一種隨鉆方位聲波測井裝置制造方法
【專利摘要】一種隨鉆方位聲波測井裝置包括：隨鉆方位聲波測井裝置專用鉆鋌和安裝在鉆鋌上扶正器上的由單發(fā)四收探頭構成隨鉆聲波聲系，采用鉆鋌上刻槽的隔聲體抑制發(fā)射探頭到接收探頭之間的鉆鋌直達波，接發(fā)探頭分別由專用供電電池供電，測控電路接收采集到的波形數(shù)據(jù)進行實時計算處理，并提供與隨鉆測量系統(tǒng)MWD(MeasurementWhileDrilling)以及地面處理系統(tǒng)的通訊接口，其中供電電池與測控電路放置在聲波專用鉆鋌泥漿流道中的抗壓筒中，通過上下導流套與聲系相連。通過在鉆井過程中的實時測量的地層巖石縱橫波聲速可用于巖性識別、孔隙度計算、巖石力力學參數(shù)計算、井眼穩(wěn)定性預測等。
【專利說明】一種隨鉆方位聲波測井裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及測井裝置領域的一種隨鉆方位聲波測井裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，聲波測井技術已成功應用于隨鉆過程中。隨鉆聲波測井采用滑行波測量方式實時測量地層巖石縱橫波聲速的變化，通過測量地層的縱、橫波波速，不僅可提供地層孔隙度、通過實時地層壓力預測提高鉆井安全系數(shù)、通過與地震資料結合降低地球物理勘探風險和提高地質(zhì)導向效率，還能進行巖石機械特性分析及鉆井事故預測。隨鉆聲波測井在鉆井的同時完成聲波測井作業(yè)，減少了井場鉆機占用時間，從鉆井-測井一體化服務中節(jié)省成本。對于大斜度井、水平井或特殊地質(zhì)環(huán)境鉆井，電纜測井困難或風險大，以至于不能進行作業(yè)，隨鉆聲波測井可以取而代之。因此該項技術在鉆井工程和油氣勘探方面有著尤為重要的意義。
[0003]但由于其隨鉆工作環(huán)境的特殊性，使得隨鉆聲波測井的實現(xiàn)要比電纜測井技術復雜得多。隨鉆聲波測井要取得成功，在技術上必需解決的四個難題，主要為:聲波探頭及安裝工藝；抑制發(fā)射探頭到接收探頭之間的鉆鋌直達波；抑制鉆井噪聲的干擾以及井下波形實時處理，提取時差后送往地面。
[0004]目前國內(nèi)隨鉆聲波測井技術主要涉及聲波換能器或者鉆鋌隔聲體的內(nèi)容，其中CN102162358 A涉及的是一種隨鉆聲波測井換能器組合，接發(fā)換能器采用多個壓電陶瓷片。CN102322258 A采用拓寬鉆鋌拉伸波的固有阻帶的原理和方法來解決鉆鋌直達波的問題，可以避免刻槽對鉆鋌強度的不利影響。但是無論是換能器或者鉆鋌隔聲體，在實現(xiàn)測量功能時會受到不同條件的相互影響，不能夠單獨考慮其中某一方面，否則測量是不正確的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種隨鉆方位聲波測井裝置，通過安裝在鉆鋌上的單發(fā)四收探頭構成隨鉆聲波聲系，采用定向發(fā)射、接收技術，通過井下測控電路進行井下波形實時處理，提取時差后送往地面。另外采用鉆鋌上刻槽的隔聲體抑制發(fā)射探頭到接收探頭之間的鉆鋌直達波。在鉆井過程中的實時測量的地層巖石縱橫波聲速可用于巖性識別、孔隙度計算、巖石力力學參數(shù)計算、井眼穩(wěn)定性預測等。
[0006]本發(fā)明的隨鉆方位聲波測井裝置包括:
專用鉆鋌、聲系和測控電路，其中測控電路包括聲波激勵電路、信號接收及處理電路、控制和數(shù)據(jù)處理電路、電源電路，其特征是:專用鉆鋌靠近上下端部分別設有上扶正器與下扶正器，上、下扶正器之間設有周期性交錯排列的導聲槽構成的隔聲體；聲系采用I個發(fā)射探頭，4個接收探頭組成接收探頭陣列，發(fā)射探頭布置在鉆鋌的下扶正器的凹槽內(nèi)，接收探頭陣列9按軸向排列布置在鉆鋌的上扶正器的凹槽內(nèi)，聲系通過上、下導流套分別與外部的MWD和專用鉆鋌內(nèi)的供電電池、測控電路連接。
[0007]構成隔聲體是的導聲槽設為4個；接收和發(fā)射探頭都采用模塊化設計制作，即:把壓電振子固定在一個具有減震結構的基座上，外套透聲窗口，進行封裝并注入硅油形成一個探頭；導流套與鉆鋌開孔嚴格同心，通過高壓密封塞進行內(nèi)外的連接；供電電池、測控電路分別裝在特制抗壓筒中，特制抗壓筒居中放置在專用鉆鋌的泥漿流道中，通過與鉆鋌內(nèi)徑相同的橡膠扶正器與鉆鋌內(nèi)壁相連。
