CN202108505U

CN202108505U - 一种钻井泥浆声速测量装置

Info

Publication number: CN202108505U
Application number: CN2011201571971U
Authority: CN
Inventors: 丛健生; 王秀明; 车承轩; 陈德华; 徐德龙
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-05-17

Abstract

本实用新型涉及一种钻井泥浆声速测量装置，包括谐振腔，谐振腔壁包括压电陶瓷材料，压电陶瓷在厚度方向极化；谐振腔在激励电信号的作用下谐振，由此谐振频率获得钻井泥浆声速。本实用新型解决了目前超声反射法或透射法由于钻井泥浆溶液浓度增大带来的得不到接收信号或声衰减增强等问题。

Description

一种钻井泥浆声速测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种钻井泥浆声速测量装置，其主要应用于钻井施工过程中随钻测量工程技术领域。

背景技术

在钻井过程中，井眼的形状和直径发生局部的变化是很普遍的，在高斜度井中这种情况尤为突出。随钻超声波井径测量仪能高精度、高垂直分辨率地确定井眼的椭圆度，它的测量数据能传送到地面，并用于对随钻测量(随钻密度测井等)数据进行补偿。更重要的是，借助于它的实时测量，能及早发现井眼的不稳定性。然而，井径的精确计算主要依赖于泥浆声波速度的准确测量。因此钻井泥浆的声波速度精确测量成为随钻井径测量中最为关键的一环。

钻井泥浆中声波速度主要受泥浆基质(油或水)、密度、含盐量、压力和温度等因素的影响。当进行超声波测量井眼直径时，关键要知道井下环境中声波在泥浆中的速度。但在钻进的过程中很少能知道它的准确值，一般采用估值的方法。因此，对估值要进行质量控制。一般可以通过与一个已知的直径进行对比，来检测它的准确性、然后进行校正。通过有选择的采样一个泥浆样品，然后在一定的温度和压力下进行测试它的声波特性，进而确保能有正确的数据输出。需要注意的是，一定要密切注意在钻进过程中泥浆性质的改变，若有的话，就需要更进一步的检测泥浆速度。

目前，钻井泥浆声速值主要是根据广泛的超声反射或者透射的方法测量得到的数据和测试结果，经过井下压力与温度影响校正的方法来确定。这种泥浆声速的确定方法存在测量精度有限和实时性差等不足。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种钻井泥浆声速测量装置。利用测量充有不同组分钻井泥浆的谐振腔的共振声谱，求取钻井泥浆的声波速度和声衰减等信息。

为实现此目的，本实用新型提出一种钻井泥浆声速测量装置，包括谐振腔，谐振腔壁包括压电陶瓷材料，压电陶瓷在厚度方向极化；谐振腔在激励电信号的作用下谐振，由此谐振频率获得钻井泥浆声速。

本实用新型提出的钻井泥浆声速测量装置，其优点在于一是它适用钻井泥浆比重变化范围大；二是它可以满足钻井泥浆声速的在线测量要求，具有准确、方便和实时等特点。

附图说明

本实用新型的示例性实施例将从下文中给出的详细说明和本实用新型不同实施例的附图中被更完全地理解，然而这不应该被视为将本实用新型限制于具体的实施例，而应该只是为了解释和理解。

图1为钻井泥浆声速测量装置示意图。

图2为谐振腔示意图。

图3为接收器示意图。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将意识到，所述示例性实施例的下述详细说明仅仅是说明性的，并且不是意在以任何方式加以限制。其他实施例将容易地呈现给受益于本公开的这类技术人员。现在，将详细地参考如若干附图中所示的示例性实施例的实施。遍及附图并且在后面的详细说明中将使用相同的附图标记来指出相同或类似的部分。

如图1所示，一种钻井泥浆声速测量装置，主要包括谐振腔11，固定环12，容器13，接收器14，待测泥浆溶液15，信号发生单元21，信号处理单元22，数据存储与成果显示单元23等部分。谐振腔11通过固定环12固定在容器13上，使之连成一体。接收器14固定在容器13的一侧端头，容器13内充满泥浆液体。谐振腔11与信号发生单元21连接，接收器14与信号处理单元22连接，信号处理单元22与数据存储与成果显示单元23连接。

由信号发生单元21产生激励电信号，经过电声之间的能量转换，使谐振腔11产生振动，逐渐改变激励电信号的频率，使谐振腔11产生谐振，这使得谐振腔体内的声场发生改变，这一过程由接收器14通过声电之间的能量转换接收谐振腔体内的声场信息，并经过信号处理单元22进行接收信号的放大和滤波，最后经过数据存储与成果显示单元23进行数据处理，然后进行数据存储和解释成果显示。整个测量过程可以得到不同组分钻井泥浆时的谐振腔的共振声谱，进而可以得到不同组分钻井泥浆的声波速度和声衰减等参数。

下文以圆柱形谐振腔为例，介绍本实用新型的具体测量原理。当然，本实用新型不限于圆柱形谐振腔，还可以适用于其它形状的谐振腔，例如长方体谐振腔。

假设存在一个有限长的刚性圆柱形谐振腔，其长度为L，内半径为a，谐振腔里充满声速为c、密度为ρ的单相流体介质。在柱坐标系下，求解波动方程并结合边界条件可得圆柱形空腔体(谐振腔内部无小扰动体)的共振频率为：

f_{mn} = \frac{c}{2} \sqrt{{(\frac{l}{L})}^{2} + {(\frac{α_{mn}}{a})}^{2}} - - - (1)

式中l＝0，1，2，3，...，α_mn是方程dJ_m(πr)/dr＝0的第n个解。

如果只考虑轴对称情况，此时m应等于0，对应的沿z轴方向传播的声波共振频率的最低阶模式为l＝1和n＝0，即谐振腔体最低模式所对应的最低共振频率可写为：

f₀＝c/2L (2)

