为声波测井的声波传送器、发送器、测井装置和测井方法制造方法及图纸

一种在钻孔时用于声波测井的声波传送器，它包括围绕钻孔轴环周向安装的传送器元件的一个排列。元件被固定弹性环内，弹性环被容纳在轴环上的外槽里，并被带窗口的护罩所保护。元件被并联地电连接起来，以便当它被电脉冲激发时，元件产生向外传播到地层中的单极声波。当用作接收器时，元件探测从围绕轴环圆周的岩层中传来的中和声波，并对通过钻孔轴环传播的多极波有最小的灵敏度。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在钻井期间用声波测定钻孔周围的岩层，特别是新改进的声波测井方法和设备，它使用了能优先把激发和接收通过岩层传播的单极声波而抑制通过钻井轴环传播的多极波的传送器，该传送器被安装在钻井轴环上。声波在地下传播的速度随不同的地质结构而改变。例如，在砂石岩中，声波约以每秒4000米的速度传播，在石灰石岩中，约以每秒5000米的速度传播，在岩石中的声波可分为两类纵向和横向。纵(压缩)波是介质在其中平行于传播方法前后振动的波。横(剪切)波是介质的振动垂直于波能运动方向的波。声波通过介质的速度与介质的孔隙率有关，就它包含烃类的潜能而言，是岩层的一个重要特征。为了测量声波的速度，一测井仪器一般有两个接收器，从声波发送器沿仪器的轴线，它们被以不同的距离间隔开，利用到达各自接收器的波之间的相位或传播时间差可确定声速。利用两个接收器能消除在钻探泥浆中的传播时间，以及补偿不同的工具和钻孔影响。声波通过多孔隙岩石会传播得更慢，这一点是重要的，因为有着商业利益的石油产品一般在具有好的孔隙率的岩石中发现。声波在页岩中传播时间的不规则一般随着深度的以可预测的方式增加，这一点能作为钻孔正接近一高压多孔区的警告，因而成为发生断裂危险的预兆。虽然其它一些利用声波的技术已被试验，但主要用途仍保持在声速的测量上，它们连同著名的Wyllie公式一起被用来计算岩石的孔隙率。特别是与中子和密度测井结合，声波测井对地震相关性和水库测定已经是基本的了上述的声波测井技术已主要用在露天矿井测量，其中探测器被悬挂在电缆上(钻具组在孔外)。然而，最近几年以来，在钻井正在进行时，各种仪器和设备都可用来测井。在美国专利号4,879,463和4,899,112中分别描述了用核子和电阻率测定的这样仪器的例子。测量装置与位于钻头附近的特殊钻井轴环结合，大体在实际时间探测，显示和/或记录的各种测量结果在泥浆流中向上以压力脉冲的形式被远距离测量。然而，由于在钻孔里有一大的金属钻井轴环，这给声波测量造成一定困难。主要问题是从传送器沿钻井轴环传播的某些能量同通过岩层传播的能量大体上同时到达接收器，因而干涉了从岩层来的能量的测量。对这个已经提出的问题的一个解决方法是在钻井轴环上切环形槽，用来消弱某些频率段波的传播。另一种解决方法是在某一频率段操作发送器的减小钻井轴环到达波。这些方法都被描述过，例如在欧洲专利号0,375,549B1中。另一种被尝试的波源采用压电元件组，其沿安装在钻井轴环上的中心接收器垂直和对称于钻井轴环的纵向轴而安装。这样一种发送器在美国专利号5,387,767中被描述。这些发送器在钻井轴环和岩层中都激发声波。接收器探测两种波。它能产生单极波，遗憾的是也产生四极和更高极的多极波。中心接收器对所有波都是毫无差别地敏感。因为每一多极波有不同的波传播特性，所以，用在钻井轴环截面上开槽的方法消弱多极波是很难的。被垂直安装的压电组件传送器有很强的四极输出，因为它产生两个从钻井轴环传播束的分开但同相和几乎相同的压力脉冲。这些波发生干涉，产生强的四极波模式，它传播得慢一些，但比单极钻井轴环到达波的振幅要大。此到达波能产生干涉，与真正的单极岩层压缩声波混淆，因此给出错误的结果。在努力克服这个问题的过程中，发送器以相对于接收器成45°被定向。这样，四极波的振幅最小。然而，此最小值在一小角度范围时，四极波能可以稍微旋转。在一方面，本专利技术用传送器简化了解决钻井轴环波的问题，传送器在抑制难于用钻井轴环开槽的方法消弱的多极波的同时，增强单极声波。尽管过去与电测井仪器和设备一起为声波传送器的很多提议被提出过，几乎没有在钻井操作时有用在测井方面的潜在用途。