一種隨鑽聲波測井裝置和發射換能器的製作方法

2023-04-24 16:20:26 1

專利名稱：一種隨鑽聲波測井裝置和發射換能器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種隨鑽聲波測井裝置和發射換能器，尤其涉及一種隨鑽聲波測井換能器組合。
背景技術：
近年來，隨著全球工業對石油需求量的逐年增加，石油勘探中大斜度井和水平井鑽井十分活躍，隨鑽測井技術迅速發展，幾乎所有的裸眼井電纜測井項目都可用隨鑽測井的方式進行。隨鑽聲波測井技術是隨鑽測井技術的重要方法之一，具有邊鑽邊測的特點。該技術是利用安裝在鑽鋌上的發射聲波換能器在井下鑽井施工作業過程中產生聲波，通過泥漿在地層中傳播，經過一定時間的衰減後，被安裝在鑽鋌上的接收聲波換能器接收，再通過對衰減的聲波信號進行分析，來判斷地層信息。現在通常採用的隨鑽聲波測井儀器中的單極子和偶極子測量方式，其主要存在的缺點一是偶極子作為聲源，其接收信號中有嚴重的鑽鋌波幹擾，二是地層彎曲波波速和橫波波速存在差別。而地層縱橫波速度的準確求取在石油工業地層評價工作中意義非常重大。

實用新型內容本實用新型目的在於提供一種隨鑽聲波測井換能器組合，利用鑽井過程中的隨鑽聲波測井施工中得到的聲波全波列，求取地層參數等信息。為實現此目的，一方面本實用新型提供一種隨鑽聲波測井裝置，該裝置包括鑽鋌和設置在鑽鋌上的發射換能器；發射換能器包括設置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位於中間的金屬夾板、分別位於第一和第二端頭金屬塊和金屬夾板之間的多個壓電陶瓷片； 其中，壓電陶瓷片數為偶數，壓電陶瓷片極化方向為厚度方向，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發射換能器的長度方向和鑽鋌的長度方向垂直。發射換能器的外層包裹玻璃纖維和環氧樹脂或者矽橡膠的絕緣層。發射換能器的金屬與壓電陶瓷片、壓電陶瓷片之間用穿釘和/或膠黏劑裝配和黏結而成。發射換能器為2個，2個發射換能器相互垂直放置。設置在鑽鋌上不同於發射換能器位置的接收換能器，接收來自發射換能器的信號。接收換能器包括接收型高溫壓電陶瓷材料製成的圓管。接收換能器由基片和壓電陶瓷片黏合而成。接收換能器的周邊設有聲窗。接收換能器由接收換能器陣列代替。另一方面本實用新型還提供了一種發射換能器，包括設置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位於中間的金屬夾板、分別位於第一和第二端頭金屬塊和金屬夾板之間的多個壓電陶瓷片；其中，壓電陶瓷片數為偶數，壓電陶瓷片極化方向為厚度方向，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發射換能器的長度方向和鑽鋌的長度方向垂直。本實用新型的優點在於可判斷地層的縱波速度、橫波速度、孔隙度和孔隙壓力等信息，尤其是在軟地層(地層的橫波速度小於井內流體的聲速)，利用本實用新型四極子的方式可以測量地層的橫波速度，進行地應力分析，使得換能器的整體功能得到擴展。

本發明的示例性實施例將從下文中給出的詳細說明和本發明不同實施例的附圖中被更完全地理解，然而這不應該被視為將本發明限制於具體的實施例，而應該只是為了解釋和理解。圖1為隨鑽聲波測井裝置示意圖。圖2為隔聲體結構示意圖。圖3a為發射換能器結構示意圖。圖北為發射換能器安裝示意圖1。圖3c為發射換能器安裝示意圖2。圖如為圓管狀接收換能器結構示意圖1。圖4b為圓管狀接收換能器結構示意圖2。圖fe為多層疊片式接收換能器結構示意圖1。圖恥為多層疊片式接收換能器結構示意圖2。圖5c為多層疊片式接收換能器結構示意圖3。
具體實施方式
本領域的普通技術人員將意識到，所述示例性實施例的下述詳細說明僅僅是說明性的，並且不是意在以任何方式加以限制。其他實施例將容易地呈現給受益於本公開的這類技術人員。現在，將詳細地參考如若干附圖中所示的示例性實施例的實施。遍及附圖並且在後面的詳細說明中將使用相同的附圖標記來指出相同或類似的部分。圖1為隨鑽聲波測井裝置的示意圖。如圖1所示，一種隨鑽聲波測井裝置，包括鑽鋌1，鑽鋌頂端接頭2位於最頂端，泥漿通道3位於鑽鋌中心，上穩定器5上部為採集與控制電路4，上穩定器5下部為接收換能器陣列6，接收換能器組合6下部與隔聲體7連接，下穩定器9上部為發射換能器8，下穩定器9下部為發射電路和電源電路10，鑽鋌底端接頭11 位於最底端。整個測量裝置位於井眼12中部，井眼12中充滿泥漿13，井眼12外側是地層 14。