一種偶極子聲波測井儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種勘探技術(shù)設備，特別是石油勘探方面的測井設備。包括發(fā)射電路、發(fā)射換能器、接收換能器、隔聲體、聲波信號采集電路及聲波信號處理電路，所述發(fā)射電路激發(fā)發(fā)射換能器發(fā)射聲波；所述接收換能器接收到沿井壁傳播的聲波；聲波信號采集電路采集上述聲波后傳輸至聲波信號處理電路進行分析；所述隔聲體由隔聲體連接塊及隔聲體連接本體組成；所述發(fā)射換能器為正交偶極子矢量換能器，由兩個指向性相互垂直的兩組矢量換能器組成兩個測量通道，一個為Ｘ向通道，一個為Ｙ向通道，兩個測量通道在周向上互相垂直。本實用新型的有益效果在于：1、氣層識別：縱波在氣層段時差變大，但是橫波的時差卻變化極小，因而根據(jù)縱橫波速比VP/VS可以探測氣層。
【專利說明】一種偶極子聲波測井儀
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種勘探技術(shù)設備，特別是石油勘探方面的測井設備。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的聲波儀器主要利用聲波沿井壁的傳播特性來測量地層的孔隙度，但實際上回波中含有豐富的地層信息并沒有被利用?？v波、橫波、斯通利波的到時和幅度等信息，無不與地層巖性、孔隙、滲透性息息相關(guān)。此外，通過聲波還可以獲取地層應力方向等一些地層機械特性參數(shù)，可用于指導鉆井。目前發(fā)展起來的偶極子和多極子聲波測井具有一次下井獲取的地層信息豐富，具備多種測量方式的特點，而且很好地解決了軟地層中聲波的測量等問題，成長為新一代聲波側(cè)井儀。目前國外已經(jīng)推出了成功的儀器，國內(nèi)花高價進口了少量該型儀器，但是由于儀器價高，測井成本高，儀器測井應用難以推廣。在國內(nèi)雖已進行多年研究與開發(fā)，但還未推出成熟的該類儀器。因此，開發(fā)成功該儀器不僅能打破國外對該類儀器的壟斷，降低該型儀器的進口成本，還能滿足國內(nèi)日益增長的該類儀器需求。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的在于:
[0004]1、采用單極全向發(fā)射換能器與正交矢量偶極聲源換能器向地層發(fā)射低頻聲波，激發(fā)低頻井孔撓曲波(彎曲波模)。
[0005]2、通過8X4正交分布的偶極聲波接收器測量回波，求得縱波與橫波波速。
[0006]3、多種發(fā)射頻率選擇以適應不同地層，多通道全波列采樣、實時DSP數(shù)字處理提取波形信息。
[0007]4、采用隔聲體置于發(fā)射換能器與接收換能器之間，用于隔離沿儀器外殼傳播的直達波，避開系統(tǒng)噪聲對測量的影響。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案如下:
[0009]一種偶極子聲波測井儀，包括發(fā)射電路、發(fā)射換能器、接收換能器、隔聲體、聲波信號采集電路及聲波信號處理電路，所述發(fā)射電路激發(fā)發(fā)射換能器發(fā)射聲波；所述接收換能器接收到沿井壁傳播的聲波；聲波信號采集電路采集上述聲波后傳輸至聲波信號處理電路進行分析；所述隔聲體由隔聲體連接塊及隔聲體連接本體組成；其特征在于:
[0010]所述發(fā)射換能器為正交偶極子矢量換能器，由兩個指向性相互垂直的兩組矢量換能器組成兩個測量通道，一個為X向通道，一個為Y向通道，兩個測量通道在周向上互相垂直。
[0011]進一步的，所述正交偶極子矢量換能器采用線性功率放大驅(qū)動換能器進行受迫振動。
[0012]進一步的，所述接收換能器采用8換能器接收陣列，由8個接收環(huán)組成，每個接收環(huán)由4個在周向上成90°分布的三疊片偶極接收換能器組成，相鄰兩個接收環(huán)之間的間距為6英寸。[0013]進一步的，所述聲波信號采集電路具有32個獨立的接收采集通道，所述采集電路對每片接收換能器信號均進行數(shù)字采集；在偶極發(fā)射時，采集電路將32道接收波形數(shù)字化后上傳至聲波信號處理電路。
