CN209838398U - 一种随钻方位密度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种随钻方位密度测量装置，该装置主要包括密度探测器总成、前置放大电路、高压控制电路、方位测量电路、间隙测量电路、采集控制存储电路和电源控制电路等。密度探测器总成在两侧分别放置一个0.5微居里的¹³⁷Cs源进行长短源距计数稳谱。通过方位探测电路把周向分为16个扇区，结合扇区信号把密度探测器测量的岩性和密度值转换为360°成像。通过间隙测量电路可以准确判断该装置的井壁贴合情况，并进行岩性和密度值补偿。通过采用该装置及方法，可以较为准确的得到地层的岩性和密度值，对计算地层孔隙度和分析储层有着十分重要的作用和意义。

Description

一种随钻方位密度测量装置

技术领域

本实用新型涉及石油钻井和测井技术领域，特别是涉及到随钻测井技术领域中的一种随钻方位密度测量装置。

背景技术

在石油勘探开发过程中，需要测量地层的地质信息。随着勘探开发的逐步深入，对测量参数结果的准确性要求越来越高，该装置可以较为准确的得到地层的岩性和密度值，对计算地层孔隙度和分析储层有着十分重要的作用和意义。

现有的密度测量装置主要由包括钻铤和泥浆通道、密度源仓、密度探测器总成、电路骨架总成和总线信号线路。其中密度探测器总成包括长源距晶体探测器、长源距光电倍增管、短源距晶体探测器、短源距光电倍增管和前置放大电路、高压控制电路；电路骨架总成包括骨架和固定在骨架上的间隙测量电路、采集控制存储电路和电源控制电路；采集控制存储电路包括脉冲调理电路、峰值检测电路、AD转换电路、FPGA控制芯片、总线隔离控制器、调制解调器和存储器。由于其结构和布局设计上的缺陷，不具备方位测量的特性，通过放射性同位素137Cs向地层发射伽马射线，经由长短源距探测器测量经地层散射回的伽马射线，来计算密度值，传统的测量装置对周向没有分辨能力，不能进行方位探测。

另外现有的密度测量装置多采用机械或者液压推靠的方式，把密度探测器贴合井壁，需要在电路里添加大功率的电机马达，这不仅大大增大了电路的功耗和复杂性，更无形中降低了装置本身的可靠性。

实用新型内容

本实用新型就是针对现有技术存在的问题，提供一种能够准确有效的测量出不同方位上的岩性密度值，用于判断该地层的岩性的随钻方位密度的测量装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种随钻方位密度测量装置：包括钻铤和设置在钻铤内的泥浆通道、密度源仓、密度探测器总成、电路骨架总成和总线信号线路，所述密度探测器总成包括长源距晶体探测器、长源距光电倍增管、短源距晶体探测器、短源距光电倍增管和前置放大电路、高压控制电路，所述电路骨架总成包括骨架和固定在骨架上的方位测量电路、间隙测量电路、采集控制存储电路和电源控制电路，所述采集控制存储电路包括脉冲调理电路、峰值检测电路、AD转换电路、FPGA控制芯片、总线隔离控制器、调制解调器和存储器，其中：所述钻铤轴向设有贯通的泥浆通道，泥浆通道内设置中心管，钻铤上部开设径向凹槽，径向凹槽下方的钻铤上依次沿径向开设长U型槽和电路骨架仓，钻铤上的径向凹槽、长U型槽和电路骨架仓外通过防磨盖板封闭连接；所述密度源仓设置在钻铤上端部的径向凹槽内，并在密度源仓外部包裹有伽马射线屏蔽体，伽马射线屏蔽体和其对应的防磨盖板上开设放射窗口，在防磨盖板上设置开长源距窗口和短源距窗口；所述密度探测器总成外套一层承压外壳，承压外壳整体设置在钻铤长U型槽内；所述电路骨架总成通过承压插头与密度探测器总成连接。

上述装置方案进一步包括：

所述密度探测器总成中的长源距晶体探测器、长源距光电倍增管和短源距光电倍增管、短源距晶体探测器两两一组间隔设置，并在长源距晶体探测器和短源距晶体探测器对应处的防磨盖板上设置开长源距窗口和短源距窗口。

长源距窗口和短源距窗口材料由铍或者钛或者两者的组合物构成。

长源距窗口和短源距窗口扇面角度为180°。

所述的密度源仓对应的伽马射线屏蔽体和防磨盖板开设放射窗口为向下倾斜窗口。

所述伽马射线屏蔽体为钨镍铁复合材料制成，所述密度源仓内放置有居里的发射性Cs源，长短源距晶体探测器和选用NaI闪烁晶体探测器；长源距晶体探测器、长源距光电倍增管和短源距晶体探测器、短源距光电倍增管保持在同一轴线上。

