一种随钻井径超声测量装置的制作方法

本发明涉及地质钻探领域，具体说涉及一种随钻井径超声测量装置。

背景技术：

在地质钻探的钻进过程中，井眼信息的测量被认为是检测钻井质量和效率的一项关键技术。井眼信息可用于如中子孔隙度、密度等测井的井眼环境影响校正和质量监控，以及估算水泥用量的井眼容积，探测井壁不稳定性和气侵等现象。同时，井眼信息可帮助司钻判别钻井过程中钻具的异常运动，如涡动、粘滑、横向跳动等都会对钻头和钻杆产生不利影响。

因此，井眼信息的测量对于钻井施工极其重要，其有助于提高钻井效率，降低钻井成本，优化钻井作业，以及改善钻井安全。

在现有技术中，测量井眼信息的手段之一是采用机械式多臂井径仪。由于机械式多臂井径仪与井壁直接接触，容易擦伤或损坏井壁，因此不适合在钻井过程中测量井眼参数。

基于超声脉冲反射法测量井眼性质是一种间接、非接触式测量方法，其具有快速、准确、可靠性等特点。超声脉冲反射法的具体应用技术之一是电缆超声井壁成像测井技术。尽管电缆超声井壁成像测井技术可以获得井壁的直观图像，但也存在很大的缺点。比如，要进行电缆测井必须将钻具从井眼中取出，这将导致相当可观的时间和财力浪费。另外，测井作业需要花费时间且受泥浆滤液侵入影响，从而不能在钻进过程中对钻井进行实时指导和决策。

鉴于电缆测井技术存在的不足，在现有技术中提出了随钻井径超声测量技术。随钻井径超声测量技术是在钻头附近的钻铤上安装多个超声波探头，通过在钻进过程中不断向井壁发射超声脉冲波并接收来自井壁界面的反射脉冲波，根据反射脉冲波的传播时间和幅度来获取井眼信息。

然而在现有技术中，随钻井径超声测量技术都集成到随钻中子孔隙度或密度测井系统中，并没有形成专门的测量系统。由于随钻中子孔隙度或密度测井系统 的现场服务价格昂贵且维修不便，导致随钻中子孔隙度或密度测井系统的推广度很低，这就限制了随钻井径超声测量技术的应用范围。

因此，为了更加简单方便地实现随钻井径超声测量，需要一种随钻井径超声测量装置。

技术实现要素：

为了更加简单方便地实现随钻井径超声测量，本发明提供了一种随钻井径超声测量装置，所述装置包括承压壳体、用于发射和接收超声脉冲的超声探头、用于产生激励脉冲信号并接收井壁回波信号的密封电子组件以及连接所述超声探头与所述密封电子组件的电气接头，其中：

所述承压壳体与钻铤的凹槽形状对应，其外侧面为圆弧形且内侧面为凹平面，当所述装置被使用时，所述承压壳体镶嵌于所述钻铤的凹槽内，所述承压壳体的外侧面外露，所述承压壳体的内侧面与所述钻铤的凹槽的底面紧密接触；

所述承压壳体内部构造有内空腔、槽孔和电气接口，所述内空腔与所述槽孔之间通过所述电气接口联通；

所述槽孔的底端贯穿所述承压壳体的外侧面形成第一槽孔开口，所述超声探头安装在所述槽孔中且所述超声探头的超声脉冲发射/接收面通过所述第一槽孔开口外露；

所述密封电子组件安装在所述内空腔中，所述电气接头安装在所述电气接口中。

在一实施例中，所述密封电子组件包括：

发射电路，其用于产生所述激励脉冲；

接收电路，其用于接收并调节所述井壁回波信号；

数据采集电路，其用于对所述井壁回波信号进行数字化采集以生成井壁回波数据；

通讯接口电路，其用于实现与地面处理系统的实时通信和数据传输；

系统控制电路，其用于设置产生所述激励脉冲的激励参数以及进行所述数字化采集的采集参数；

电源管理电路，其用于提供所述装置各部分所需的工作电压。

在一实施例中，所述密封电子组件还包括数据处理电路，所述数据处理电路 连接到所述数据采集电路，用于对所述井壁回波数据进行实时处理以生成井眼信息。

在一实施例中，所述密封电子组件还包括数据存储电路，所述数据存储电路与所述数据处理电路相连，用于存储所述井眼信息以及对应的所述井壁回波数据。

在一实施例中，所述内空腔在所述承压壳体的内侧面开口，其中，当所述承压壳体镶嵌于所述钻铤的凹槽内时，所述内空腔的开口被所述钻铤的凹槽的底面遮盖从而保持所述内空腔与所述装置外部间的隔离。