[0014]進一步的，所述聲波信號處理電路包括X向信號處理模塊和Y信號處理模塊組成；所述X向信號處理模塊由一個信號相減電路將相同接收環(huán)上兩個X接收信號進行相減得到該環(huán)X方向的接收波形；所述Y向信號處理模塊由一個信號相減電路將相同接收環(huán)上兩個Y接收信號進行相減得到該環(huán)Y方向的接收波形。
[0015]進一步的，所述測井儀還包括一單極聲源，采用圓環(huán)壓電陶瓷發(fā)射換能器；所述單極聲源與正交偶極子矢量換能器聲源共用8換能器接收陣列。
[0016]進一步的，所述測井儀單極源距:8英尺；偶極源距:9英尺。
[0017]進一步的，所述測井儀的單極發(fā)射源的工作主頻為8kHz，偶極發(fā)射源工作頻率包括 1.2kHz、1.5kHz 及 2.2kHz 三種頻率。
[0018]進一步的，所述測井儀采集的基本周期為ls，在一個采集周期內(nèi)儀器進行單極采集、偶極X采集與偶極Y采集各一次，儀器采集次序為單極一偶極X —偶極Y，相鄰兩個采集次序為100ms。
[0019]進一步的，所述信號處理電路還包括:提供實時曲線:單極縱波慢度，偶極X橫波慢度與偶極Y橫波慢度，及三條曲線的質(zhì)量監(jiān)控圖；
[0020]以及精細后處理曲線:單極縱波、橫波、斯通利波波速；泊松比及地層地應力的各向異性。
[0021]本實用新型的有益效果在于:
[0022]1、氣層識別:縱波在氣層段時差變大，但是橫波的時差卻變化極小，因而根據(jù)縱橫波速比VP/VS可以探測氣層；
[0023]2、天然裂縫的探測與評價；
[0024]3、指示滲透層；
[0025]4、判斷地層的各向異性:正交偶極子發(fā)射器向地層沿兩垂直方向發(fā)射壓力脈沖，偶極接收換能器接收此方式下地層中傳播的橫波波形。若地層均質(zhì)，則X — X和Y — Y波形同時到達接收器，即具有相同的傳播時間和傳播相位，有Ats(x_x) = Ats(Y_Y)。否則，應有一定的時間與相位差，因而可以判定地層的各向異性。此外，橫波資料還可用來計算一個區(qū)塊的最大主應力方向及裂縫走向，這對于打水平井的水平走向選擇有很大參考作用。在井軸方向與最大主應力方向平行時，井眼垮塌最?。?br> [0026]5、巖石機械特性:巖石強度、地應力、巖石的斷裂機理是巖石機械特性方面的三個很重要的概念。利用這三個概念可以解釋和預測地層什么時間、什么地方、為什么及怎樣發(fā)生破裂。因而在出砂分析，水力壓裂完井時水裂縫高度的確定，選用合適的泥漿壓力以保證井眼穩(wěn)定等都要知道上述幾方面的參數(shù)數(shù)據(jù)。通過正交偶極子聲波測井資料及體積密度可計算出地層條件下的巖石模量Kb、體積壓縮系數(shù)Cb、巖石骨架壓縮系數(shù)Cr和Biot彈性參數(shù)α。通過這些彈性模量可以很容易地確定巖石的強度、地應力等參數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖la、b、c分別為單極子、偶極子和四極子聲源產(chǎn)生壓力波的方向圖。[0028]圖2a為常規(guī)聲波測井儀產(chǎn)生的波模，圖2b為非對稱聲源產(chǎn)生的彎曲波模。
[0029]圖3為正交偶極子換能器構(gòu)成及接線示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細的闡述。
[0031]偶極子聲波測井測量地層橫波波速的理論基礎是在井孔聲場中撓曲波在頻率足夠低時(井孔中頻率大約為Ik?4kHz)具有波速與地層橫波速度相近的特性。因此，偶極子聲波測井采用偶極聲源來激發(fā)低頻井孔撓曲波(彎曲波模)，通過測量撓曲波的波速得到橫波波速。
[0032]偶極子聲波測井采用偶極子發(fā)射換能器激勵出井場中的彎曲波模。圖1為單極子、偶極子和四極子聲源產(chǎn)生壓力波的方向。圖2中a為常規(guī)聲波測井儀產(chǎn)生的波模，b為非對稱聲源產(chǎn)生的彎曲波模。
[0033]偶極子聲波測井與常規(guī)聲波測井的最大不同點在于激發(fā)聲源的不同，偶極子聲波聲源采用的是矢量換能器，常規(guī)聲波采用的是全向換能器。由于矢量換能器具有一定的指向性，激發(fā)出的聲源存在一定的盲區(qū)，因此在一些新一代的偶極子儀器中推出了交叉偶極子或多極子。正交偶極子與多極子的聲源采用兩個指向性相互垂直的兩組矢量換能器組成，接收換能器也采用相同結(jié)構(gòu)，因此，這種構(gòu)成在測量上形成了兩個測量通道，一個為X向通道，一個為Y向通道。兩個測量通道在周向上互相垂直。發(fā)射與接收換能器在結(jié)構(gòu)上呈口字形(見圖3)。通過這種換能器組合，不僅使得測量盲區(qū)大大減小，同時，也使儀器在周向上也具有了一定的分辨能力，使儀器具備了地層各向異性的檢測功能。
