CN202926323U

CN202926323U - 随钻方位声波测井装置

Info

Publication number: CN202926323U
Application number: CN 201220537460
Authority: CN
Inventors: 杨锦舟; 肖红兵; 黄敬; 乔文孝; 鞠晓东; 施斌全; 赵红林
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Drilling Technology Research Institute of Sinopec Shengli Petroleum Administration Bureau
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Oilfield Service Corp
Priority date: 2012-10-20
Filing date: 2012-10-20
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2022-10-20

Abstract

一种随钻方位声波测井装置包括：随钻方位声波测井装置专用钻铤和安装在钻铤上扶正器上的由单发四收探头构成随钻声波声系，采用钻铤上刻槽的隔声体抑制发射探头到接收探头之间的钻铤直达波，接发探头分别由专用供电电池供电，测控电路接收采集到的波形数据进行实时计算处理，并提供与随钻测量系统MWD(MeasurementWhileDrilling)以及地面处理系统的通讯接口，其中供电电池与测控电路放置在声波专用钻铤泥浆流道中的抗压筒中，通过上下导流套与声系相连。通过在钻井过程中的实时测量的地层岩石纵横波声速可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力力学参数计算、井眼稳定性预测等。

Description

随钻方位声波测井装置

技术领域

本发明涉及测井装置领域的一种随钻方位声波测井装置。

背景技术

近年来，声波测井技术已成功应用于随钻过程中。随钻声波测井采用滑行波测量方式实时测量地层岩石纵横波声速的变化，通过测量地层的纵、横波波速，不仅可提供地层孔隙度、通过实时地层压力预测提高钻井安全系数、通过与地震资料结合降低地球物理勘探风险和提高地质导向效率，还能进行岩石机械特性分析及钻井事故预测。随钻声波测井在钻井的同时完成声波测井作业，减少了井场钻机占用时间，从钻井-测井一体化服务中节省成本。对于大斜度井、水平井或特殊地质环境钻井，电缆测井困难或风险大，以至于不能进行作业，随钻声波测井可以取而代之。因此该项技术在钻井工程和油气勘探方面有着尤为重要的意义。

但由于其随钻工作环境的特殊性，使得随钻声波测井的实现要比电缆测井技术复杂得多。随钻声波测井要取得成功，在技术上必需解决的四个难题，主要为：声波探头及安装工艺；抑制发射探头到接收探头之间的钻铤直达波；抑制钻井噪声的干扰以及井下波形实时处理，提取时差后送往地面。

目前国内随钻声波测井技术主要涉及声波换能器或者钻铤隔声体的内容，其中CN 102162358 A涉及的是一种随钻声波测井换能器组合，接发换能器采用多个压电陶瓷片。CN 102322258 A采用拓宽钻铤拉伸波的固有阻带的原理和方法来解决钻铤直达波的问题，可以避免刻槽对钻铤强度的不利影响。但是无论是换能器或者钻铤隔声体，在实现测量功能时会受到不同条件的相互影响，不能够单独考虑其中某一方面，否则测量是不正确的。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术存在的问题,提供一种随钻方位声波测井装置，通过安装在钻铤上的单发四收探头构成随钻声波声系，采用定向发射、接收技术，通过井下测控电路进行井下波形实时处理，提取时差后送往地面。另外采用钻铤上刻槽的隔声体抑制发射探头到接收探头之间的钻铤直达波。在钻井过程中的实时测量的地层岩石纵横波声速可用于岩性识别、孔隙度计算、岩石力力学参数计算、井眼稳定性预测等。

本发明的随钻方位声波测井装置包括：

专用钻铤、声系和测控电路，其中测控电路包括声波激励电路、信号接收及处理电路、控制和数据处理电路、电源电路，其特征是：专用钻铤靠近上下端部分别设有上扶正器与下扶正器，上、下扶正器之间设有周期性交错排列的导声槽构成的隔声体；声系采用1个发射探头， 4个接收探头组成接收探头阵列，发射探头布置在钻铤的下扶正器的凹槽内，接收探头阵列9按轴向排列布置在钻铤的上扶正器的凹槽内，声系通过上、下导流套分别与外部的MWD和专用钻铤内的供电电池、测控电路连接。

构成隔声体是的导声槽设为4个；接收和发射探头都采用模块化设计制作，即：把压电振子固定在一个具有减震结构的基座上，外套透声窗口，进行封装并注入硅油形成一个探头；导流套与钻铤开孔严格同心，通过高压密封塞进行内外的连接；供电电池、测控电路分别装在特制抗压筒中，特制抗压筒居中放置在专用钻铤的泥浆流道中，通过与钻铤内径相同的橡胶扶正器与钻铤内壁相连。

