專利名稱：光纜傳輸信號(hào)的多頗率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法及井下儀器的制作方法
涉及領(lǐng)域本發(fā)明屬于一種地球物理測(cè)井技術(shù)，可用于檢查石油天然氣井、煤田探井及金屬礦探井的技術(shù)狀況，涉及用光纜傳輸井下采集的多種頻率聲學(xué)探頭接收到的檢測(cè)信號(hào)，以及在井下用多種頻率的聲學(xué)探頭組合檢查井或套管內(nèi)壁的表面狀況、套管厚度以及套管外的水泥環(huán)分布狀況的方法，具體地說(shuō)，是一種光纜傳輸信號(hào)的多頗率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法及井下儀器。
背景技術(shù)：
以石油天然氣井為例，在鉆進(jìn)工作完成后要下套管并要在套管和井壁的環(huán)形空間中用水泥將其封固。在試采石油、天然氣時(shí)，要將正對(duì)油氣層段的套管用特制的射孔彈將套管及套管外的水泥環(huán)射穿，以便油氣能流入井內(nèi)。在油氣生產(chǎn)過(guò)程中，由于在產(chǎn)油氣層段附近有油、氣、水流動(dòng)，使套管井附近的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，致使套管變形(橫截面從正圓變成橢圓)，套管內(nèi)壁還可能因采油過(guò)程中產(chǎn)生石蠟等膠質(zhì)沉淀，以及地層水和石油中含的有硫化氫等產(chǎn)生的腐蝕。因此，要對(duì)油氣井的技術(shù)狀況進(jìn)行檢查。通常，對(duì)油氣井技術(shù)狀況的檢查包括以下內(nèi)容1、套管外水泥環(huán)的空間分布，水泥環(huán)與套管和地層的膠結(jié)及對(duì)井壁滲透層段的封堵情況，即固井質(zhì)量檢查。
2、套管的變形情況、橢圓度、套管上射孔孔眼的位置、大小、數(shù)目，套管內(nèi)壁是否因受到腐蝕變薄，套管內(nèi)壁是否有積沉的石蠟、瀝青膠質(zhì)等。
3、對(duì)于未下套管的油氣井(俗稱“裸眼井”)及下了套管的井(俗稱“套管井”)，還需要聲波反射方法檢測(cè)，以獲得井壁(裸眼井)上的地層層面、孔洞、裂縫發(fā)育帶的直觀圖象或套管井井壁上射孔孔眼、套管擴(kuò)裂、積臘或?yàn)r青層段的直觀圖象。由于在井內(nèi)有泥漿，通常難以用可見光進(jìn)行井壁的直觀檢測(cè)，而是用聲波反射法檢測(cè)，稱之為井下聲波電視測(cè)井。
現(xiàn)有的檢測(cè)油氣井技術(shù)狀況的地球物理測(cè)井儀器及井下聲波電視測(cè)井儀器是1.套管井固井質(zhì)量檢查對(duì)于已下套管并實(shí)施過(guò)井下作業(yè)的套管井，主要要檢查固井質(zhì)量，即套管外水泥環(huán)與套管與地層的膠結(jié)狀況，即套管外水泥環(huán)的空間分布。以及套管壁上射孔孔眼的位置，是否有破損、積臘等，檢查套管井的水泥的封固，稱為固井質(zhì)量檢查，以前用過(guò)井溫測(cè)量及軸向轉(zhuǎn)換波模式的套管波(Lamb波或板波)幅度的測(cè)量。井溫測(cè)井由于對(duì)測(cè)井作業(yè)時(shí)間有特殊的要求早已淘汰外，聲幅測(cè)井由于不能識(shí)別水泥環(huán)與地層的膠結(jié)狀況，因此不能用于井下狀況復(fù)雜的疑難井的檢查，即不能檢查套管外水泥環(huán)的空間分布狀況?，F(xiàn)代檢查套管外水泥環(huán)空間分布的主要方法是用聲反射脈沖法，即根據(jù)在井內(nèi)(井軸附近)向井壁發(fā)射的聲波脈沖信號(hào)，觀測(cè)記錄套管內(nèi)壁、外壁、水泥環(huán)及附近聲學(xué)界面上反射信號(hào)，據(jù)此識(shí)別水泥環(huán)的空間分布。此類儀器國(guó)外有CET、SET，國(guó)內(nèi)有UCT、CBET等型號(hào)。其共同特點(diǎn)是在井下僅用特定頻率的一種聲學(xué)探頭。