一种偶极子声波测井仪的制作方法
【专利摘要】本发明一种偶极子声波测井仪,涉及一种勘探技术设备，特别是石油勘探方面的测井设备。包括发射电路、发射换能器、接收换能器、隔声体、声波信号采集电路及声波信号处理电路，所述发射电路激发发射换能器发射声波；所述接收换能器接收到沿井壁传播的声波；声波信号采集电路采集上述声波后传输至声波信号处理电路进行分析；所述隔声体由隔声体连接块及隔声体连接本体组成；所述发射换能器为正交偶极子矢量换能器，由两个指向性相互垂直的两组矢量换能器组成两个测量通道，一个为Ｘ向通道，一个为Ｙ向通道，两个测量通道在周向上互相垂直。本发明的有益效果在于：1、气层识别：纵波在气层段时差变大，但是横波的时差却变化极小，因而根据纵横波速比VP/VS可以探测气层。
【专利说明】一种偶极子声波测井仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种勘探技术设备，特别是石油勘探方面的测井设备。
【背景技术】
[0002]传统的声波仪器主要利用声波沿井壁的传播特性来测量地层的孔隙度，但实际上回波中含有丰富的地层信息并没有被利用。纵波、横波、斯通利波的到时和幅度等信息，无不与地层岩性、孔隙、渗透性息息相关。此外，通过声波还可以获取地层应力方向等一些地层机械特性参数，可用于指导钻井。目前发展起来的偶极子和多极子声波测井具有一次下井获取的地层信息丰富，具备多种测量方式的特点，而且很好地解决了软地层中声波的测量等问题，成长为新一代声波侧井仪。目前国外已经推出了成功的仪器，国内花高价进口了少量该型仪器，但是由于仪器价高，测井成本高，仪器测井应用难以推广。在国内虽已进行多年研究与开发，但还未推出成熟的该类仪器。因此，开发成功该仪器不仅能打破国外对该类仪器的垄断，降低该型仪器的进口成本，还能满足国内日益增长的该类仪器需求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于:
[0004]1、采用单极全向发射换能器与正交矢量偶极声源换能器向地层发射低频声波，激发低频井孔挠曲波(弯曲波模)。
[0005]2、通过8X4正交分布的偶极声波接收器测量回波，求得纵波与横波波速。
[0006]3、多种发射频率选择以适应不同地层，多通道全波列采样、实时DSP数字处理提取波形信息。
[0007]4、采用隔声体置于发射换能器与接收换能器之间，用于隔离沿仪器外壳传播的直达波，避开系统噪声对测量的影响。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]一种偶极子声波测井仪，包括发射电路、发射换能器、接收换能器、隔声体、声波信号采集电路及声波信号处理电路，所述发射电路激发发射换能器发射声波；所述接收换能器接收到沿井壁传播的声波；声波信号采集电路采集上述声波后传输至声波信号处理电路进行分析；所述隔声体由隔声体连接块及隔声体连接本体组成；其特征在于:
[0010]所述发射换能器为正交偶极子矢量换能器，由两个指向性相互垂直的两组矢量换能器组成两个测量通道，一个为X向通道，一个为Y向通道，两个测量通道在周向上互相垂直。
[0011]进一步的，所述正交偶极子矢量换能器采用线性功率放大驱动换能器进行受迫振动。
[0012]进一步的，所述接收换能器采用8换能器接收阵列，由8个接收环组成，每个接收环由4个在周向上成90°分布的三叠片偶极接收换能器组成，相邻两个接收环之间的间距为6英寸。[0013]进一步的，所述声波信号采集电路具有32个独立的接收采集通道，所述采集电路对每片接收换能器信号均进行数字采集；在偶极发射时，采集电路将32道接收波形数字化后上传至声波信号处理电路。
[0014]进一步的，所述声波信号处理电路包括X向信号处理模块和Y信号处理模块组成；所述X向信号处理模块由一个信号相减电路将相同接收环上两个X接收信号进行相减得到该环X方向的接收波形；所述Y向信号处理模块由一个信号相减电路将相同接收环上两个Y接收信号进行相减得到该环Y方向的接收波形。
[0015]进一步的，所述测井仪还包括一单极声源，采用圆环压电陶瓷发射换能器；所述单极声源与正交偶极子矢量换能器声源共用8换能器接收阵列。
[0016]进一步的，所述测井仪单极源距:8英尺；偶极源距:9英尺。
[0017]进一步的，所述测井仪的单极发射源的工作主频为8kHz，偶极发射源工作频率包括 1.2kHz、1.5kHz 及 2.2kHz 三种频率。