进一步，

c＝2·L·f₀ (3)

由上式可知，谐振腔中流体的声速大小是由谐振腔体的长度与在纵向上谐振腔体最低模式共振频率乘积的2倍决定的。

在一个实施例中，容器13既是泥浆液体15的盛放装置，也是防止泥浆液体15泄露的保护装置。容器13为圆柱体或长方体，一般由强度较高和耐腐蚀的合金或者特种工程塑料材料构成，主要用来盛放泥浆溶液和固定谐振腔。容器13中部的固定环12，主要用来固定谐振腔11，防止谐振腔11振动时产生滑动。接收器14被固定在容器13的底部，接收器14一端与谐振腔11内的泥浆15接触。整个容器13内充满泥浆15。泥浆15主要为不同组分的钻井泥浆液体。

谐振腔11是钻井泥浆声速测量装置的核心部件，谐振腔为圆柱体或者长方体，由压电陶瓷材料构成，压电陶瓷在厚度方向极化，谐振腔内外表面镀有银或者镍等金属，用以焊接电极并加载电压。主要用来实现电声之间的能量转换。

在一个实施例中，谐振腔由高温锆钛酸铅压电陶瓷材料构成，工作温度一般在-40℃-250℃范围内。如图2所示，谐振腔11形状为圆柱体，两面端头为开放式，高度为100mm-800mm，外径为20mm-100mm。压电陶瓷极化方向为厚度方向，内外壁分别通过高温导线16与信号发生单元21连接。

本实用新型的谐振腔11主要是通过信号发生单元21产生振动的。信号发生单元，主要是实现发射电信号的产生，既可以是单独的电路构成，也可以由高压脉冲发生器或者超声分析仪等设备代替。信号发生单元21主要有两种工作模式，一种是稳态激励工作模式，而另一种是瞬态激励工作模式。稳态激励工作模式主要是通过产生连续的扫频信号，不断改变电信号的频率，使谐振腔11产生振动，当电信号的频率达到谐振腔11纵向最低阶模式共振频率时，使谐振腔11发生谐振。瞬态激励工作模式主要是产生一定重复频率的电脉冲信号，激发谐振腔11，使谐振腔11产生谐振。当然，这些工作需要事先通过阻抗分析仪等设备，测量得到谐振腔11的阻抗特性，进而确定谐振腔11在纵向最低阶模式的共振频率。

本实用新型的接收器14结构，如图3所示。接收器14一般由压电陶瓷环和盖板组成，压电陶瓷在厚度方向极化，其内外表面镀有银或者镍等金属。主要用来实现声电之间的能量转换，并接收谐振腔体内的共振声谱的变化。

本实用新型中的接收器不仅限于这一种方式，可以由其它任一种方式代替。

在一个实施例中，接收器由接收型高温压电陶瓷材料制作的圆管构成，陶瓷圆管长10-100mm，外径10-40mm，壁厚1.0-10.0mm。压电陶瓷管通过盖板17固定在容器13上。盖板为聚四氟乙烯材料，盖板上的小孔19既可以用来贯穿信号引线18，也可以使压电陶瓷管内充满泥浆液体15，保持管的内外压力平衡。小孔直径3-30mm。其中，信号引线18是高温导线。这些部件组合为一体，装配到容器13内。压电陶瓷管的信号引线18与信号处理单元22连接。

本实用新型的信号处理单元22，主要是将接收器14的接收信号进行前置放大、滤波处理，使有用信号增强。

本实用新型的数据存储与成果显示单元23，主要是将不同测量条件下得到的谐振腔11的共振声谱，根据前述的测量原理转换成泥浆液体15的声速与声衰减信息，并将处理前后数据进行存储与结果显示，给出实时的泥浆液体15的声速和声衰减变化曲线。数据存储与成果显示单元可以由示波器显示测量结果，也可以由计算机存储测量数据和数据处理结果，并实时显示解释结果。

由于本实用新型采用共振声谱的测量方法，使得接收信号强，从而解决了目前超声反射法或透射法由于钻井泥浆溶液浓度增大带来的得不到接收信号或声衰减增强等问题。另外，由于本实用新型采用稳态激励和瞬态激励两种工作模式，使得谐振腔体的共振声谱测量适用于更大范围的泥浆溶液的组分变化，以及现场施工过程中的实时、在线测量要求。

尽管已经示出并描述了本实用新型的特殊实施例，然而在不背离本实用新型的示例性实施例及其更宽广方面的前提下，本领域技术人员显然可以基于此处的教学做出变化和修改。因此，所附的权利要求意在将所有这类不背离本实用新型的示例性实施例的真实精神和范围的变化和更改包含在其范围之内。

Claims

1.一种钻井泥浆声速测量装置，包括谐振腔，谐振腔壁包括压电陶瓷材料，压电陶瓷在厚度方向极化；谐振腔在激励电信号的作用下谐振，由此谐振频率获得钻井泥浆声速。

2.如权利要求1所述的钻井泥浆声速测量装置，其特征在于谐振腔是圆柱体或是长方体。

3.如权利要求1所述的钻井泥浆声速测量装置，其特征在于谐振腔两面端头为开放式。

4.如权利要求1所述的钻井泥浆声速测量装置，其特征在于包括接收器，接收器由压电陶瓷环组成，压电陶瓷在厚度方向极化，用于将谐振声信号转换为电信号。

5.如权利要求1所述的钻井泥浆声速测量装置，其特征在于包括信号发生单元，用于提供使压电陶瓷谐振的激励电信号。

6.如权利要求4所述的钻井泥浆声速测量装置，其特征在于包括信号处理单元，用于从转换后的电信号中处理得到声速信号。