接收和发射探头采用径向叠加的多层压电振子排列方式，压电振子与基座采用高温粘结胶粘接成一体，透声窗口采用氟橡胶、硅橡胶或其它绝缘材料制成的耐磨透声窗口；基座16与钻铤之间加装隔声的橡胶垫。

导声槽的槽宽分别为：130mm、110mm，90mm、110mm，深度均为14mm，导声槽的间隔分别为：110mm，90mm、110mm。

测控电路的激励电路在来自控制和数据处理电路的点火脉冲作用下产生发射声系的激励信号，工作频率范围12～18kHz，激励脉冲的宽度可调；信号接收及数据采集电路包括4个功能完全相同的独立通道，对来自接收声系中各探头的不同通道信号进行放大、滤波、采集，四通道模拟程控放大器带宽10～20KHz，四通道14位波形数据采集；控制和数据处理系统是以DSP和CPLD芯片为核心，控制系统收到来自随钻测量系统MWD的控制命令后，产生系统工作所需的所有控制时序，通过内部总线，协调系统内各部分之间的工作，并负责与MWD系统之间的数据传输，包括通道增益、采集深度、采集速率，发送发射启动脉冲、采集启动命令，并对接收采集到的波形数据进行实时计算处理、存储；电源电路供电为24～36VDC电池，电源电路内的MPU根据MWD系统的指令，控制电源电路开关实现间歇工作方式。

控制和数据处理系统的存储用大容量非易失FLASH存储器对测井数据进行存储。

所述存储器采用NAND FLASH芯片作为非易失数据存储。

本发明的优点在于：不仅考虑了换能器设计和钻铤的匹配问题，而且还考虑了随钻声波测井基本测量的电路实现，通过总体考虑，尽量减低随钻声波测井的影响因素，获得正确的地层岩石纵横波声速。另外通过定向发射、接收技术，结合判方位功能，实现方位声波测井。

附图说明

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

图1 随钻方位声波测井装置示意图

图2a 图1中A-A向发射探头部分放大示意图

图2b图1中接收探头阵列放大示意图

图3 图1中隔声体部分放大示意图

图4 随钻声方位波测井装置测控电路示意图

图中：1 专用钻铤，2 隔声体，3 测控电路，4 供电电池，5 下导流套，6 上导流套，7 上扶正器，8 下扶正器，9 接收探头阵列，10 发射探头，11 导声槽A，12 导声槽B，13导声槽C，14导声槽D ，15 压电振子，16基座，17透声窗口。

具体实施方式

如图1所示，随钻方位声波测井装置包括：专用钻铤1，声波声系（发射探头10，接收探头阵列9）、测控电路3、供电电池4及上下导流套5、6。专用钻铤1为外径为178mm的无磁钻铤，专用钻铤1中心为泥浆流道，为了安装声波声系，在专用钻铤1加工时设计扶正器7、8，以保证有足够的位置安装声系，通过扶正器侧壁开槽放置声系，声系通过上下导流套5、6分别与上端随钻测量系统MWD(Measurement While Drilling)进行通讯连接并与供电电池4、测控电路3连接，导流套与钻铤开孔严格同心，通过高压密封塞进行内外的连接。供电电池4、测控电路3分别装在特制抗压筒中，特制抗压筒居中放置在专用钻铤1的泥浆流道中，通过与钻铤内径相同的橡胶扶正器与钻铤内壁相连。在上扶正器7与下扶正器8之间为隔声体2。整个测量系统位于井眼中，井眼中充满泥浆。

随钻方位声波测井装置的声系采用单发四收模式，包括1个发射探头10， 4个接收探头组成接收探头阵列9，发射探头10布置在钻铤的下扶正器8的凹槽内，接收探头阵列9按轴向排列布置在钻铤的上扶正器6的凹槽内。声系通过上下导流套5、6分别与上端MWD进行通讯连接并与供电电池4、测控电路3连接。接收和发射探头都采用模块化设计制作，由压电振子15、基座16、透声窗口17组成，即：把压电振子15固定在一个具有减震结构的基座16上，外套透声窗口17，进行封装并注入硅油形成一个探头。压电振子15是随钻声波测井声波探头的核心部件，通过分析压电振子15的材料和几何尺寸对谐振频率的影响，可以得出基片材料、压电陶瓷类型、压电振子长度、宽度和厚度、压电振子固定点距离等压电振子的基本参数。接收和发射探头采用多层压电振子排列方式，通过径向叠加的多层压电振子结构提高了探头对有用声波信号的辐射能量。压电振子15固定在具有减震结构的基座16上，充分考虑到压电振子15与安装基座16的整体性，采用高温粘结胶把2部分粘接成为一体，同样基座16与钻铤1之间的隔声采用高温粘结胶固定。透声窗口17位于压电振子15上部，由于其声阻抗与探头内的硅油和专用钻铤1外的泥浆声阻抗相匹配，因而有利于声波在地层中的发射及接收较少的衰减。透声窗口17采用耐磨透声窗口，材料为氟橡胶、硅橡胶或其它适合的绝缘材料。模块化结构既能够实现与钻铤的声隔离，又具有声波的定向辐射。探头模块的易于拆卸和互换以及探头模块的单独测试和功能校验。为了进一步增大有用声波信号的能量，采用定向发射、接收技术。