[0018]进一步的，所述测井仪采集的基本周期为ls，在一个采集周期内仪器进行单极采集、偶极X采集与偶极Y采集各一次，仪器采集次序为单极一偶极X —偶极Y，相邻两个采集次序为100ms。
[0019]进一步的，所述信号处理电路还包括:提供实时曲线:单极纵波慢度，偶极X横波慢度与偶极Y横波慢度，及三条曲线的质量监控图；
[0020]以及精细后处理曲线:单极纵波、横波、斯通利波波速；泊松比及地层地应力的各向异性。
[0021]本发明的有益效果在于:
[0022]1、气层识别:纵波在气层段时差变大，但是横波的时差却变化极小，因而根据纵横波速比VP/VS可以探测气层；
[0023]2、天然裂缝的探测与评价；
[0024]3、指示渗透层；
[0025]4、判断地层的各向异性:正交偶极子发射器向地层沿两垂直方向发射压力脉冲，偶极接收换能器接收此方式下地层中传播的横波波形。若地层均质，则X — X和Y — Y波形同时到达接收器，即具有相同的传播时间和传播相位，有Ats(x_x) = Ats(Y_Y)。否则，应有一定的时间与相位差，因而可以判定地层的各向异性。此外，横波资料还可用来计算一个区块的最大主应力方向及裂缝走向，这对于打水平井的水平走向选择有很大参考作用。在井轴方向与最大主应力方向平行时，井眼垮塌最小；
[0026]5、岩石机械特性:岩石强度、地应力、岩石的断裂机理是岩石机械特性方面的三个很重要的概念。利用这三个概念可以解释和预测地层什么时间、什么地方、为什么及怎样发生破裂。因而在出砂分析，水力压裂完井时水裂缝高度的确定，选用合适的泥浆压力以保证井眼稳定等都要知道上述几方面的参数数据。通过正交偶极子声波测井资料及体积密度可计算出地层条件下的岩石模量Kb、体积压缩系数Cb、岩石骨架压缩系数Cr和Biot弹性参数a。通过这些弹性模量可以很容易地确定岩石的强度、地应力等参数。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图la、b、c分别为单极子、偶极子和四极子声源产生压力波的方向图。[0028]图2a为常规声波测井仪产生的波模，图2b为非对称声源产生的弯曲波模。
[0029]图3为正交偶极子换能器构成及接线示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的阐述。
[0031]偶极子声波测井测量地层横波波速的理论基础是在井孔声场中挠曲波在频率足够低时(井孔中频率大约为Ik?4kHz)具有波速与地层横波速度相近的特性。因此，偶极子声波测井采用偶极声源来激发低频井孔挠曲波(弯曲波模)，通过测量挠曲波的波速得到横波波速。
[0032]偶极子声波测井采用偶极子发射换能器激励出井场中的弯曲波模。图1为单极子、偶极子和四极子声源产生压力波的方向。图2中a为常规声波测井仪产生的波模，b为非对称声源产生的弯曲波模。
[0033]偶极子声波测井与常规声波测井的最大不同点在于激发声源的不同，偶极子声波声源采用的是矢量换能器，常规声波采用的是全向换能器。由于矢量换能器具有一定的指向性，激发出的声源存在一定的盲区，因此在一些新一代的偶极子仪器中推出了交叉偶极子或多极子。正交偶极子与多极子的声源采用两个指向性相互垂直的两组矢量换能器组成，接收换能器也采用相同结构，因此，这种构成在测量上形成了两个测量通道，一个为X向通道，一个为Y向通道。两个测量通道在周向上互相垂直。发射与接收换能器在结构上呈口字形(见图3)。通过这种换能器组合，不仅使得测量盲区大大减小，同时，也使仪器在周向上也具有了一定的分辨能力，使仪器具备了地层各向异性的检测功能。
[0034]Z0SC-1B正交偶极子声波测井器的偶极子声源采用了线性功率放大驱动换能器进行受迫振动，取代了常规的脉冲放电激励源，该方式降低了仪器的工作频率，从而降低了声波在井内的传播衰减，同时也使得在横波测井中减少了后期数据处理。其发射频率的频谱比较单纯，有利于抑制转换纵波的产生，从而提高测量精度。其次，该激励方式的激励频率可调范围大，在不同地层及不同井径井眼中的适应性更强。
[0035]在单极与偶极声波信号的采集上，参照国外其他类型的偶极声波仪器采用的8换能器接收阵列，Z0SC-1B正交偶极子声波测井仪也采用了 8接收换能器的接收阵列，这能够减少测量误差，同时，为简化电路设计，接收阵列采用了单极与偶极共用口字型接收换能器的方案。采用了井下高速数据采集方式减少了环境噪声对声波信号的传输过程的干扰。
