括：与随钻超声井径测井仪的钻铤连接的支架，其截面为环形且沿周向设有多个贯穿的径向通孔；与超声波换能器数量相等的超声波耦合延迟块，其包括多个且沿周向嵌设在支架的径向通孔内；且该检测装置构造成：在下井前，通过随钻超声井径测井仪中的超声波发射与接收机构发射超声波信号，经超声波耦合延迟块传递，根据超声波发射与接收机构接收到的反射信号的到时和幅度，从而检测随钻超声井径测井仪中的多个超声波换能器的性能。该检测装置实现钻铤中多个随钻超声换能器的同步快速检测，提高了随钻测井仪器中超声换能器的检测效率与检测准确性。

Description

超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法

技术领域

本发明涉及声学换能器检测技术领域，特别涉及一种超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法。

背景技术

随钻超声井径测井仪是一种随钻条件下基于超声脉冲反射法进行井眼状况评价的井壁超声测井仪器。仪器在钻进过程中测量不同深度位置的井眼信息，这些信息有助于优化钻井参数，改善钻井质量，提高钻进时效，降低钻井成本，以及为其它测井曲线的井眼环境校正提供必要的参数。

随钻超声换能器是随钻超声井径测井仪中最为核心的部件之一，直接影响仪器测量结果的可靠性和准确性。现有超声换能器检测技术主要是利用定位系统或者行吊装置在室内半空间水槽或充满水的空心钢管中对超声换能器的脉冲响应特性进行测量。然而，现有的这种检测方法对安装在钻铤中的随钻超声换能器的检测就比较困难，需要采用吊装装置将钻铤整体竖起来，再将随钻超声换能器完全浸泡于水槽中进行检测，检测过程复杂、耗时、效率低、成本高。数吨重的钻铤搬运十分困难，而且现有超声换能器检测技术不适合现场随钻超声换能器的检测，无法快速准确评价随钻超声换能器的质量好坏。

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，本发明提出了一种超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法，在井场下钻前或起钻后可以在钻铤外壁上嵌套本发明的超声换能器检测装置，从而实现钻铤中多个随钻超声换能器的同步快速检测，提高了随钻测井仪器中超声换能器的检测效率与检测准确性。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种超声换能器检测装置，包括：

与随钻超声井径测井仪的钻铤连接的支架，其截面为环形且沿周向设有多个贯穿的径向通孔；

与超声波换能器数量相等的超声波耦合延迟块，其包括多个且沿周向嵌设在支架的径向通孔内；

且该检测装置构造成：在下井前，通过随钻超声井径测井仪中的超声波发射与接收机构发射超声波信号，经超声波耦合延迟块传递，根据超声波发射与接收机构接收到的反射信号的到时和幅度，从而检测随钻超声井径测井仪中的多个超声波换能器的性能。

在一种实施方案中，超声波耦合延迟块的自由端面上设有超声波耦合剂层。

在一种实施方案中，所述超声波耦合剂层具有良好的高低温适应性，其适用的温度范围为-25°-125°。

在一种实施方案中，所述支架由两个半圆环的弧形支架通过紧固件或连接件连接构成，且两个弧形支架的连接处形成有连接凸块，在所述凸块上形成有用于连接的轴向通孔和/或径向螺纹孔。

在一种实施方案中，所述支架采用高分子工程塑料制作而成，所述材料包括聚四氟乙烯与聚醚醚酮。

在一种实施方案中，所述超声波耦合延迟块采用阻抗大、有利于反射的金属材料或者合金材料制作而成，所述材料包括铝合金、铜合金与不锈钢。

在一种实施方案中，所述支架的内表面形成有光滑的反射面或设置有专用于反射超声波的反射面。

在一个优选的方案中，超声波发射与接收机构及超声波换能器可采用超声波发射与接收一体机。

在一种实施方案中，所述钻铤上表面设有径向槽孔，所述超声波发射与接收机构连接在所述径向槽孔内，并在钻铤与支架间形成超声波的固体-固体耦合传播。

另一方面，本发明还提出了一种随钻超声换能器检测方法，包括：

在随钻超声井径测井仪下井前或起钻后，将如前述的装置中的支架连接到随钻超声井径测井仪中的钻铤的上端，通过将超声波耦合延迟块对接随钻超声井径测井仪中的超声波换能器，通过检测时超声波发射与接收机构接收到的经超声波耦合延迟块反射的信号实现对其中多个超声波换能器性能的同步检测。

