井周超聲成像下井儀掃描頭的製作方法

2023-12-11 15:31:32

專利名稱：井周超聲成像下井儀掃描頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種超聲波掃描頭，特別是涉及一種用於石油測井的井周超聲成像下井儀掃描頭。背景技術：
井周超聲成像下井儀是利用超聲晶體來測量裸眼井或套管井井壁地質特性的測井儀器。目前所採用的超聲晶體都是壓電陶瓷晶體，且該壓電陶瓷晶體是收發合一的，也就是說發射晶體和接收晶體是同一個晶體。當把晶體置於充滿液體的井中， 晶體離井壁距離適中的情況下，給晶體一個觸發激勵時，晶體就可以接收到經井壁反射回的超聲信號。超聲信號的反射時間反映了晶體離井壁的距離，反射幅度反映了井壁的聲阻抗特性。當晶體在電機的驅動下旋轉時，根據奈奎斯特準則控制晶體的發射，就可以得到井壁一周的反射時間和反射幅度。當儀器由電纜拉升時，晶體在井中就做螺旋掃描測量，通過對所測信號的處理，就可以得到井周的反射時間和反射幅度。通過計算機對反射時間和反射幅度進行灰度處理，再結合方位信息顯示就可以得到井壁四周的圖像。圖1中所示的就是超聲波晶體發射和接收反射信號的波形圖，圖1中的傳播時間反映的是晶體離井壁的距離，回波幅度反映了井壁的聲阻抗特性。60年代，Mobil研究公司首先取得了井周超聲成像下井儀這類儀器原理的專利。 Amoco公司對改進儀器獲得的圖像以及Sandia國家實驗室對提高儀器的工作溫度都作出了貢獻。Shell公司增加了自動增益控制線路，它有助於減小由於井壁與入射波不垂直而引起的垂向範圍。Georgi利用實驗室資料闡述了儀器探測裂縫和分辨附近特徵的能力。Shell 公司還證明了凹形換能器可以降低工作頻率，並可保持較高的成像解析度。現代的井周超聲掃描測井儀是以上述技術為基礎的聲波成像儀器。現有井周超聲成像下井儀採集的數據量由於不同廠家的每圈發射次數不同而有所不同，但數據量都較大。數據量的增大就意味著傳輸時間的增加，從而導致測速的降低； 同時，圖像精度的要求也導致測速的降低。以哈利波頓公司生產的CAST-V的圖像模式為例來說明最高測速的問題它每轉動一圈需要上傳407個字的數據，此數據以每幀32個字，每幀50ms的速度上傳，這樣傳輸407個字就需要9塊32字/幀的時間，這樣，一圈數據傳輸的時間為407X50/32/9 = 7&1S，考慮到圖像的精度為0. 3in, M 1英尺就需12/0. 3 = 40 圈掃描，40圈掃描的時間為40 X 72ms = 2. 9s，故最高測速為1英尺/2. 9秒=21英尺/分鐘=384米/小時。在3800米井深中完成一次測量就需10個小時，在7200米深的井中完成一次測量就需20個小時，這對於測井人員而言是無法忍受的，這也是目前此類儀器的缺
；ο最大測井速度其實是遙測數傳能力、超聲成像儀器所要求的測井精度和超聲成像儀器產生數據速度的綜合體現。為了提高測井速度，首先就需要遙測的速度加快。只有遙測的速度加快了，才能使測井數據快速上傳到地面。但是，一味地提高遙測數傳速度並不能提高測井速度，因為井下儀器產生所要求精度的數據的速度達不到要求。故遙測速度只是超聲成像儀器測速可以提高的先決條件。目前，國內的遙測數傳可以到500Kbps，有的甚至可達1Mbps。這就為提高超聲成像儀器測井速度提供了可能。有了高速遙測，現在的主要問題是提高超聲成像儀器產生符合精度數據的能力。所謂精度，就是徑向精度和垂直精度的統稱。徑向精度與井眼大小、晶體的聲斑大小以及每圈測量的點數有關。垂直精度與晶體聲斑大小和測井速度有關。在井眼大小和聲斑大小以及每圈測量點數(200點/100點)都確定的情況下，通過選擇不同尺寸掃描頭可以保證測量的徑向精度。垂直精度在聲斑大小確定的情況下只與測井速度有關。測井速度過快，相鄰兩圈掃描的重疊率就會小於50%，甚至會沒有重疊。根據奈奎斯特準則可知，其數據解析度是不可信的。這也是導致測速慢的主要原因。下面以單晶體掃描形式來說明圈數據的提取及測速不能提高的原因。單晶體掃描形式中晶體運行軌跡平面展開圖如圖2所示，圖2中， L是晶體轉動一圈時儀器的垂直移動距離，ν是測速，t是晶體掃描一圈所耗的時間，從下向上依次為第1圈掃描一第2圈掃描一第3圈掃描一第4圈掃描，前3圈掃描之間都有重複的部分，如果此時測速提高1倍，則相鄰2圈掃描之間就不會重複50%，從而導致數據的不可信，測速提高再提高時，相鄰2圈(如第3圈和第4圈)掃描之間就沒有重合部分，數據就更加不可信，所以，現有單晶體掃描是不能提高測速的。