CN1418316A - 偶极子测井仪器 - Google Patents

Abstract

一种测井仪器，具有一仪器主体，可以安放在一充满液体的井孔，包括一接收段和一偶极子发射器；其中偶极子发射器包含一变送器，带有一壳体，它具有设置在其中的一反冲质量和一马达，马达在操作上连接于所述壳体和反冲质量，使得只有壳体的外表面接触于井孔之中的液体。这种用于测井的新型偶极子源涉及摇动全部或部分(沿轴向)偶极子仪器主体以产生一种纯粹的、宽带声学偶极子信号，而同时把尽可能少的能量耦联到仪器主体里面。基于这种观念的许多重要的变型包括各摇动源的一种直线的相控组合，以及有效消除仪器附有的噪声。

Description

偶极子测并仪器

技术领域

本发明涉及具有一些偶极子发射器的声学井孔测井仪器。具体地说，本发明涉及一种新颖偶极子发射器在针对先前技术设计中某些缺点的一种井孔测井仪器之中的应用。

背景技术

石油与天然气工业中的井孔声学测井领域涉及在一般500Hz-20kHz范围之中的频率下从事井孔中的声学测量。在此范围以下一般被认为是地震域，在它以上是超声域。在一些情况下，但不是一切情况下，技术和工艺可以在这些域之间转用。井孔声学测井中包含的多种通用技术的综述可在以下一书中找到，即《声学和超声学地球物理预测，威力电和电子百科全书，1999》(GEO-PHYSICAL PROSPECTING USING SONICS ANDULTRASONICS，Wiley Encyclopaedia of Electrical and Electronic Engineering1999)，第340-365页。

声学测井仪器的一项范例是施蓝伯格(Schlumberger)公司的偶极子声学成像(Dipole Sonic Imaging(DSI))仪器，以示意形式示于图1之中。DSI仪器包括一发射段10，具有一对(上和下)偶极子源12，正交地配置在径向平面内，以及一单极子源14。一隔声接头16把发射段10连接于一接收段18，它装有一组8个间隔开来的接收点，后者各自装有两对水声探测器，一对与各偶极子源之一取向一致，另一对与正交源一致。一电子装置套筒20连接在接收段18的顶部处并允许仪器与经由一电缆24而设置在地面处的一控制单元22从事通讯。采用这样一种仪器，有可能从事单极子和偶极子两种测量。DSI仪器具有几种数据获取操作模态，可以结合任何一些来获取(数字化的)各种波形。这些模态是：上和下偶极子模态(UDP、LDP)-从调准于用以生成信号的各别偶极子源的各对接收器那里记录下来的各波形；交叉偶极子模态-从用于引发平行和交叉偶极子源的每对接收器那里记录下来的各波形；Stonely模态-来自低频引发单极子源的各单极子波形；P和S模态(P&S)-来自高频引发单极子发射器的各单极子波形；以及原动模态-来自高频引发单极子源的单极子门槛值交叉数据。

以往提出和采用了多种类型的偶极子信号源。它们包括：

i)电磁变送装置，诸如用在Schlumberger公司的DSI仪器之中者(见比如Hoyle等人的美国专利4862991和Kitsunezaki的美国专利4207961或Ogura的美国专利4383591)。

ii)联动式重质振动器，由磁致伸缩致动器驱动，(见比如Cohick andButler，“Rare-earth Iron Square Ring Dipol Transducer”，J.Acoustical Societyof America，72(2)，August，1982)。