随钻声波测井装置的声系包括4个接收探头组成接收探头阵列9，利用多组接收探头是因为它具有垂直其轴线平面接收指向性窄的特性，有利于确定测量地层的空间位置。随钻声波测井装置的接收探头阵列9布置在钻铤的上扶正器7的凹槽内，每组接收探头都采用模块化探头，即由压电振子15、基座16、透声窗口17组成的探头模块。考虑探头基座16与钻铤之间的隔声，加装隔声的橡胶垫。

随钻声波测井装置专用钻铤1的上扶正器7与下扶正器8之间设计为隔声体2，隔声体2是在专用钻铤1上刻4个导声槽，分别为导声槽A(11)、导声槽B(12)、导声槽C(13)、导声槽D(14)，它的主要功能是延迟从发射探头10发出的声波信号通过钻铤本体直接传播到接收探头9。通过对三种周期性凹槽结构隔声体的隔声量进行计算，同时模拟安装有隔声体的随钻声波测井仪器在快地层中的测井响应，设计一种由周期性交错排列的凹槽构成的隔声体2，相比于由圆环形凹槽构成的隔声体，具有更好的隔声效果。由于隔声体2是在专用钻铤1上开槽，会使得钻铤本体强度降低，为了保证在钻井过程中的安全施工，设计隔声体的钻铤必须具备一定的强度，对于开槽结构的抗压、抗拉、抗扭强度采用有限元仿真分析，确保其满足实际工程要求。为了满足两者的要求，导声槽11至14的槽宽分别为：130mm、110mm，90mm、110mm，深度均为14mm，导声槽的间隔分别为： 110mm，90mm、110mm。

随钻方位声波测井装置的测控电路3由声波激励电路、信号接收及处理电路、控制和数据处理电路、电源电路等部分组成。激励电路在来自控制和数据处理电路的点火脉冲作用下产生发射声系的激励信号。工作频率范围12～18kHz；激励脉冲的宽度可调；信号接收及数据采集电路包括4个功能完全相同的独立通道，对来自接收声系中各探头的不同通道信号进行放大、滤波、采集。四通道模拟程控放大器带宽10～20KHz；四通道14位波形数据采集；控制和数据处理系统是仪器的控制处理中心，它以DSP和CPLD芯片为核心，控制系统收到来自随钻测量系统MWD的控制命令后，产生系统工作所需的所有控制时序，通过内部总线，协调系统内各部分之间的工作，并负责与MWD系统之间的数据传输。它需要设置通道增益、采集深度、采集速率等参数，发送发射启动脉冲、采集启动命令，并对接收采集到的波形数据进行实时计算处理、存储，与电缆声波测井仪器不同，在随钻声波测井中，受传输速率的限制，控制和数据处理均在井下快速完成。随钻声波测井装置的发射接收时序控制复杂，数据计算量大，为保证实时性，需合理调度控制和数据处理过程，协调仪器的整体工作。由于随钻声波测井数据量大，且受实时传输速率限制，需要采用大容量非易失FLASH存储器对测井数据进行存储。根据随钻声波测井数据的技术需求，采用NAND FLASH芯片作为非易失数据存储，通过对NAND FLASH接口电路和存储程序的合理设计，实现了随钻声波测井的数据存储功能，存储能力256Mb。控制和数据处理系统还提供与随钻测量系统MWD以及地面处理系统的通讯接口。电源电路供电为24～36VDC电池，为节约电池能量，电源电路21内的MPU根据MWD系统的指令，控制电源电路开关实现间歇工作方式。