在一种实施方案中，所述超声波信号发射与接收机设在钻铤上端的径向安装槽内，超声波耦合延迟块的两个自由端面上均设有超声波耦合剂层，所述超声波耦合剂层与超声波换能器耦合。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

现场检测中，将本发明的检测装置套接在随钻超声井径测井仪的随钻超声换能器辐射面或接收面之上，并紧扣在仪器钻铤外壁。内嵌在检测装置的支架中的多个超声波耦合延迟块通过位置调节可以使两个自由端面紧密贴合在随钻超声换能器辐射面或接收面和目标反射界面上，并通过预先涂抹在两个自由端面的超声波耦合剂层来耦合超声波能量，从而实现了以构造目标反射界面来快速、高效地检测随钻超声换能器自发自收状态下的脉冲回波响应特性。

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所示为本发明的超声换能器检测装置的其中一种实施例的结构示意图；

图2所示为本发明的超声换能器检测装置检测随钻超声井径测井仪中内置有三个随钻超声换能器时的剖视结构示意图；

图3所示为本发明的超声换能器检测装置检测随钻超声井径测井仪中内置有四个随钻超声换能器时的剖视结构示意图。

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，现有超声换能器检测技术主要是利用定位系统或者行吊装置在室内半空间水槽或充满水的空心钢管中对超声换能器的脉冲响应特性进行测量。但这种检测方法对安装在钻铤中的随钻超声换能器的检测就比较困难，需要采用吊装装置将钻铤整体竖起来，再将随钻超声换能器完全浸泡于水槽中进行检测，检测过程复杂、耗时、效率低、成本高。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种超声换能器检测装置及随钻超声换能器检测方法，下面进行详细说明。

图1显示了本发明的超声换能器检测装置的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，本发明的超声换能器检测装置主要包括：支架10、超声波发射与接收机构17、超声波换能器(图中未示出)与嵌设在支架10中的超声波耦合延迟块15。其中，如图1至图3所示，支架10连接在钻铤18的上端，支架10的截面为环形且沿周向设有多个贯穿的径向通孔16。超声波发射与接收机构17设在钻铤18与支架10之间。超声波换能器连接超声波耦合延迟块15，超声波耦合延迟块15沿周向嵌设在支架10的径向通孔16内。在下入井内前，通过超声波发射与接收机构17发射超声波信号，经超声波耦合延迟块15传递和反射后，根据超声波发射与接收机构17接收到的反射信号的到时和幅度可以同步检测出随钻超声井径测井仪中的多个超声波换能器的性能。

在一个优选的实施例中，本发明中未设置单独的超声波发射与接收机构17，而是采用超声波发射与接收一体机来替换超声波发射与接收机构17及超声波换能器。因此，有几个超声波换能器就设置相同数量的超声波发射与接收一体机。

在一个实施例中，如图1、图2和图3所示，支架10整体呈组合式圆环结构。支架10有两个聚四氟乙烯弧形支架11和12通过铰链13和螺栓14连接构成。超声波耦合延迟块15内嵌在聚四氟乙烯弧形支架11和12的径向通孔16中。多个径向通孔16沿周向设在支架10的圆柱面内，且贯穿内外圆柱面，其作用用于容置超声波耦合延迟块15。

在一个实施例中，如图1、图2和图3所示，径向通孔16在靠近外圆柱面一侧的通孔表面上加工有一段内螺纹161，用于调节超声波耦合延迟块15嵌入在径向通孔16中的位置。

