CN203825208U

CN203825208U - 地质探测装置

Info

Publication number: CN203825208U
Application number: CN201420051815.8U
Authority: CN
Inventors: 张秀梅; 林伟军; 王秀明; 苏畅
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2024-01-26

Abstract

本实用新型涉及一种地质探测装置，该装置包括：发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且所述发射换能器组合为相控阵换能器组合，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；所述接收换能器组合接收所述被探测物反射回的通过所述地层的回波信号,并发送给所述控制系统；所述控制系统对所述回波信号进行处理，从而获取所述被探测物的信息。本实用新型可以实时探测钻头前方地质情况，利用定向声波技术提供的声源信号向钻头前方发射能量较强的信号，从而达到准确探测的目的。

Description

地质探测装置

技术领域

本实用新型涉及石油工业领域，特别是涉及一种地质探测装置。

背景技术

在地质导向钻井中，对钻头前方地质情况进行实时精确的预测，在保障钻井安全、提高探井成功率和保护储集层等方面发挥着不可替代的作用。基于电法和核物理的井孔测量技术，可以以较高的分辨率对井孔周围的地层情况进行探测，但不适合对钻头前方较大距离范围内的地层结构及其参数情况进行探测。相比之下，声波可以在远距离的地层中进行传播，基于声波在物质中传播的原理发展起来的工程技术，在钻头前方地质情况的探测中具有一定的优势。

目前，可用于对钻头前方地质情况进行实时探测的两种声波技术分别是：钻头地震技术和随钻测量技术。其中，钻头地震技术采用钻头振动作为声源向地层中发射声波信号，放置到地面上的若干个检波器接收来自地下的直达波和反射波信号，通过对接收信号进行处理，得到钻头前方地质结构情况。随钻测量地震技术则是应用地表常规震源作为声源，接收部分集成到井下钻头附近的钻具组合中，通过将采集到的信号进行处理，得到钻头前方地层的结构情况。这两种技术在钻前地层情况的预测中起到了一定的作用，但存在一些问题。一方面，这两种技术都存在声源和接收器的长距离分离造成的信号衰减大，声源频率低造成的分辨率低等问题；另一方面，钻头地震技术在疏松地层、大斜度井等情况下的使用效果较差，而随钻地震测量方法容易受到数据传输速度低等方面的制约。

另外，一种近钻头声波信号发射和接收装置可以对钻头前方的地质体的位置等情况进行预测。其中前者以声波测井仪器在钻孔中形成的导波信号为声源，利用该信号与钻头前方地层之间的相互作用而达到探测的目的；后者未给出声学装置具体的信号发射和测量方式。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决目前钻头前方地质探测中存在的长距离传播引起的信号衰减和噪声混叠的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种地质探测装置，所述装置包括：发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合由多个换能器阵元组成；

所述发射换能器组合与接收换能器组合分别与所述控制系统相连接；

所述发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且所述发射换能器组合为相控阵换能器组合，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；所述接收换能器组合接收所述被探测物反射回的通过所述地层的回波信号,并发送给所述控制系统；所述控制系统对所述回波信号进行处理，从而获取所述被探测物的信息。

进一步地，所述装置还包括，所述换能器阵元的相位加权方式是通过控制阵元加载激励信号的延迟时间来实现的，根据公式计算所述延迟时间，其中d_t为延迟时间，d₁为所述换能器阵元的间距，V_f为钻井中的钻井液的流体声速，θ为所述换能器阵元组合发出声波的声束偏转角与所述钻井的井轴交角。

进一步地，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号包括：对所述换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频信号。

进一步地，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号还包括：对所述换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频调制高频信号。

进一步地，所述被探测物信息包括被探测物的结构信息、位置信息和声阻抗变化信息。

进一步地，所述回波信号包括：直达波信号、地层交界面处的反射波信号和来自地层反射体的反射波信号。

进一步地，所述装置还包括隔声体，用于阻隔钻铤波信号。

本实用新型的优点：实时探测钻头前方地质情况，利用定向声波技术提供的声源信号向钻头前方发射能量较强的信号，从而达到准确探测的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的地质探测装置示意图；

图2为本实用新型实施例提供的控制系统示意图；

图3为本实用新型实施例提供的地质探测装置应用场景示意图；

图4为本实用新型实施例提供的地质探测方法流程图；

图5为本实用新型实施例提供的应用相控阵技术发射声波时的接收波列示意图；

图6为本实用新型实施例提供的应用参量相控阵技术发射声波时的接收波列示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的地质探测装置示意图。如图1所示，该装置包括：

