本发明主要属于声波速度测量技术领域，具体涉及一种随钻方位声波成像测井装置。
背景技术：
随着油气田钻井规模的不断扩大及科学技术的发展。特别是随钻测井技术的飞速发展，迫切需要当前先进的科学技术在油气田开采中发挥其重要作用。随钻方位声波测井技术是随钻测井技术的方法之一。随钻声波测井实现了在钻井的同时进行声波测井，相对于电缆测井，随钻声波测井获得的数据受钻井液侵入影响小，更能有效的探测井壁地层的岩性、物性和储集层参数。
通过随钻声波测井仪器获得地层纵波和横波速度，能够用于建立孔隙压力梯度和渗透率，评估井眼稳固性，解释岩性变化，检测井眼中流体的流动影响，从而为钻井作业提供重要的地质导向信息。但由于随钻声波测井受钻具噪声、钻井液循环造成和钻铤波的影响，以及由于钻井工作环境的特殊性，使得随钻声波测井的实现要比电缆测井技术复杂得多。
如何有效的实现发射声系的功能匹配，提高发射能量；如何提高接收换能器的接收灵敏度，提高信号接收的信噪比；研制针对单级子、偶极子、四极子和偏极子均有效的钻铤直达波隔声技术；成为随钻声波仪器研发的重点。
在现有技术中，随钻声波测井仪器通常采用单极子工作模式、偶极子工作模型、以及单极子、偶极子和四极子三种工作模式。
但是，现有技术中，采用单极子测井无法在软底层得到横波信息，无法获得地层斯通利波信息。现有技术中采用偶极子工作模型时，内外刻槽的方式无法有效实现钻铤波中弯曲波的传播，从而导致偶极子声波与钻铤波交叠，接收到的信号信噪比极低，从而导致测量不准确。并且，将偶极子声波仪器被广泛应用到电缆测井当中，在随钻测井方面由于偶极子声波为弯曲波，与钻铤波易交叠，造成对偶极子声波的干扰，无法准确测量到地层信息，对于偶极子声波如何实现对钻铤波的有效隔声是仪器设计的关键。cn104806234a涉及一种四极子随钻声波仪器，它采用陶瓷片堆叠式的发射换能器及接收换能器，发射换能器及接收换能器均为圆柱形，90度分布均布于钻铤上，隔声体方面采用内、外刻槽的方式进行钻铤隔声，该随钻装置具备单极子、偶极子和四极子工作模式。但由于其采用单极子为高频信号、四极子声波为低频信号，其采用同一套换能器进行声波信号的激发，由于换能器的固有频率属性，注定有一个信号能量很弱，接收换能器很难接收到有用的声波信号。
技术实现要素：
针对上述技术问题，本发明的一个目的是提供一种随钻方位声波成像测井装置，该随钻方位声波测井装置采用两组发射换能器进行多极子模式波的激发，一组为高频单极子及偏极子发射换能器，一组为低频偶极子及四极子发射换能器，采用双列发射方案实现高频发射状态与低频发射状态的分离，并且每一组发射换能器均工作在换能器谐振点，从而大大提高发射能量，同时发射换能器采用瓦片式的结构，辐射面积更大。
本发明另一目的是提供一种随钻方位声波成像测井装置，该随钻方位声波测井装置的隔声体采用内刻槽+内变径+钨棒的组合隔声方式，有效实现对单极子、四极子、偏极子和偶极子钻铤波的隔声。
本发明另一目的是提供一种随钻方位声波成像测井装置，该随钻方位声波测井装置具有高灵敏度的接收换能器实现信号接收。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种随钻方位声波成像测井装置，所述装置包括钻铤、设置于所述钻铤上的发射换能器和接收换能器、设置于所述发射换能器和所述接收换能器之间的隔声体，所述发射换能器包括低频发射换能器和高频发射换能器两组发射换能器，所述低频发射换能器和所述高频发射换能器均工作在换能器谐振点，以提高发射能量；
所述低频发射换能器和所述高频发射换能器用于进行多极子模式波的激发，所述低频发射换能器采用偶极子和四极子工作模式，所述高频发射换能器采用单极子和偏极子工作模式，通过采用双列发射实现高频发射状态与低频发射状态的分离。