在一实施例中：

所述超声探头为圆柱形，所述超声脉冲发射/接收面与所述超声探头的电极分别位于圆柱形的底面和顶面；

所述槽孔的形状与所述超声探头的形状对应，所述槽孔的顶端与底端分别与所述超声探头的顶面和底面相对，所述槽孔的内侧壁与所述超声探头的侧面紧密接触。

在一实施例中：

所述槽孔的顶端贯穿所述承压壳体的内侧面形成第二槽孔开口；

所述承压壳体还包含用于密封所述第二槽孔开口的槽孔密封盖板。

在一实施例中，所述槽孔密封盖板的下端面与所述超声探头的顶面之间留有空隙，其中：

所述电气接口的内侧壁与所述电气接头紧密接触，所述槽孔与所述内空腔之间密封隔离；

所述承压壳体内还构造有联通所述空隙与所述承压壳体外部的压力调节通道；

所述压力调节通道内构造有用于平衡压力并隔绝所述空隙与所述承压壳体外部的压力平衡活塞。

在一实施例中，所述空隙中被注满油液。

在一实施例中，所述压力调节通道为所述油液注入所述空隙的通道。

与现有技术相比，本发明装置结构简单，安装更换难度低，可以独立实现随钻井径超声测量，具有较高的推广应用价值。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特 征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的随钻井径超声测量装置结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的随钻井径超声测量装置的承压壳体的结构示意图；

图3是根据本发明一实施例的随钻井径超声测量装置的超声探头的结构示意图；

图4是根据本发明一实施例的随钻井径超声测量装置的槽孔密封盖板的结构示意图；

图5是根据本发明一实施例的随钻井径超声测量装置的密封电子组件的系统原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程，以及依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

然而在现有技术中，随钻井径超声测量技术都集成到随钻中子孔隙度或密度测井系统中，并没有形成专门的测量系统。由于随钻中子孔隙度或密度测井系统的现场服务价格昂贵且维修不便，导致随钻中子孔隙度或密度测井系统的推广度很低，这就限制了随钻井径超声测量技术的应用范围。

因此，为了更加简单方便地实现随钻井径超声测量，本发明提出了一种能够便捷地安装在钻铤上的随钻井径超声测量装置。通过同一装置内实现超声波的发射与接收、信号的采集与处理来获取井眼信息，为钻井过程中的井眼稳定性预测 和安全高效钻井提供技术保障。

本发明的装置主要包括承压壳体、用于发射和接收超声脉冲的超声探头、用于产生激励脉冲信号并接收井壁回波信号的密封电子组件以及连接超声探头与密封电子组件的电气接头。

承压壳体与钻铤的凹槽形状对应，当装置被安装时，承压壳体镶嵌于钻铤的凹槽内。承压壳体的一个表面(外侧面)外露(在钻进过程中与钻井液接触)，与外露表面对应的另一个表面(内侧面)与钻铤的凹槽的底面紧密接触。为了不影响钻铤的旋转运动，承压壳体的外侧面为圆弧形。同时为了贴合钻铤的凹槽的底面，承压壳体的内侧面为凹平面。

承压壳体内部构造有内空腔、槽孔以及联通内空腔与槽孔的电气接口。超声探头安装在槽孔中，密封电子组件安装在内空腔中，电气接头安装在电气接口中。槽孔的底端贯穿承压壳体的外侧面形成第一槽孔开口，超声探头的超声脉冲发射/接收面通过第一槽孔开口外露。这样超声探头就可以通过第一槽孔开口发射/接收用于测量的超声脉冲。

具体的，在本发明一实施例中，如图1所示，随钻井径超声测量装置具体包括：承压壳体1、密封电子组件2、超声探头3和电气接头4。密封电子组件2、超声探头3和电气接头4安装在承压壳体1内，电气接头4连接密封电子组件2与超声探头3。

承压壳体1是整个装置的结构框架，其与钻铤的凹槽形状对应。承压壳体1的下表面(外侧面)为圆弧形，上表面(内侧面)为凹平面。当装置被安装在钻铤上时，整个承压壳体1镶嵌于钻铤的凹槽中。下表面与钻铤的外表面平齐，上表面与钻铤的凹槽的底面紧密接触。在钻进过程中，钻铤位于充满钻井液的井眼内，承压壳体1的下表面与井内钻井液直接相接触。

