一种随钻声波测井装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种随钻声波测井装置和方法，装置包括钻铤、声波发射换能器、近源距声波接收换能器、隔声体、远源距声波接收换能器阵列和控制系统；声波发射换能器辐射声波信号在钻铤所在井壁地层和井外传播；近源距声波接收换能器用于接收井旁地层界面反射回井中的反射波信号；第一、第二远源距声波接收换能器阵列用于接收井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁地层传播的滑行波信号；控制系统控制声波发射换能器发射声波信号，对近源距声波接收换能器、远源距声波接收换能器阵列声波信号进行数据处理，得到井轴到井旁地层界面的横向距离及方位。本发明专利技术控制电路易于实现，可以井旁地质构造体到井轴的距离及其方位进行评价，工程应用高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于应用地球物理测井领域，具体地，涉及，用于确定井旁地质界面的距离和方位。
技术介绍
随着石油、天然气、矿藏勘探开发需求的增长及测井技术的发展，越来越多的大斜度井和水平井出现，在这些井的实时钻进过程中，为了提高钻井施工的精确度和钻进效率，确保井眼穿过产层，避免不必要的损失，需要有效跟踪地层上下界面的相对空间位置，在钻井过程探测钻头附近的地层界面信息，以决定钻井的下一步走向和位置。目前已有的随钻测量系统，常常会在钻头的附近安装许多传感器以测量钻井、井眼和地层相关参数，然后利用这些参数进行随钻钻井导向。例如，电阻率被用来确定油气的存在，同时被用来进行随钻地质导向，然而，电阻率的探测深度通常只有2 3米，而且不能提供相对于随钻系统的地层界面方位信息。对于专门用于地质导向的方位电磁波来说，由于其频率较高，虽然解决了地层界面的相对方位问题，但探测深度依旧有限，难以探测到数十米以外的地质构造体。公开号为US7912648B2的专利技术专利提出了使用低频电磁波，向地层深部发射电磁信号，以探测井周围地质异常体与背景地层电阻率的差异造成的电阻率异常。然而，低频电磁波的分辨率很低，这种远探测往往只能感知异常体的存在而难于确定其具体位置。公开号为CN101694153A的专利技术专利公开了一种随钻地层界面声波扫描测量装置和方法，通过相控圆弧声波辐射器向地层中某一侧辐射声波信号，实现井旁地层界面方位的确定，结合位于钻铤两侧的短源距声波接收器接收到的反射波实现井旁地层界面到井轴距离的确定。采用圆弧声波辐射器的声源发射方式虽然增强了声波脉冲的定向辐射能力，但控制电路的复杂度增加，体积较大，供电能耗相对传统的激发模式明显增加，对于井下高温和空间狭小的随钻环境来说，工程实现相对困难，另外，为了保证圆弧声波辐射器对井周地层介质的全方位360°覆盖，随钻测速会降低。总之，基于当前的随钻测量系统很难得到一个最佳的井眼轨迹，特别是在薄储层中，更为困难。因此，需要有一个能够相对准确，且工程实现较为方便的确定井旁地质界面的随钻声波测井装置和方法，而利用声波反射技术进行井旁地质体的识别和探测成为一种可行的选择方案，它不仅具有常规声波测井的高分辨率特征，而且能够探测井旁更远距离的地质体。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提供，用于确定井旁地质界面的距离和方位。本专利技术采用以下技术方案来实现上述目的:一种随钻声波测井装置，包括钻铤、声波发射换能器、近源距声波接收换能器、第一隔声体、第二隔声体、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列及控制系统；其特征在于:声波发射换能器同时具有单极子辐射功能、正交偶极子辐射功能和四极子辐射功能，其辐射声波信号沿井壁地层和向井外传播；近源距声波接收换能器用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号；第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁介质传播的滑行波信号；控制系统置于钻铤壁内的空腔，控制系统控制声波发射换能器发射声波信号，对近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列所接收的声波信号进行数据处理得到井轴到井旁地层界面的横向距离及井旁地层界面方位。