所述骨架呈三棱型结构，方位测量电路、间隙测量电路、采集控制存储电路和电源控制电路的电路板采用多孔和密封高温防震胶相结合的方式固定在骨架三个面上。

在防磨盖板对应侧的钻铤上设有扶正防磨盖板。

本实用新型的随钻方位密度测量装置，密度探测器总成在两侧分别放置一个0.5微居里的¹³⁷Cs源进行长短源距计数稳谱。通过方位探测电路把周向分为16个扇区，结合扇区信号把密度探测器测量的岩性和密度值转换为360°成像。通过间隙测量电路可以准确判断该装置的井壁贴合情况，并进行岩性和密度值补偿。通过采用该装置及方法，可以较为准确的得到地层的岩性和密度值，对计算地层孔隙度和分析储层有着十分重要的作用和意义。

附图说明

附图1是根据本实用新型的一个实施例的探测器主体部分轴向剖面图；

附图2中a、b、c是根据本实用新型的一个实施例的电路骨架三面分布图；

附图3是根据本实用新型的一个实施例的图1的A-A位置的径向剖面图；

附图4是根据本实用新型的一个实施例的信号接收、处理、采集、存储的控制流程示意图。

图中：

1、钻铤，2、长源距晶体探测器，3、长源距光电倍增管，4、短源距晶体探测器，5、短源距光电倍增管，6、前置放大电路，7、高压控制电路，8、探测器承压外壳，9、承压插头，10、方位测量电路，11、间隙测量电路，12、采集控制存储电路，13、电源控制电路，14、U型槽，15、骨架，16、密度源仓，17、伽马射线屏蔽体，18、防磨盖板，19、长源距窗口，20、短源距窗口，21、泥浆通道，22、扶正防磨盖板，23、脉冲调理电路，24、峰值检测电路，25、AD转换电路，26、FPGA控制芯片，27、总线隔离控制器，28、调制解调器，29、存储器，30、总线信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1，参照附图1-4，一种随钻方位密度测量装置，包括钻铤1和设置在钻铤1内的泥浆通道、密度源仓16、密度探测器总成、电路骨架总成和总线信号线路30，所述密度探测器总成包括长源距晶体探测器2、长源距光电倍增管3、短源距晶体探测器4、短源距光电倍增管5和前置放大电路6、高压控制电路7，所述电路骨架总成包括骨架15和固定在骨架15上的方位测量电路10、间隙测量电路11、采集控制存储电路12和电源控制电路13，所述采集控制存储电路12包括脉冲调理电路23、峰值检测电路24、AD转换电路25、FPGA控制芯片26、总线隔离控制器27、调制解调器28和存储器29，其中：所述钻铤1轴向设有贯通的泥浆通道，泥浆通道内设置中心管21，钻铤1上部开设径向凹槽，径向凹槽下方的钻铤1上依次沿径向开设长U型槽14和电路骨架仓，钻铤1上的径向凹槽、长U型槽14和电路骨架仓外通过防磨盖板18封闭连接；所述密度源仓16设置在钻铤1上端部的径向凹槽内，并在密度源仓16外部包裹有伽马射线屏蔽体17，伽马射线屏蔽体17和其对应的防磨盖板18上开设放射窗口，在防磨盖板18上设置开长源距窗口19和短源距窗口20；所述密度探测器总成外套一层承压外壳8，承压外壳8整体设置在钻铤1长U型槽14内；所述电路骨架总成通过承压插头9与密度探测器总成连接。

上述实施例进一步：

所述密度探测器总成中的长源距晶体探测器2、长源距光电倍增管3和短源距光电倍增管5、短源距晶体探测器4两两一组间隔设置，并在长源距晶体探测器2和短源距晶体探测器4对应处的防磨盖板18上设置开长源距窗口19和短源距窗口20。

长源距窗口19和短源距窗口20材料由铍或者钛或者两者的组合物构成。

长源距窗口19和短源距窗口20扇面角度为180°。

所述的密度源仓16对应的伽马射线屏蔽体17和防磨盖板18开设放射窗口为向下倾斜窗口。

所述伽马射线屏蔽体17为钨镍铁复合材料制成，所述密度源仓16内放置有2居里的发射性137Cs源，长短源距晶体探测器2和4选用NaI闪烁晶体探测器；长源距晶体探测器2、长源距光电倍增管3和短源距晶体探测器4、短源距光电倍增管5保持在同一轴线上。

所述骨架15呈三棱型结构，方位测量电路10、间隙测量电路11、采集控制存储电路12和电源控制电路13的电路板采用多孔和密封高温防震胶相结合的方式固定在骨架三个面上。

