CN103726835A - 随钻反射声波测量声系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种随钻反射声波测量声系。随钻反射声波测量声系，包括：钻铤，钻铤中部的外侧设有声波发射换能器；第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置；第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列，在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置，第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器位于第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列之间。本发明的声波发射换能器、声波接收换能器在周向上均由多个弧形的压电陶瓷晶体组成，结构简单，控制电路也易于实现，实现了声波接收换能器阵列和钻铤之间的声隔离。

Description

随钻反射声波测量声系
技术领域
本发明属于声学测井领域，具体地，涉及一种随钻反射声波测量声系，用于确定井旁反射体的空间位置和相对方位。
背景技术
近年来随钻声波测井技术发展很快，与电缆测井相比，随钻声波测井不仅具有实时测量地层纵横波速度、实时预测地层压力和受泥浆侵入影响小等优势，而且可以利用测得的地震波速度模型与地震勘探数据相结合，实时跟踪地层上下界面的相对空间位置，确保井眼穿过产层，避免不必要的损失。
目前已有的随钻测井装置，通常会在钻头的附近安装许多传感器以测量钻井、井眼和地层相关参数，例如，电阻率被用来确定油气的存在，同时被用来进行随钻地质导向，然而，电阻率的探测深度通常只有二三米左右，而且不能提供相对于随钻***的地层界面方位信息。
对于专门用于地质导向的方位电磁波来说，由于其频率较高，虽然解决了地层界面的相对方位问题，但探测深度依旧有限，难以探测数十米以外的井外反射体。而基于低频电磁波探测井周围地质异常体的随钻测井装置，由于其分辨率很低，往往只能感知异常体的存在而难于确定其具***置。
总而言之，针对当前的随钻测量***很难确定井旁反射体的空间位置，无法得到一个最佳的井眼钻进轨迹，因此，需要有一个相对准确，且工程实现较为方便的用于探测井旁反射体的随钻声波测量声系。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种工程实现较为方便，且适用性强的随钻反射声波测量声系，用于确定井旁反射体的空间位置和反射体相对方位。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
    一种随钻反射声波测量声系，包括：钻铤，钻铤中部的外侧设有声波发射换能器，声波发射换能器为单个声波换能器；
    第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置；
    第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列，在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置，第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器位于第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列之间。
进一步地，在第一近源距声波接收换能器和第一远源距声波接收换能器阵列之间设有第一变径隔声体，在第二近源距声波接收换能器和第二远源距声波接收换能器阵列之间设有第二变径隔声体，第一变径隔声体、第二变径隔声体在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称布置。
进一步地，第一稳置器、第二稳置器在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列位于第一稳置器、第二稳置器之间。
进一步地，第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器均为单个声波换能器。
进一步地，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均为多个声波换能器。
进一步地，所述声波发射换能器包括四个压电陶瓷晶体，压电陶瓷晶体安装于钻铤外壁预留的弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，四个弧形压电陶瓷晶体在钻铤周向上等间距布置，相邻的弧形压电陶瓷晶体彼此声电绝缘，每个压电陶瓷晶体被包裹了一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料。
进一步地，第一近源距声波接收换能器、第二近源距声波接收换能器到声波发射换能器距离均为0.1-0.3m。
进一步地，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由4-8个声波接收换能器组成。
进一步地，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由6个声波接收换能器，相邻上下两个声波接收换能器之间的距离为0.1-0.2m。
进一步地，声波发射换能器，第一近源距声波接收换能器，第二近源距声波接收换能器，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列的弧形压电陶瓷晶体在钻铤轴线上成阵列布置，所述第一变径隔声体和第二变径隔声体的长度均为2.5-3.5m。
相对于现有技术，本发明具有如下优势：
    1、本发明中所使用的声波发射换能器、声波接收换能器在周向上均由多个弧形的压电陶瓷晶体组成，装置结构简单，控制电路也易于实现。
2、本发明使用聚四氟乙烯或硅橡胶等弹性隔声材料，实现了声波接收换能器阵列和钻铤之间的声隔离，消除钻铤感应，从结构上阻隔声波换能器与钻铤之间的声波能量传递。
3、本发明采用了两套沿钻铤轴向上对称分布于声波发射换能器两侧的随钻反射声波接收声系，通过两侧声波接收阵列矢量减运算，可以大幅降低来自于井旁反射体的反射声波信号之外的其它干扰信号，提高反射波的信噪比，易于进行后续数据处理解释。
