本發(fā)明屬于換能器測井領(lǐng)域，具體涉及一種小尺寸低頻換能器及基于此的過油管聲波測井系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在科技與經(jīng)濟飛速發(fā)展的今天，石油在國家發(fā)展中的工業(yè)、軍事等諸多領(lǐng)域的影響都扮演了不可替代的作用，而且享有“液體黃金美譽”的石油資源珍貴性不言而喻。但是隨著對油井開采技術(shù)的要求越來越高，現(xiàn)有的測井換能器因為其尺寸較大，難以滿足一些小直徑油井的檢測開采要求。如果單一的縮小尺寸又會使得換能器的發(fā)射頻率上升，影響檢測結(jié)果，因此設(shè)計一種小尺寸且低頻率的換能器成為了當下測井行業(yè)中研究的熱點。目前用于測井裝置中都不可缺少的涉及到換能器，但是換能器如果想獲得20k左右的低頻發(fā)射，其尺寸一般都在30mm-50mm甚至更大。由于現(xiàn)有裝置中換能器尺寸較大且頻率不夠低，所以在基于這種較大尺寸設(shè)計的測井裝置的尺寸也會較大檢測效果不理想，設(shè)計一種小尺寸低頻率的小直徑測井換能器能很好的滿足當代測井的要求，并將這種小尺寸低頻率的測井換能器用于測井中，會很大程度上改善現(xiàn)代測井裝備的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種小尺寸低頻換能器及基于此的過油管聲波測井系統(tǒng)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明有較好性能的同時還可以更好地適用于各種不同尺寸的油井中。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

小尺寸低頻換能器，包括由若干個壓電陶瓷圓環(huán)組成的環(huán)形本體，環(huán)形本體的兩端設(shè)有用于壓緊環(huán)形本體的金屬塊，兩個金屬塊之間通過穿過環(huán)形本體的螺桿連接，每個壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)側(cè)均設(shè)有正電極鍍層，外側(cè)均設(shè)有負電極鍍層，且所有壓電陶瓷圓環(huán)的正電極鍍層和負電極鍍層分別依次相連。

進一步地，金屬塊為圓柱形，且金屬塊與壓電陶瓷圓環(huán)外徑相等。

進一步地，當僅設(shè)有金屬塊時，壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)徑為18mm，外徑為22mm，高度為4mm；金屬塊的高度為53mm。

進一步地，環(huán)形本體的兩端與金屬塊之間均設(shè)有金屬環(huán)，且金屬環(huán)的內(nèi)外徑分別與壓電陶瓷圓環(huán)的內(nèi)外徑相等。

進一步地，當同時有金屬塊和金屬環(huán)時，金屬環(huán)的內(nèi)徑為18mm，外徑為22mm，高度為16mm；金屬塊的高度為25mm。

進一步地，環(huán)形本體由10個壓電陶瓷圓環(huán)組成。

一種基于小尺寸低頻換能器的過油管聲波測井系統(tǒng)，包括設(shè)置在井下套管中的發(fā)射用小尺寸低頻換能器，發(fā)射用小尺寸低頻換能器上連接有接收用小尺寸低頻換能器，接收用小尺寸低頻換能器上連接有用于對數(shù)據(jù)進行濾波、放大處理的電子倉，電子倉連接至用于對濾波、放大后的信號分析處理并判斷漏點和竄槽位置的地面系統(tǒng)。

進一步地，發(fā)射用小尺寸低頻換能器與接收用小尺寸低頻換能器之間、接收用小尺寸低頻換能器與電子倉之間以及電子倉與地面系統(tǒng)之間均通過電纜相連。

進一步地，發(fā)射用小尺寸低頻換能器、接收用小尺寸低頻換能器以及電子倉均設(shè)置在井下套管中設(shè)置的油管中。

一種基于上述過油管聲波測井系統(tǒng)的測井方法，包括以下步驟：

步驟一：發(fā)射用小尺寸低頻換能器通過激勵產(chǎn)生聲波，發(fā)出的聲波會被接收用小尺寸低頻換能器接收，當有漏點和竄槽情況發(fā)生時，來自漏點和竄槽的噪聲和發(fā)射用小尺寸低頻換能器發(fā)射的聲波信號一起被接收用小尺寸低頻換能器接收；

