本實用新型涉及石油測井領域的測井裝置，具體涉及一種井下噪聲測井裝置。

背景技術：

噪聲測井是地球物理測井基于聲學的一種測井方法，是通過測定井內(nèi)自然噪聲的頻率和聲幅特性，來確定和了解井下的固井質(zhì)量、地層特性、套管和油管漏失,管外竄槽等；同時也可以估計產(chǎn)層的生產(chǎn)能力和井內(nèi)流體流量等。

目前，國內(nèi)外的噪聲測井儀對井下噪聲信號的采集和處理有兩種方式，一是模擬傳輸至地面進行實時音頻播放和曲線顯示。二是等間隔抽取模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至地面進行譜分析。前者采取模擬傳輸，信號經(jīng)過幾千米電纜傳輸至地面時已經(jīng)衰減變形，聽到的井內(nèi)噪聲將嚴重失真，目前市場上基本不再使用。后者，由于單芯電纜信號傳輸?shù)乃俾氏拗?，只能傳輸抽取后的信號，此信號不連續(xù)，無法進行音頻播放，只能觀察到抽取點的頻譜。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種石油測井領域的井下噪聲測井裝置，解決了目前井下噪聲由于使用模擬傳輸或者頻譜數(shù)據(jù)抽取傳輸均不能實現(xiàn)在井上實時高保真的還原井內(nèi)聲音的問題，不僅增加了儀器的接收靈敏度而且提高了儀器在井下作業(yè)的可靠性。

本實用新型的目的是通話下述技術方案來實現(xiàn)的。

一種井下噪聲測井裝置，包括置于套管中的噪聲測井儀，以及與噪聲測井儀相連的傳輸儀器，傳輸儀器通過電纜連接至地面測井系統(tǒng)，地面測井系統(tǒng)與工控機相連；

所述噪聲測井儀包括依次連接的電子線路、傳感器組件和動平衡活塞；

所述傳感器組件包括含有兩個以上并聯(lián)連接的壓電陶瓷傳感器；

所述電子線路包括信號預處理電路、信號二次處理電路、緩存單元和專用接口電路。

進一步，所述噪聲信號預處理電路包括依次連接的前置接收放大電路、帶通濾波電路和程控放大電路。

進一步，所述信號二次處理電路包括A/D轉(zhuǎn)換電路和音頻壓縮電路，A/D轉(zhuǎn)換電路和音頻壓縮電路分別連接FFT頻譜變換電路和緩存單元，F(xiàn)FT頻譜變換電路和緩存單元相互連接。

進一步，所述工控機上連接有音頻播放設備。

進一步，所述音頻播放設備為耳機或揚聲器。

進一步，所述壓電陶瓷傳感器為壓電陶瓷圓管，管身等間距分布著4條極化電極，分別是兩條正電極和兩條負電極，正負電極交錯排列；多個并聯(lián)連接的壓電陶瓷傳感器壓電陶瓷圓管各自的兩條正電極相連、兩條電負極相連后，分別對應連接至下一個壓電陶瓷圓管的正電極和負電極。

進一步，所述傳感器組件兩個以上并聯(lián)連接的壓電陶瓷傳感器安裝在以非金屬絕緣材料制成的支架上，每個陶瓷管之間安裝有O形圈，陶瓷管外部套有金屬薄壁管。

進一步，所述金屬薄壁管外設有均勻開槽的金屬管；薄壁管內(nèi)部充有硅油，正電極和負電極的上下引線通過密封塞轉(zhuǎn)接。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的信號處理電路采用了數(shù)字壓縮技術和數(shù)字信號處理技術解決了目前由于單芯電纜數(shù)據(jù)傳輸速率的限制而不能將井下噪聲在井上實時高保真還原的問題。而傳感器部分通過采用多個切向極化的壓電陶瓷管并聯(lián)，與目前其他常規(guī)噪聲測井儀相比不僅增加了儀器的接收靈敏度而且提高了儀器在井下作業(yè)的可靠性。傳感器組件中的噪聲傳感器即使損壞到只剩一個，儀器仍然能夠正常工作。

