專利名稱：一種隨鉆聲波測井裝置和發(fā)射換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種隨鉆聲波測井裝置和發(fā)射換能器，尤其涉及一種隨鉆聲波測井換能器組合。
背景技術(shù)：
近年來，隨著全球工業(yè)對石油需求量的逐年增加，石油勘探中大斜度井和水平井鉆井十分活躍，隨鉆測井技術(shù)迅速發(fā)展，幾乎所有的裸眼井電纜測井項(xiàng)目都可用隨鉆測井的方式進(jìn)行。隨鉆聲波測井技術(shù)是隨鉆測井技術(shù)的重要方法之一，具有邊鉆邊測的特點(diǎn)。該技術(shù)是利用安裝在鉆鋌上的發(fā)射聲波換能器在井下鉆井施工作業(yè)過程中產(chǎn)生聲波，通過泥漿在地層中傳播，經(jīng)過一定時間的衰減后，被安裝在鉆鋌上的接收聲波換能器接收，再通過對衰減的聲波信號進(jìn)行分析，來判斷地層信息?，F(xiàn)在通常采用的隨鉆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(diǎn)一是偶極子作為聲源，其接收信號中有嚴(yán)重的鉆鋌波干擾，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(zhǔn)確求取在石油工業(yè)地層評價工作中意義非常重大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的在于提供一種隨鉆聲波測井換能器組合，利用鉆井過程中的隨鉆聲波測井施工中得到的聲波全波列，求取地層參數(shù)等信息。為實(shí)現(xiàn)此目的，一方面本實(shí)用新型提供一種隨鉆聲波測井裝置，該裝置包括鉆鋌和設(shè)置在鉆鋌上的發(fā)射換能器；發(fā)射換能器包括設(shè)置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位于中間的金屬夾板、分別位于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(shù)為偶數(shù)，壓電陶瓷片極化方向?yàn)楹穸确较颍蚁噜弶弘娞沾善臉O化方向相反；發(fā)射換能器的長度方向和鉆鋌的長度方向垂直。發(fā)射換能器的外層包裹玻璃纖維和環(huán)氧樹脂或者硅橡膠的絕緣層。發(fā)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(jié)而成。發(fā)射換能器為2個，2個發(fā)射換能器相互垂直放置。設(shè)置在鉆鋌上不同于發(fā)射換能器位置的接收換能器，接收來自發(fā)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制成的圓管。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(shè)有聲窗。接收換能器由接收換能器陣列代替。另一方面本實(shí)用新型還提供了一種發(fā)射換能器，包括設(shè)置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位于中間的金屬夾板、分別位于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(shù)為偶數(shù)，壓電陶瓷片極化方向?yàn)楹穸确较?，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發(fā)射換能器的長度方向和鉆鋌的長度方向垂直。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于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(地層的橫波速度小于井內(nèi)流體的聲速)，利用本實(shí)用新型四極子的方式可以測量地層的橫波速度，進(jìn)行地應(yīng)力分析，使得換能器的整體功能得到擴(kuò)展。

本發(fā)明的示例性實(shí)施例將從下文中給出的詳細(xì)說明和本發(fā)明不同實(shí)施例的附圖中被更完全地理解，然而這不應(yīng)該被視為將本發(fā)明限制于具體的實(shí)施例，而應(yīng)該只是為了解釋和理解。圖1為隨鉆聲波測井裝置示意圖。圖2為隔聲體結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a為發(fā)射換能器結(jié)構(gòu)示意圖。圖北為發(fā)射換能器安裝示意圖1。圖3c為發(fā)射換能器安裝示意圖2。圖如為圓管狀接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖1。圖4b為圓管狀接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖2。圖fe為多層疊片式接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖1。圖恥為多層疊片式接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖2。圖5c為多層疊片式接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖3。
具體實(shí)施方式