优选地，第一隔声体、第二隔声体在钻铤轴线方向关于声波发射换能器对称布置，第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列在钻铤轴线方向上关于声波发射换能器对称布置；第一隔声体、第二隔声体位于第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列之间；近源距声波接收换能器位于第一隔声体、第二隔声体之间；近源距声波接收换能器位于声波接收换能器与第一隔声体之间或者近源距声波接收换能器位于声波接收换能器与第二隔声体之间。优选地，钻铤中部外壁上设有声波发射换能器安装环形凹槽，声波发射换能器安装环形凹槽内设有声波发射换能器，声波发射换能器由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，圆筒状橡胶圈固定于声波发射换能器安装环形凹槽上，相邻的弧形压电晶片彼此声电绝缘，透声保护盖板覆盖弧形压电晶片外部，用于保护弧形压电晶片并允许声波发射换能器辐射声波进入地层。优选地，声波发射换能器安装环形凹槽下侧设有近源距声波接收换能器安装环形凹槽，近源距声波接收换能器安装环形凹槽中心与声波发射换能器安装环形凹槽中心相距0.lm-0.5m，近源距声波接收换能器安装环形凹槽内设有近源距声波接收换能器，用于接收被井旁地层界面反射回井中的反射波信号；近源距声波接收换能器由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈上，圆筒状橡胶圈固定于钻铤声波发射换能器安装环形凹槽上，相邻的弧形压电晶片彼此声电绝缘，透声保护盖板覆盖弧形压电晶片外部，用于保护弧形压电晶片并允许地层声波信号进入近源距声波接收换能器。优选地，第一隔声体和第二隔声体均为钻铤上规则刻槽或变径结构。优选地，第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由4-8个声波收换能器组成，相邻上下两个声波接收换能器之间中心到中心的距离为0.lm-0.3m ;每个声波接收换能器均由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈上，多个弧形压电晶片在钻铤周向上等间距布置，圆筒状橡胶圈固定于钻铤声波发射换能器安装环形凹槽上，相邻的弧形压电晶片彼此声电绝缘，透声保护盖板覆盖弧形压电晶片外部。优选地，声波发射换能器、近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列的每个声波接收换能器具有相同个数的弧形压电晶片，每个弧形压电晶片在钻铤上所处位置固定，在钻铤轴线上每个弧形压电晶片中心连成一直线。优选地，随钻声波测井装置的控制系统，包括:总线接口电路、系统控制和存储电路、数据采集通道和发射器激励电路； 总线接口电路，与地面或井下通讯总线相连接，用于接收地面控制命令和发送井下采集处理数据； 系统控制和存储电路，与总线接口电路相连接，用于随钻声波测井的工作时序管理、数据存储和数据处理； 发射器激励电路，一端与系统控制和存储器电路相连接，用于对接收的命令进行译码，存储根据接收的命令生成调制的激励信号，另一端与声源发射换能器相连接，用于控制其激励信号相位相同或相反，对声波发射换能器进行声波激励。发射激励电路包括发射控制器、激励信号源、功率放大器和阻抗匹配电路。发射控制器接收系统控制和存储电路的命令，设置和启动激励信号源产生激励波形，并经功率放大器进行功率放大后送入阻抗匹配电路，声波发射换能器产生多极子声波信号；发射器激励电路对每个弧形压电晶片的激励猝发是正弦波信号，初始相位为0°或180°，通过弧形压电晶片发射器激励信号同相位或反相位以产生单极子、偶极子和四极子发射模式； 数据采集通道多个并联，多个数据采集通道分别与近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列及第二远源距声波接收换能器阵列和系统控制和存储电路相连接，多个数据采集通道分别用于对近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列及第二远源距声波接收换能器阵列的每个弧形压电晶片进行信号放大、滤波和量化采集；数据采集通道包括:采集子控制器、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随钻声波测井装置，包括钻铤、声波发射换能器、近源距声波接收换能器、第一隔声体、第二隔声体、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列及控制系统；其特征在于：声波发射换能器同时具有单极