[0008]接收和發(fā)射探頭采用徑向疊加的多層壓電振子排列方式，壓電振子與基座采用高溫粘結膠粘接成一體，透聲窗口采用氟橡膠、硅橡膠或其它絕緣材料制成的耐磨透聲窗口 ；基座16與鉆鋌之間加裝隔聲的橡膠墊。
[0009]導聲槽的槽寬分別為:130mm、110mm,90mm、IIOmm,深度均為14mm,導聲槽的間隔分別為:110mm, 90mm、110mm。
[0010]測控電路的激勵電路在來自控制和數(shù)據(jù)處理電路的點火脈沖作用下產(chǎn)生發(fā)射聲系的激勵信號，工作頻率范圍12?18kHz，激勵脈沖的寬度可調(diào)；信號接收及數(shù)據(jù)采集電路包括4個功能完全相同的獨立通道，對來自接收聲系中各探頭的不同通道信號進行放大、濾波、采集，四通道模擬程控放大器帶寬10?20KHz，四通道14位波形數(shù)據(jù)采集；控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是以DSP和CPLD芯片為核心，控制系統(tǒng)收到來自隨鉆測量系統(tǒng)MWD的控制命令后,產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的所有控制時序,通過內(nèi)部總線,協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的工作，并負責與MWD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括通道增益、采集深度、采集速率，發(fā)送發(fā)射啟動脈沖、采集啟動命令，并對接收采集到的波形數(shù)據(jù)進行實時計算處理、存儲；電源電路供電為24?36VDC電池，電源電路內(nèi)的MPU根據(jù)MWD系統(tǒng)的指令，控制電源電路開關實現(xiàn)間歇工作方式。
[0011]控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的存儲用大容量非易失FLASH存儲器對測井數(shù)據(jù)進行存儲。
[0012]所述存儲器采用NAND FLASH芯片作為非易失數(shù)據(jù)存儲。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點在于:不僅考慮了換能器設計和鉆鋌的匹配問題，而且還考慮了隨鉆聲波測井基本測量的電路實現(xiàn)，通過總體考慮，盡量減低隨鉆聲波測井的影響因素，獲得正確的地層巖石縱橫波聲速。另外通過定向發(fā)射、接收技術，結合判方位功能，實現(xiàn)方位聲波測井。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合說明書附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0015]圖1隨鉆方位聲波測井裝置示意圖
圖2a圖1中A-A向發(fā)射探頭部分放大示意圖 圖2b圖1中接收探頭陣列放大示意圖 圖3圖1中隔聲體部分放大示意圖 圖4隨鉆聲方位波測井裝置測控電路示意圖
圖中:1專用鉆鋌，2隔聲體，3測控電路，4供電電池，5下導流套，6上導流套，7上扶正器，8下扶正器，9接收探頭陣列，10發(fā)射探頭，11導聲槽A，12導聲槽B，13導聲槽C，14導聲槽D ,15壓電振子，16基座，17透聲窗口。
【具體實施方式】
[0016]如圖1所示，隨鉆方位聲波測井裝置包括:專用鉆鋌1，聲波聲系(發(fā)射探頭10，接收探頭陣列9)、測控電路3、供電電池4及上下導流套5、6。專用鉆鋌I為外徑為178mm的無磁鉆鋌，專用鉆鋌I中心為泥漿流道，為了安裝聲波聲系，在專用鉆鋌I加工時設計扶正器7、8，以保證有足夠的位置安裝聲系，通過扶正器側壁開槽放置聲系，聲系通過上下導流套5、6分別與上端隨鉆測量系統(tǒng)MWD (Measurement While Drilling)進行通訊連接并與供電電池4、測控電路3連接，導流套與鉆鋌開孔嚴格同心，通過高壓密封塞進行內(nèi)外的連接。供電電池4、測控電路3分別裝在特制抗壓筒中，特制抗壓筒居中放置在專用鉆鋌I的泥漿流道中，通過與鉆鋌內(nèi)徑相同的橡膠扶正器與鉆鋌內(nèi)壁相連。在上扶正器7與下扶正器8之間為隔聲體2。整個測量系統(tǒng)位于井眼中，井眼中充滿泥漿。