使用压电柱面的设备不能很容易地放置在钻井轴环上。这种传送器的变型已被提出，以产生多极波。因为这些波都应被消除，为此，它们也不是特别有用。另一些传送器已被提出，但也不能在钻井轴环上试用，如铁磁性设备。在另一方面，本专利技术采用了一传送器，它被安装在钻井轴环的外圆周上，以在减小钻井轴环多极波的同时，增大岩层声波的激发。本专利技术总的目的是提供新改进的在钻井时声波测井方法和设备，它使用了在减小多极钻井轴环波的同时增强单极声波激发的传送器，以便能探测单极岩层压缩声波。根据本专利技术的原理，并通过包括轴环外表分配的多个元件的声波传送器的保证，轴环是钻孔时测并仪器组的一部分，将得到这个和其它的目的。元件有大致相等的角间距，并离轴环轴线以相等的径向距离被安装。由于这样的布置，第M等级多极波的振幅是 其中An是第n个元件的振幅因数，Qn是绕轴环圆周的角位置，N是元件的总数，作为参考，多极是M＝1(二极)，它是cosθ的函数，一直到M＝5(十极)，它是cos5θ的函数。如此类推，单极(M＝0)不依赖于角θ。在最佳实施例中，对每个传送器元件来说，振幅因数A是相同时，因此是一个常数，元件围绕轴环平均地分布。因此， 第M等级多极波变成 因此，除了单极波，如果N不等于M，第M等级的多极波振幅为0(即被消除)。因此，由被消除的最高等级多极波来确定所用单个传送器元件的个数。实际上，具有尽可能多的传送器元件是最好的。本专利技术的传送器能被用作发送器，其减小多极波部分(M＞0)的激发，而增强单极波(M＝0)振幅。传送器也能用作位于轴环上的接收器，其减小对沿轴环传播多极波的灵敏度，而增加岩层单极波部分。在两种情况下，传送器都包括以环形排列的多个压电陶瓷元件。这些元件被并联连接，其被压制在合适的弹性材料，如橡胶中，并被安装在轴环外圆周上的浅槽中，再用钢护罩盖上以保护它们。传送器组件是竖固的，小的且定型的，以易于维修。另一方面，本专利技术包括使用上述的环形发送器，并结合在美国专利号5,387,767中所描述的具有压电元件叠层的横向发送器，这里将美国专利5,387,767合并来作为参考。而且，本专利技术也能用环接收器结合横向叠层压电元件发送器来实现。在每种情况下，环形传送器被安装在轴环上的浅外槽中，以便坚固和易于维修。本专利技术除有上述目的，特点和优点之外，还有其它目的，特点和优点。在对照附图，并结合下面优选实施例的详细描述后，这将变得更明显。附图说明图1是根据本专利技术用声波传送器在钻井操作时测井的示意图；图2是根据本专利技术被安装在钻井轴环槽表面的发送器组件的纵向局部剖视图；图3是图2中的发送器在移去护罩和弹性环后的局部展开平面图；图4是被安装在钻井轴环上发送器组件的横剖图；图5和6是根据本专利技术接收器组件图，它们分别与图2和3相似；图7是图5和6中所示接收器的横向半剖图；图8A和8B是根据本专利技术发送器—接收器装置的其它实施例的示意图。首先参照图1，连接在钻孔轴环组11下端的钻头10正常钻孔12进入地层，一个紧接钻头10并经特别制造的钻孔轴环13中有一个或多个测井装置安装在其上或其内，以便随着钻孔12的深入，将钻孔贯穿过的岩层的不同特定性能测定出来。代表这样测量结果的电信号被送到钻孔时测量仪器14，它包括一旋转阀或“汽笛”，其能在轴环组11内的泥浆流中产生压力脉冲，并通过钻孔管传送到表面。旋转阀根据测量的信号而被控制，在泥浆中产生经编码的压力脉冲，它们在表面被探测、解码和显示和/或记录。泥浆脉冲遥测装置的具体结构已被公开，例如，在美国专利号4,100,528，4,103,281，4,16本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在钻井时安装在管状钻具组件上以用于在钻孔中进行声波测量的声波传送器，所述的传送器包括：围绕所述的钻具组件的一种排列安装的多个传送器元件，所述的元件以大致相等的角间距定位，并被布置成激发和产生或探测声波。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JB阿伦，SK陈，DA克拉色尔，TM刘，
申请(专利权)人：安娜钻机国际有限公司，
类型：发明
国别省市：PA[巴拿马]