(三)、實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種含多個超聲波晶體，並且與下井儀的轉軸連接方便可靠的井周超聲成像下井儀掃描頭。本實用新型的技術方案一種井周超聲成像下井儀掃描頭，含有超聲波晶體和殼體，殼體為空心柱狀體，超聲波晶體安裝在殼體的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體的尾部朝向殼體內，超聲波晶體與晶體安裝通孔之間密封連接，超聲波晶體的個數為N，N為大於等於2的自然數，N個超聲波晶體圍繞殼體的軸線均布在殼體的側壁中，N個超聲波晶體的高度一樣，殼體的下端封閉，殼體的上端中央設有轉軸孔，下井儀的轉軸安裝在轉軸孔中。殼體內設有水平的接線柱板，接線柱板下表面的高度高於超聲波晶體的尾部上邊沿的高度，接線柱板上設有N個接線柱，N個接線柱的中部均穿過接線柱板，接線柱的上端和下端分別位於接線柱板的上面和下面，N個超聲波晶體尾部的信號線分別與N個接線柱的下端電連接，轉軸中間空心處的信號線與接線柱的上端電連接。接線柱板設在殼體內側壁的臺階上，接線柱板的上部設有壓塊，壓塊的外側面與殼體的內側面之間密封連接，壓塊的下端內部設有空腔體，接線柱的上端位於該空腔體中， 殼體的上部設有瓶蓋形螺套，瓶蓋形螺套的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套與殼體上部的外側面之間通過螺紋連接，瓶蓋形螺套的蓋底壓在壓塊上，轉軸孔設在壓塊上表面的中部，轉軸孔和空腔體之間設有隔板，隔板的中間設有信號線通孔，信號線通孔將轉軸孔和空腔體連通起來，隔板的周邊設有轉軸固定通孔，轉軸通過轉軸固定通孔內的螺釘固定在轉軸孔中。壓塊的外側面中部設有外凸緣，外凸緣的下表面與殼體的上端面連接，外凸緣的上表面與瓶蓋形螺套的蓋底連接，外凸緣的下表面與殼體的上端面之間設有定位鍵，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間密封連接，外凸緣與瓶蓋形螺套之間通過定位螺釘定位。接線柱板與壓塊通過固定螺釘固定在一起，壓塊的外側面與殼體的內側面之間設有壓塊密封圈，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間設有螺套密封圈，超聲波晶體的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈，超聲波晶體通過晶體螺釘固定在殼體上，轉軸孔內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈。殼體的底部設有放油螺紋通孔，放油螺紋通孔內設有放油螺釘，放油螺釘與放油螺紋通孔之間密封連接。放油螺釘與放油螺紋通孔之間設有放油密封圈。N為2，或為3，或為4，或為5，或為6。超聲波晶體為壓電陶瓷晶體。各超聲波晶體的性能要求基本保持一致，以保證測量數據的可信度。本下井儀超聲波掃描頭含有至少兩個超聲波晶體，採用該掃描頭的下井儀可以在保證精度的情況下提高測井速度，下面以掃描頭中含有兩個超聲波晶體時的例子來說明 測井時，電機的轉速維持不變，即電機轉速與單個超聲波晶體時的電機轉速相同以保證測量的徑向精度。兩個晶體的掃描形式中晶體的運行軌跡平面展開圖如圖3所示，兩個晶體的軌跡線如圖4所示。圖4中，A為第一個晶體的軌跡線，B為第二個晶體的軌跡線。圖3中，從下向上依次為第一個晶體的第1圈掃描一第二個晶體的第1圈掃描一第一個晶體的第2圈掃描一第二個晶體的第2圈掃描一第一個晶體的第3圈掃描一第二個晶體的第3圈掃描，Ll 是晶體轉動一圈時儀器的垂直移動距離，Vl是測速，vl=2v，測速Vl比圖2中的測速ν提高了 1倍，t是晶體掃描一圈所耗的時間。對於單個晶體掃描形式而言，前後兩次的掃描不能重複，垂直精度不能保證。但是，由於現在是兩個晶體，其不重複部分可以由另外一個晶體來代替測量。通過對數據的擬合處理，可以得到一圈完整的掃描數據，從而保證了儀器測量的垂直精度。這樣，在測速提高一倍達760米/小時的情況下，採用2個晶體是能夠保證測量精度的。3個晶體和4個晶體的情況與上面2個晶體的情況類似。3個晶體之間相差120°， 4個晶體之間相差90°。3個晶體可以把測速提高3倍達1100米/小時，此時要求遙測速度為300Kbps ；4個晶體可以把測速提高4倍達1520米/小時，此時遙測速度為400Kbps。本實用新型的有益效果1、本實用新型含有至少兩個超聲波晶體，採用本實用新型的下井儀可以在保證精度的情況下極大提高測井速度(無論是在裸眼井還是在套管井中)。並且，下井儀的轉軸安裝在壓塊上的轉軸孔中，下井儀的轉軸中間空心處的信號線通過接線柱板上的接線柱與超聲波晶體尾部的信號線連接，因此，本實用新型與下井儀的轉軸之間的連接方便可靠。2、本實用新型的殼體、超聲波晶體、壓塊和瓶蓋形螺套之間都採用密封圈連接，防水性強，可耐高壓，非常適合在石油測井中使用。