[0017]隨鉆方位聲波測井裝置的聲系采用單發(fā)四收模式，包括I個發(fā)射探頭10，4個接收探頭組成接收探頭陣列9，發(fā)射探頭10布置在鉆鋌的下扶正器8的凹槽內(nèi)，接收探頭陣列9按軸向排列布置在鉆鋌的上扶正器6的凹槽內(nèi)。聲系通過上下導流套5、6分別與上端MWD進行通訊連接并與供電電池4、測控電路3連接。接收和發(fā)射探頭都采用模塊化設計制作，由壓電振子15、基座16、透聲窗口 17組成，即:把壓電振子15固定在一個具有減震結構的基座16上，外套透聲窗口 17，進行封裝并注入硅油形成一個探頭。壓電振子15是隨鉆聲波測井聲波探頭的核心部件，通過分析壓電振子15的材料和幾何尺寸對諧振頻率的影響，可以得出基片材料、壓電陶瓷類型、壓電振子長度、寬度和厚度、壓電振子固定點距離等壓電振子的基本參數(shù)。接收和發(fā)射探頭采用多層壓電振子排列方式，通過徑向疊加的多層壓電振子結構提高了探頭對有用聲波信號的輻射能量。壓電振子15固定在具有減震結構的基座16上，充分考慮到壓電振子15與安裝基座16的整體性，采用高溫粘結膠把2部分粘接成為一體，同樣基座16與鉆鋌I之間的隔聲采用高溫粘結膠固定。透聲窗口 17位于壓電振子15上部，由于其聲阻抗與探頭內(nèi)的硅油和專用鉆鋌I外的泥漿聲阻抗相匹配，因而有利于聲波在地層中的發(fā)射及接收較少的衰減。透聲窗口 17采用耐磨透聲窗口，材料為氟橡膠、硅橡膠或其它適合的絕緣材料。模塊化結構既能夠?qū)崿F(xiàn)與鉆鋌的聲隔離，又具有聲波的定向輻射。探頭模塊的易于拆卸和互換以及探頭模塊的單獨測試和功能校驗。為了進一步增大有用聲波信號的能量，采用定向發(fā)射、接收技術。
[0018]隨鉆聲波測井裝置的聲系包括4個接收探頭組成接收探頭陣列9，利用多組接收探頭是因為它具有垂直其軸線平面接收指向性窄的特性，有利于確定測量地層的空間位置。隨鉆聲波測井裝置的接收探頭陣列9布置在鉆鋌的上扶正器7的凹槽內(nèi)，每組接收探頭都采用模塊化探頭，即由壓電振子15、基座16、透聲窗口 17組成的探頭模塊?？紤]探頭基座16與鉆鋌之間的隔聲，加裝隔聲的橡膠墊。
[0019]隨鉆聲波測井裝置專用鉆鋌I的上扶正器7與下扶正器8之間設計為隔聲體2，隔聲體2是在專用鉆鋌I上刻4個導聲槽，分別為導聲槽A (II)、導聲槽B (12)、導聲槽C (13)、導聲槽D (14)，它的主要功能是延遲從發(fā)射探頭10發(fā)出的聲波信號通過鉆鋌本體直接傳播到接收探頭9。通過對三種周期性凹槽結構隔聲體的隔聲量進行計算，同時模擬安裝有隔聲體的隨鉆聲波測井儀器在快地層中的測井響應，設計一種由周期性交錯排列的凹槽構成的隔聲體2，相比于由圓環(huán)形凹槽構成的隔聲體，具有更好的隔聲效果。由于隔聲體2是在專用鉆鋌I上開槽，會使得鉆鋌本體強度降低，為了保證在鉆井過程中的安全施工，設計隔聲體的鉆鋌必須具備一定的強度，對于開槽結構的抗壓、抗拉、抗扭強度采用有限元仿真分析，確保其滿足實際工程要求。為了滿足兩者的要求，導聲槽11至14的槽寬分別為:130mm、110mm, 90mm、110mm,深度均為 14mm,導聲槽的間隔分別為:110mm, 90mm、110mm。
[0020]隨鉆方位聲波測井裝置的測控電路3由聲波激勵電路、信號接收及處理電路、控制和數(shù)據(jù)處理電路、電源電路等部分組成。激勵電路在來自控制和數(shù)據(jù)處理電路的點火脈沖作用下產(chǎn)生發(fā)射聲系的激勵信號。工作頻率范圍12?18kHz ;激勵脈沖的寬度可調(diào)；信號接收及數(shù)據(jù)采集電路包括4個功能完全相同的獨立通道，對來自接收聲系中各探頭的不同通道信號進行放大、濾波、采集。