附圖說明

圖1是本實用新型用于油/氣田的噪聲測井系統(tǒng)結(jié)構示意圖；

圖2是本實用新型的結(jié)構示意圖；

圖3是井下噪聲信號處理流程框圖；

圖4傳感器連接示意圖；

圖5不同極化方式下傳感器的接收性能對比圖；

圖6是井下噪聲信號預處理流程框圖；

圖7是井下噪聲信號二次處理流程框圖；

圖8是噪聲信息顯示框圖。

圖中：1、噪聲測井儀；2、傳輸儀器；3、電纜；4、套管；5、地面測井系統(tǒng)；6、工控機；7、音頻播放設備；8、井內(nèi)環(huán)境；9、射孔或泄露點；10、傳感器組件；11、電子線路；12、動平衡活塞；120、信號預處理電路；130、信號二次處理電路；140、緩存單元；150、接口電路；400、原始噪聲信號；500、預處理后的信號；600、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；700、頻譜信號；800、MP3比特流；900、緩存數(shù)據(jù)；1000、總線數(shù)據(jù)；100、傳感器；101、正電極；102、負電極；121、差分接收和前置放大電路；122、帶通濾波電路；123、程控放大電路；131、A/D轉(zhuǎn)換電路；132、音頻壓縮電路；133、FFT頻譜變換電路；1001、頻譜圖；1002、灰度圖；1003、曲線圖；1004、MP3音頻播放器；1005、MP3文件。

所有附圖均為示意圖，跟實際不一定成比例，附圖目的僅僅是為了闡述本實用新型的必要部分，本實用新型的很多內(nèi)容僅在文字部分闡述。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

圖1是本實用新型用于油/氣田的噪聲測井系統(tǒng)案例。噪聲測井系統(tǒng)包括：包括置于套管4中的用于采集和處理井下噪聲信號的噪聲測井儀1，以及與噪聲測井儀1相連的傳輸儀器2，傳輸儀器2通過從井下傳送到井上的數(shù)據(jù)通信鏈路即電纜3連接至地面測井系統(tǒng)5，地面測井系統(tǒng)5與工控機6相連；工控機6上連接有音頻播放設備7。

噪聲測井儀1和專用傳輸儀器2的儀器串通過電纜3與井上噪聲數(shù)據(jù)處理裝置5連接起來，將儀器串下放到井下環(huán)境8中；井上噪聲數(shù)據(jù)處理裝置5和工控機6通過USB或網(wǎng)線連接起來；開啟地面系統(tǒng)井上噪聲數(shù)據(jù)處理裝置5和工控機6中的測井軟件，噪聲測井儀1將實時采集井下環(huán)境8中的噪聲并進行一系列處理后通過專用傳輸儀器2和電纜3送至井上噪聲數(shù)據(jù)處理裝置5，井上噪聲數(shù)據(jù)處理裝置5將接收到的噪聲數(shù)據(jù)再傳送到工控機6中進行軟件處理。此時，從軟件中便可實時觀測到井內(nèi)噪聲譜，同時從音頻播放設備7通常是耳機或者揚聲器中就能實時聽到井內(nèi)噪聲。

圖2是噪聲測井儀的結(jié)構示意圖。它包括依次連接的電子線路11、傳感器組件10和動平衡活塞12。傳感器組件10內(nèi)部的多個壓電陶瓷管安裝在以非金屬絕緣材料制成的支架上，每個陶瓷管之間安裝有O形圈隔離，其外部安裝金屬薄壁管，薄壁管外有花管(有大量均勻開槽的金屬管)作為支撐和防護；為了不影響換能器的接收靈敏度，薄壁管非常薄，其內(nèi)部充滿硅油，使傳感器處于硅油中，為了保證油路的密封，上下引線通過密封塞轉(zhuǎn)接。電子線路11用于噪聲信號的處理、存儲和傳輸。動平衡活塞12是為了保證在高溫下儀器內(nèi)部油路受力平衡。在對應傳感器組件10的套管4內(nèi)壁上設有射孔或泄露點9。