步驟二：在電子倉中對接收用小尺寸低頻換能器接收到的信號經(jīng)行濾波放大處理后，只留下井下來自漏點和竄槽的噪聲信號；

步驟三：將處理后的噪聲信號送至地面系統(tǒng)中處理，即能夠判斷井下漏點和竄槽的位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明的小尺寸低頻換能器在有較好性能的同時還可以更好地適用于各種不同尺寸的油井中，另外本發(fā)明的振動模態(tài)不同，原有的測井換能器在外界因素的作用下其振動模態(tài)一般整體沿徑向振動或者整體沿圓周方向振動，整個換能器整體振動，而本發(fā)明中設(shè)計的小尺寸低頻測井換能器的振動時其結(jié)點在換能器的兩端，只有中間部分的壓電陶瓷圓環(huán)沿圓周方向振動，即兩端固定的，只有中間部分有模態(tài)振動，另外本發(fā)明是縱向振動，徑向輻射的，這樣就可以在設(shè)計尺寸較小的同時，低頻性能較好。

進一步地，本發(fā)明尺寸較小，單個壓電陶瓷圓環(huán)直徑為22mm，高度為4mm，可以適用于多種不同直徑的油井中。

進一步地，本發(fā)明的小尺寸低頻測井換能器由10個小直徑的壓電陶瓷圓環(huán)以及在壓電陶瓷圓環(huán)兩端的金屬環(huán)及金屬塊或金屬塊組成，通過仿真驗證設(shè)計的換能器發(fā)射頻率較低且有較好的發(fā)射響應級。

本發(fā)明的測井系統(tǒng)由于使用了小尺寸換能器，所以在對一些井眼較小、對測井設(shè)備要求更高的測井環(huán)境中，本發(fā)明的測井系統(tǒng)會更加符合實際應用，結(jié)構(gòu)簡單，在能夠適用于不同尺寸的油井中，同時測井系統(tǒng)的參數(shù)性能等還更加優(yōu)異，將小尺寸低頻換能器用于油管測井檢測中，由于以前用于測井的換能器尺寸較大難以放入油管只能放入套管中檢測，而本發(fā)明中的換能器尺寸較小可以滿足油管尺寸上的要求，如此尺寸較小，頻率為20K左右的換能器用于過油管檢測在以往測井系統(tǒng)中幾乎難以達到。

本發(fā)明方法采用小尺寸低頻換能器，將該小尺寸低頻換能器用于測井系統(tǒng)中，可以適用于多種不同尺寸的油井中，適用范圍更廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的單個壓電陶瓷環(huán)示意圖；

圖2為實施例1中設(shè)計的小尺寸低頻換能器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為實施例1中設(shè)計的小尺寸低頻換能器特征頻率圖；

圖4為實施例1中設(shè)計的小尺寸低頻換能器發(fā)射響應級圖；

圖5為實施例2中設(shè)計的小尺寸低頻換能器結(jié)構(gòu)圖；

圖6為實施例2中設(shè)計的小尺寸低頻換能器特征頻率圖；

圖7為實施例2中設(shè)計的小尺寸低頻換能器發(fā)射響應級圖；

圖8為基于小尺寸低頻測井換能器設(shè)計的測井系統(tǒng)。

其中，1、壓電陶瓷圓環(huán)；2、正電極鍍層；3、負電極鍍層；4、金屬塊；5、金屬環(huán)；6、地面系統(tǒng)；7、井下套管；8、射孔；9、巖石層；10、接收用小尺寸低頻換能器；11、發(fā)射用小尺寸低頻換能器；12、電子倉；13、電纜；14、漏點；15、水層；16、竄槽；17、油層；18、密封水泥；19、油管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述：

參見圖1、圖2、圖5及圖8，一種小尺寸低頻換能器，包括由10個壓電陶瓷圓環(huán)1組成的環(huán)形本體，環(huán)形本體的兩端設(shè)有用于壓緊環(huán)形本體的金屬塊4，金屬塊4為圓柱形，且金屬塊4與壓電陶瓷圓環(huán)1外徑相等，兩個金屬塊4之間通過穿過環(huán)形本體的螺桿連接，環(huán)形本體的兩端與金屬塊4之間還可以設(shè)有金屬環(huán)5，且金屬環(huán)5的內(nèi)外徑分別與壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)外徑相等，每個壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)側(cè)均設(shè)有正電極鍍層2，外側(cè)均設(shè)有負電極鍍層3，且所有壓電陶瓷圓環(huán)1的正電極鍍層2和負電極鍍層3分別依次相連。

當環(huán)形本體的兩側(cè)僅設(shè)置有金屬塊4時，壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)徑為18mm，外徑為22mm，高度為4mm；金屬塊4的高度為53mm。

當環(huán)形本體的兩側(cè)設(shè)置有金屬環(huán)5和金屬塊4時，金屬環(huán)5的內(nèi)徑為18mm，外徑為22mm，高度為16mm；金屬塊4的高度為25mm。

