一种利用声波测量地层密度方法及其探测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属石油工程测井施工中裸眼井地层物理参数测量和岩性含油评价的专用 仪器技术领域尤其涉及一种利用声波测量地层密度的方法及其测量装置。
【背景技术】
[0002] 在石油勘探和开发的过程中，对地层密度的测量是评价地层孔隙度的重要参数。 过去用放射性方法，测量电子俘获截面获得地层的密度，需要剂量比较大的伽马源，对人体 和环境均有比较大的伤害。并且测量仪器必须被推靠到井壁，在井眼变化比较大的井段工 程施工难度和风险均比较大。测量结果受贴井壁影响，测量误差比较大。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用声波测量地层密度的方法及测量 装置，该方法通过超声波对地层密度进行测量，避免了放射源对人体伤害和对环境的伤害； 不用推靠器，提高了施工安全、降低了施工风险，保证了工作质量。
[0004] 为解决现有技术中存在的问题，本发明采用如下技术方案：一种利用声波测量地 层密度的方法，包括如下步骤：第一，将水平探头置于井内，垂直井壁入射超声波，超声波在 井壁发生垂直反射，通过获得的入射波和反射波计算反射系数；第二，对步骤一中测量的波 形进行傅里叶变换FFT获得其频谱，选取其中的极大值，利用频谱的极大值计算反射系数 的值；第三，根据步骤一中的反射系数或步骤二中频谱的极大值获得的反射波系数，通过本 发明提供的近似线性图版计算出地层的密度。
[0005] 所述反射系娄
[0006] 其中，Z为所测量地层的波阻抗性，Z。为井内液体的波阻抗。
[0007] 所述波阻抗Z=PV，其中P为地层的密度，V为地层的纵波速度。
[0008] 所述井内液体的波阻抗&=PfVf，Pf为液体的密度有关，Vf为液体的纵波速度。
[0009] 所述的反射系数R不仅仅是地层密度P的函数，还是地层声速V的函数，并且地 层密度和声速具有相关关系。砂岩或石灰岩图版就是利用该相关关系，构建了砂岩地层密 度与反射系数R之间的接近线性关系，或者说，利用砂岩本身的密度与声速的关联关系综 合了弹性模量的影响，获得了砂岩地层密度P改变时，其对应的垂直反射系数R的变化，见 图1，这样，我们便可以用所测量的反射系数直接通过砂岩本身的特性图版图1刻度成砂岩 的密度。石灰岩测量时，需要用石灰岩的相应图版进行转换。
[0010] 为解决现有技术存在的问题，本发明的方法还可以通过如下装置进行实现：
[0011] -种利用声波测量地层密度的探测装置，包括探测仪，所述探测仪端部水平设有 超声探头，其中包括将电冲击转换为超声振动的压电片和接收反射波的一个压电单元。
[0012] 所述压电片的半径小于压电单元，压电片设置在所述压电单元的内部。
[0013] 所述压电片的半径小于压电单元，压电片设置在所述压电单元的外部。
[0014] 所述压电单元由两个内径尺寸不同的压电环构成。
[0015] 所述超声探头为自发自收信号的压电片和压电环构成。
[0016] 所述压电环的内径均大于所述压电片的内径。
[0017] 有益效果：1、通过超声波的反射直接测量砂岩地层的密度，获得密度孔隙度测井 资料，不需要再使用放射性源测量地层密度，保护了环境和人体健康。2、不需要将仪器推靠 到井壁，施工安全性提高，工程施工的风险减小。3、可以对整个井壁进行扫描测量，获得井 壁密度的图像。4、调整发射频率，可以实现不同径向探测深度的地层密度测量。5、该方法 可以在裸眼井和套管井中实施。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的砂岩图版，即一种利用声波测量地层密度的方法中反射系数与地 层密度的相关图。
[0019] 图2是本发明一种利用声波测量地层密度的探测装置优选结构截面图。
[0020] 图3是本发明一种利用声波测量地层密度的探测装置另一种优选结构截面图。
【具体实施方式】：
[0021] 下面结合附图对本发明作进一步详细地说明：
[0022] 本发明提供一种利用声波测量地层密度的方法，包括如下步骤：第一，将水平探头 置于井内，垂直井壁入射超声波到地层，通过获得的入射波和反射波计算反射系数；第二， 对步骤一中测量的波形进行傅里叶变换（FFT)获得其频谱，选取其中的极大值，利用频谱 计算反射系数的变化值，第三，根据步骤一中的反射系数或步骤二中频谱的极大值获得反 射系数，通过线性分析计算出地层的密度。
[0023] 所述反射系数
其中，Z为所测量地层的波阻抗性，Z。为井内液体的波 阻抗。所述波阻抗Z=PV，其中P为地层的密度，V为地层的纵波速度。所述井内液体的 波阻抗&=PfVf，Pf为井内液体的密度有关，Vf为井内液体的纵波速度。所测量的反射 系数是地层密度及其纵波速度、井内液体的密度及其纵波速度的综合结果。
[0024] 本发明方法主要针对砂岩储集层，其密度改变会导致孔隙度变化，相应地其声速 也会发生变化，将砂岩储集层特有的声速随孔隙度的变化规律（威利公式或更精确的非线 性公式如瑞曼公式等）代入反射系数计算公式以后发现：反射系数随地层密度的变化规律 是一单调变换曲线，接近直线，如图1清楚示出。即，砂岩地层的广义反射系数随地层密度 近似线性变化，这样，我们直接测量反射波幅度即可获得砂岩地层的密度。而砂岩地层是最 主要的储集层，是测井主要测量的目的层。因此，用垂直超声方法可以测量到砂岩地层的密 度。
[0025] 本发明方法直接利用了反射波幅度中的地层密度信息。对于砂岩地层，所测量的 密度比较准确。所测量的物理量是幅度，经过处理以后获得的参数是地层的密度，没有弹性 模量的耦合特征。或者说，地层弹性模量的影响综合到了反射系数与地层密度的图版中。
[0026] 我们再进一步分析图1，垂直入射的超声波，其反射系数与砂岩地层的密度近似成 线性关系，该关系综合了砂岩地层的弹性模量影响，是砂岩密度与反射系数之间的单值关 系，砂岩地层密度改变，相应地其反射系数随之改变，接收到的反射波幅度和相位也改变。 测量到反射波，并将幅度转换为反射系数后经过刻度刻度和标定，即利用图1所示的转换 关系获得砂岩地层的密度。该密度是通过超声反射波的反射系数，用反射波幅度表现的。
[0027] 在石油工程中，主要依据砂岩地层的密度计算其孔隙体