由于通常钻铤的凹槽被构造成长方体，因此在本实施例中承压壳体1为长方壳体构造。进一步的，承压壳体1的边缘坡口切割，有利于井内钻井液沿着承压壳体1外侧面高效流通。在本实施例中，承压壳体1由钢质材料加工制作而成，承压壳体1的长度300～400mm，径向厚度35～45mm，边缘圆心角75～85°。

装置的其他部件均安装在承压壳体内相应的容置空间中，这样保证了装置各部件在高压环境下能够稳定可靠地工作。如图2所示(图2为图1中承压壳体1的结构示意图)，承压壳体1内构造有内空腔11、槽孔12以及电气接口13。

结合图1和图2，超声探头3安装在槽孔12中。槽孔12的底端贯穿承压壳体1的下表面形成第一槽孔开口，超声探头3的超声脉冲发射/接收面通过第一槽孔开口外露。这样超声探头就可以通过第一槽孔开口发射/接收用于测量的超声脉冲。

具体的，在本实施例中，超声探头3为圆柱形，超声探头3的电极与超声脉冲发射/接收面分别位于圆柱形的顶面和底面。槽孔12的顶端与底端分别与超声探头3的顶面和底面相对。即在组装装置时，将超声探头3插入槽孔12，超声探头3的电极位于槽孔12内且与电气接头4连接，超声探头3的超声脉冲发射/接收面通过第一槽孔开口与外部传播介质接触(在钻进过程中与钻井液接触)。

为了避免钻井液接触到位于超声探头3顶面的电极，槽孔12的形状与超声探头3的形状对应，插入槽孔12的超声探头3的侧面与槽孔12的内侧壁紧密接触。进一步的，在超声探头3与承压壳体1的接触面内布置有o型(环形)密封圈15。

进一步的，考虑到随着外部环境温度和压力的变化，钢制的承压壳体1的体积会发生变化(热胀冷缩)。为了避免承压壳体1收缩(槽孔12扩张)导致超声探头3的侧面与槽孔12的内侧壁之间出现空隙以及承压壳体1膨胀(槽孔12收缩)导致超声探头3被压坏，在本实施例中，在构造承压壳体1时在令槽孔12中间段的内径略大于超声探头3外径。这样在安装好超声探头3后，超声探头3的侧面与槽孔12的内侧壁之间存在空隙7(图1所示)。在空隙7内填充有弹性高温硅胶，这样就能在保证密封的前提下消除承压壳体1体积变化产生的影响。

在本发明一实施例中，承压壳体内的槽孔只有底端开口，顶端封闭。这样当超声探头插入槽孔后随着超声探头侧壁与槽孔内侧壁的紧密贴合，超声探头的电极就被密封在槽孔中，从而避免了钻井液接触到电极。但是上述结构并不利于超声探头的安装。首先，为固定超声探头需要在承压壳体外侧面构造固定部件(螺孔)，不可避免的是固定部件会直接接触到钻井液。另外，由于槽孔顶端封闭，因此在超声探头插入槽孔前就需要将超声探头的电极与电气接头连接完毕，这就增加了电气接头布线的复杂程度(例如在一种方案中需要电气接头预留多余的长度)。

为了降低超声探头的安装难度，简化电气接头的布线，在图1和图2所示实施例中，槽孔12的顶端贯穿承压壳体1的上表面形成第二槽孔开口。承压壳体1 还包含用于密封第二槽孔开口的槽孔密封盖板5。

在安装超声探头3的过程中，超声探头3由第二槽孔开口插入槽孔12。这样，插入槽孔12的超声探头3的电极就通过第二槽孔开口外露。在固定好超声探头3后就可以通过第二槽孔开口进行电极与电气接头4的连接操作。当电极与电气接头4完成连接后，将槽孔密封盖板5安装到第二槽孔开口上以避免电极接触钻井液。

具体的，在本实施例中，超声探头3为收发两用型换能器，其既能发射超声脉冲信号，又能接收超声脉冲信号。如图3所示，超声探头3呈小圆柱结构，由压电晶片3a、背衬块3b、保护层3c构成。压电晶片3a上下两面分别焊接有正、负电极引线3d、3e，引线均为高温导线。保护层3c上预设有通孔3f，超声探头3通过通孔3f用螺钉9紧固于承压壳体1上(图1所示)。并且进一步的，第一槽孔开口略小于超声探头3的外径从而卡住超声探头3以避免其向承压壳体1的下表面(外侧面)移动。