由發射換能器產生聲波，傳播路徑如圖1所示。聲波通過泥漿向井外地層中傳播， 傳播的速度和幅度受到地層的巖石性質影響，經過一定距離的傳播後，再由接收換能器組合接收，由此可以建立聲波的傳播速度、幅度衰減和地層巖石物理性質之間的關係，從而可以得到巖石的縱波速度、橫波速度、斯通濾波速度等，進而可以得到地層的孔隙度等參數， 並可以進行地應力分析，還可以結合巖石密度參數得到巖石的楊氏模量和泊松比等力學參數。在一個例子中，隔聲體7大約設置在整個鑽鋌1的中下部，整個鑽鋌1為一體結構，隔聲體7通常設置在發射換能器8和接收換能器6之間，其主要功能是減弱或者延遲聲波從發射換能器8通過鑽鋌1直接傳播到接收換能器6，為保證鑽鋌1在鑽井過程中的安全施工，隔聲體7還必須具備一定的強度，在強烈的軸向、徑向和周向等力的作用下不會發生大的變形和折斷。如圖2所示，隔聲體7是在鑽鋌上刻有導聲槽15，導聲槽15的寬度為 5mm-50mm，深度為lmm-30mm，以便增加聲波在其上的傳播路徑達到減弱直達波的目的。在一個實施例中，所述發射換能器8為2個，接收換能器組合6為4個。利用多元陣列接收，是因為它具有垂直其軸線平面接收指向性窄的特性，有利於確定測量地層的空間位置，陣元數量越多，指向性越強。本實施例中，兩個發射換能器相互垂直放置，且換能器之間中心距離為30mm至 90mmo本實用新型所述的聲波換能器主要是通過控制電路系統控制發射換能器8、接收換能器6和採集與控制電路4來完成地層聲速等信息測量的。控制系統設計了兩個工作模式，即單極子工作模式和四極子工作模式。每種模式決定了使用發射換能器8和接收換能器6的種類、數目以及數據採樣率等參數。在實際測量時，每個模式可以獨立進行，模式的選擇視實際測量條件和測量要求而定。在一個實施例中，採用單極子工作模式，一個發射換能器8產生聲波，接收換能器 6接收聲波。在一個實施例中，採用四極子工作模式，二個發射換能器8產生聲波，接收換能器 6接收聲波。本實用新型中利用單極子和四極子組成的多極子源工作模式，可以直接測量地層縱波、橫波、斯通濾波聲速和衰減等參數，既可以相互參考驗證，也可以單獨處理，大大提高了裝置的可信度和應用範圍。利用縱波、橫波速度可以計算地層的彈性模量、泊松比，預測地層破裂壓力，利用縱波、橫波速度比還可以用於判斷氣層。在一個例子中，各接收換能器的周邊設有聲窗，聲窗位於各換能器的鑽鋌上，由於其聲阻抗與鑽鋌內的矽油和鑽鋌外的泥漿聲阻抗相匹配，因而有利於在地層中的回波不衰減或者較少衰減地被接收。在一個實施例中，本實用新型所述發射換能器8由端頭金屬塊16、銅箔17、壓電陶瓷片18、銅箔19和金屬夾板20構成圓柱體，外層包裹玻璃纖維和環氧樹脂或者矽橡膠 21保護層，如圖3a所示。圖北和圖3c分別是發射換能器安裝示意圖，所述發射換能器8 為發射型壓電陶瓷片18、金屬夾板20和端頭金屬12黏結而成，耐高溫發射型壓電陶瓷片 18直徑為20mm-60mm，其厚度為3mm-100mm，其數量為2-80 (偶數)片，極化方向為厚度方向，黏結時相鄰壓電陶瓷片18極化方向相反。端頭金屬16直徑為20mm-60mm，其厚度為 3mm-100mm。夾板金屬20直徑為20mm-60mm，其厚度為3mm-100mm。銅箔17和銅箔19直徑均為20mm-80mm，其厚度均為0. lmm-5mm,其數量共為4-82 (偶數)片，高溫導電膠塗抹在銅箔17、銅箔19表面。銅箔17與信號線正極連接，銅箔19與信號線負極連接。在一個例子中，所述的接收換能器6結構如圖如和圖4b所示。它由兩個同樣的接收型高溫壓電陶瓷材料製作的圓管22串聯而成，其靈敏度比用一個圓管提高一倍，每一個陶瓷圓管長lOmm-lOOmm，外徑10mm-40mm，壁厚1. Omm-lO. Omm0兩壓電陶瓷管串聯後的正極信號引線M和負極信號引線25都是高溫導線，這些部件組合為一體，裝配到鑽鋌1上。 接收換能器的聲窗26外徑尺寸與鑽鋌1相同，壁厚0. 5mm-5. Omm，長度40mm_ 140mm，其內腔