iii)压电弯曲装置，诸如用在Baker Atlas公司的XMAC仪器之中者(见比如Angona等人的美国专利4649525)。

iv)磁推斥变送器，驱动一平板接触于一声学波导***之中的一种液体，诸如用于MPI XACT仪器之中者(见比如Gill等人的美国专利5852262)。

v)偏心轨道质量，一如Cole在美国专利4709362之中、Meynier在美国专利5135072之中和其他人所提出者，主要作地震用途。

上述类型i)至iv)的各种偶极子声源一般包括一沉重的、刚硬的仪器主体，具有经由一变送器装在其中的致动器(活塞或平板)或驱动机构，致动器经过仪器主体上的各孔口接触井孔液体。在使用中，仪器主体起反冲质量作用，变送器作用在它上面以使致动器振荡。不过，其效果是激发仪器主体反冲振动，后者可干扰井孔中的偶极子挠曲信号。在这些声源中，仪器主体用作反作用质量。这的巨大振动表面是进入井孔挠曲模态的噪声的一种非常有效的放射器。这还意味着，增大激发力可以以与信号相同的比例增大反冲振动。另一问题是，各偶极子信号耦联到仪器结构里去并沿着它直接行进到接收器，在此它们干扰来自地层的所关注的各种信号的检测。已经采用和提出多种措施来处理这一问题，比如：设置声源和各接收器在由一挠性电缆连接起来的各分离的探头之内；采用各隔绝接头，它们包括一些构件用于衰减或延迟沿着仪器行进的各种信号；或者采取一种结构，沿着仪器的长度不包含任何连续的机械构件，以致不形成一信号通路；或者采用围绕各接收器的一些外壳，可推迟仪器各种信号的到达。这些类型的各发射器都是不完善的偶极子，由于有效的放射表面(亦即仪器主体上的各孔口)的水平距离(azimuthal extent)是有限的。这些声源可以产生强烈的六极子假频，并且当声源在井孔中为偏心时，还可能产生强烈的单极子混杂。其次，各种弯曲(压电陶瓷双晶片)声源(类型iii)本质上是在频率方面受限的频带，并在一很小的水平距离上放射。

各轨道振动器和各反转动偏心质量装置(类型v)一般只适宜于一般低于500Hz的一些低频，并经常出现在地震应用之中。这些声源通常不认为适合于诸如在声学测井之中遇到的宽带或较高频率用途。

如果完全的挠性弥散曲线(相缓慢度与频率关系)准备用以对于广为多样的石油物理、地球物理以及地质力学应用在不同的研究深度上作出测量，则将需要高纯度的各种宽带偶极子源。此外，在偶极子仪器中，那里即使最“刚硬”的仪器主体的挠性阻抗也是较低的，仪器主体的反冲振动、沿着仪器主体的波的传播以及各仪器接头处和在各声音隔绝段之内的反射，全都发现可放射噪声进入井孔和地层，使挠曲信号掺杂。因此，发射器和仪器主体应当设计成一种尽量减少这些噪声源的***。

发明内容

本发明提供一种测井仪器，包括一仪器主体，它可以安放在一充满液体的井孔之中，具有一接收段和一偶极子发射器；其中偶极子发射器包含一变送器，它包括一壳体，具有设置在其中的一反冲质量和一马达，马达在操作上连接壳体和反冲质量，以致只是壳体的外表面接触于井孔之中的液体。

本发明涉及一种新型的用于测井的偶极子源。具体地说，此新的偶极子源包含的想法是，摇动整个或部分(沿轴向)的偶极子仪器主体以产生纯粹的宽带声音偶极子信号，而同时把尽可能少的能量耦联到仪器主体里面，基于这一想法的许多重要变型包括一些摇动源的一种直线相控组合，以及有效地消除仪器附有的噪声。

偶极子变送器最好是借助于各弹簧安装架安装在仪器主体之内，其共振频率致使在一预定的频率范围内挠曲振动从接收器到仪器主体的耦联得以阻止。一般，各弹簧安装架的共振频率小于预定频率范围的下限。另外最好是，各弹簧安装架在偶极子发射器的振荡方向上是比较柔软的并在正交于它的方向上是比较刚硬的。

壳体的共振频率也最好是落在一预定的频率范围以外，而壳体的重量小于反冲质量的重量。

偶极子变送器可以设置在仪器主体中的一空腔之内，各构件围绕空腔的周边在空腔的每一侧上伸展在仪器主体各部分之间。各构件的共振频率最好是落在所关注的频率范围以外。

另外，在有一结构承载构件在仪器主体内部沿着仪器的长度伸展的场合，偶极子变送器可以装在承载构件上。

最好是，壳体短于围绕有待测定的井孔的地层中声波的最短波长。在任何情况下，希望具有的壳体尽可能地短，以致极为类似一点源。

在本发明的一项实施例中，一直接耦联于井孔液体的刚硬(在所关注的频率范围内)壳体由一适当的直线马达相对于一沉重的内部反冲质量在径向上予以激发。这一声源，比起设置在各沉重仪器主体上具有较小水平程度的各有效器件(活塞、弯曲器、液压出口)组成的各种声源来，产生较为纯粹的偶极子信号，而由于放射表面的完全水平程度，只产生较少的六极子。在此实施例中，反冲质量的各种反冲振动可以被防止耦联于井孔液体，在那里它们不然就会在井孔挠性信号中产生干扰噪声。