在一个实施例中，如图1、图2和图3所示，连接为一体的两个半圆环聚四氟乙烯弧形支架11和12紧扣在钻铤18的外壁上，多个超声波耦合延迟块15内嵌在周向分布的多个径向通孔16内。超声波耦合延迟块15与内置在钻铤18中的周向布置的多个随钻超声换能器处于密切接触的耦合状态。

在一个实施例中，如图1、图2和图3所示，超声波耦合延迟块15的两个自由端面均涂抹有一层超声波耦合剂层151。这种结构消除了超声波耦合延迟块15与随钻超声换能器紧密贴合时间隙内的空气，实现了固体-固体界面能量耦合传播，有助于随钻超声换能器发射更多的超声脉冲信号向外传播并反射回来而被接收。

在一个实施例中，如图2和图3所示，聚四氟乙烯弧形支架11和12呈半圆环结构，是由聚四氟乙烯材料制作而成，或者，也可以由聚醚醚酮材料或其他高分子工程塑料制作而成。聚四氟乙烯弧形支架11和12组合而成一个圆环，圆环的内径120～205mm，厚度50～70mm，高度80～120mm，能够适应于现场常用4.75in、6.75in、7in和8in规格的钻铤18。

在一个实施例中，超声波耦合延迟块15呈圆柱状结构，由聚苯乙烯材料制作而成。或者，也可以由聚丙烯或其他有机高分子材料制作而成，密度1.02～1.06m/s，声阻抗2.14～2.58MRayl，外径25～35mm，长度20～30mm。

在一个实施例中，超声波耦合剂层151是由多种高分子凝胶调配而成的一种液性传导介质，具有良好的高、低温性能。适用的温度范围-25～125℃，既可以适应野外现场寒冷的低温作业环境，又能适应野外现场炎热的高温作业环境。

在一个实施例中，超声波耦合延迟块15内嵌于靠近钻铤18的一侧的径向通孔16内，且通过两自由端面涂抹的超声波耦合剂层151与随钻超声换能器和目标反射体紧密贴合。当随钻超声换能器发射的超声脉冲沿超声波耦合延迟块15轴向传播时，一方面有利于超声脉冲信号在固体-固体反射界面能量耦合传播，另一方面增大了反射回波信号的传播时间，具有超声波信号耦合、延时传播的作用。本发明提供的检测装置既实现了固体-固体反射界面上超声波能量的耦合传播，又实现了反射回波信号的传播时间的延迟，这样就避免了随钻超声换能器的应电压始脉冲对反射回波信号的干扰，同时提高了反射回波信号的信噪比。

如图2所示，为本发明提供的超声换能器检测装置检测随钻超声井径测井仪中内置有三个随钻超声换能器时的剖视结构示意图。结合图1和图2所示，本发明提供的检测装置嵌套在6.75in随钻超声井径测井仪中内置的随钻超声换能器之上，连接一体的两个聚四氟乙烯弧形支架11和12内侧的圆柱面紧扣在仪器钻铤18的外壁。内嵌在径向通孔16中的三个周向间隔为120°的超声波耦合延迟块15通过位置调节可以使两个自由端面紧密贴合在随钻超声换能器辐射面(或接收面)和目标反射体界面上，并通过预先涂抹在两个自由端面的超声波耦合剂层151来耦合传播超声波能量，从而可使超声脉冲沿超声波耦合延迟块15轴向传播并被目标反射界面反射回来。现场检测中，启动随钻超声井径测井仪地面工作模式，以本发明提供的超声换能器检测装置，再配备三个目标反射界面(图2中可设在支架10的内表面)，就可以实现周向均布的三个随钻超声换能器自发自收状态下的脉冲回波响应特性的同步检测。