5充滿油27，或內腔充滿氟橡膠、矽橡膠等其它合適絕緣物質。接收換能器6也可以採用另一種結構方式，見圖5^圖恥和圖5c。這種結構的接收換能器6由基片觀和壓電陶瓷片四黏結而成。基片觀為低膨脹合金材料，長度為 30mm-60mm,寬度為15mm-40mm，厚度為0. lmm-2mm。壓電陶瓷片29為接收型壓電陶瓷材料， 長度為30mm-60mm，寬度為15mm-40mm，厚度為2mm-5mm。黏結膠為高溫導電膠。用黏結膠將壓電陶瓷片四正極黏結在中間基片觀上，然後再將壓電陶瓷片四負極與兩側的基片用黏結膠黏結在一起，並將各部件加固在鑽鋌1上。接收換能器6的聲窗30外徑尺寸與鑽鋌1 相同，壁厚0. 5mm-5. 0mm，長度40mm-140mm，其內腔充滿油31，或內腔充滿氟橡膠、矽橡膠等其它合適絕緣物質。由於本實用新型的結構，將發射換能器8與兩種不同的接收換能器陣列組合，使用兩種不同的工作模式發射聲波，而兩種接收換能器陣列接收的信號是通過不同地質結構的反射、折射和吸收等多種不同的物理過程，經處理這些接收信號的差異來判斷儲層的含油氣及其儲量。特別是，加入四極子工作模式，可以有效地測量軟地層的橫波信息，從而可以分析地層的各向異性等。顯而易見，在此描述的本實用新型可以有許多變化，這種變化不能認為偏離本實用新型的精神和範圍。因此，所有對本領域技術人員顯而易見的改變，都包括在本權利要求書的涵蓋範圍之內。
權利要求1.一種隨鑽聲波測井裝置，包括鑽鋌和設置在鑽鋌上的發射換能器；發射換能器包括設置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位於中間的金屬夾板、分別位於第一和第二端頭金屬塊和金屬夾板之間的多個壓電陶瓷片；其中，壓電陶瓷片數為偶數，壓電陶瓷片極化方向為厚度方向，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發射換能器的長度方向和鑽鋌的長度方向垂直。
2.如權利要求1所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於發射換能器的外層包裹玻璃纖維和環氧樹脂或者矽橡膠的絕緣層。
3.如權利要求1所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於發射換能器的金屬與壓電陶瓷片、壓電陶瓷片之間用穿釘和/或膠黏劑裝配和黏結而成。
4.如權利要求1所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於發射換能器為2個，2個發射換能器相互垂直放置。
5.如權利要求1所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於包括設置在鑽鋌上不同於發射換能器位置的接收換能器，接收來自發射換能器的信號。
6.如權利要求5所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於接收換能器包括接收型高溫壓電陶瓷材料製成的圓管。
7.如權利要求5所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於接收換能器由基片和壓電陶瓷片黏合而成。
8.如權利要求5所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於接收換能器的周邊設有聲窗。
9.如權利要求5所述的隨鑽聲波測井裝置，其特徵在於接收換能器由接收換能器陣列代替。
10.一種發射換能器，包括設置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位於中間的金屬夾板、分別位於第一和第二端頭金屬塊和金屬夾板之間的多個壓電陶瓷片；其中，壓電陶瓷片數為偶數，壓電陶瓷片極化方向為厚度方向，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發射換能器的長度方向和鑽鋌的長度方向垂直。
專利摘要一種隨鑽聲波測井裝置和發射換能器，包括鑽鋌和設置在鑽鋌上的發射換能器；發射換能器包括設置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位於中間的金屬夾板、分別位於第一和第二端頭金屬塊和金屬夾板之間的多個壓電陶瓷片；其中，壓電陶瓷片數為偶數，壓電陶瓷片極化方向為厚度方向，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發射換能器的長度方向和鑽鋌的長度方向垂直。本實用新型可判斷地層的縱波速度、橫波速度、孔隙度和孔隙壓力等信息，尤其是在軟地層(地層的橫波速度小於井內流體的聲速)，利用本實用新型四極子的方式可以測量地層的橫波速度，進行地應力分析，使得換能器的整體功能得到擴展。
文檔編號E21B47/18GK202170793SQ20112015716
公開日2012年3月21日 申請日期2011年5月17日 優先權日2011年5月17日
發明者叢健生, 孫德興, 梁希庭, 王秀明, 車承軒, 陳德華, 魏倩 申請人:中國科學院聲學研究所