附图说明
图1是本发明提供的随钻反射声波测量声系结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，随钻反射声波测量声系，包括：钻铤100，钻铤100中部的外侧设有声波发射换能器101，声波发射换能器101为单个声波换能器；
    第一近源距声波接收换能器102和第二近源距声波接收换能器102'在钻铤100轴向上关于声波发射换能器101对称设置，第一近源距声波接收换能器102和第二近源距声波接收换能器102'均为单个声波换能器；
    第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'，在钻铤100轴向上关于声波发射换能器101对称设置，第一近源距声波接收换能器102和第二近源距声波接收换能器102'位于第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'之间；第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'均为多个声波换能器。
在第一近源距声波接收换能器102和第一远源距声波接收换能器阵列103之间设有第一变径隔声体104，在第二近源距声波接收换能器102'和第二远源距声波接收换能器阵列103'之间设有第二变径隔声体104'，第一变径隔声体104、第二变径隔声体104'在钻铤100轴向上关于声波发射换能器101对称布置；
    第一稳置器105、第二稳置器105'在钻铤100轴向上关于声波发射换能器101对称设置，第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'位于第一稳置器105、第二稳置器105'之间；第一稳置器105、第二稳置器105'不仅对声波发射换能器和声波接收换能器起到保护作用，同时也保证钻井过程中仪器在井眼中居中。
所述声波发射换能器101包括四个压电陶瓷晶体，压电陶瓷晶体安装于钻铤外壁预留的弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，四个弧形压电陶瓷晶体在钻铤100周向上等间距布置，相邻的弧形压电陶瓷晶体彼此声电绝缘，每个压电陶瓷晶体被包裹了一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料，如聚四氟乙烯，用于电-声能量转换以向地层辐射声波。钻铤内腔空间放置发射电路骨架及发射电子线路，四个压电陶瓷晶体的内、外表面各有一根引出导线，用于传输高电压的正弦波脉冲信号；正对的两个压电陶瓷晶体换能器外表面的引出导线连接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的一端连接；正对的两个压电陶瓷晶体换能器的内表面引出导线连接在一起，并与宽频带变压器的次级绕组的另一端连接；由***中的微处理器对发射控制器发出指令，设置和启动信号发生器产生激励波形，并经功率放大器进行功率放大后送入阻抗匹配电路，再施加于每个弧形的压电陶瓷晶体之上，每个弧形压电陶瓷晶体的激励猝发都是正弦波信号，通过施加相位和幅度均相同的激励信号驱动四个压电陶瓷晶体工作，可以实现单极子发射激励声源；通过施加相位相反和幅度相同的激励信号驱动四个压电陶瓷晶体工作时，可实现四极子发射激励方式。声波发射换能器101的外壳是用非金属材料刻制的透声窗，以保证声波发射换能器101辐射的声波进入地层。当声波发射换能器101被激励时，它将激发出沿井壁地层传播的直达波和向井外地层辐射，经井旁反射体反射回井中的反射波。
第一近源距声波接收换能器102、第二近源距声波接收换能器102'到声波发射换能器101距离(中心到中心)均为0.1-0.3m，它们包含的声波接收换能器封装方式与声波发射换能器101相同。每个声波接收换能器均由四个压电陶瓷晶体组成，压电陶瓷晶体安装于钻铤外壁预留的弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，四个弧形压电陶瓷晶体在钻铤100周向上等间距布置，相邻的弧形压电陶瓷晶体彼此声电绝缘，每个压电陶瓷晶体被包裹了一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料，如聚四氟乙烯。覆盖于弧形压电陶瓷晶体晶片外部的透声窗，使用非金属材料刻制，用于保护弧形压电陶瓷晶体，并允许沿井壁传播的声波信号和来自地层深部的反射波信号透射进入声波接收换能器中。当声波发射换能器101被激励时，会产生沿井壁地层传播的直达波和向井外地层辐射，经井旁反射体反射回井中的反射波，其中仅有反射波信号被第一近源距声波接收换能器102和第二近源距声波接收换能器102'接收，然后被送入滤波器进行滤波处理，将滤波后的信号由微处理器和接收控制***控制的程控增益调节，将信号调节到后续模/数转换器相适应的幅度，经模/数转换器数字化采样后送至微处理器。量化后的数据在微控制器的指令控制下，被用于计算在井旁反射体走向与钻进轨迹接近垂直时，井轴(声波发射换能器101位置)到井旁反射体的垂向距离，提高计算效率。
第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'均由4-8个声波接收换能器组成，优选的，为6个声波接收换能器，相邻上下两个声波接收换能器之间的距离(中心到中心)为0.1-0.2m。它们包含的声波接收换能器封装方式与声波发射换能器101相同。声波接收换能器阵列中每个声波接收换能器均由四个弧形压电陶瓷晶体组成，压电陶瓷晶体安装于钻铤外壁预留的弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，四个弧形压电陶瓷晶体在钻铤100周向上等间距布置，相邻的弧形压电陶瓷晶体彼此声电绝缘，每个压电陶瓷晶体被包裹了一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料，如聚四氟乙烯。覆盖于弧形压电陶瓷晶体晶片外部的透声窗，使用非金属材料刻制，用于保护弧形压电陶瓷晶体，并允许沿井壁传播的声波信号和来自地层深部的反射波信号透射进入声波接收换能器中。钻铤内腔空间放置接收电路骨架及接收采集和控制电子线路。