进一步地，所述低频发射换能器的谐振点为2-5khz，所述高频发射换能器的谐振点为10-15khz；并通过匹配电路使高频及低频换能器均工作在换能器的谐振频点，以此获得最大的发射能量，有效提高接收换能器接收到的声波信号的信噪比。单极子及偏极子声波信号采用10-15khz高频信号发射，偶极子和四极子采用2-5khz低频信号发射的技术效果为：不同的工作模式都希望能够获得最大的发射能量，从而提高接收换能器接收到的信号的信噪比，而发射换能器在压制成型后其共振频率一定，即每种换能器只在一个频率点会随着激发信号产生共振，在谐振频点可获得该发射换能器的最大发射能量，在其他频率点由于不能引起换能器共振从而导致发射能量较弱。本发明根据换能器的这个特性采用两种不同共振点频率的换能器，即共振频率分别为10-15khz和2-5khz的换能器进行不同信号的激发，从而获得发射换能器的最大发射能量，提高不同工作模式声波信号的信噪比。
所述低频发射换能器和所述高频发射换能器均采用瓦片式的结构，以增大辐射面积。
进一步地，在所述装置的信号发射一端，还包括发射电路集成单元、与所述发射电路集成单元连接的发射端电连接插件、第一电连接线、第二电连接线；所述发射端电连接插件用于实现电连接。
所述发射电路集成单元安装于所述钻铤内部的，包括供电电池、发射集成电路、升压模块。发射集成电路产生换能器的激发信号，并通过升压模块把电压放大。所述低频发射换能器通过所述第一电连接线以及所述发射端电连接插件与所述发射电路集成单元连接；
所述高频发射换能器通过所述第二电连接线以及所述发射端电连接插件与所述发射电路集成单元连接；
在所述低频发射换能器和所述高频发射换能器分别通过低频发射换能器压盖和高频发射换能器压盖固定于所述钻铤外壁。
进一步地在所述装置的信号接收一端，还包括接收电路集成单元、与所述接收电路集成单元连接的接收端电连接插件，接收端电连接插件用于实现电连接；
所述接收换能器通过第三电连接线以及所述接收端电连接插件与所述接收电路集成单元连接；
所述接收换能器通过接收换能器压盖固定于钻铤外壁。
进一步地，所述接收换能器是通过将多个陶瓷片直接封装到长条形支架上制备而成，在所述长条形支架上设置信号前置放大电路模块，实现接收到的信号的及时放大，整个长条形支架通过液压平衡装置灌封或者橡胶灌封已实现内外压力的平衡。该长条形支架封装在矩形波纹管中，矩形波纹管三面封装有减振橡胶，另一面为变形面，在安装到钻铤上后与泥浆接触，随外部压力变化而变形，实现内外压力平衡，可有效实现声波信号的接收。
其中，整个长条形支架通过液压平衡装置灌封或者橡胶灌封能够实现使陶瓷片处于自由状态进行振动，使其振动强度比被环氧树脂材料包裹住的陶瓷片大，即实现接收到的信号强度高。
并且，将前置放大电路模块设置在所述长条形支架上，能够近距离将接收到的信号放大后再传给所述接收电路集成单元，可以提高有用信号的信噪比，如果不进行前置放大，那信号传输过程中还会受到干扰，造成信噪比降低。进一步地所述装置还包括贯穿所述隔声体的走线杆，所述走线杆的外表面刻槽，且所述走线杆的一端与所述发射电路集成单元连接，另一端与所述接收电路集成单元连接。
进一步地，所述隔声体用于实现单极子、四极子、偏极子和偶极子钻铤波的隔声；
所述隔声体采用内刻槽+内变径+硬质合金棒体的组合隔声模式；通过在隔声体上增加硬质合金棒体，增加隔声体的配重，从而实现钻铤弯曲模式波的有效隔声，通过增加硬质合金配重及漫散射原理实现钻铤直达波的有效隔声。
所述隔声体的结构具体为：所述隔声体包括内壁具有刻槽的钻铤、镶嵌在钻铤外壁的硬质合金棒体，钻铤内壁的刻槽包括内变径结构槽和直径及宽度不变的内刻槽，所述内变径结构槽设置于所述隔声体靠近接收换能器的一端，且所述内变径结构槽数量为2-4个，沿着发射换能器到接收换能器的方向，内变径结构槽的直径依次呈等差数列增大。优选的，直径最大的内变径结构的直径与所述内刻槽的直径相同，每个所述内变径结构槽的宽度为所述内刻槽宽度的3倍；并且隔声体部分对应的钻铤内部从发射端到接收端依次设置9-10个内刻槽结构。