(與之有關(guān)的資料請(qǐng)參見附錄《聲波測(cè)井儀器發(fā)展評(píng)述》)，此種類型儀器的特點(diǎn)是只用一種頻率的寬頻帶聲學(xué)換能器，對(duì)套管內(nèi)壁、外壁、套管外水泥環(huán)及地層各聲學(xué)界面上的反射信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其依據(jù)是各聲學(xué)界面上的反射波信號(hào)在頻率、幅度、走時(shí)上有差異，從方法原理上是可行的，但因?qū)β晫W(xué)探頭的性能要求高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易，而且此類儀器目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍及作業(yè)次數(shù)有限。2.井下聲波電視測(cè)井井下聲波電視測(cè)井是既能在套管井中，又能在裸眼井中進(jìn)行井壁表面聲學(xué)成像的儀器，在井下用同一種頻率或兩種頻率(但不同時(shí)使用)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的儀器型號(hào)、性能均可見附錄(《聲波測(cè)井儀器發(fā)展評(píng)述》)。這類儀器的主要特點(diǎn)是只記錄井內(nèi)壁的反射回波，最后呈現(xiàn)井內(nèi)壁表面的二維圖象，一般不具備檢測(cè)套管外面介質(zhì)分布的功能，而且由于現(xiàn)用測(cè)井電纜數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，對(duì)套管外介質(zhì)分布的檢測(cè)效果有限。
綜上所述，目前檢測(cè)油氣井狀況的測(cè)井儀器與聲波電視測(cè)井儀器的功能一般并不兼容，因此為檢測(cè)套管井的技術(shù)狀況并獲取井內(nèi)壁表面的直觀聲系圖象要用兩種以上的儀器，而且這些儀器的聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)(聲系)在性能上不匹配，測(cè)量誤差各不相同，對(duì)準(zhǔn)確的檢測(cè)油氣井技術(shù)狀況及井內(nèi)壁表面圖象帶來(lái)困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使檢測(cè)油氣井狀況的測(cè)井儀器與聲波電視測(cè)井儀器的功能兼容，可準(zhǔn)確的檢測(cè)油氣井技術(shù)狀況及井內(nèi)壁表面圖象的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法及下井儀器。
本發(fā)明的主要思路及儀器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的在套管井內(nèi)，對(duì)井內(nèi)壁表面的聲波成像、套管厚度檢測(cè)及套管外水泥環(huán)分布的檢測(cè)在一次測(cè)井過(guò)程中完成。在裸眼井中，除可檢測(cè)井壁表面的聲學(xué)圖象以外，還可檢測(cè)井壁附近幾厘米至幾十厘米內(nèi)是否有裂縫、空洞、泥質(zhì)條帶、巖脈等。為此，在井下設(shè)置三套聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)，即1)井下聲波電視測(cè)井系統(tǒng)，由一個(gè)頻率為1MHz的高靈敏度聲學(xué)探頭組成聲系。可在套管井及裸眼井中獲得井壁直觀聲學(xué)圖象。
2)用頻率為1.5MHz的高靈敏度、較大帶寬的聲學(xué)探頭檢測(cè)套管井中套管壁的厚度變化。
3)用頻率為300kHz和500kHz的兩種聲學(xué)探頭檢測(cè)套管外水泥環(huán)的空間分布并查明各種聲學(xué)界面(裂縫、空洞等)。為提高檢測(cè)效果，對(duì)現(xiàn)有的方法做了兩點(diǎn)改進(jìn)，即4)普遍提高聲系的采樣密度，使在井下采集的信號(hào)的總量比現(xiàn)有儀器采集的信息量大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