发射器应当几乎或完全不产生单极子分量，而先前技术的各种发射器产生单极子和偶极子。外部壳体一般是圆筒形的，但也可能是其他形状(球形，卵形，等等)。壳体可以或是在弯曲方面是刚硬的(在所关的频率范围内没有任意弯曲模态)，或是另外，壳体的第一弯曲模态可以随意激发以放大输出。这一实施例比起各种刚性壳体结构来，将产生较窄的频带输出。给定在井孔环境中遇到的各极端压力，壳体就必须或是压力得到平衡的，或是强固得足以抵挡绝对压力。在壳体充满液体、压力得以平衡的情况下，在壳体内部与反冲质量外部之间必须保持充分的径向间隙，以尽量减小由于液体(油)中的粘性损失而造成的阻抗负荷。一种充满空气的壳体必须较厚而强固，足以承受绝对压力(一般15-20psi)，不过，壳体与反冲质量之间的间隙可以使之小于充满油的情况。由于使壳体各共振模态处在所关注的频率范围以外，所以一般要求相当厚的壳体，一种较厚的充满空气的壳体是用于声源的一种优先实施例。

采用充满空气的壳体，把变送器连接于仪器主体的外部支承/悬置装置一般将直接接触于放射壳体。壳体的振荡将直接激发支承装置的声学振动。在一充油的实施例中，支承/悬置可以做得只接触内部反冲质量。由于沉重反冲质量的振荡一般比起较轻壳体的振荡来具有较小的幅度，所以，传递给支承装置的振动将比起充满空气的情况来具有相应较小的幅度。在另一优先实施例，声源设计得可在一个轴向范围处x和y(正交)两个方向上产生输出。在另一实施例中，x和y声源都设置在不同然而贴切间隔开来的轴向范围处。各发射器可以装在带槽孔的各外壳中并状为如果需要可作为一种相控组合而工作的多个发射器的一些组合。

在一种相控组合式结构中，一节声源外壳可以由多部马达激发，以便匹配给定一段井孔(亦即单独一个壳体)的幅度和相位方面的激发。另外，轴向一组刚性壳体可以以适当的幅度和相位予以激发以匹配一给定井孔的激发功能。这些带有一个以上独立马达的实施例都被当作是相控组合式偶极子声源。

在壳体包括也在另一轴向部位处装有各接收器件的仪器外壳之一部分的情况下，可以实现适当地控制驱动段的激发以防止挠曲振动传播到接收段里面。这一情况把声源和有效降低仪器噪声两种功能结合起来了。

当前井孔中偶极子声学测井一般的频率范围是0.5-5kHz。对于下一代仪器，关注的是，如果声源纯粹得足以不激发Stoneley波，则把这一范围延伸到较低频率。同样关注的是，把这一范围向上延伸到10kHz。轨道振动器只适合于较低的频率，一般低于500Hz。

对于上述的各频率，下面列举的各种直线马达(致动器)技术认为是适宜的；

电动力的(活动线圈-扬声器型)

电磁的(磁引力-BBN型)

磁推力的(劳伦茨力或涡流)

压电叠层

磁致伸缩棒

液压的(高频伺服阀)

混合的(压电-液压式、带机械放大的压电式，等等)。

目前可以得到的各种转动偏心质量***一般不认为适合于500Hz以上，但可以用于在此界限上或低于此界限的频率。

附图说明

图1表明一种先前技术的仪器的示意图；

图2表示符合本发明一项实施例的一种仪器的示意图；

图3表明图2发射段的细部图；

图4表明图3变送器的细部图；

图5表明发射段的另一实施例；以及

图6表明发射段的又一实施例。

具体实施方式

图2表明符合本发明一项实施例的一种测井仪器，装有新型偶极子发射器。图示仪器包括一发射段110，具有电源电子装置111、一压力补偿器112、一远单极子发射器113、一取向在x方位方向上的第一偶极子发射器114，以及一取向在y方位方向上的第二偶极子发射器115。单极子发射器113基本上是一如美国专利5043952(在此纳入作为参考)之中所述者。两部偶极子发射器114、115是美国专利5266845(在此纳入作为参考)之中所述电磁变送器的具体实施，将在下面针对图4较为详细地予以说明。间隔段设计得可形成发射段110与接收段130的适当分隔，同时避免由沿着仪器传播的各声学信号在接收段130之中检测出来的各信号的干涉。间隔段120的结构在此情况下是一中心的、承载的心轴，装有一系列牢靠地固定于它的各重质构件(未示出)。其他一些形式的间隔器或隔声器在本发明中也可能是适当的。接收段130包括一第一近单极子发射器131，基本上与远单极子发射器113一样；一具有12个接收点(也可能是其他个数的接收点，比如8或16)的组合132，每一点包括8个水听探测器(也可以使用4个)，围绕仪器的周边等距配置并逐点对齐；一第二近单极子发射器133，在组合132的对置于第一近单极子发射器131的一侧上。套筒和补偿段140包括一压力补偿段141，作用在接收段130上；以及各电子装置电路，用于近单极子发射器的激发、接收电子装置和仪器通讯套筒。各扶正器和各偏离器150沿着仪器间隔开来以便在使用时保持其接近井孔中心的位置。

