CN114265117A

CN114265117A - 一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统

Info

Publication number: CN114265117A
Application number: CN202111516465.9A
Authority: CN
Inventors: 董兴蒙; 夏济根; 翟宇文; 路艳齐; 茹聪
Original assignee: China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
Current assignee: China Institute of Radio Wave Propagation CETC 22 Research Institute
Priority date: 2021-12-12
Filing date: 2021-12-12
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明公开了一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，包括阵列声波测量仪，采集通讯系统和便携式计算机；阵列声波测量仪包括依次通过螺纹连接在一起的发射装置、隔声装置和接收装置；采集通讯系统包括网络通讯电路、电源电路、数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路，其中网络通讯电路通过通讯线与便携式计算机连接通信，数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路与网络通讯电路电连接，数据采集与处理电路与声波发射电路和接收预处理电路电连接。本发明所公开阵列声波测量系统，通过设计一种结构简单、设计合理、隔声效果良好且具有一定程度抗拉和抗压强度的隔声装置，实现实验室内阵列声波测量系统的小型化。

Description

一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统

技术领域

本发明属于高校实验室内石油测井领域声波测井方向，特别涉及该领域中的一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统。

背景技术

近年来，国内多所高校建立了实验室大尺度地层模型，用于监测天然气水合物富集过程，并且通过测量含水合物沉积物的声波时差和电阻率等岩石物理特征来认识天然气水合物成藏规律、富集模式，这对于国内松散型、冻土型等不同产状水合物的天然气开发具有重要意义。为了获得水合物空间分布及储集参数动态变化的表征及储集参数的精细刻度，需要研制一种实验室内小型化阵列声波测量系统，在真实模拟测井环境的情况下探测井周地层特性。阵列声波测量系统通过发射和接收部分采集单极子波形和偶极子波形，并利用时差提取方法计算纵波、横波以及斯通利波的时差曲线。

小型化的阵列声波测井测量系统可以为实验室地层模型提供不同深度段的单极子波形和偶极子波形，有效地获得实验室内地层纵波、横波以及斯通利波的时差曲线，进而对实验室地层模型开展定量地质评价。隔声装置作为该测量系统设计的核心关键之一，位于仪器发射装置和接收装置之间，其主要作用是在宽频率范围内，有效地延迟沿仪器壳体传播的直达波，提高单极子波接收的信噪比。

在测井测量和评价中，声波时差在研究岩石力学特性、气层和裂缝识别、井壁稳定性分析等方面有着重要作用。阵列声波测井是当前探井获得岩石纵波、横波时差信息不可替代的测量工具。然而，传统的单极子声波测井仪只能测量地层的纵波时差，且存在自身的缺点；现有的阵列声波仪器的隔声装置大部分需要刻槽才能实现隔声效果，而刻槽在阵列声波仪器小型化方面是一个很难克服的挑战。为了实现有效地隔声目的，同时避免刻槽对仪器壳体造成的加工难度，需要设计一种结构简单、设计合理、隔声效果良好且满足实验要求的隔声装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，可以有效地测量实验室内模型地层的纵波、横波以及斯通利波时差，解决实验室内阵列声波测量仪器的小型化问题。

本发明采用如下技术方案：

一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其改进之处在于：包括阵列声波测量仪，采集通讯系统和便携式计算机；阵列声波测量仪包括依次通过螺纹连接在一起的发射装置、隔声装置和接收装置，发射装置、隔声装置和接收装置的外壳均为聚四氟乙烯材料，内部充满硅油，发射装置包括单极子发射换能器、偶极子发射换能器，接收装置包括8个接收换能器；采集通讯系统包括网络通讯电路、电源电路、数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路，其中网络通讯电路通过通讯线与便携式计算机连接通信，数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路与网络通讯电路电连接，数据采集与处理电路与声波发射电路和接收预处理电路电连接，声波发射电路与阵列声波测量仪的发射装置电连接，接收预处理电路与阵列声波测量仪的接收装置电连接，电源电路为阵列声波测量仪和采集通讯系统供电。

进一步的，在发射装置、隔声装置和接收装置的螺纹连接处还设置一定厚度的橡胶圈。

进一步的，隔声装置30cm一节，具体接入节数根据声速测量临界源距设定，使隔声装置长度大于声速测量临界源距。

进一步的，发射装置和接收装置在单极子发射换能器、偶极子发射换能器以及接收换能器位置处的内径大于其余位置以及隔声装置的内径。

进一步的，通讯线为USB或Ethernet通讯线。

本发明所公开阵列声波测量系统的有益效果是：

(1)阵列声波测量仪与现有阵列声波测井仪器相比，长度为现有仪器的1/10—1/8，外径为现有仪器的1/3—1/2，仪器的小型化程度更高，测量获得的纵波、横波以及斯通利波时差曲线与实际现场仪器测量模型的结果具有可比拟性。