圖1為超聲波晶體發射和接收反射信號的波形圖；圖2為單晶體掃描形式中晶體運行軌跡平面展開圖；圖3為兩個晶體的掃描形式中晶體的運行軌跡平面展開圖；圖4為兩個晶體的軌跡線示意圖；圖5為含有兩個超聲波晶體的井周超聲成像下井儀掃描頭的結構示意圖；圖6為含有三個超聲波晶體的井周超聲成像下井儀掃描頭的結構示意圖；圖7為含有四個超聲波晶體的井周超聲成像下井儀掃描頭的結構示意圖。[0030]具體實施方式
實施例一參見圖5，圖中，井周超聲成像下井儀掃描頭含有兩個超聲波晶體2和殼體1，殼體1為空心柱狀體，超聲波晶體2安裝在殼體1的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體2的發射接收面朝向殼體1外，超聲波晶體2的尾部朝向殼體 1內，超聲波晶體2與晶體安裝通孔之間密封連接，兩個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，兩個超聲波晶體2的高度一樣，殼體1的下端封閉，殼體1的上端中央設有轉軸孔M，下井儀的轉軸7安裝在轉軸孔M中。殼體1內設有水平的接線柱板3，接線柱板3下表面的高度高於超聲波晶體2的尾部上邊沿的高度，接線柱板3上設有兩個接線柱4，兩個接線柱4的中部均穿過接線柱板3， 接線柱4的上端和下端分別位於接線柱板3的上面和下面，兩個超聲波晶體2尾部的信號線9分別與兩個接線柱4的下端電連接，轉軸7中間空心處的信號線8與接線柱4的上端電連接。接線柱板3設在殼體1內側壁的臺階上，接線柱板3的上部設有壓塊5，壓塊5的外側面與殼體1的內側面之間密封連接，壓塊5的下端內部設有空腔體23，接線柱4的上端位於該空腔體23中，殼體1的上部設有瓶蓋形螺套6，瓶蓋形螺套6的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套6與殼體1上部的外側面之間通過螺紋連接，瓶蓋形螺套6的蓋底壓在壓塊5上， 轉軸孔M設在壓塊5上表面的中部，轉軸孔M和空腔體23之間設有隔板21，隔板21的中間設有信號線通孔22，信號線通孔22將轉軸孔M和空腔體23連通起來，隔板21的周邊設有轉軸固定通孔，轉軸7通過轉軸固定通孔內的螺釘18固定在轉軸孔M中。壓塊5的外側面中部設有外凸緣沈，外凸緣沈的下表面與殼體1的上端面連接， 外凸緣沈的上表面與瓶蓋形螺套6的蓋底連接，外凸緣沈的下表面與殼體1的上端面之間設有定位鍵17，外凸緣沈的外側面與瓶蓋形螺套6的內側面之間密封連接，外凸緣沈與瓶蓋形螺套6之間通過定位螺釘20定位。接線柱板3與壓塊5通過固定螺釘15固定在一起，壓塊5的外側面與殼體1的內側面之間設有壓塊密封圈16，外凸緣沈的外側面與瓶蓋形螺套6的內側面之間設有螺套密封圈27，超聲波晶體2的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈14，超聲波晶體2通過晶體螺釘13固定在殼體1上，轉軸孔M內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈19。殼體1的底部設有放油螺紋通孔11，放油螺紋通孔11內設有放油螺釘10，放油螺釘10與放油螺紋通孔11之間密封連接。放油螺釘10與放油螺紋通孔11之間設有放油密封圈12。超聲波晶2體為壓電陶瓷晶體。各超聲波晶體2的性能要求基本保持一致，以保證測量數據的可信度。實施例二 參見圖6，圖中，圖中編號與實施例一相同的，代表的意義相同，其工作過程也基本相同，相同之處不重述，不同之處是殼體1內設有三個超聲波晶體2，三個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，三個超聲波晶體2的高度一樣。實施例三參見圖7，圖中，圖中編號與實施例一相同的，代表的意義相同，其工作過程也基本相同，相同之處不重述，不同之處是殼體1內設有四個超聲波晶體2，四個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，四個超聲波晶體2的高度一樣。