如图3所示，为本发明提供的超声换能器检测装置检测随钻超声井径测井仪中内置的四个随钻超声换能器的剖视图。结合图1和图3所示，本发明提供的超声换能器检测装置嵌套在8.0in随钻超声井径测井仪中内置的随钻超声换能器之上，连接一体的两个聚四氟乙烯弧形支架11和12内侧的圆柱面紧扣在仪器钻铤外壁。内嵌在径向通孔16中的四个周向间隔90°的超声波耦合延迟块15通过位置调节可以使两个自由端面紧密贴合在随钻超声换能器辐射面(或接收面)和目标反射体界面上，并通过预先涂抹在两个自由端面的超声波耦合剂层151来耦合超声波能量，从而可使超声脉冲沿超声波耦合延迟块15轴向传播并被目标反射界面反射回来。现场检测中，启动随钻超声井径测井仪地面工作模式，以本发明提供的超声换能器检测装置，再配备四个目标反射界面(图3中可设在支架10的内表面)，就可以实现周向均布的四个随钻超声换能器自发自收状态下的脉冲回波响应特性的同步检测。

在本发明的实施例中，通过一次检测，就能同时检测出包含有多个随钻超声换能器的随钻超声井径测井仪中具体是其中的哪一个或几个出现性能故障，从而可以提高检测效率。其中的随钻超声换能器以自发自收模式向井内钻井液介质中发射超声脉冲信号，并接收从井壁界面反射回来的回波。利用回波信号的传播时间和幅度就可以评价井眼信息。一般为了增强可靠性和提高测量精度，随钻超声井径测井仪通常在钻铤18的外壁沿着周向等间隔均匀安装2～4个随钻超声换能器。通过在下入井下之前，将该带有2～4个随钻超声换能器的随钻超声井径测井仪与本发明的超声换能器检测装置连接，根据超声波发射与接收机构接收到的反射信号的到时和幅度，就能检测出其中的超声波换能器的性能。

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 (8)

1.一种超声换能器检测装置，其特征在于，包括：

与随钻超声井径测井仪的钻铤连接的支架，其截面为环形且沿周向设有多个贯穿的径向通孔；

与超声波换能器数量相等的超声波耦合延迟块，其包括多个且沿周向嵌设在支架的径向通孔内；

且所述超声换能器检测装置构造成：在下井前，通过随钻超声井径测井仪中的超声波发射与接收机构发射超声波信号，经超声波耦合延迟块传递，根据超声波发射与接收机构接收到的反射信号的到时和幅度，从而检测随钻超声井径测井仪中的多个超声波换能器的性能，

其中，所述超声波耦合延迟块的自由端面上设有超声波耦合剂层，

所述支架的内表面形成有光滑的反射面或设置有专用于反射超声波的反射面，超声波发射与接收机构及超声波换能器采用超声波发射与接收一体机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波耦合剂层具有良好的高低温适应性，其适用的温度范围为-25°C到125°C。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述支架由两个半圆环的弧形支架通过紧固件或连接件连接构成，且两个半支架的连接处形成有连接凸块，在所述凸块上形成有用于连接的轴向通孔和/或径向螺纹孔。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支架采用高分子工程塑料制作而成，所述高分子工程塑料包括聚四氟乙烯与聚醚醚酮。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述超声波耦合延迟块采用阻抗大、有利于反射的金属材料或者合金材料制作而成，所述材料包括铝合金、铜合金与不锈钢。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述钻铤上表面设有径向槽孔，所述超声波发射与接收机构连接在所述径向槽孔内，并在钻铤与支架间形成超声波的固体-固体耦合传播。

7.一种随钻超声换能器检测方法，其特征在于，包括：

在随钻超声井径测井仪下井前或起钻后，将如权利要求1至6中任一项所述的超声换能器检测装置中的支架连接到随钻超声井径测井仪中的钻铤的上端，通过将超声波耦合延迟块对接随钻超声井径测井仪中的超声波换能器，通过检测时超声波发射与接收机构接收到的经超声波耦合延迟块反射的信号实现对其中多个超声波换能器性能的同步检测。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波信号发射与接收机构设在钻铤上端的径向安装槽内，超声波耦合延迟块的两个自由端面上均设有超声波耦合剂层，所述超声波耦合剂层与超声波换能器耦合。

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