实施例2

对照附图1-4，一种随钻方位密度测量装置，包括钻铤1、在钻铤一侧开长U型槽14、槽内镶嵌着探测器承压外壳8、探测器承压外壳8内部有长源距晶体探测器2、长源距光电倍增管3、短源距晶体探测器4、短源距光电倍增管5、前置放大电路6、高压控制电路7，探测器承压外壳8通过承压插头9与骨架15相连，骨架15上依次固定着方位测量电路10、间隙测量电路11、采集控制存储电路12和电源控制电路13，采用一定倾斜角度的密度源仓16，密度源仓16和探测器承压外壳8之间填充有伽马射线屏蔽体17，探测器承压外壳8外部盖有一长条状的防磨盖板18。在长条状的防磨盖板18上的合适位置开长源距窗口19和短源距窗口20。

所述密度源仓16内放置有2居里的发射性137Cs源，长短源距晶体探测器2和4选用NaI闪烁晶体探测器，伽马射线屏蔽体17由高密度材料钨镍铁制作而成。

上述方案还包括，所述采集控制存储电路12是以FPGA为核心的。电源控制电路给整个采集控制存储电路供电，FPGA通过高压控制电路与高压模块相连，长短源距探测器与前置放大电路相连，通过脉冲调理、峰值检测和A/D转换电路与FPGA相连，方位测量电路和间隙测量电路的信号同步送入FPGA进行处理，FPGA通过调制解调器、总线隔离控制器与外部电源控制电路连接，同时连接到存储器RAM中。

在钻铤1上设有沿轴向贯通的导线孔，靠近中部还设有沿轴向贯通的泥浆通道21，在探测器承压外壳8外覆盖有防磨盖板18，在180度对面有对应的扶正防磨盖板22，电路板安装在骨架上采用多孔和密封高温防震胶相结合的方式。

在旋转测量模式下，各个扇区在传统密度计算公式求得，如下表示：

其中，A为长源距计数率对密度值的贡献系数，B为短源距计数率对密度值的贡献系数，C为密度值的偏离系数，D为长源距计数率对密度校正值的贡献系数，E为短源距计数率对密度校正值的贡献系数，F为密度校正值的偏离系数，为间隙校正系数，为校正后的真实密度值。

实施例3

一种随钻方位密度测量装置，对照图1，在钻铤1上所开的密度源仓16内装有2居里的137Cs源，通过137Cs源向地层发射0.661Mev的伽马光子，与地层发生康普顿效应和光电效应，来进行岩性密度测量。密度源仓外包裹有一定厚度的钨镍铁，用于屏蔽非射入地层的散射伽马射线对测量结果的影响。

探测器承压外壳8内部自上而下分别安装有短源距晶体探测器4、短源距光电倍增管5、长源距晶体探测器2、长源距光电倍增管3、前置放大电路6、高压控制电路7等，镶嵌在U型槽14内，通过承压插头9与骨架15相连。通过长短源距晶体探测器2和4接收在地层中反射和散射的伽马光子，因为地层对伽马光子的散射和吸收能力会随着地层密度的变化而变化，所以探测器记录的反射光子读数会随着地层密度的不同而不同。又由于地层中的电子密度和电子密度指数与康普顿线性衰减系数成正相关关系，可以通过测量电子密度得到与地层岩性的对应关系。但是在测井过程中，仍然会受到环境因素的影响，因此需要通过方位测量电路10和间隙测量电路11对测量参数进行校正，以得到准确的地层真实信息。

探测器承压外壳8外部盖有一长条状的防磨盖板18。在长条状的防磨盖板18上的合适位置开长源距窗口19和短源距窗口20，用于接收由地层中反射和散射的伽马光子。其中长短源距窗口的材料由铍或者钛或者两者的组合构成的，需要承受钻井40000PSI的压力，可选铍覆盖上不会腐蚀的保护涂层，或者选用铍或钛合金。

图2表示该装置的电路骨架三面分布图。骨架15的上固定着间隙测量电路11、采集控制存储电路12、方位测量电路10和电源控制电路13。

间隙测量电路11是通过探测器测量井眼直径以及该装置与井壁的间隙，由此来调整由信号主放大与能谱采集模块得到的密度值以及 Pe 值。

方位测量电路10是测量方位信息，用于能谱的扇区划分。根据137Cs放射源在不同地层条件下的伽马场分布，确定随钻密度测井仪器探测能窗和源距的大小。

电源控制电路13由中控系统或者地面系统提供供电输入，并输出合适的电源电压，需要符合采集控制存储电路12、间隙测量电路11、方位测量电路10的需求等。随钻密度测井装置需要随时保证整个系统的供电处于正常状态，同时，记录测井仪器的电压、电流值，有利于对各个电路部分的功耗进行监测，用以确保采集数据是在正常供电环境下得到的，同时还可以用来调整优化随钻密度测井装置的供电系统。