图3较为详细地表明装有两部偶极子发射器的发射段110的结构。x和y偶极子发射器114、115在结构上是等同的，但围绕其共同轴线彼此相对地转动90°。同样的一些编号将用以指明两部发射器的各共同的零部件。一管状外壳200形成了用于安置各发射器的承载结构。各发射器的安置空腔202形成在各刚性的各重质固定块204之间，后者安置在外壳之中，而在每一空腔处在外壳之中设置一对对置的窗孔206。各窗孔面向发射器应当依之设置在空腔之中的x或y方向，亦即，一种部位的各孔口设定为与另一种的各孔口成90°(可以看到x发射器的两个窗孔，而y发射器在此图中实际上是通过一个窗孔看到的)。各布线通道208(部分画出)围绕各空腔202设置在外壳200的外表面里面，以致在发射器周围形成一条管路，用于导线从一空腔的一侧上外壳的内侧通过并返回到在另一侧上外壳中去。

一偶极子变送器210安置在每一空腔202之中。各变送器210包括一壳体212；各端部盖罩214，带有各导线引线头(feed-throughs)216；以及一马达(未示出)，安置在壳体212内侧。各变送器以下将参照图4较为详细地予以说明。每一变送器210借助于各U型叶片弹簧218在每一端处固牢于各重质固定块204，这些弹簧分别牢牢地固定于各重质固定块204和各端部盖罩214。各叶片弹簧218在弹簧平面内是比较刚硬的，但在垂直于此平面的各方向上是比较柔软的。因而，通过正确地调准各叶片弹簧，可使变送器能够在一个方向(x或y，取决于所考查的是哪一变送器)上比较自由地振动而却牢靠地固定在正交方向上。各叶片弹簧的共振频率选择得是在对各发射器有关的频率范围以外。在当前情况下，希望产生一个在范围0.5-10kHz之内的较宽声源。因此，各弹簧的共振频率选择得在所需方向上小于0.5kHz。这也确保较少的能量耦联到外壳(它具有较高的共振频率)中去。在此所示的弹簧结构具有的优点是，它避免扭转畸变并因而保持此声源的对正。还希望外壳的共振频率由于同样原因而落在这一范围之外。

图4较为详细地表明一变送器。壳体212和各端部盖罩214由钢材制成并牢靠地固紧在一起而形成一密封的抗压腔室。在当前情况下，此腔室是充有空气的，但也可能是，诸如一种油类的某一其他液体可以用以避免在使腔室抵抗这些很高压差方面的一些问题。一直线马达219放置在腔室之内。马达具有美国专利5266845之中所述的型式，并包括各固定极片220，后者牢固地连接于各端部盖罩214(并因而连接于壳体212)，并装有各磁铁222；以及各浮动极片224，设置在各固定极片220的每一侧上并通过很软的各弹簧柔弱地连接于它们。各线圈226设置得围绕各极片220、224并由穿过各引线头216的各导线228连接于一电信号源(未示出)。在使用中，向各线圈施加一信号可导致各极片220、224彼此相对以直线方式振荡。各浮动极片224起到一反冲质量的作用，各固定极片220抵靠它作用而导致壳体212在一给定方向上振荡。为了优化这一性状，各浮动极片、各端部盖罩和壳体的质量最好是使之小于各浮动极片的质量。由于壳体212的外表面在作用中接触于井孔中的液体，所以它发挥作用而发射一偶极子信号到液体和井孔中去。各浮动极片224(反冲质量)决不接触井孔液体，所以不发射任何对抗信号。另外，由各叶片弹簧218造成的变送器软式安装意味着，较少的能量耦联于外壳，在外壳处它可以沿着仪器结构直接地传播到各接收器，或者从仪器主体被发射到井孔液体中去而干扰各所需信号。通过选定变送器各部件的材料和尺寸，可以控制其固有的共振频率。在要求变送器激发一宽声源的场合下，希望变送器的共振频率落在所关注的频带以外。不过，如果声源要供窄带之用，则共振频率可予以调谐而处在所关注的频率下，以致优化由变送器输出的信号。还希望，壳体212的长度小于在地层中传播的信号的最短波长，同时仍然允许质量和马达机构被装放在壳体内侧。事实上，设置尽可能小的长度意味着，声源的性状更像一非常希望有的点源。