四通道模擬程控放大器帶寬10?20KHz ;四通道14位波形數(shù)據(jù)采集；控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是儀器的控制處理中心，它以DSP和CPLD芯片為核心，控制系統(tǒng)收到來自隨鉆測量系統(tǒng)MWD的控制命令后，產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的所有控制時序，通過內(nèi)部總線，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的工作，并負責與MWD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。它需要設置通道增益、采集深度、采集速率等參數(shù)，發(fā)送發(fā)射啟動脈沖、采集啟動命令，并對接收采集到的波形數(shù)據(jù)進行實時計算處理、存儲，與電纜聲波測井儀器不同，在隨鉆聲波測井中，受傳輸速率的限制，控制和數(shù)據(jù)處理均在井下快速完成。隨鉆聲波測井裝置的發(fā)射接收時序控制復雜，數(shù)據(jù)計算量大，為保證實時性，需合理調(diào)度控制和數(shù)據(jù)處理過程，協(xié)調(diào)儀器的整體工作。由于隨鉆聲波測井數(shù)據(jù)量大，且受實時傳輸速率限制，需要采用大容量非易失FLASH存儲器對測井數(shù)據(jù)進行存儲。根據(jù)隨鉆聲波測井數(shù)據(jù)的技術需求，采用NAND FLASH芯片作為非易失數(shù)據(jù)存儲，通過對NAND FLASH接口電路和存儲程序的合理設計，實現(xiàn)了隨鉆聲波測井的數(shù)據(jù)存儲功能，存儲能力256Mb?？刂坪蛿?shù)據(jù)處理系統(tǒng)還提供與隨鉆測量系統(tǒng)MWD以及地面處理系統(tǒng)的通訊接口。電源電路供電為24?36VDC電池，為節(jié)約電池能量，電源電路21內(nèi)的MPU根據(jù)MWD系統(tǒng)的指令，控制電源電路開關實現(xiàn)間歇工作方式。
[0021]隨鉆方位聲波測井裝置的測控電路3實現(xiàn)隨鉆聲波測井數(shù)據(jù)井下實時處理，通過采用多道接收波形數(shù)進行縱波時差提取，設計了一種簡化STC (Slowness TimeCoherence)法，即慢度時間相關法，是一種時域內(nèi)多道信號相關分析方法。通過選取合理的時窗長度和慢度搜索范圍，求得4個接收器收到由同一發(fā)射源在某時刻發(fā)出的波信號的相關系數(shù)，最大相關系數(shù)對應的慢度即為該深度地層的縱波慢度。利用該方法對理論模擬的近源距聲波波形進行了時差提取，驗證了該方法對首波的提取能力，實現(xiàn)了縱波時差提取的快速計算。采用該方法通過計算典型軟地層和硬地層的合成波形的時差，驗證了程序的可靠性。其中典型硬地層計算的時差為339.00us/m,而實際模擬輸入的時差為333.33us/m，誤差為3.21%。其中典型軟地層計算的時差為258.02us/m，而實際模擬輸入的時差為250us/m，誤差為 1.61%。
[0022]隨鉆聲波測井中，對采集的聲波信號產(chǎn)生影響的噪聲源主要有兩大類:一個是井下鉆井環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，另一個是電子器件產(chǎn)生的電子噪聲。被噪聲污染的聲波信號，既不能在某個頻帶上修改，又不能在時域上某個時刻修改，因為噪聲的頻帶很寬，幾乎占據(jù)了整個頻域，使得與聲波信號重疊，無法區(qū)分有用信號和噪聲，因此一般的降噪方法很難達到令人滿意的效果。針對隨鉆聲波測井過程中的電子噪聲，提出一種基于V系統(tǒng)的聲波信號數(shù)據(jù)降噪算法。通過對聲波信號進行V系統(tǒng)變換，然后將高頻部分消除，反變換得到降噪后的聲波信號。通過試驗結果證明，該算法對于聲波測井信號具有較好的降噪效果。
【權利要求】