图3表示该装置的径向剖面图。钻铤1上至少保留一个泥浆通道21，用于导流钻井液从地面到钻头。突出的防磨盖板18可以让接收探测器更好的贴合井壁，使实际测量数据更准确，背面的扶正防磨盖板22可以起到辅助的作用，在实际施工过程中，可以选择性的使用。

图4表示该装置的信号接收、处理、采集、存储的控制流程示意图。电源控制电路13开始上电后，在总线隔离控制器27和调制解调28的作用下，给FPGA26上电，完成初始化操作后，前置探测器总成在高压控制电路7的作用下输出信号经过脉冲调理电路23的作用，主要是完成信号的放大、滤波、基线恢复和门槛控制等，输出符合要求的信号后，在经过峰值检测电路24 和AD转换电路25后，和方位测量信号10与间隙测量信号11一同送到FPGA26进行处理并进行数据压缩，再送到存储器29中。把要上传的数据经过调制解调器28变为特定的信号，在总线隔离控制器27作用下，经总线信号30送到地面系统。

Claims (8)

1.一种随钻方位密度测量装置，包括钻铤（1）和设置在钻铤（1）内的泥浆通道（21）、密度源仓（16）、密度探测器总成、电路骨架总成和总线信号线路（30），所述密度探测器总成包括长源距晶体探测器（2）、长源距光电倍增管（3）、短源距晶体探测器（4）、短源距光电倍增管（5）和前置放大电路（6）、高压控制电路（7），所述电路骨架总成包括骨架（15）和固定在骨架（15）上的方位测量电路（10）、间隙测量电路（11）、采集控制存储电路（12）和电源控制电路（13），所述采集控制存储电路（12）包括脉冲调理电路（23）、峰值检测电路（24）、AD转换电路（25）、FPGA控制芯片（26）、总线隔离控制器（27）、调制解调器（28）和存储器（29），其特征在于：所述钻铤（1）轴向设有贯通的泥浆通道（21），泥浆通道内设置中心管，钻铤（1）上部开设径向凹槽，径向凹槽下方的钻铤（1）上依次沿径向开设长U型槽（14）和电路骨架仓，钻铤（1）上的径向凹槽、长U型槽（14）和电路骨架仓外通过防磨盖板（18）封闭连接；所述密度源仓（16）设置在钻铤（1）上端部的径向凹槽内，并在密度源仓（16）外部包裹有伽马射线屏蔽体（17），伽马射线屏蔽体（17）和其对应的防磨盖板（18）上开设放射窗口，在防磨盖板（18）上设置开长源距窗口（19）和短源距窗口（20）；所述密度探测器总成外套一层承压外壳（8），承压外壳（8）整体设置在钻铤（1）长U型槽（14）内；所述电路骨架总成通过承压插头（9）与密度探测器总成连接。

2.如权利要求1所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：所述密度探测器总成中的长源距晶体探测器（2）、长源距光电倍增管（3）和短源距光电倍增管（5）、短源距晶体探测器（4）两两一组间隔设置，并在长源距晶体探测器（2）和短源距晶体探测器（4）对应处的防磨盖板（18）上设置开长源距窗口（19）和短源距窗口（20）。

3.如权利要求2所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：长源距窗口（19）和短源距窗口（20）材料由铍或者钛或者两者的组合物构成。

4.如权利要求3所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：长源距窗口（19）和短源距窗口（20）扇面角度为180°。

5.如权利要求1-4任一所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：所述的密度源仓（16）对应的伽马射线屏蔽体（17）和防磨盖板（18）开设放射窗口为向下倾斜窗口。

6.如权利要求5所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：所述伽马射线屏蔽体（17）为钨镍铁复合材料制成，所述密度源仓（16）内放置有2居里的发射性137Cs源，长、短源距晶体探测器（2、4）选用NaI闪烁晶体探测器；长源距晶体探测器（2）、长源距光电倍增管（3）和短源距晶体探测器（4）、短源距光电倍增管（5）保持在同一轴线上。

7.如权利要求5所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：所述骨架（15）呈三棱型结构，方位测量电路（10）、间隙测量电路（11）、采集控制存储电路（12）和电源控制电路（13）的电路板采用多孔和密封高温防震胶相结合的方式固定在骨架三个面上。

8.如权利要求5所述随钻方位密度测量装置，其特征在于：在防磨盖板（18）对应侧的钻铤（1）上设有扶正防磨盖板（22）。