權利要求1.一種井周超聲成像下井儀掃描頭，含有超聲波晶體和殼體，其特徵是殼體為空心柱狀體，超聲波晶體安裝在殼體的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體的尾部朝向殼體內，超聲波晶體與晶體安裝通孔之間密封連接，超聲波晶體的個數為N，N為大於等於2的自然數，N個超聲波晶體圍繞殼體的軸線均布在殼體的側壁中，N個超聲波晶體的高度一樣，殼體的下端封閉，殼體的上端中央設有轉軸孔。
2.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述殼體內設有水平的接線柱板，接線柱板下表面的高度高於超聲波晶體的尾部上邊沿的高度，接線柱板上設有N個接線柱，N個接線柱的中部均穿過接線柱板，接線柱的上端和下端分別位於接線柱板的上面和下面，N個超聲波晶體尾部的信號線分別與N個接線柱的下端電連接。
3.根據權利要求2所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述接線柱板設在殼體內側壁的臺階上，接線柱板的上部設有壓塊，壓塊的外側面與殼體的內側面之間密封連接，壓塊的下端內部設有空腔體，接線柱的上端位於該空腔體中，殼體的上部設有瓶蓋形螺套，瓶蓋形螺套的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套與殼體上部的外側面之間通過螺紋連接， 瓶蓋形螺套的蓋底壓在壓塊上，轉軸孔設在壓塊上表面的中部，轉軸孔和空腔體之間設有隔板，隔板的中間設有信號線通孔，信號線通孔將轉軸孔和空腔體連通起來，隔板的周邊設有轉軸固定通孔。
4.根據權利要求3所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述壓塊的外側面中部設有外凸緣，外凸緣的下表面與殼體的上端面連接，外凸緣的上表面與瓶蓋形螺套的蓋底連接，外凸緣的下表面與殼體的上端面之間設有定位鍵，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間密封連接，外凸緣與瓶蓋形螺套之間通過定位螺釘定位。
5.根據權利要求4所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述接線柱板與壓塊通過固定螺釘固定在一起，壓塊的外側面與殼體的內側面之間設有壓塊密封圈，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間設有螺套密封圈，超聲波晶體的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈，超聲波晶體通過晶體螺釘固定在殼體上，轉軸孔內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈。
6.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述殼體的底部設有放油螺紋通孔，放油螺紋通孔內設有放油螺釘，放油螺釘與放油螺紋通孔之間密封連接。
7.根據權利要求6所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述放油螺釘與放油螺紋通孔之間設有放油密封圈。
8.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述N為2，或為3， 或為4，或為5，或為6。
9.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀掃描頭，其特徵是所述超聲波晶體為壓電陶瓷晶體。
專利摘要本實用新型涉及一種井周超聲成像下井儀掃描頭；井周超聲成像下井儀掃描頭含有超聲波晶體和殼體，殼體為空心柱狀體，超聲波晶體安裝在殼體的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體的尾部朝向殼體內，超聲波晶體與晶體安裝通孔之間密封連接，超聲波晶體的個數為N，N為大於等於2的自然數，N個超聲波晶體圍繞殼體的軸線均布在殼體的側壁中，N個超聲波晶體的高度一樣，殼體的下端封閉，殼體的上端中央設有轉軸孔，下井儀的轉軸安裝在轉軸孔中；本實用新型提供了一種含多個超聲波晶體，並且與下井儀的轉軸連接方便可靠的井周超聲成像下井儀掃描頭。
文檔編號E21B47/14GK202300382SQ20112042963
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者喬喜梅, 周祥熹, 張博, 成思, 王武營, 郭振華 申請人:中國電子科技集團公司第二十二研究所