当声波发射换能器101被激励时，会产生沿井壁地层传播的直达波和向井外地层辐射，经井旁反射体反射回井中的反射波，被第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'接收，然后被送入滤波器进行滤波处理，将滤波后的信号由微处理器和接收控制***控制的程控增益调节，将信号调节到后续模/数转换器相适应的幅度，经模/数转换器数字化采样后送至微处理器。量化后的数据在微控制器的指令控制下，同时进行三种实时处理，第一种是实时获得地层声学参数，如地层速度剖面，为井旁反射体偏移成像提供地层速度模型；第二种分别针对第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'在钻铤100周向上四个弧形压电陶瓷晶体接收到的阵列波形，实现接收到的阵列波形减运算，根据声波信号的幅度差异，确定代表声波发射换能器101与第一远源距声波接收换能器阵列103所在地层介质区域的井旁反射体方位和代表声波发射换能器101与第一远源距声波接收换能器阵列103'所在地层介质区域的井旁反射体方位；第三种是将第一远源距声波接收换能器阵列103波形和第二远源距声波接收换能器阵列103'波形联合进行声波信号矢量减运算，得到来自井旁反射体的反射波信号，通过井下微处理器计算声波发射换能器101到井旁反射体的垂向距离。
声波发射换能器101，第一近源距声波接收换能器102，第二近源距声波接收换能器102'，第一远源距声波接收换能器阵列103和第二远源距声波接收换能器阵列103'的弧形压电陶瓷晶体在钻铤轴线上成阵列布置，中心连成一线。
所述第一变径隔声体104和第二变径隔声体104'的长度均为2.5-3.5m(从第一近源距声波接收换能器102距离第一远源距声波接收换能器阵列103之间的最短的距离或者从第一近源距声波接收换能器102'距离第一远源距声波接收换能器阵列103'之间的最短的距离)，具体长度可根据工程实际情况确定。变径次数均为3次，且每段变径结构的长度都大于1个波长，其具体尺寸可根据变径钻铤声系最优化设计方法得到，变径处钻铤的壁厚由钻铤外径控制，根据钻井机械强度的要求，变径处钻铤壁厚最薄不能小于1cm，变径处需要进行渐变处理。其目的是用于衰减声波发射换能器101激发的沿钻铤100传播的仪器模式波。
本发明采用了多极子模式的声波发射和接收方式，既可以对每个弧形压电陶瓷晶体进行数据的单独采集，也可以对同深度点的弧形压电陶瓷晶体接收到的信号进行加或减运算，灵活得到所需的单极或四极发射信号，方便地实现对井旁反射体的全向覆盖。

Claims (10)

1.一种随钻反射声波测量声系，包括：钻铤，其特征在于：钻铤中部的外侧设有声波发射换能器，声波发射换能器为单个声波换能器；
第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置；
第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列，在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置，第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器位于第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列之间。
2.根据权利要求1所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：在第一近源距声波接收换能器和第一远源距声波接收换能器阵列之间设有第一变径隔声体，在第二近源距声波接收换能器和第二远源距声波接收换能器阵列之间设有第二变径隔声体，第一变径隔声体、第二变径隔声体在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称布置。
3.根据权利要求1或2所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一稳置器、第二稳置器在钻铤轴向上关于声波发射换能器对称设置，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列位于第一稳置器、第二稳置器之间。
4.根据权利要求1或2所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一近源距声波接收换能器和第二近源距声波接收换能器均为单个声波换能器。
5.根据权利要求1或2所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均为多个声波换能器。
6.根据权利要求3所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：所述声波发射换能器包括四个压电陶瓷晶体，压电陶瓷晶体安装于钻铤外壁预留的弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，四个弧形压电陶瓷晶体在钻铤周向上等间距布置，相邻的弧形压电陶瓷晶体彼此声电绝缘，每个压电陶瓷晶体被包裹了一层用于电信号隔离和声波耦合的绝缘材料。
7.根据权利要求3所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一近源距声波接收换能器、第二近源距声波接收换能器到声波发射换能器距离均为0.1-0.3m。
8.根据权利要求3所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由4-8个声波接收换能器组成。
9.根据权利要求8所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由6个声波接收换能器，相邻上下两个声波接收换能器之间的距离为0.1-0.2m。
10.根据权利要求9所述的随钻反射声波测量声系，其特征在于：声波发射换能器，第一近源距声波接收换能器，第二近源距声波接收换能器，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列的弧形压电陶瓷晶体在钻铤轴线上成阵列布置，所述第一变径隔声体和第二变径隔声体的长度均为2.5-3.5m。
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