一種基于小尺寸低頻換能器的過油管聲波測井系統(tǒng)，包括設(shè)置在油井中的發(fā)射用小尺寸低頻換能器11，發(fā)射用小尺寸低頻換能器11上連接有接收用小尺寸低頻換能器10，接收用小尺寸低頻換能器10上連接有用于對數(shù)據(jù)進行濾波、放大等一系列處理的電子倉12，電子倉12連接至用于對濾波、放大后的信號分析處理后來判斷漏點14和竄槽16位置的地面系統(tǒng)6，發(fā)射用小尺寸低頻換能器11與接收用小尺寸低頻換能器10之間、接收用小尺寸低頻換能器10與電子倉12之間以及電子倉12與地面系統(tǒng)6之間均通過電纜13相連。

一種基于上述過油管聲波測井系統(tǒng)的測井方法，包括以下步驟：

步驟一：發(fā)射用小尺寸低頻換能器11通過激勵產(chǎn)生聲波，發(fā)出的聲波會被接收用小尺寸低頻換能器10接收，當有漏點14和竄槽16情況發(fā)生時，來自漏點14和竄槽16的噪聲和發(fā)射用小尺寸低頻換能器11發(fā)射的聲波信號一起被接收用小尺寸低頻換能器10接收；

步驟二：在電子倉12中對接收用小尺寸低頻換能器10接收到的信號經(jīng)行濾波放大處理后，只留下井下來自漏點14和竄槽16的噪聲信號；

步驟三：將處理后的噪聲信號送至地面系統(tǒng)6中處理，即能夠判斷井下漏點14和竄槽16的位置。

下面對本發(fā)明的操作過程做詳細描述：

本發(fā)明設(shè)計了實施例1和實施例2兩種方案。兩種方案中小尺寸低頻測井徑換能器由多個直徑較小的壓電陶瓷圓環(huán)1、壓電陶瓷兩端的金屬環(huán)5及金屬塊4或金屬塊4和覆蓋在壓電陶瓷圓環(huán)1內(nèi)、外壁上沿圓周方向設(shè)置的銀電極矩形條組成，壓電陶瓷圓環(huán)1上的銀電極覆蓋在壓電陶瓷圓環(huán)內(nèi)、外壁上，壓電陶瓷圓環(huán)1內(nèi)、外壁上對應的銀電極連接在一起，各銀電極之間的壓電陶瓷極化方向與環(huán)形本體的徑向方向平行，壓電陶瓷圓環(huán)1的銀電極極化形成正電極和負電極，正電極與負電極沿壓電陶瓷圓筒內(nèi)外壁設(shè)置。單個壓電陶瓷圓環(huán)1的形狀如圖1所示，設(shè)置圓環(huán)的內(nèi)徑為r，外徑為R，高度為h,在壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)部的銀鍍層經(jīng)過徑向極化后形成正電極鍍層2，壓電陶瓷圓環(huán)的外部的銀鍍層經(jīng)過徑向極化后形成負電極鍍層3，在正負銀電極之間的實體為壓電陶瓷材料。

實施例1

如圖2所示，小直徑測井換能器有三部分組成，分別為10個相同的壓電陶瓷圓環(huán)1、在壓電陶瓷的上下兩端裝有等大小的金屬環(huán)5以及覆蓋在上下兩個金屬環(huán)5外的圓柱形金屬塊4。將多個這種小直徑的壓電陶瓷圓環(huán)1、金屬環(huán)5以及金屬塊4組合起來形成小直徑低頻測井換能器，如圖2所示。

本實施例的小直徑低頻測井換能器設(shè)計中，共用到了10個壓電陶瓷圓環(huán)1，每個壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)徑為2r＝18mm，外徑2R＝22mm，高度h＝4mm。在壓電陶瓷兩端的金屬環(huán)5內(nèi)外直徑與單個壓電陶瓷圓環(huán)1相同，金屬環(huán)5的高度為16mm，金屬環(huán)5的數(shù)量為2個，分別位于壓電陶瓷部分的兩端。在兩個金屬環(huán)5的上面和下面分別設(shè)計了一個等直徑大小圓柱形金屬塊4，其高度為25mm，具體形狀如圖2所示。