圖3是井下噪聲信號處理流程框圖。傳感器組件10用于采集井內(nèi)噪聲信號，包括含有兩個或多個并聯(lián)連接的壓電陶瓷傳感器100。壓電陶瓷100極化方式為切向極化。電子線路11用于噪聲信號的處理、存儲和傳輸，包括依次連接的用于噪聲信號預處理的信號預處理電路120、用于噪聲信號頻譜變換以及音頻壓縮的信號二次處理電路130、用于數(shù)據(jù)緩存的緩存單元140和用于數(shù)據(jù)傳輸和命令接收的專用接口電路150。

噪聲傳感器組件10接收井內(nèi)原始噪聲信號400，并轉(zhuǎn)換為電壓信號，送至信號預處理電路120進行信號的初級預處理，經(jīng)預處理后的信號500再送至信號二次處理電路130進行信號的再次處理；處理后的頻譜信號700和MP3比特流800以數(shù)據(jù)包的形式按先后順序送至緩存單元，接口電路150按一定規(guī)則讀取緩存單元140中的緩存數(shù)據(jù)900并將其進行編碼轉(zhuǎn)換成能夠在單芯總線上傳輸?shù)目偩€數(shù)據(jù)1000。

圖4是傳感器組件連接示意圖。使用兩個或更多個傳感器100進行并聯(lián)，多個傳感器并聯(lián)使用將大大提高儀器的可靠性，因為它們的并聯(lián)關系，即使傳感器損壞到只剩一個，儀器仍然能夠正常工作，這和單一傳感器和多個傳感器串聯(lián)的方式相比較，優(yōu)點是顯而易見的。傳感器100為壓電陶瓷圓管，管身等間距分布著4條極化電極，分別是兩條正電極101和兩條負電極102，正負電極交錯排列；在并聯(lián)連接多個傳感器時，首先要先將單個傳感器上的兩條正電極相連，兩條負電極相連。

另外需要提出的是傳感器100的極化方式為切向極化，由于壓電陶瓷管在切向極化時，每一單元的電容量較小，如果在聲壓作用下，產(chǎn)生同樣的電荷，則切向極化所形成的電位差較大，因此，同樣外形尺寸的傳感器，切向極化要比其他極化方式(比如徑向極化和縱向極化)的接收靈敏度大得多。

圖5是在相同的環(huán)境和聲源強度下，不同極化方式的兩組相同尺寸和材料的傳感器接收信號大小對比圖，顯而易見，在絕大多數(shù)頻點上切向極化傳感器的接收靈敏度都遠遠高于徑向極化傳感器的靈敏度。

圖6是信號預處理流程框圖。信號預處理主要是對噪聲信號進行初級處理，首先傳感器組件輸出的微弱電壓原始噪聲信號400通過差分接收和前置放大電路121，差分接收和前置放大電路采用低噪聲的儀表放大器以及外圍電容、電阻來實現(xiàn)，經(jīng)過前置放大器后的信號送至帶通濾波電路122進行濾波，之后再通過程控放大電路123進行程控放大，按同樣的方式將信號再進行兩次帶通濾波和一次程控放大處理。

其中帶通濾波電路122的截止頻率將根據(jù)傳感器的頻率范圍靈活設置(比如100hz-12.8khz，或者200hz-25khz再或者其他范圍)，帶通濾波器通過高性能低噪聲的運放和電容、電阻來實現(xiàn)的，在本裝置中為了使其達到良好的濾波效果，采用多級低通加高通的組合方式濾波。