隔声体的内刻槽结构能够有效压制钻铤中传递的纵波（噪声信号），该钻铤直达波对单极子信号的采集影响较大；内变径结构通过拓宽钻铤隔声阻带的方式，同样能够有效压制在钻铤中传递的纵波（噪声），内变径结构的隔声原理：每种直径的槽仅能有效压制一个频率的信号，通过不同直径槽的组合，可以将压制钻铤直达波信号的频率拓宽；而钻铤外壁镶嵌硬质合金尤其是钨棒能够通过增加配重的方式有限压制钻铤中传递的横波信号（噪声信号），该信号对偶极子及偏极子信号的采集影响较大。通过内刻槽+内变径+硬质合金棒体的组合隔声模式，能够有效压制钻铤中传递的纵波及横波等钻铤直达波。
进一步地，在所述具有内部刻槽的钻铤外壁上镶嵌的硬质合金棒体包括大外径圆柱状硬质合金棒体和小外径圆柱状硬质合金棒体；所述大外径圆柱状硬质合金棒体的镶嵌位置为非刻槽位置，且每4个所述大外径圆柱状硬质合金棒体为一组在钻铤外壁的径向上均匀分布；所述小外径圆柱状硬质合金棒体的镶嵌位置为刻槽位置，且每4个所述小外径圆柱状硬质合金棒体为一组在钻铤外壁的径向上均匀分布；通过硬质合金棒体的规则分布，使沿钻铤传递的纵波，遇到钨棒后会被反射回来。内部刻槽和变径也是基于沿钻铤传递的纵波遇到钻铤截面变化就会把波反射回来的原理实现的隔声。本发明提供的隔声体通过内刻槽+内变径+钨棒的组合隔声模式能够实现很好的隔声效果。所述硬质合金棒体优选采用钨棒，因为：钨是密度比较高的材料，硬度也大，实现工艺也简单，只需要将钨合金镶嵌到钻铤上即可。其他硬质合金yg3、yg6、yg8也比较适合做镶嵌材料，但是普通硬质合金的密度没有钨大，做配重钨是比较合适的材料。配重越大，横波（弯曲波）在钻铤中传播时受到的压制越严重，越能达到压制钻铤波的效果。
进一步地，所述大外径圆柱体钨棒的外径为25-40mm，长度为25-30mm；所述小外径圆柱体钨棒的外径为10-15mm，长度为5-8mm
本发明的有益技术效果：
本发明提供的随钻方位声波成像测井装置能够测量地层纵波、横波及斯通利波声速和衰减等参数，并实现地层方位信息的测量。进而获得地层岩性、孔隙度等参数，并进行井眼过压预警。
本发明提供的随钻方位声波成像测井装置采用两组发射换能器进行多极子模式波的激发，一组为高频单极子及偏极子发射换能器，一组为低频偶极子及四极子发射换能器，采用双列发射方案实现高频发射状态与低频发射状态的分离，并且每一组发射换能器均工作在换能器谐振点，以此获得最大的发射能量，进而有效提高接收换能器接收到的声波信号的信噪比；同时发射换能器采用瓦片式的结构，辐射面积更大。
接收换能器方面采过一种高灵敏度的接收换能器实现信号接收，该种接收换能器将6个或8个陶瓷片直接封装到电路板上，电路板设计信号前置放大电路，实现接收到的信号的及时放大，整个电路板封装在长条装的液压平衡结构中，可有效实现信号的接收。
附图说明
图1本发明实施例中随钻方位声波成像测井装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中低频发射换能器和高频发射换能器两组发射换能器结构示意图；
图3为本发明实施例中接收换能器结构示意图；
图4a为本发明实施例中隔声体外形结构示意图；
图4b为本发明实施例中隔声体剖面结构示意图。
附图说明：