(2)通过设计一种结构简单、设计合理、隔声效果良好且具有一定程度抗拉和抗压强度的隔声装置，实现实验室内阵列声波测量系统的小型化。隔声装置无刻槽，以聚四氟乙烯材料替代传统的不锈钢—橡胶环结构来实现有效隔声，不用刻槽可降低仪器壳体的加工难度及仪器造价。

(3)发射装置、隔声装置和接收装置以螺纹连接，该种方式的组合可以通过增加隔声装置的节数来增加源距的长度，用于适应不同尺寸的井眼测量环境，增强了仪器的可适应性。

(4)可以作为研究复杂地质条件下测井响应的仪器支撑，具有占地面积小，操作方便，测量结果精度准确、可靠的优点；

(5)具有可重复性等测量优点，既可以对单因素地质条件进行分析，也可对复杂多因素地质条件进行分析。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开阵列声波测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开阵列声波测量系统中阵列声波测量仪的结构示意图；

图3(a)是聚四氟乙烯外壳的接收波形图；

图3(b)是传统玻璃钢/钢外壳的接收波形图；

图4(a)是聚四氟乙烯外壳的波场快照；

图4(b)是传统玻璃钢/钢外壳的波场快照。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，包括阵列声波测量仪1，采集通讯系统2和便携式计算机3，本系统的深度部分为深度传动模组，可以进行定点测量以及动态测量，深度信息引入到采集通讯系统中，采集通讯系统完成数据采集、数据传输、功率调节、状态转换、与便携式计算机通信、仪器复位等功能。

采集通讯系统的工作流程为：在阵列声波测量系统开始工作时，首先由便携式计算机下发指令，数据采集与处理电路根据便携式计算机的指令进行参数配置等工作，之后按照参数配置，在便携式计算机的指令下控制声波发射电路进行声波的发射，由接收预处理电路对接收到的声波信号进行预先处理后进行声波信号的采集与储存，最后在便携式计算机的指令控制下对采集到的声波数据进行上传。

如图2所示，阵列声波测量仪包括依次通过螺纹连接在一起的发射装置11、隔声装置12和接收装置13，在螺纹连接处还设置一定厚度的橡胶圈用于密封和隔声。发射装置、隔声装置和接收装置的外壳14均为聚四氟乙烯材料，不需刻槽，内部充满硅油。

下面对聚四氟乙烯外壳和传统橡胶胶囊外壳的透声性能进行比较：

假设某介质两侧的相邻介质均不同，例如油，橡胶，水，三种介质，介质间有两层界面，其透声系数(声强透过率)计算公式为：

公式(1)中，Z₁，Z₂，Z₃分别为三种介质的阻抗，且z₁≠z₂≠z₃，λ₂，d₂为中间层介质的波长和厚度。

选择声波换能器发射频率35kHz(小直径换能器常规发射主频)，其余参数如下表所示，按照公式(1)分别计算透声系数。

在三种介质从内至外(井轴为中心)分别为硅油，聚四氟乙烯，水的情况下，计算所得透声系数为T1＝0.9785。

在三种介质从内至外(井轴为中心)分别为硅油，橡胶胶囊，水的情况下，计算所得透声系数为T2＝0.9420。

经对比可以得出结论，采用聚四氟乙烯外壳时，尽管厚度增加了，但其透声性能仍旧优于传统的橡胶胶囊外壳。

隔声的目的在于阻隔沿仪器本身传播的声波，确保接收器接收到的首波来自于井外地层，本实施例中采用聚四氟乙烯作为仪器外壳，该材料声速通常在1300-1450m/s之间，远低于常规地层纵波速度(参考范围1800～7000m/s)，亦低于井内流体声速(参考范围1500～1650m/s)，因此沿仪器本身传播的声波在时间上晚于沿井内流体传播的声波到达接收器，因此采用此种材料外壳无需其他工艺加工处理，即可达到隔声目的。

采用聚四氟乙烯外壳的接收波形图如3(a)所示，采用传统玻璃钢/钢外壳的接收波形图如3(b)所示，聚四氟乙烯外壳的波场快照如图4(a)所示，传统玻璃钢/钢外壳的波场快照如图4(b)所示。通过对比可以得出结论，采用聚四氟乙烯外壳时，无需特殊处理，接收器接收到的首波即为沿地层传播的纵波(此例中为0.15ms以后到达接收器1)，而采用传统玻璃钢/钢外壳时，相同的外壳加工外形情况下，接收器接收到的首波是来自仪器的仪器波(此例中为0.1ms到达接收器1)，到时大大提前，无法测量地层纵波速度。