程控放大電路123是由數(shù)字電位器、運算放大器以及外圍電路來實現(xiàn)，通過地面測井軟件下發(fā)命令來控制增益的大小，同時也能通過地面測井軟件選擇對信號進行自動增益調(diào)整。具體實現(xiàn)過程是：在地面軟件界面中可以選擇噪聲測井儀的增益為自動方式還是手動方式，如果選擇自動方式，軟件將通過地面設備向井下發(fā)送代表自動方式的命令，井下噪聲測井儀收到并識別該命令后將啟動一次自動增益調(diào)節(jié)程序，自動增益調(diào)節(jié)的過程是井下信號處理電路中的控制器不斷地捕捉當前信號幅度并與基準值作比較，若大于基準值，則減小增益，即控制數(shù)字電位器使其阻值變小，若小于基準值，則增大增益，即控制數(shù)字電位器使其阻值變大，值得一提的是，基準值是某個范圍的一些值而不是某個單一值；如果選擇手動方式，軟件將通過地面設備直接向井下發(fā)送需要調(diào)節(jié)的增益值，井下噪聲測井儀收到調(diào)節(jié)值后控制數(shù)字電位器將增益調(diào)節(jié)到此值。

圖7是信號二次處理流程框圖。它將經(jīng)過預處理后的信號500分別進行兩路不同處理，一路是對預處理后的信號500通過A/D轉(zhuǎn)換電路131進行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號600經(jīng)過FFT頻譜變換電路133進行變換；另一路送到專用音頻壓縮電路132對信號進行MP3編碼，從而達到音頻數(shù)據(jù)壓縮的目的。頻譜變換后的頻譜信號700和音頻壓縮后的MP3比特流800分別以數(shù)據(jù)包的形式按一定的規(guī)則以緩存數(shù)據(jù)900暫時存儲在緩存單元140中。

對數(shù)字化后的噪聲信號進行FFT頻譜變換是在單片機控制器中進行的，在本實施例中采用512點的FFT，當然也可以采用256點，128點或者較多的1024點FFT，這與采樣頻率以及地面設備最終得到信號的頻率分辨率息息相關，對噪聲數(shù)據(jù)進行頻譜變換的目的是讓觀測者更清晰更直觀的了解井下環(huán)境的頻率分量和幅度，并且也更容易提取其中的一個或幾個頻率分量做進一步分析。選擇在井下對信號進行頻譜變換是為了減少數(shù)據(jù)量，減輕電纜信號傳輸壓力，由于FFT變換結(jié)果的對稱性，通常我們只使用前半部分的結(jié)果(即小于采樣頻率一半的結(jié)果)，那么變換后的有效數(shù)據(jù)就是變換前的一半，大大減少了數(shù)據(jù)量。

由于噪聲信號的頻譜數(shù)據(jù)是等間隔或者不等間隔抽取實時環(huán)境噪聲某一段，由于它的不連續(xù)性通過頻譜數(shù)據(jù)只能觀測某些持續(xù)存在的聲音，一些突發(fā)的聲音信號可能會被漏捕捉；當然，這種不連續(xù)的數(shù)據(jù)也不能夠形成可以播放的聲音；若想在井上能夠?qū)崟r聽到井下環(huán)境聲音，就必須將井下噪聲信號連續(xù)的傳送到井上，但是若按原始數(shù)據(jù)毫無丟失的傳輸，以當前電纜總線的傳輸速率根本不可能，因此，在本實用新型中，采用了音頻數(shù)字壓縮技術后，大大減少了數(shù)據(jù)量，讓通過有限的總線傳輸速率在地面實時聽到井下聲音成為可能。

數(shù)字音頻壓縮有很多種，比如MP3、AAC、WMA、Ogg Vorbis等等，考慮到使用的廣泛性，在本實施例中，采用MP3編碼的辦法來壓縮噪聲數(shù)據(jù)，其壓縮比高達12:1，當然，可以根據(jù)實際情況來調(diào)節(jié)壓縮比，即根據(jù)信號的頻率范圍和總線的傳輸速率來改變采樣頻率達到改變壓縮比的目的。

圖8是噪聲信息顯示框圖。測井軟件將井下傳輸上來的總線數(shù)據(jù)(噪聲信號)1000分別以頻譜圖1001、灰度圖1002以及曲線圖1003的形式在測井軟件界面上顯示出來，同時，將井內(nèi)噪聲通過MP3音頻播放器1004實時播放，并以MP3文件1005格式存儲起來。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施方式僅限于此，對于本實用新型所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本實用新型由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。