[0034]Z0SC-1B正交偶極子聲波測井器的偶極子聲源采用了線性功率放大驅(qū)動換能器進行受迫振動，取代了常規(guī)的脈沖放電激勵源，該方式降低了儀器的工作頻率，從而降低了聲波在井內(nèi)的傳播衰減，同時也使得在橫波測井中減少了后期數(shù)據(jù)處理。其發(fā)射頻率的頻譜比較單純，有利于抑制轉(zhuǎn)換縱波的產(chǎn)生，從而提高測量精度。其次，該激勵方式的激勵頻率可調(diào)范圍大，在不同地層及不同井徑井眼中的適應性更強。
[0035]在單極與偶極聲波信號的采集上，參照國外其他類型的偶極聲波儀器采用的8換能器接收陣列，Z0SC-1B正交偶極子聲波測井儀也采用了 8接收換能器的接收陣列，這能夠減少測量誤差，同時，為簡化電路設計，接收陣列采用了單極與偶極共用口字型接收換能器的方案。采用了井下高速數(shù)據(jù)采集方式減少了環(huán)境噪聲對聲波信號的傳輸過程的干擾。
[0036]偶極子聲波信號在采集并上傳到地面以后需要進行眾多處理才能得到地層橫波波速。這些處理包括換能器的匹配誤差處理，井眼校正，地層快、慢橫波處理。多炮點井眼垮塌校正、精細STC相關(guān)處理，斯通利波滲透率反演處理。
[0037]在儀器的總體布局上，整個儀器采用下發(fā)上收方式工作。儀器總共由5段組成，由上至下分別為:主電子線路、接收聲系、隔聲體、發(fā)射聲系與發(fā)射電子線路。
[0038]項目主要關(guān)鍵技術(shù)主要包括偶極發(fā)射與接收換能器的設計；高溫、高電壓、大電流發(fā)射電路的設計；高溫、高速、多通道聲波信號采集電路的設計；高溫、高速率接口電路的設計；高溫高壓復雜機械結(jié)構(gòu)設計；復雜聲場情況下信號處理以及儀器聲系與換能器的測試技術(shù)。
[0039]本實用新型聲系采用單發(fā)8收結(jié)構(gòu)。儀器提供兩種聲源:單極聲源與兩個成交叉布置的偶極聲源。單極發(fā)射源采用圓環(huán)壓電陶瓷發(fā)射換能器；偶極X與偶極Y發(fā)射源位于相同深度點上，均采用壓電三疊片彎曲振動發(fā)射換能器；偶極X與偶極Y聲源均由兩片相對成180°布置的換能器構(gòu)成。
[0040]本實用新型在儀器上共有8個接收環(huán)，每個接收環(huán)由4個在周向上成90°分布的三疊片偶極接收換能器組成。單極聲源信號與偶極聲源信號均公用該8個接收環(huán)接收。相鄰兩個接收環(huán)之間的間距為6英寸。儀器單極源距:8英尺；儀器偶極源距:9英尺。
[0041]本實用新型在發(fā)射激勵源上采用了功率驅(qū)動方式激勵單極與偶極發(fā)射換能器，使發(fā)射換能器處于受迫振動模式工作，從而使發(fā)射頻率可控。儀器的單極發(fā)射源的工作主頻為8kHz。偶極發(fā)射源工作提供了 1.2kHz、1.5kHz、2.2kHz三種頻率可編程選擇分別以適應軟底層(時差>120us/ft)、中性地層(100us/ft<時差<120us/ft)與硬地層(時差>120us/
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[0042]本實用新型在接收電路上，儀器采用了 32個獨立的接收采集通道。采集電路對每片接收換能器信號均進行數(shù)字采集。在單極發(fā)射時，由采集處理DSP將每個接收環(huán)上的四片接收換能器的波形進行數(shù)字相加作為該接收環(huán)的單極信號；在偶極發(fā)射時，采集電路將32道接收波形數(shù)字化后上傳到地面，由地面分別將相同接收環(huán)上兩個X接收信號進行相減得到該環(huán)X方向的接收波形，將相同接收環(huán)上兩個Y接收信號進行相減得到該環(huán)Y方向的接收波形。
[0043]本實用新型采用隔聲體置于發(fā)射換能器與接收換能器之間，用于隔離沿儀器外殼傳播的直達波，使得接收器只收到來自地層的回波，避開系統(tǒng)噪聲對測量的影響。