在本实施例中，超声探头3的高度15～25mm，直径20～40mm，工作频率200～600khz。

具体的，在本实施例中，槽孔密封盖板5为由钢质材料加工制作而成的圆盘结构。如图4所示，槽孔密封盖板包含上、下两个端面5a、5b。槽孔密封盖板5的直径(端面5a或5b的直径)略小于第二槽孔开口的直径。在承压壳体1上表面构造有形状与端面5b对应的卡槽，卡槽环绕第二槽孔开口并与第二槽孔开口同一圆心。

槽孔密封盖板5安装于槽孔12的顶端(第二槽孔开口)的卡槽内，其上端面5a与承压壳体1的上表面平齐(当承压壳体1镶嵌在钻铤的凹槽内时，端面5a与钻铤中的凹槽底面紧密接触)，其下端面5b的边缘与卡槽紧密接触。密封盖板5的边缘沿着周向方向布置了多个通孔，卡槽底面的相应位置构造有螺孔，螺钉8穿过槽孔密封盖板5的通孔将槽孔密封盖板5紧固于卡槽底面(从而将槽孔密封盖板5固定在承压壳体1中)。

进一步的，在下端面5b的边缘与卡槽底面的接触面上布置有o型密封圈16以防止井内钻井液的流入。在本实施例中，密封盖板5的直径55～65mm，厚度4～6mm。

在本实施例中，为了保证超声探头3的电极与电气接头4的顺利连接，在槽 孔12内预留有空隙6。即当超声探头3和槽孔密封盖板5安装完毕后，在槽孔密封盖板5的下端面与超声探头3的顶面(电极)之间保留有空隙6。

由于空隙6与承压壳体1的外部相互隔离(避免钻井液进入)，如果空隙6内部的压强小于外部压强，外部(钻井液)高压会从超声探头3的底面方向压迫超声探头3从而使得超声探头3有向空隙6移动的趋势。最终压力会完全作用于固定超声探头3的螺钉9上。当承压壳体1长期处于高压环境时，螺钉9会长期承受较大作用力从而造成螺钉9使用寿命的下降，严重时螺钉9会在压力作用下断裂。

为了避免螺钉9承受过大的作用力，在本实施例中，承压壳体1内还构造有联通空隙6与承压壳体1外部的压力调节通道17。在压力调节通道17内构造有用于平衡压力并隔绝空隙6与承压壳体1外部的压力平衡活塞。空隙6中被注满油液。一方面，油液的注入为超声探头3的电极提供了电气绝缘环境；另一方面，油液体积变化可使压力平衡活塞在压力调节通道17内自由移动以调节内外压力的平衡。进一步的，压力平衡活塞中嵌套了两级环形o型密封圈，保证了装置在井下高温高压环境下的密封性。

另外，在本实施例中，在组装装置的过程中，压力调节通道17也做为油液注入空隙6的通道。

电气接头4安装在电气接口13中，电气接口13位于内空腔11与槽孔12之间。电气接口13的内侧壁与电气接头4紧密接触，从而保证槽孔12与内空腔11之间密封隔离。在本实施例中，电气接头为承压密封接线柱，能够耐受环境压力且具有良好的密封绝缘性能；承压密封接线柱将超声探头3的正、负电极引线连接于密封电子组件2中，形成近距离较少引线连接，从而避免了长距离传输噪声的影响，有助于提高信噪比。

密封电子组件2安装在内空腔11中。为了便于密封电子组件2的安装以及更换，在本实施例中，内空腔11呈u型结构，其在承压壳体1的上表面(内侧面)开口。这样就能从开口处方便地放入或取出密封电子组件2。当承压壳体1镶嵌于钻铤的凹槽内时，内空腔11的开口被钻铤的凹槽的底面遮盖，从而保持内空腔11与装置外部间的隔离(避免外部的钻井液进入内空腔11)。

进一步的，在承压壳体1的上表面还构造有o型(环形)密封圈14。密封圈14环绕内空腔11的开口，用于在承压壳体1的上表面与钻铤的凹槽的底面紧 密接触时维持内空腔11的密封性(避免外部的钻井液进入内空腔11)。

密封电子组件2采用导热胶灌封成整体且通过插销18锁定在内空腔11中。插销18的底部紧锁在承压壳体1内。为了避免承压壳体1的强烈振动而引起密封电子组件2的损坏，密封电子组件2与承压壳体1间增加了弹性减振垫19。