发射换能器组合301、接收换能器组合302和控制系统303；发射换能器组合301由多个换能器阵元314组成。

发射换能器组合301与接收换能器组合302分别与控制系统303相连接。

发射换能器组合301，位于钻铤308内，用于发射声波信号，通过地层310到达被探测物，并且发射换能器组合301为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元314按照幅度和相位加权的方式加载激励信号。

接收换能器组合302，位于钻铤308内，用于接收被探测物反射回的通过地层的回波信号，接收换能器组合302由至少两个换能器阵元组成，这样有利于对钻头前方反射体和异常体信息的提取。

控制系统303，位于发射换能器组合301和接收换能器组合302之间，用于对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。

优选地，该装置还包括：

钻杆304，用于将泥浆运送到钻头307处。隔声体306位于发射换能器组合301和接收换能器组合302之间，用于阻隔钻铤波。钻头307位于地层310交界处，用于向地面钻孔。钻铤308，与钻杆304相连接，用于固定钻杆304。钻井液309位于钻杆304内，用于减少钻头307与地层310的摩擦力。地层310位于钻头307下方。入射波311，发射换能器组合301向地层310发射声波信号，声波信号在地层310中传播，产生入射波311。反射体316位于地层310内。入射波311为位于地层310中入射到反射体316的入射波。反射波313位于地层310内，若在钻头前方存在波阻抗不连续的反射体316，将会产生反射波313。其中，d₁为两个发射换能器阵元314之间的距离，d₂为两个接收换能器阵元315之间的距离。

图2为本实用新型实施例提供的控制系统示意图。如图2所示，控制系统400包括：接收模块401，用于对被探测物信息进行接收。存储模块402，用于对被探测物信息进行存储。处理模块403，用于对被探测物信息进行处理。发送模块404，用于将被探测物信息遥传给地面计算机控制系统。

图3为本实用新型实施例提供的地质探测装置应用场景示意图。如图3所示，该装置包括：

发射换能器组合209、接收换能器组合210和控制系统211；发射换能器组合209由多个换能器阵元组成。

发射换能器组合209与接收换能器组合210分别与控制系统211相连接。

发射换能器组合209，位于钻铤204内，用于发射声波信号，通过地层206到达被探测物，并且发射换能器组合209为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；

接收换能器组合210，位于钻铤204内，用于接收被探测物反射回的通过地层的回波信号；

控制系统211，位于发射换能器组合209和接收换能器组合210之间，用于对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。

优选地，该装置还包括：计算机控制系统202，位于地面的井架201旁，用于接收被探测物的信息，并对被探测物进行准确探测。

优选地，该装置还包括：

井架201位于地面上，用于满足钻井起下钻具和下套管作业的要求，起支撑和承重的作用。泥浆泵203位于井架201旁，用于向井眼207灌注泥浆，并减少钻头205与地层206的摩擦力。钻杆215位于钻井201下面，用于将泥浆运送到钻头205处。钻铤204，与钻杆215相连接，用于固定钻杆215。钻头205位于井眼207和地层206交界面处，用于向地面钻孔。地层206位于钻头205下方。井眼207位于钻杆215上方和井架201下方。地质异常体213位于地层206内。入射波212为位于地层206中入射到地质异常体213的入射波。反射波214为位于地层206中来自地质异常体213的反射波。

优选地，发射换能器组合和接收换能器组合在钻头上方具体的装配方式具有多样性，可结合实际的换能器组合的尺寸及其声波发射和接收的方向性来确定。为保证将声学装置顺利的装配到钻头上方的钻铤上，需要满足声学装置的尺寸与钻铤和钻头的尺寸匹配。其中，发射换能器组合和接收换能器组合的源距及换能器阵元之间的间距需根据实际情况调整，源距可在几米到十几米之间，发射换能器阵元的间距由形成定向声束时需满足的条件决定，为保证信号处理的精度，接收换能器阵元的间距应较小，可与发射换能器的间距相当。

图4为本实用新型实施例提供的地质探测方法流程图。如图4所示，该方法包括：

步骤101，发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且发射换能器组合为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；

步骤102，接收换能器组合接收被探测物反射回的通过地层的回波信号；

步骤103，控制系统对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。

优先地，该方法还包括，所述换能器阵元的相位加权方式是通过控制阵元加载激励信号的延迟时间来实现的，根据公式计算延迟时间，其中d_t为延迟时间，d₁为换能器阵元的间距，V_f为钻井中的钻井液的流体声速，θ为换能器阵元组合发出声波的声束偏转角与所述钻井的井轴交角。

优先地，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号包括：对所述换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频信号。

优先地，该方法还包括：将被探测物信息传送给地面控制系统。

优先地，该方法还包括：将钻头信息传送给地面控制系统。

优先地，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号还包括：对换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频调制高频信号。