5)在檢測(cè)套管外水泥環(huán)空間分布的探測(cè)聲系中用兩種以上頻率的聲學(xué)探頭，有別于現(xiàn)有的僅用一種頻率的探測(cè)聲系。即通過(guò)用兩種頻率聲學(xué)探頭的探測(cè)結(jié)果的比較來(lái)查明套管外水泥環(huán)的空間分布。這是本項(xiàng)發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的用單一頻率探頭檢測(cè)套管外水泥環(huán)空間分布的聲系，對(duì)聲學(xué)探頭的要求苛刻，以致很難實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明選定了300kHz和500kHz的兩種頻率的聲學(xué)探頭檢測(cè)套管井套管外水泥環(huán)的空間分布，是以發(fā)明者大量的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在理論上是正確的，在方法上是可行的，而且容易實(shí)現(xiàn)。此外，用于井下聲波電視測(cè)井的頻率為1MHz的聲學(xué)探頭可采集的后續(xù)信號(hào)也可以作為識(shí)別套管外水泥空間分布的輔助參考。
本發(fā)明的下井儀器包括聲學(xué)探頭1、圓柱體2、電機(jī)3、滑環(huán)4、發(fā)射電路5、接收電路6、電路短節(jié)7、連接頭8、光線電纜9、保溫瓶10、扶正器11、12、聲波傳導(dǎo)筒13、電機(jī)保護(hù)筒14、壓力平衡器15，聲波傳導(dǎo)筒13內(nèi)有圓柱體2，聲學(xué)探頭1裝在同一圓柱體2上，電機(jī)保護(hù)筒14內(nèi)有電機(jī)3，在電機(jī)3軸上裝有滑環(huán)4，儀器內(nèi)分別設(shè)有發(fā)射電路5、接收電路6、電路短節(jié)7，連接頭8和光纖電纜9連通，儀器外層有保溫瓶10，聲學(xué)探頭1的外部有井下扶正器11、12，在聲波傳導(dǎo)筒13和電機(jī)保護(hù)筒14中注有硅油，儀器的端部設(shè)有壓力平衡器15。
本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案聲學(xué)探頭1可以是一個(gè)以上。
由于在井下采用了能完成三種功能(井下聲波電視測(cè)井、套管壁厚檢測(cè)和套管外水泥環(huán)檢測(cè))的四種不同頻率的(1.0MHz、1.5MHz、300kHz、500kHz)聲系，而且提高了信號(hào)采集密度，使采集到的信號(hào)大幅度增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)用的測(cè)井電纜的傳輸速率(500bit/s)，為此按可采用光傳輸井下采集到的信息。
將井下采集的信息用光纜傳輸?shù)降孛媸潜景l(fā)明的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外地球物理測(cè)井儀器中還沒(méi)有先例。


圖1為本發(fā)明的端部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中部的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明另一端部的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施除了井下電源以外，井下儀器分為井下聲波電視測(cè)井、套管厚度檢測(cè)和套管外水泥環(huán)空間分布檢測(cè)等三個(gè)子系統(tǒng)。各部分的探測(cè)部件是聲學(xué)探頭。以下對(duì)各系統(tǒng)的聲學(xué)探頭系及工作條件予以說(shuō)明。1、井下聲波電視測(cè)井子系統(tǒng)聲學(xué)探頭的頻率為1.0MHz，采用高靈敏度鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料。探頭繞儀器軸每秒旋轉(zhuǎn)5圈，每旋轉(zhuǎn)一圈向井壁發(fā)射1024次聲脈沖并接收相應(yīng)回波。由于采集量(每旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)射并采集反射聲脈沖次數(shù))比現(xiàn)有的性能最好的儀器多一倍(每旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)射并采集512次聲脈沖)，因此，圖象質(zhì)量將有改善，在裸眼井及套管井中均可工作。2、套管厚度檢測(cè)子系統(tǒng)聲學(xué)探頭頻率1.5MHz，采用高靈敏度鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料。探頭繞儀器軸每秒旋轉(zhuǎn)5圈，每旋轉(zhuǎn)一圈向井壁發(fā)射512次聲脈沖并接收相應(yīng)回波。除可檢測(cè)套管厚度外，還可檢測(cè)套管的橢圓度及變形。此子系統(tǒng)僅在套管井中工作。3、套管外水泥環(huán)空間分布檢測(cè)系統(tǒng)聲系由300kHz和500kHz的兩種頻率的探頭組成。用窄頻帶鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷材料。換能器繞儀器軸每秒旋轉(zhuǎn)5圈，每旋轉(zhuǎn)一圈向井壁發(fā)射256次聲脈沖并接收相應(yīng)回波。在套管井中可檢測(cè)套管外水泥環(huán)分布，在裸眼井中可采用某一種頻率的聲學(xué)探頭檢測(cè)井壁介質(zhì)中的孔洞、裂縫、巖脈等聲學(xué)界面。