随钻方位声波测井装置的测控电路3实现随钻声波测井数据井下实时处理，通过采用多道接收波形数进行纵波时差提取，设计了一种简化STC (Slowness Time Coherence)法，即慢度时间相关法，是一种时域内多道信号相关分析方法。通过选取合理的时窗长度和慢度搜索范围，求得4个接收器收到由同一发射源在某时刻发出的波信号的相关系数，最大相关系数对应的慢度即为该深度地层的纵波慢度。利用该方法对理论模拟的近源距声波波形进行了时差提取，验证了该方法对首波的提取能力，实现了纵波时差提取的快速计算。采用该方法通过计算典型软地层和硬地层的合成波形的时差，验证了程序的可靠性。其中典型硬地层计算的时差为339.00us/m，而实际模拟输入的时差为333.33us/m，误差为3.21%。其中典型软地层计算的时差为258.02us/m，而实际模拟输入的时差为250us/m，误差为1.61%。

随钻声波测井中，对采集的声波信号产生影响的噪声源主要有两大类：一个是井下钻井环境产生的噪声，另一个是电子器件产生的电子噪声。被噪声污染的声波信号，既不能在某个频带上修改，又不能在时域上某个时刻修改，因为噪声的频带很宽，几乎占据了整个频域，使得与声波信号重叠，无法区分有用信号和噪声，因此一般的降噪方法很难达到令人满意的效果。针对随钻声波测井过程中的电子噪声，提出一种基于V系统的声波信号数据降噪算法。通过对声波信号进行V系统变换，然后将高频部分消除，反变换得到降噪后的声波信号。通过试验结果证明，该算法对于声波测井信号具有较好的降噪效果。

Claims

1.一种随钻方位声波测井装置，包括专用钻铤、声系和测控电路，其中测控电路包括声波激励电路、信号接收及处理电路、控制和数据处理电路、电源电路，其特征是：专用钻铤靠近上下端部分别设有上扶正器与下扶正器，上、下扶正器之间设有周期性交错排列的导声槽构成的隔声体；声系采用1个发射探头， 4个接收探头组成接收探头阵列，发射探头布置在钻铤的下扶正器的凹槽内，接收探头阵列按轴向排列布置在钻铤的上扶正器的凹槽内，声系通过上、下导流套分别与外部的MWD和专用钻铤内的供电电池、测控电路连接。

2.根据权利要求1所述的随钻方位声波测井装置，其特征是：构成隔声体是的导声槽设为4个；接收和发射探头都采用模块化设计制作，即：把压电振子固定在一个具有减震结构的基座上，外套透声窗口，进行封装并注入硅油形成一个探头；导流套与钻铤开孔严格同心，通过高压密封塞进行内外的连接；供电电池、测控电路分别装在特制抗压筒中，特制抗压筒居中放置在专用钻铤的泥浆流道中，通过与钻铤内径相同的橡胶扶正器与钻铤内壁相连。

3.根据权利要求2所述的随钻方位声波测井装置，其特征是：接收和发射探头采用径向叠加的多层压电振子排列方式，压电振子与基座采用高温粘结胶粘接成一体，透声窗口为采用氟橡胶、硅橡胶或其它绝缘材料制成的耐磨透声窗口；基座与钻铤之间加装隔声的橡胶垫。

4.根据权利要求2或3述的随钻方位声波测井装置，其特征是导声槽的槽宽分别为：130mm、110mm，90mm、110mm，深度均为14mm，导声槽的间隔分别为：110mm，90mm、110mm。

5.根据权利要求2或3所述的随钻方位声波测井装置，其特征是：测控电路的激励电路在来自控制和数据处理电路的点火脉冲作用下产生发射声系的激励信号，工作频率范围12～18kHz，激励脉冲的宽度可调；信号接收及数据采集电路包括4个功能完全相同的独立通道，对来自接收声系中各探头的不同通道信号进行放大、滤波、采集，四通道模拟程控放大器带宽10～20KHz，四通道14位波形数据采集；控制和数据处理系统是以DSP和CPLD芯片为核心，控制系统收到来自随钻测量系统MWD的控制命令后，产生系统工作所需的所有控制时序，通过内部总线，协调系统内各部分之间的工作，并负责与MWD系统之间的数据传输，包括通道增益、采集深度、采集速率，发送发射启动脉冲、采集启动命令，并对接收采集到的波形数据进行实时计算处理、存储；电源电路供电为24～36VDC电池，电源电路内的MPU根据MWD系统的指令，控制电源电路开关实现间歇工作方式。

6.根据权利要求5所述的随钻方位声波测井装置，其特征是：控制和数据处理系统的存储用大容量非易失FLASH存储器对测井数据进行存储。

7.根据权利要求6所述的随钻方位声波测井装置，其特征是：所述存储器采用NAND FLASH芯片作为非易失数据存储。