1.钻铤；2.发射电路集成单元；3-1.发射端电连接插件；3-2.接收端电连接插件；4-1.第一电连接线；4-2.第二电连接线；4-3.第三电连接线；5.低频发射换能器；6.低频发射换能器压盖；7.高频发射换能器；8.高频发射换能器压盖；9.隔声体；9-1.内刻槽；9-2.内变径结构槽；10钨棒；11.走线杆；12.接收换能器；13.接收电路集成单元；14.接收换能器压盖。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
本实施例提供一种随钻方位声波成像测井装置，如图1所示，所述装置包括钻铤1、设置于所述钻铤1上的发射换能器和接收换能器12、设置于所述发射换能器和所述接收换能器12之间的隔声体9。
所述发射换能器包括低频发射换能器5和高频发射换能器7两组发射换能器，用于进行多极子模式波的激发，以提高发射能量；
所述低频发射换能器5采用偶极子和四极子工作模式，所述高频发射换能器7采用单极子和偏极子工作模式，通过采用双列发射实现高频发射状态与低频发射状态的分离。优选地，低频发射换能器5和高频发射换能器7均由四个分别为90°的弧形陶瓷瓦片经环氧树脂及橡胶灌封而成。
在所述低频发射换能器5和所述高频发射换能器7分别通过低频发射换能器压盖6和高频发射换能器压盖8固定于所述钻铤外壁。低频发射换能器压盖6和高频发射换能器压盖8同样由4个分别为90°的弧形金属盖组成（如图2所示）。
所述低频发射换能器5和所述高频发射换能器7均工作在换能器谐振点，以提高发射能量；所述低频发射换能器5的谐振点为2-5khz，所述高频发射换能器7的谐振点为10-15khz；
所述低频发射换能器5和所述高频发射换能器7均采用瓦片式的结构，以增大辐射面积。
在所述装置的信号发射一端，还包括发射电路集成单元2、与所述发射电路集成单元2连接的发射端电连接插件3-1、第一电连接线4-1、第二电连接线4-2；
所述低频发射换能器5通过所述第一电连接线4-1以及所述发射端电连接插件3-1与所述发射电路集成单元2连接；
所述高频发射换能器7通过所述第二电连接线4-2以及所述发射端电连接插件3-1与所述发射电路集成单元2连接；
在所述装置的信号接收一端，还包括接收电路集成单元13、与所述接收电路集成单元连接的接收端电连接插件3-2、第三电连接线4-3；所述接收换能器12通过第三电连接线4-3以及所述接收端电连接插件3-2与所述接收电路集成单元13连接；所述接收换能器12通过接收换能器压盖14固定于钻铤外壁。
所述接收换能器12是通过将多个陶瓷片（在本实施例中，陶瓷片的数量为6个或8个，陶瓷片间距6英寸或8英寸）直接封装到电路板上制备而成，在所述电路板上设置信号前置放大电路，实现接收到的信号的及时放大，整个电路板封装在液压平衡结构中，可有效实现声波信号的接收。
所述装置还包括贯穿所述隔声体9的走线杆11，所述走线杆11的外表面刻槽，且所述走线杆11的一端与所述发射电路集成单元2连接，另一端与所述接收电路集成单元13连接。
所述隔声体9用于实现单极子、四极子、偏极子和偶极子钻铤波的隔声；所述隔声体采用内刻槽+内变径+钨棒的组合隔声模式（如图4a-4b所示）；所述隔声体的结构具体为：所述隔声体的结构具体为：所述隔声体包括内壁具有刻槽的钻铤、镶嵌在钻铤外壁的硬质合金棒体10，钻铤内壁的刻槽包括内变径结构槽9-2和直径及宽度不变的内刻槽9-1，所述内变径结构槽9-2设置于所述隔声体靠近接收换能器12的一端，在本实施例中所述内变径结构槽数量为2个，沿着发射换能器到接收换能器的方向，内变径结构槽的直径依次增大，呈二级等差数列增大方式。直径最大的内变径结构的直径与所述内刻槽的直径相同，每个所述内变径结构槽的宽度为所述内刻槽宽度的3倍。
在所述具有内部刻槽的钻铤外壁上镶嵌的钨棒包括大外径圆柱体钨棒和小外径圆柱体钨棒；所述大外径圆柱体钨棒的镶嵌位置为非刻槽位置，且每4个所述大外径圆柱体钨棒为一组在钻铤外壁的径向上均匀分布；所述小外径圆柱体钨棒的镶嵌位置为刻槽位置，且每4个所述小外径圆柱体钨棒为一组在钻铤外壁的径向上均匀分布；