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將意識到，所述示例性實(shí)施例的下述詳細(xì)說明僅僅是說明性的，并且不是意在以任何方式加以限制。其他實(shí)施例將容易地呈現(xiàn)給受益于本公開的這類技術(shù)人員。現(xiàn)在，將詳細(xì)地參考如若干附圖中所示的示例性實(shí)施例的實(shí)施。遍及附圖并且在后面的詳細(xì)說明中將使用相同的附圖標(biāo)記來指出相同或類似的部分。圖1為隨鉆聲波測井裝置的示意圖。如圖1所示，一種隨鉆聲波測井裝置，包括鉆鋌1，鉆鋌頂端接頭2位于最頂端，泥漿通道3位于鉆鋌中心，上穩(wěn)定器5上部為采集與控制電路4，上穩(wěn)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(wěn)定器9上部為發(fā)射換能器8，下穩(wěn)定器9下部為發(fā)射電路和電源電路10，鉆鋌底端接頭11 位于最底端。整個測量裝置位于井眼12中部，井眼12中充滿泥漿13，井眼12外側(cè)是地層 14。由發(fā)射換能器產(chǎn)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(zhì)影響，經(jīng)過一定距離的傳播后，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(zhì)之間的關(guān)系，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(jìn)而可以得到地層的孔隙度等參數(shù)， 并可以進(jìn)行地應(yīng)力分析，還可以結(jié)合巖石密度參數(shù)得到巖石的楊氏模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)。在一個例子中，隔聲體7大約設(shè)置在整個鉆鋌1的中下部，整個鉆鋌1為一體結(jié)構(gòu)，隔聲體7通常設(shè)置在發(fā)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(fā)射換能器8通過鉆鋌1直接傳播到接收換能器6，為保證鉆鋌1在鉆井過程中的安全施工，隔聲體7還必須具備一定的強(qiáng)度，在強(qiáng)烈的軸向、徑向和周向等力的作用下不會發(fā)生大的變形和折斷。如圖2所示，隔聲體7是在鉆鋌上刻有導(dǎo)聲槽15，導(dǎo)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(dá)到減弱直達(dá)波的目的。在一個實(shí)施例中，所述發(fā)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?yàn)樗哂写怪逼漭S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，陣元數(shù)量越多，指向性越強(qiáng)。本實(shí)施例中，兩個發(fā)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(shí)用新型所述的聲波換能器主要是通過控制電路系統(tǒng)控制發(fā)射換能器8、接收換能器6和采集與控制電路4來完成地層聲速等信息測量的。控制系統(tǒng)設(shè)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?jīng)Q定了使用發(fā)射換能器8和接收換能器6的種類、數(shù)目以及數(shù)據(jù)采樣率等參數(shù)。在實(shí)際測量時，每個模式可以獨(dú)立進(jìn)行，模式的選擇視實(shí)際測量條件和測量要求而定。在一個實(shí)施例中，采用單極子工作模式，一個發(fā)射換能器8產(chǎn)生聲波，接收換能器 6接收聲波。在一個實(shí)施例中，采用四極子工作模式，二個發(fā)射換能器8產(chǎn)生聲波，接收換能器 6接收聲波。本實(shí)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(shù)，既可以相互參考驗(yàn)證，也可以單獨(dú)處理，大大提高了裝置的可信度和應(yīng)用范圍。利用縱波、橫波速度可以計算地層的彈性模量、泊松比，預(yù)測地層破裂壓力，利用縱波、橫波速度比還可以用于判斷氣層。在一個例子中，各接收換能器的周邊設(shè)有聲窗，聲窗位于各換能器的鉆鋌上，由于其聲阻抗與鉆鋌內(nèi)的硅油和鉆鋌外的泥漿聲阻抗相匹配，因而有利于在地層中的回波不衰減或者較少衰減地被接收。在一個實(shí)施例中，本實(shí)用新型所述發(fā)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(gòu)成圓柱體，外層包裹玻璃纖維和環(huán)氧樹脂或者硅橡膠 21保護(hù)層，如圖3a所示。圖北和圖3c分別是發(fā)射換能器安裝示意圖，所述發(fā)射換能器8 為發(fā)射型壓電陶瓷片18、金屬夾板20和端頭金屬12黏結(jié)而成，耐高溫發(fā)射型壓電陶瓷片 18直徑為20mm-60mm，其厚度為3mm-100mm，其數(shù)量為2-80 (偶數(shù))片，極化方向?yàn)楹穸确较?，黏結(jié)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(shù)量共為4-82 (偶數(shù))片，高溫導(dǎo)電膠涂抹在銅箔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(fù)極連接。在一個例子中，所述的接收換能器6結(jié)構(gòu)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制作的圓管22串聯(lián)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(lián)后的正極信號引線M和負(fù)極信號引線25都是高溫導(dǎo)線，這些部件組合為一體，裝配到鉆鋌1上。 接收換能器的聲窗26外徑尺寸與鉆鋌1相同，壁厚0. 5mm-5. Omm，長度40mm_ 140mm，其內(nèi)腔