[0044]本實用新型一次采集的基本周期為ls，在一個采集周期內(nèi)儀器可以進行單極采集、偶極X采集與偶極Y采集各一次。儀器采集次序為單極一偶極X —偶極Y，相鄰兩個采集次序為100ms。
[0045]本實用新型的特征:
[0046]最大工作溫度:150°C
[0047]最大工作壓力:IOOMPa
[0048]適用井眼范圍:5英寸?12英寸
[0049]最大縱向分辨能力:6英寸
[0050]最大探測深度:1?3ft
[0051]提供實時曲線:單極縱波慢度，偶極X橫波慢度與偶極Y橫波慢度，并實時提供三條曲線的質(zhì)量監(jiān)控圖
[0052]提供精細后處理曲線:單極縱波、橫波、斯通利波波速。泊松比及地層地應力的各向異性。
【權(quán)利要求】
1.一種偶極子聲波測井儀，包括發(fā)射電路、發(fā)射換能器、接收換能器、隔聲體、聲波信號采集電路及聲波信號處理電路，所述發(fā)射電路激發(fā)發(fā)射換能器發(fā)射聲波；所述接收換能器接收到沿井壁傳播的聲波；聲波信號采集電路采集上述聲波后傳輸至聲波信號處理電路進行分析；所述隔聲體由隔聲體連接塊及隔聲體連接本體組成；其特征在于: 所述發(fā)射換能器為正交偶極子矢量換能器，由兩個指向性相互垂直的兩組矢量換能器組成兩個測量通道，一個為X向通道，一個為Y向通道，兩個測量通道在周向上互相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于:所述正交偶極子矢量換能器采用線性功率放大驅(qū)動換能器進行受迫振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于:所述接收換能器采用8換能器接收陣列，由8個接收環(huán)組成，每個接收環(huán)由4個在周向上成90°分布的三疊片偶極接收換能器組成，相鄰兩個接收環(huán)之間的間距為6英寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于:所述聲波信號采集電路具有32個獨立的接收采集通道，所述采集電路對每片接收換能器信號均進行數(shù)字采集；在偶極發(fā)射時，采集電路將32道接收波形數(shù)字化后上傳至聲波信號處理電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于:所述聲波信號處理電路包括X向信號處理模塊和Y信號處理模塊組成；所述X向信號處理模塊由一個信號相減電路將相同接收環(huán)上兩個X接收信號進行相減得到該環(huán)X方向的接收波形；所述Y向信號處理模塊由一個信號相減電路將相同接收環(huán)上兩個Y接收信號進行相減得到該環(huán)Y方向的接收波形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于:所述測井儀還包括一單極聲源，采用圓環(huán)壓電陶瓷發(fā)射換能器；所述單極聲源與正交偶極子矢量換能器聲源共用8換能器接收陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測井儀，其特征在于:所述測井儀單極源距:8英尺；偶極源距:9英尺。
8.據(jù)權(quán)利要求6所述的測井儀，其特征在于:所述測井儀的單極發(fā)射源的工作主頻為8kHz，偶極發(fā)射源工作頻率包括1.2kHz、1.5kHz及2.2kHz三種頻率。
9.據(jù)權(quán)利要求6所述的測井儀，其特征在于:所述測井儀采集的基本周期為ls，在一個采集周期內(nèi)儀器進行單極采集、偶極X采集與偶極Y采集各一次，儀器采集次序為單極一偶極X —偶極Y，相鄰兩個采集次序為100ms。
10.據(jù)權(quán)利要求1所述的測井儀，其特征在于，所述信號處理電路還包括:提供實時曲線:單極縱波慢度，偶極X橫波慢度與偶極Y橫波慢度，及三條曲線的質(zhì)量監(jiān)控圖； 以及精細后處理曲線:單極縱波、橫波、斯通利波波速；泊松比及地層地應力的各向異性。
【文檔編號】E21B49/00GK203452778SQ201320566859
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】何明, 李英波, 劉金柱 申請人:北京環(huán)鼎科技有限責任公司