子辐射功能、正交偶极子辐射功能和四极子辐射功能，其辐射声波信号沿井壁地层和向井外传播；近源距声波接收换能器用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号；第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁介质传播的滑行波信号；控制系统置于钻铤壁内的空腔，控制系统控制声波发射换能器发射声波信号，对近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列所接收的声波信号进行数据处理得到井轴到井旁地层界面的横向距离及井旁地层界面方位。

【技术特征摘要】
1.一种随钻声波测井装置，包括钻铤、声波发射换能器、近源距声波接收换能器、第一隔声体、第二隔声体、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列及控制系统；其特征在于:声波发射换能器同时具有单极子辐射功能、正交偶极子辐射功能和四极子辐射功能，其辐射声波信号沿井壁地层和向井外传播；近源距声波接收换能器用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号；第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列用于接收被井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁介质传播的滑行波信号；控制系统置于钻铤壁内的空腔，控制系统控制声波发射换能器发射声波信号，对近源距声波接收换能器、第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列所接收的声波信号进行数据处理得到井轴到井旁地层界面的横向距离及井旁地层界面方位。2.根据权利要求1的随钻声波测井装置，其特征在于:第一隔声体、第二隔声体在钻铤轴线方向关于声波发射换能器对称布置，第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列在钻铤轴线方向上关于声波发射换能器对称布置；第一隔声体、第二隔声体位于第一远源距声波接收换能器阵列、第二远源距声波接收换能器阵列之间；近源距声波接收换能器位于第一隔声体、第二隔声体之间；近源距声波接收换能器位于声波接收换能器与第一隔声体之间或者近源距声波接收换能器位于声波接收换能器与第二隔声体之间。3.根据权利要求1或2的随钻声波测井装置，其特征在于:钻铤中部外壁上设有声波发射换能器安装环形凹槽，声波发射换能器安装环形凹槽内设有声波发射换能器，声波发射换能器由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈内，圆筒状橡胶圈固定于声波发射换能器安装环形凹槽上，相邻的弧形压电晶片彼此声电绝缘，透声保护盖板覆盖弧形压电晶片外部，用于保护弧形压电晶片并允许声波发射换能器辐射声波进入地层。4.根据权利要求1-3的随钻声波测井装置，其特征在于:声波发射换能器安装环形凹槽下侧设有近源距声波接收换能器安装环形凹槽，近源距声波接收换能器安装环形凹槽中心与声波发射换能 器安装环形凹槽中心相距0.lm-0.5m，近源距声波接收换能器安装环形凹槽内设有近源距声波接收换能器，用于接收被井旁地层界面反射回井中的反射波信号；近源距声波接收换能器由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈上，圆筒状橡胶圈固定于钻铤声波发射换能器安装环形凹槽上，相邻的弧形压电晶片彼此声电绝缘，透声保护盖板覆盖弧形压电晶片外部，用于保护弧形压电晶片并允许地层声波信号进入近源距声波接收换能器。5.根据权利要求1-4的随钻声波测井装置，其特征在于:第一隔声体和第二隔声体均为钻铤上规则刻槽或变径结构。6.根据权利要求1-5的随钻声波测井装置，其特征在于:第一远源距声波接收换能器阵列和第二远源距声波接收换能器阵列均由4-8个声波收换能器组成，相邻上下两个声波接收换能器之间中心到中心的距离为0.lm-0.3m ;每个声波接收换能器均由多个弧形压电晶片组成，多个弧形压电晶片镶嵌于预留有弧形凹槽的圆筒状橡胶圈上，多个弧形压...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏周拓，唐晓明，陈雪莲，谭宝海，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：