所述大外径圆柱体钨棒的外径为25-40mm，长度为25-30mm；所述小外径圆柱体钨棒的外径为10-15mm，长度为5-8mm。
该装置采用双列发射换能器设置，因为四极子及偶极子随钻声波信号比单极子及偏极子声波信号衰减严重，所以四极子及偶极子声波信号发射采用低频发射换能器，单极子及偏极子声波信号发射采用高频发射换能器。接收装置为4个成90°分布的换能器封装装置。该随钻方位声波成像测井装置工作时，由两列发射换能器产生的声源信号经地层传播，并经接收换能器封装装置中的接收换能器接收，通过提取地层时差，实现对地层信息的测量。
以下分别为采用偶极子、四极子、单极子和偏极子四种工作模式的工作方法：
该装置作采用四极子工作模式时，该装置上设置的4个低频发射换能器独立工作，通过发射电路集成单元输出信号使180°相对的两个发射换能器瓦片通正脉冲，另外一组180°相对的两个发射换能器瓦片通负脉冲，从而完成四极子声波信号发射；四极子工作模式下由发射电路集成单元控制的接收换能器控制信号经穿线杆传递到接收电路集成单元，使4个方向的接收换能器均工作。四极子模式波一部分经钻井液折射进入地层，在地层中传播，然后达到接收端，由接收换能器接收，由此根据声波在地层中传播的时间计算地层横波传播速度；另一部分经过钻铤传递到接收端，即钻铤直达波（噪声信号），该部分信号同样会被接收换能器接收，形成干扰信号。
采用偶极子工作模式时，通过发射电路集成单元输出信号使2个180度相对的低频发射换能器工作，但其工作方式为一个通正脉冲，一个通负脉冲，另外两个180度分布的低能发射换能器瓦片不工作，从而完成偶极子声波信号发射；偶极子模式下发射电路集成单元控制的接收换能器控制信号经穿线杆传递到接收电路集成单元使与工作的两个发射换能器方向一致的接收换能器工作。偶极子模式波一部分经钻井液折射进入地层，在地层中传播，然后达到接收端，由接收换能器接收，由此根据声波在地层中传播的时间计算地层横波传播速度；另一部分经过钻铤传递到接收端，即钻铤直达波（噪声信号），该部分信号同样会被接收换能器接收，形成干扰信号。
采用单极子工作时，通过发射电路集成单元输出信号使4个高频发射换能器均工作，且同时通正脉冲，完成高频单极子信号发射；单极子工作模式下，发射电路集成单元控制的接收换能器控制信号经穿线杆传递到接收电路集成单元仅使1个方向的接收换能器工作，从而完成地层纵波及斯通利波速度的测量。单极子模式波一部分经钻井液折射进入地层，在地层中传播，然后达到接收端，由接收换能器接收，由此根据声波在地层中传播的时间计算地层纵波及斯通利波传播速度；另一部分经过钻铤传递到接收端，即钻铤直达波（噪声信号），该部分信号同样会被接收换能器接收，形成干扰信号。
采用偏极子工作时，通过发射电路集成单元输出信号使1个高频发射换能器工作，通正脉冲，完成高频偏极子信号发射；偏极子工作模式下，发射电路集成单元控制的接收换能器控制信号经穿线杆传递到接收电路集成单元使与工作的发射换能器同向的接收换能器工作。
偏极子模式波一部分经钻井液折射进入偏极子换能器对应的方向的地层，在该地层中传播，然后达到接收端，由与偏极子发射换能器同向的接收换能器接收，由此根据声波在该方向地层中传播的时间计算该方向的地层声波传播速度，通常将360°的井周分为8个或16个扇区，从而计算每一个扇区对应的地层声波传播速度；另一部分经过钻铤传递到接收端，即钻铤直达波（噪声信号），该部分信号同样会被接收换能器接收，形成干扰信号。该种工作模式可用于随钻方位声波成像测试。该装置在工作时，由两组换能器产生的声源信号会耦合到钻铤上，即声波信号会沿钻铤传播，而沿钻铤传播的这部份声波信号为干扰信号，需尽可能的压制。而刻槽+变径+钨棒的组合隔声方式，可有效实现钻铤波的压制。