在本发明一实施例中，密封电子组件包括发射电路、接收电路、数据采集电路、通讯接口电路、系统控制电路以及电源管理电路。发射电路用于产生激励脉冲；接收电路用于接收并调节井壁回波信号；数据采集电路用于对井壁回波信号进行数字化采集以生成井壁回波数据；系统控制电路用于设置产生激励脉冲的激励参数以及进行数字化采集的采集参数；通讯接口电路用于实现与地面处理系统的实时通信和数据传输；电源管理电路用于提供装置各部分所需的工作电压。

如图5所示，密封电子组件2通过电气接头4连接到超声探头3。密封电子组件2包括发射电路21、接收电路22、系统控制电路25、数据采集电路23以及通讯接口电路24。

系统控制电路25以现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)为核心，是密封电子组件2的控制处理中心。系统控制电路25设置并输出产生激励脉冲的激励参数到发射电路21。发射电路21由一路激励通道构成，其根据激励参数生成并输出激励脉冲。激励脉冲通过电气接头4发送到超声探头3，超声探头3根据激励脉冲生成并发射相应的超声脉冲波。

在本实施例中，在钻进过程中，发射电路21以一定的重复频率激励超声探头3向井内钻井液发射超声脉冲波。同时超声探头3接收从井壁界面反射回来的超声脉冲回波并将接收到的超声脉冲回波调节成相应幅度的井壁回波信号。超声探头3通过电气接头4将井壁回波信号发送到密封电子组件2。

接收电路22进行回波检测，其接收并转发来自超声探头3的井壁回波信号。进一步的，在本实施例中，接收电路22中还构造有滤波放大器221，其对井壁回波信号进行滤波放大处理以提高信号强度并减小噪声干扰。在本实施例中，由于发射电路21和接收电路22采用同一通路进行数据的发射与接收，因此系统控制电路25还负责发射与接收通道参数设置。

系统控制电路25还负责设置并输出进行数字化采集的采集参数。数据采集电路23基于采集参数将接收到的井壁回波信号进行数字化采集以生成井壁回波数据。为了保证测量精度，超声探头3发射的超声脉冲波的主频高、持续时间短。 因此在本实施例中，数据采集电路23选用高速高精度模/数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)，采样频率2mhz，采样精度16bit。

在本实施例中，密封电子组件2中还构造有通讯接口电路24。通讯接口电路24用于实现与地面处理系统10的实时通信和数据传输。其可以将井壁回波数据发送到地面处理系统10。但是由于井壁回波数据并不能直接反映井眼信息，因此在本实施例中，密封电子组件2中还构造有数据处理电路27。数据处理电路27对井壁回波数据进行实时处理与分析，从而获取井眼信息(包括井眼直径和井壁波阻抗信息)。

在本实施例中，数据处理电路27由数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)执行完成，通讯接口电路24将分析获取的井眼信息发送到地面处理系统10。

进一步的，在本实施例中，密封电子组件2中还构造有数据存储电路28。数据存储电路28与数据处理电路27相连，用于存储井眼信息以及对应的井壁回波数据。为了保证测量的分辨率，在本实施例中，数据存储电路28选用大容量非易失闪存(nandflash)，容量2g。

为配合数据处理以及传输，密封电子组件2中还构造有时序控制电路29。时序控制电路29用于控制密封电子组件2中数据处理以及通信的时序。进一步的，在密封电子组件2还利用先进先出(firstinfirstout，fifo)存储器进行数据的缓存。另外，在本实施例中，系统控制电路25还负责数据处理设置、存储设置以及内部控制时序设置。

密封电子组件2中还构造有电源管理电路26。电源管理电路26为采用多节高温锂电池组成的供电系统，其通过对电源开关的控制可以变换到系统各模块所需的工作电压。

本发明的装置将超声探头与密封电子组件集成在同一承压壳体内，不仅具有良好的密封性和耐高压性能，而且可快速方便的装配与拆卸。装置采用自发自收的工作模式，接收的回波信号是经过井内钻井液的吸收与衰减、井壁界面的反射等多种不同物理过程，经过采集、处理与分析这些回波信号可以有效地测量井眼大小和形状，从而可以评价井眼的性质。与现有技术相比，本发明装置结构简单，安装更换难度低，可以独立实现随钻井径超声测量，具有较高的推广应用价值。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明 而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。