上述的实施例，代表实施本发明的一种最佳方式。将会理解，可以作出多种变更而居于本发明的范畴之内。特别是，有待采用的马达的选定将取决于空间、动力可用性，等等需求。其他一些可能适当的技术上面已经作了概述。

示于图2之中的实施例具有两个偶极子源。显然，如果只要求一个，则可以只设置一个。另外，有可能在单独一个壳体中包含两个成各直角工作的直线马达，或是每一马达带一反冲质量，或是两部马达单独一个质量。在此情况下，上述的弹簧安装将不适合，而将要求更多的自由。

本发明不限于一或两个声源。有可能在单独一个仪器外壳260中设置一组几个声源250(见图5)。每一声源可以调准在一不同的方向上，或者全都调准在单独一个方向上。在它们被调准的地方，各声源可以以一相控的方式予以激发而加强信号的方向性。

仪器的另一结构是具有一中心的、承载的心轴270，沿着仪器的长度伸展，仪器的多种功能器件装在心轴上。其一项范例示于图6之中。在此情况下，反冲质量275固定于心轴270而壳体280相对于它移动。通过设计心轴和各质量的配置，整个结构的声学性状可予以控制以避免受到沿着仪器结构传播的信号的干扰。

Claims (19)

1.一种测井仪器，包括一仪器主体，它可以安放在一充满液体的井孔之中，具有一接收段和一偶极子发射器；其中偶极子发射器包含一变送器，它包括一壳体，具有设置在其中的一反冲质量和一马达，马达在操作上连接壳体和反冲质量，而只是壳体的外表面接触于井孔之中的液体。

2.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中变送器借助于各弹簧安装架安装在仪器主体之中，其共振频率致使在一预定频率范围内挠曲振动从变送器到仪器主体的耦联受到阻止。

3.按照权利要求2所述的一种测井仪器，其中各弹簧安装架的共振频率小于预定频率范围的下限。

4.按照权利要求2所述的一种测井仪器，其中各弹簧安装架在变送器振荡方向上是比较柔软的而在正交于前一方向的方向上是比较刚硬的。

5.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中壳体的共振频率落在一预定频率范围以外。

6.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中壳体的重量小于反冲质量的重量。

7.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中变送器设置在仪器主体之中的一空腔之内，各构件围绕空腔的周边在空腔每一侧上伸展在仪器主体的各部分之间。

8.按照权利要求7所述的一种测井仪器，其中各构件的共振频率落在所关注的频率范围以外。

9.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中一结构承载构件沿着仪器的长度伸展在仪器主体内部，而变送器安装在承载构件上。

10.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中壳体短于围绕有待测定的井孔的地层中声波的最短波长。

11.按照权利要求1所述的一种测井仪器，其中发射器包含许多变送器。

12.按照权利要求11所述的一种测井仪器，其中，在使用中，各变送器在各正交方向上振荡。

13.一种用于测井仪器的发射器，包括：

一发送器外壳；

一发送器，装在发送器外壳内，变送器包括一壳体，它具有设置在其中的一反冲质量和一马达，马达在操作上连接壳体和反冲质量，而只是壳体的外表面接触于井孔之中的液体。

14.按照权利要求13所述的一种发射器，其中变送器外壳具有装在其中的两个变送器。

15.按照权利要求14所述的一种发射器，其中各变送器在各正交方向上振荡。

16.按照权利要求13所述的一种发射器，其中变送器设置在外壳之中的一空腔内，各构件围绕空腔的周边在空腔的每一侧上伸展在外壳的各部分之间。

17.按照权利要求13所述的一种发射器，其中一结构承载构件沿着外壳的长度伸展而变送器装在承载构件上。

18.按照权利要求13所述的一种发射器，包括设计成一相控组件的多个变送器。

19.按照权利要求13所述的一种发射器，其中变送器包含作用在壳体上各正交方向上的各马达。

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