优先地，被探测物信息包括被探测物的结构信息、位置信息和声阻抗变化信息。

优先地，回波信号包括：直达波信号、地层交界面处的反射波信号和来自地层反射体的反射波信号。

优选地，为保证获得信噪比较高的测量信号，发射/接收的最佳时间为钻头暂停钻进以连接钻杆时，此时泥浆扰动最小，对发射和接收信号的影响最弱。

优选地，为保证传播到地层中的声波信号具有较高的分辨率和较大的探测深度，需要满足传播到地层中的声波具有大于地面地震并且小于传统的偶极子声波测井的声波频率。

优选地，发射换能器组合由n₁(n₁≥2)个换能器阵元组成，这样做的目的是形成能向钻头前方发射声波能量的声束，将尽可能多的能量发射到钻头前方一定范围内的地层中。

优选地，接收换能器组合由n₂(n₂≥2)个换能器阵元组成，有利于钻头前方反射体和异常体信息的提取。本实施例中，n₂=4，接收换能器组合的间距d₂=0.152m。

本实施例中采用阵元为n₁的线列阵，在线列阵的阵元上施加一定的时间延迟d_t，使得线列阵组合在钻井液中以与井轴具有θ交角的方向传播。延迟时间d_t由公式决定，式中d₁代表图3中发射换能器各阵元之间的间距，V_f表示钻井液中流体的声速。本实施例中设发射换能器组合发出的声波到达钻井液和地层的界面后，按照斯涅尔定律，折射波以与井轴ψ角度向地层中传播开来。为此，可以得到式中V_c表示地层的纵波声速，也可以取地层的横波声速。

特别需要说明的，本实施例中，加载到每个阵元的声波有两种，第一种是各阵元加载具有相同的时域和频域特征的发射声源信号，设其频率为f₀；第二种是依据声学参量阵的原理，加载两列频率相近的声波，其原频率分别是f₁和f₂(设f₁>f₂)。按照声学参量阵的原理，这两列波可以产生f₁-f₂的差频信号，设差频信号的频率也为f₀。同时，在第二种方法中，也可以按照参量阵声场的自解调效应，采用一个阵元上加载调制原频波的形式来形成参量阵。采用的具体方式可以包括：发射载波频率为原频f₁,调制波频率为差频f₀的非平衡调制的调幅信号，以及发射载波频率为原频f₁,调制波频率为差频的一半(f₀/2)的平衡信号两种方式。

另外，为保证声波在钻头前方地层中传播较大的距离，f₀应小于目前常用的偶极子声波测井仪器的发射频率(二千赫兹以下)，大于常用的地震勘探声源的频率（几十赫兹）。

本实施例中，若钻井液的纵波声速为1500m/s，密度为1000kg/m³；地层的纵横波声速分别是3500m/s和2000m/s，密度为2300m/s；反射体的纵横波声速分别是4600m/s和2600m/s，密度为2400kg/m³。实施例中使即传播到地层中的波与井轴成30°的交角，可得到θ=21°，以及各个阵元的延迟时间。在本实施例中，使用了两种声源信号的加载方式。第一种方法，发射换能器阵元的数目为n₁=4，每个阵元加载相同频率f₀=1.0kHz的信号,阵元之间的间距d₁=0.20m,时间延迟d_t=49us；第二种方法，阵元数目n₁=4，加载到阵元的信号形成参量阵，加载信号由发射载波频率原频f₁=10.0kHz，调制波频率为差频的一半的平衡信号组成，形成与第一种方法相同的声束偏转方向。

图5为本发明实施例提供的应用相控阵技术发射声波时的接收波列示意图。如图5所示，图5包括直达波信号41、钻头与地层交界面处的反射波信号42和来自地层反射体的反射波信号43。本实施例中若加载到发射换能器组合中的换能器阵元的激励信号为1.0kHz，则接收换能器组合接收到的波形就为图5所示。通过分析处理，可初步获得反射体离钻头的距离为26.5m。当反射体的结构和方位等信息更为复杂时，需要用更为复杂的算法进行数据处理。

图6为本发明实施例提供的应用参量相控阵技术发射声波时的接收波列示意图。如图6所示，图6包括直达波信号51、钻头与地层交界面处的反射波信号52和来自地层反射体的反射波信号53。本实施例中若加载到发射换能器组合中的换能器阵元的激励信号为调制波信号，则接收换能器组合接收到的波形就为图6所示。此处的接收波形信号为滤波后的信号。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种地质探测装置，其特征在于，所述装置包括：发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合由多个换能器阵元组成；

2.根据权利要求1所述的地质探测装置，其特征在于，所述装置还包括隔声体，用于阻隔钻铤波信号。