為適應(yīng)三種功能組合的、有四種頻率的聲學(xué)探頭采集到的大量信號(hào)的傳輸，采用光纜傳輸井下采集到的聲學(xué)信號(hào)。所用的光纜是為地球物理測(cè)井專用。
如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明在井下是這樣實(shí)現(xiàn)的井下多個(gè)不同頻率的聲學(xué)探頭(1)，裝在同一圓柱體(2)上，由電機(jī)(3)驅(qū)動(dòng)其同步旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)軸上裝有滑環(huán)(4)，用以將發(fā)射電路(5)按每旋轉(zhuǎn)一周不同的采樣密度通過(guò)多個(gè)聲學(xué)探頭(1)向井壁發(fā)射聲脈沖。各個(gè)聲學(xué)探頭(1)將各自接收到的反射波(不同頻率)信號(hào)傳至接收電路(6)處理，處理后的信號(hào)傳至電/光信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸電路短節(jié)(7)。經(jīng)轉(zhuǎn)換后的光信號(hào)經(jīng)耐溫耐壓光纖電纜一體井下儀連接頭(8)和光纖電纜(9)傳到地面計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)。為保證電/光傳輸電路能在150℃的環(huán)境中工作，將其封裝在金屬保溫瓶(10)內(nèi)，為使聲學(xué)探頭在井內(nèi)測(cè)量時(shí)保持居中，加裝了井下扶正器(11)(12)。為保護(hù)聲學(xué)探頭，在聲波傳導(dǎo)筒(13)和電機(jī)保護(hù)筒(14)中注有硅油，并通過(guò)壓力平衡器(15)與井內(nèi)液柱壓力保持平衡。井下電路說(shuō)明發(fā)射電路5發(fā)射電路由4個(gè)獨(dú)立發(fā)射單元電路組成，分別對(duì)聲系的4個(gè)換能器進(jìn)行脈沖激發(fā)，使換能器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波。其中，兩個(gè)探頭162μs發(fā)射一次，每次4μs。另外兩個(gè)探頭325μs發(fā)射一次，每次4μs。接收電路6接收電路與發(fā)射電路相對(duì)應(yīng)，也是由4個(gè)獨(dú)立的接收單元電路組成，分別接收聲系4個(gè)換能器接收到的相對(duì)應(yīng)頻率的信號(hào)，接收電路在發(fā)射電路發(fā)射開始后20μs開始工作，兩個(gè)150μs截止，兩個(gè)300μs截止，等待下一次發(fā)射，如此反復(fù)循環(huán)?？刂齐娐仿曄?個(gè)換能器由井下單片機(jī)控制，其發(fā)射電壓，工作狀態(tài)可以進(jìn)行多種組合，由控制地面指令進(jìn)行工作。傳輸電路井下4個(gè)換能器接收到的信號(hào)，經(jīng)濾波放大處理后，由井下光端機(jī)進(jìn)行光調(diào)制后經(jīng)光纜傳輸?shù)降孛婀舛藱C(jī)，經(jīng)信號(hào)還原處理后進(jìn)行記錄，存到計(jì)算機(jī)硬盤或磁帶上，經(jīng)二次處理后，向用戶提供成果圖。