5充滿油27，或內(nèi)腔充滿氟橡膠、硅橡膠等其它合適絕緣物質(zhì)。接收換能器6也可以采用另一種結(jié)構(gòu)方式，見圖5^圖恥和圖5c。這種結(jié)構(gòu)的接收換能器6由基片觀和壓電陶瓷片四黏結(jié)而成?；^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(jié)膠為高溫導(dǎo)電膠。用黏結(jié)膠將壓電陶瓷片四正極黏結(jié)在中間基片觀上，然后再將壓電陶瓷片四負(fù)極與兩側(cè)的基片用黏結(jié)膠黏結(jié)在一起，并將各部件加固在鉆鋌1上。接收換能器6的聲窗30外徑尺寸與鉆鋌1 相同，壁厚0. 5mm-5. 0mm，長度40mm-140mm，其內(nèi)腔充滿油31，或內(nèi)腔充滿氟橡膠、硅橡膠等其它合適絕緣物質(zhì)。由于本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，將發(fā)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(fā)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(zhì)結(jié)構(gòu)的反射、折射和吸收等多種不同的物理過程，經(jīng)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(shí)用新型可以有許多變化，這種變化不能認(rèn)為偏離本實(shí)用新型的精神和范圍。因此，所有對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的改變，都包括在本權(quán)利要求書的涵蓋范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種隨鉆聲波測井裝置，包括鉆鋌和設(shè)置在鉆鋌上的發(fā)射換能器；發(fā)射換能器包括設(shè)置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位于中間的金屬夾板、分別位于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(shù)為偶數(shù)，壓電陶瓷片極化方向?yàn)楹穸确较?，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發(fā)射換能器的長度方向和鉆鋌的長度方向垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于發(fā)射換能器的外層包裹玻璃纖維和環(huán)氧樹脂或者硅橡膠的絕緣層。
3.如權(quán)利要求1所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于發(fā)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(jié)而成。
4.如權(quán)利要求1所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于發(fā)射換能器為2個，2個發(fā)射換能器相互垂直放置。
5.如權(quán)利要求1所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于包括設(shè)置在鉆鋌上不同于發(fā)射換能器位置的接收換能器，接收來自發(fā)射換能器的信號。
6.如權(quán)利要求5所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于接收換能器包括接收型高溫壓電陶瓷材料制成的圓管。
7.如權(quán)利要求5所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于接收換能器由基片和壓電陶瓷片黏合而成。
8.如權(quán)利要求5所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于接收換能器的周邊設(shè)有聲窗。
9.如權(quán)利要求5所述的隨鉆聲波測井裝置，其特征在于接收換能器由接收換能器陣列代替。
10.一種發(fā)射換能器，包括設(shè)置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位于中間的金屬夾板、分別位于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(shù)為偶數(shù)，壓電陶瓷片極化方向?yàn)楹穸确较?，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發(fā)射換能器的長度方向和鉆鋌的長度方向垂直。
專利摘要一種隨鉆聲波測井裝置和發(fā)射換能器，包括鉆鋌和設(shè)置在鉆鋌上的發(fā)射換能器；發(fā)射換能器包括設(shè)置在兩端的第一和第二端頭金屬塊、位于中間的金屬夾板、分別位于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(shù)為偶數(shù)，壓電陶瓷片極化方向?yàn)楹穸确较?，且相鄰壓電陶瓷片的極化方向相反；發(fā)射換能器的長度方向和鉆鋌的長度方向垂直。本實(shí)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(地層的橫波速度小于井內(nèi)流體的聲速)，利用本實(shí)用新型四極子的方式可以測量地層的橫波速度，進(jìn)行地應(yīng)力分析，使得換能器的整體功能得到擴(kuò)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(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)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(xué)院聲學(xué)研究所