发射装置包括单极子发射换能器111、偶极子发射换能器112，接收装置包括8个接收换能器131，发射装置和接收装置在单极子发射换能器、偶极子发射换能器以及接收换能器位置处的内径大于其余位置以及隔声装置的内径；采集通讯系统包括网络通讯电路、电源电路、数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路，其中网络通讯电路通过USB或Ethernet通讯线与便携式计算机连接通信，数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路与网络通讯电路电连接，数据采集与处理电路与声波发射电路和接收预处理电路电连接，声波发射电路与阵列声波测量仪的发射装置电连接，接收预处理电路与阵列声波测量仪的接收装置电连接，电源电路为阵列声波测量仪和采集通讯系统供电。

阵列声波测量仪的发射装置、接收装置和隔声装置之间不是一体的，而是通过螺纹拼接组成，可以通过增加隔声装置的节数实现源距可调的目的，用于满足不同井眼条件下的测量环境。

在实际测井中，阵列声波测量仪的源距可根据地层纵波速度、井内流体速度以及仪器与井壁间的距离计算获得，满足单极子发射换能器激励时采集的波形首波为地层的纵波信息，即源距条件必须满足：

其中，TR表示源距，a表示换能器至井壁的距离，Vp和Vf分别表示滑行纵波速度和流体速度。

例1：套管内径为0.04m，仪器外径为0.035m。

按照常规地层纵波速度范围1800～7000m/s，井内流体速度范围1500-1600m/s，保证地层滑行纵波率先到达的临界源距TR可根据公式(2)计算如下：

纵波速度1800m/s，流体速度1500m/s计算，则TR＝0.0166m

纵波速度1800m/s，流体速度1600m/s计算，则TR＝0.0206m

纵波速度7000m/s，流体速度1500m/s计算，则TR＝0.0062m

纵波速度7000m/s，流体速度1600m/s计算，则TR＝0.0063m

由此可知：在套管内径为0.04m，仪器外径为0.035m的情况下，源距最小应为21cm(大于上述速度范围内计算得出的临界源距最大值)。

例2：套管内径为0.05m，仪器外径为0.035m。

纵波速度1800m/s，流体速度1500m/s计算，则TR＝0.05m

纵波速度1800m/s，流体速度1600m/s计算，则TR＝0.06m

纵波速度7000m/s，流体速度1500m/s计算，则TR＝0.0186m

纵波速度7000m/s，流体速度1600m/s计算，则TR＝0.0189m

由此可知，在套管内径为0.05m，仪器外径为0.035m的情况下，源距最小应为60cm。

本实施例中的隔声装置30cm一节，完全满足实验室小井眼(例1)内的测量要求，当用于其他井眼环境时，可以通过增加隔声装置的节数来确保仪器源距满足声速测量临界源距的要求，无需改动阵列声波测量仪的其他任何部分，极大的提高了阵列声波测量仪对不同井眼的适应能力。

Claims

1.一种实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其特征在于：包括阵列声波测量仪，采集通讯系统和便携式计算机；阵列声波测量仪包括依次通过螺纹连接在一起的发射装置、隔声装置和接收装置，发射装置、隔声装置和接收装置的外壳均为聚四氟乙烯材料，内部充满硅油，发射装置包括单极子发射换能器、偶极子发射换能器，接收装置包括8个接收换能器；采集通讯系统包括网络通讯电路、电源电路、数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路，其中网络通讯电路通过通讯线与便携式计算机连接通信，数据采集与处理电路、声波发射电路和接收预处理电路与网络通讯电路电连接，数据采集与处理电路与声波发射电路和接收预处理电路电连接，声波发射电路与阵列声波测量仪的发射装置电连接，接收预处理电路与阵列声波测量仪的接收装置电连接，电源电路为阵列声波测量仪和采集通讯系统供电。

2.根据权利要求1所述实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其特征在于：在发射装置、隔声装置和接收装置的螺纹连接处还设置一定厚度的橡胶圈。

3.根据权利要求1所述实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其特征在于：隔声装置30cm一节，具体接入节数根据声速测量临界源距设定，使隔声装置长度大于声速测量临界源距。

4.根据权利要求1所述实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其特征在于：发射装置和接收装置在单极子发射换能器、偶极子发射换能器以及接收换能器位置处的内径大于其余位置以及隔声装置的内径。

5.根据权利要求1所述实验室内无刻槽隔声装置的阵列声波测量系统，其特征在于：通讯线为USB或Ethernet通讯线。