對上述設(shè)計的換能器的進行了特征頻率測試得到其在沿圓周方向下振動模態(tài)情況如圖3所示，在其沿圓周方向振動模態(tài)下的特征頻率為20k左右，發(fā)射頻率較低，比較理想。而且小尺寸換能器的這種模態(tài)下?lián)Q能器兩端結(jié)點幾乎沒有振動，但在小尺寸低頻換能器的中間部分的壓電陶瓷圓環(huán)振動較為明顯。壓電陶瓷的諧振頻率分徑向諧振頻率與厚向諧振頻率，徑向頻率與直徑成反比，也就是直徑越大，徑向頻率越??；厚向頻率與厚度成反比，也就是片子越薄，頻率越高。在本發(fā)明中壓電陶瓷圓環(huán)換能器采用徑向極化的方式，一方面在厚度相同的情況下使用較小直徑的壓電陶瓷圓環(huán)，另一方面在直徑相同的情況下將將一個高度較高的壓電陶瓷圓環(huán)優(yōu)化成多個厚度較薄的壓電陶瓷組合在一起使得壓電陶瓷圓環(huán)的高度變高，在壓電陶瓷圓環(huán)的上方和下方增加了金屬環(huán)和金屬塊降低發(fā)射換能器的發(fā)射頻率，具體的組合方式如圖2所示，這樣在保證小尺寸的同時又有較好低頻性能。根據(jù)設(shè)計的小尺寸低頻換能器，將其放入水中模擬其發(fā)射響應級性能，得到其發(fā)射響應級曲線如下圖4所示，從圖中可以看出發(fā)射響應級峰值出現(xiàn)在20k左右，較為接近小尺寸低頻換能器的特征頻率，在20k左右的發(fā)射響應級達到146，發(fā)射響應級性能良好，這同時驗證了小尺寸低頻換能器的可行性。

實施例2

本實施例小直徑測井換能器包括兩部分組成，分別為10個相同的壓電陶瓷圓環(huán)1、在壓電陶瓷的上下兩端的圓柱形金屬塊4。將10個這種小直徑的壓電陶瓷圓環(huán)1及2個金屬塊4組合起來形成小直徑低頻測井換能器，如圖5所示。

本實施例的小直徑低頻測井換能器的設(shè)計中，共用到了10個壓電陶瓷圓環(huán)1，每個壓電陶瓷圓環(huán)1的內(nèi)徑為2r＝18mm，外徑2R＝22mm，高度h＝4mm，與實施例1相同。在壓電陶瓷兩端的金屬塊4外徑與單個壓電陶瓷圓環(huán)外徑相同，其高度為53mm，具體形狀如圖5所示。

同樣對上述設(shè)計的換能器的進行了頻率測試得到其在沿圓周方向上振動模態(tài)的情況如圖6所示，在其徑向振動模態(tài)下的特征頻率為19.5k左右，特征頻率點較低，同樣在實施例中壓電陶瓷兩端金屬塊幾乎沒有產(chǎn)生振動，只有中間的壓電陶瓷圓環(huán)產(chǎn)生了振動。在目前用于測井行業(yè)中使用的換能器難以在保證小尺寸的同時且有如此好的低頻性能，在目前的測井換能器中比較創(chuàng)新。

根據(jù)設(shè)計的小尺寸低頻換能器，將其放入水中模擬其發(fā)射響應級性能，得到其發(fā)射響應級曲線如下圖7所示。從本實施例設(shè)計小尺寸低頻測井換能器中的發(fā)射響應級可以看出發(fā)射響應級峰值出現(xiàn)在19.8k左右，幾乎和發(fā)射頻率相吻合且其發(fā)射響應級達到144，發(fā)射響應及性能較好，較為接近小尺寸低頻換能器的特征頻率。

應用

基于上述方案中設(shè)計的小尺寸低頻測井換能器，將其應用于測井系統(tǒng)中，本發(fā)明設(shè)計了如圖8所示測井系統(tǒng)。如圖8所示的基于小尺寸低頻測井換能器的油井檢測系統(tǒng)由電纜13、檢測裝置、地面系統(tǒng)6、井下套管7、密封水泥18、油管19、射孔8和巖石層9連接構(gòu)成。其中檢測裝置由上至下依次由電子倉12、發(fā)射用小尺寸低頻換能器11和接收用小尺寸低頻換能器10三部分組成，將發(fā)射換能器11、接收換能器10、電子倉12放入上端開口的油管19中，電子倉12的上端連接電纜13，通過電纜13與地面系統(tǒng)6相連。井下套管7置于井液中，井下套管7與井壁之間用密封水泥18密封，巖石層9分布著水層15和油層17。接收用小尺寸低頻換能器10和發(fā)射用小尺寸低頻換能器11均是在上述兩個實施例中設(shè)計的小尺寸低頻換能器。檢測裝置工作時，發(fā)射用小尺寸低頻換能器11通過激勵產(chǎn)生聲波，發(fā)出的聲波會被接收用小尺寸低頻換能器10接收，當有漏點14和竄槽16情況發(fā)生時，來自漏點14和竄槽16的噪聲會和發(fā)射用小尺寸低頻換能器11發(fā)射的聲波信號一起被接收用小尺寸低頻換能器10接受，在電子倉12中對接收到的信號經(jīng)行濾波放大處理后，只留下井下來自漏點14和竄槽16的噪聲信號，將處理后的噪聲信號送至地面系統(tǒng)6中處理，可以判斷井下漏點14或竄槽16的位置，這樣小尺寸低頻換能器即可用于小直徑的測井中。