以上電路都是目前井下聲波測(cè)井中成熟、通用的技術(shù)，本發(fā)明所涉及的儀器均為市場(chǎng)上通用產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法，其特征在于井下儀器采用的聲學(xué)系統(tǒng)有井下聲波電視測(cè)井、套管厚度檢測(cè)和套管外水泥環(huán)空間分布檢測(cè)三種功能，每種功能由一或兩種頻率的聲學(xué)探頭完成，所用的儀器中聲學(xué)探頭的頻率為300kHz、500kHz、1.0MHz、15MHz四種。本發(fā)明要求在0.1-1.5MHz頻段上，任意選擇的兩種頻率以上不含兩種的探頭組合形成的聲學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)在井下設(shè)置三套聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法，其特征在于井下聲波電視測(cè)井系統(tǒng)，由一個(gè)頻率為1MHz的聲學(xué)探頭組成聲系，在套管井及裸眼井中獲得井壁直觀聲學(xué)圖象。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法，其特征在于用頻率為1.5MHz的聲學(xué)探頭檢測(cè)套管井中套管壁的厚度變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法，其特征在于用頻率為300kHz和500kHz的兩種聲學(xué)探頭檢測(cè)套管外水泥環(huán)的空間分布，通過(guò)用兩種頻率聲學(xué)探頭的探測(cè)結(jié)果的比較來(lái)查明套管外水泥環(huán)的空間分布，并查明各種聲學(xué)界面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法，其特征在于用于井下聲波電視測(cè)井的頻率為1MHz的聲學(xué)探頭可采集的后續(xù)信號(hào)也可以作為識(shí)別套管外水泥空間分布的輔助參考。
6.光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)的下井儀器，包括聲學(xué)探頭(1)、圓柱體(2)、電機(jī)(3)、滑環(huán)(4)、發(fā)射電路(5)、接收電路(6)、電路短節(jié)(7)、連接頭(8)、光線電纜(9)、保溫瓶(10)、扶正器(11)、(12)、聲波傳導(dǎo)筒(13)、電機(jī)保護(hù)筒(14)、壓力平衡器(15)，其特征在于聲波傳導(dǎo)筒(13)內(nèi)有圓柱體(2)，聲學(xué)探頭(1)裝在同一圓柱體(2)上，電機(jī)保護(hù)筒(14)內(nèi)有電機(jī)(3)，在電機(jī)(3)的軸上裝有滑環(huán)(4)，儀器內(nèi)分別設(shè)有發(fā)射電路(5)、接收電路(6)、電路短節(jié)(7)，連接頭(8)和光纖電纜(9)連通，儀器外層有保溫瓶(10)，聲學(xué)探頭(1)的外部有井下扶正器(11)、(12)，儀器的端部設(shè)有壓力平衡器(15)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)的下井儀器，其特征在于聲學(xué)探頭(1)可以是一個(gè)以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纜傳輸信號(hào)的多頻率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)的下井儀器，其特征在于在聲波傳導(dǎo)筒(13)和電機(jī)保護(hù)筒(14)中注有硅油。
全文摘要
光纜傳輸信號(hào)的多頗率聲學(xué)探頭組合檢測(cè)方法及井下儀器，井下儀器采用的聲學(xué)系統(tǒng)有井下聲波電視測(cè)井、套管厚度檢測(cè)和套管外水泥環(huán)空間分布檢測(cè)三種功能，每種功能由一或兩種頻率的聲學(xué)探頭完成，所用的儀器中聲學(xué)探頭的頻率為300kHz、500kHz、1.0MHz、1.5MHz四種，儀器包括聲學(xué)探頭1、光線電纜9等，聲學(xué)探頭1裝在同一圓柱體2上，儀器內(nèi)分別設(shè)有發(fā)射電路5、接收電路6、電路短節(jié)7，提高了信號(hào)采集密度，使采集到的信號(hào)大幅度增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)用的測(cè)井電纜的傳輸速率(500bit/s)，為此按可采用光傳輸井下采集到的信息。
文檔編號(hào)E21B49/00GK1470739SQ0212564
公開日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者徐凌堂, 楚澤涵, 劉菲菲 申請(qǐng)人:盤錦縱橫聲光電子技術(shù)有限責(zé)任公司, 石油大學(xué)(北京)