1.一種隨鉆方位聲波測井裝置，包括專用鉆鋌、聲系和測控電路，其中測控電路包括聲波激勵電路、信號接收及處理電路、控制和數(shù)據(jù)處理電路、電源電路，其特征是:專用鉆鋌靠近上下端部分別設有上扶正器與下扶正器，上、下扶正器之間設有周期性交錯排列的導聲槽構成的隔聲體；聲系采用I個發(fā)射探頭，4個接收探頭組成接收探頭陣列，發(fā)射探頭布置在鉆鋌的下扶正器的凹槽內(nèi)，接收探頭陣列9按軸向排列布置在鉆鋌的上扶正器的凹槽內(nèi)，聲系通過上、下導流套分別與外部的MWD和專用鉆鋌內(nèi)的供電電池、測控電路連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是:構成隔聲體是的導聲槽設為4個；接收和發(fā)射探頭都采用模塊化設計制作，即:把壓電振子固定在一個具有減震結構的基座上，外套透聲窗口，進行封裝并注入硅油形成一個探頭；導流套與鉆鋌開孔嚴格同心，通過高壓密封塞進行內(nèi)外的連接；供電電池、測控電路分別裝在特制抗壓筒中，特制抗壓筒居中放置在專用鉆鋌的泥漿流道中，通過與鉆鋌內(nèi)徑相同的橡膠扶正器與鉆鋌內(nèi)壁相連。
3.根據(jù)權利要求2所述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是:接收和發(fā)射探頭采用徑向疊加的多層壓電振子排列方式，壓電振子與基座采用高溫粘結膠粘接成一體，透聲窗口采用氟橡膠、硅橡膠或其它絕緣材料制成的耐磨透聲窗口 ；基座16與鉆鋌之間加裝隔聲的橡膠墊。
4.根據(jù)權利要求2或3述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是導聲槽的槽寬分別為:130mm、110mm, 90mm、IlOmm,深度均為 14mm,導聲槽的間隔分別為:110mm, 90mm、110mm。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是:測控電路的激勵電路在來自控制和數(shù)據(jù)處理電路的點火脈沖作用下產(chǎn)生發(fā)射聲系的激勵信號，工作頻率范圍12?18kHz，激勵脈沖的寬度可調(diào)；信號接收及數(shù)據(jù)采集電路包括4個功能完全相同的獨立通道，對來自接收聲系中各探頭的不同通道信號進行放大、濾波、采集，四通道模擬程控放大器帶寬10?20KHz，四通道14位波形數(shù)據(jù)采集；控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是以DSP和CPLD芯片為核心，控制系統(tǒng)收到來自隨鉆測量系統(tǒng)MWD的控制命令后，產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的所有控制時序,通過內(nèi)部總線,協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的工作，并負責與MWD系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括通道增益、采集深度、采集速率，發(fā)送發(fā)射啟動脈沖、采集啟動命令，并對接收采集到的波形數(shù)據(jù)進行實時計算處理、存儲；電源電路供電為24?36VDC電池，電源電路內(nèi)的MPU根據(jù)MWD系統(tǒng)的指令，控制電源電路開關實現(xiàn)間歇工作方式。
6.根據(jù)權利要求5所述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是:控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的存儲用大容量非易失FLASH存儲器對測井數(shù)據(jù)進行存儲。
7.根據(jù)權利要求6所述的隨鉆方位聲波測井裝置，其特征是:所述存儲器采用NANDFLASH芯片作為非易失數(shù)據(jù)存儲。
【文檔編號】E21B49/00GK103775067SQ201210400056
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月20日 優(yōu)先權日:2012年10月20日
【發(fā)明者】楊錦舟, 肖紅兵, 黃敬, 喬文孝, 鞠曉東, 施斌全, 趙紅林 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院