[0036]偶极子声波信号在采集并上传到地面以后需要进行众多处理才能得到地层横波波速。这些处理包括换能器的匹配误差处理，井眼校正，地层快、慢横波处理。多炮点井眼垮塌校正、精细STC相关处理，斯通利波渗透率反演处理。
[0037]在仪器的总体布局上，整个仪器采用下发上收方式工作。仪器总共由5段组成，由上至下分别为:主电子线路、接收声系、隔声体、发射声系与发射电子线路。
[0038]项目主要关键技术主要包括偶极发射与接收换能器的设计；高温、高电压、大电流发射电路的设计；高温、高速、多通道声波信号采集电路的设计；高温、高速率接口电路的设计；高温高压复杂机械结构设计；复杂声场情况下信号处理以及仪器声系与换能器的测试技术。
[0039]本发明声系采用单发8收结构。仪器提供两种声源:单极声源与两个成交叉布置的偶极声源。单极发射源采用圆环压电陶瓷发射换能器；偶极X与偶极Y发射源位于相同深度点上，均采用压电三叠片弯曲振动发射换能器；偶极X与偶极Y声源均由两片相对成180°布置的换能器构成。
[0040]本发明在仪器上共有8个接收环，每个接收环由4个在周向上成90°分布的三叠片偶极接收换能器组成。单极声源信号与偶极声源信号均公用该8个接收环接收。相邻两个接收环之间的间距为6英寸。仪器单极源距:8英尺；仪器偶极源距:9英尺。
[0041]本发明在发射激励源上采用了功率驱动方式激励单极与偶极发射换能器，使发射换能器处于受迫振动模式工作，从而使发射频率可控。仪器的单极发射源的工作主频为8kHz。偶极发射源工作提供了 1.2kHz、1.5kHz、2.2kHz三种频率可编程选择分别以适应软底层(时差>120us/ft)、中性地层(100us/ft〈时差<120us/ft)与硬地层(时差>120us/ft)。
[0042]本发明在接收电路上，仪器采用了 32个独立的接收采集通道。采集电路对每片接收换能器信号均进行数字采集。在单极发射时，由采集处理DSP将每个接收环上的四片接收换能器的波形进行数字相加作为该接收环的单极信号；在偶极发射时，采集电路将32道接收波形数字化后上传到地面，由地面分别将相同接收环上两个X接收信号进行相减得到该环X方向的接收波形，将相同接收环上两个Y接收信号进行相减得到该环Y方向的接收波形。
[0043]本发明采用隔声体置于发射换能器与接收换能器之间，用于隔离沿仪器外壳传播的直达波，使得接收器只收到来自地层的回波，避开系统噪声对测量的影响。
[0044]本发明一次采集的基本周期为ls，在一个采集周期内仪器可以进行单极采集、偶极X采集与偶极Y采集各一次。仪器采集次序为单极一偶极X —偶极Y，相邻两个采集次序为 IOOms0
[0045]本发明的特征:
[0046]最大工作温度:150°C
[0047]最大工作压力:IOOMPa
[0048]适用井眼范围:5英寸?12英寸
[0049]最大纵向分辨能力:6英寸
[0050]最大探测深度:1?3ft
[0051]提供实时曲线:单极纵波慢度，偶极X横波慢度与偶极Y横波慢度，并实时提供三条曲线的质量监控图
[0052]提供精细后处理曲线:单极纵波、横波、斯通利波波速。泊松比及地层地应力的各向异性。
【权利要求】
1.一种偶极子声波测井仪，包括发射电路、发射换能器、接收换能器、隔声体、声波信号采集电路及声波信号处理电路，所述发射电路激发发射换能器发射声波；所述接收换能器接收到沿井壁传播的声波；声波信号采集电路采集上述声波后传输至声波信号处理电路进行分析；所述隔声体由隔声体连接块及隔声体连接本体组成；其特征在于: 所述发射换能器为正交偶极子矢量换能器，由两个指向性相互垂直的两组矢量换能器组成两个测量通道，一个为X向通道，一个为Y向通道，两个测量通道在周向上互相垂直。
2.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于:所述正交偶极子矢量换能器采用线性功率放大驱动换能器进行受迫振动。
3.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于:所述接收换能器采用8换能器接收阵列，由8个接收环组成，每个接收环由4个在周向上成90°分布的三叠片偶极接收换能器组成，相邻两个接收环之间的间距为6英寸。
4.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于:所述声波信号采集电路具有32个独立的接收采集通道，所述采集电路对每片接收换能器信号均进行数字采集；在偶极发射时，采集电路将32道接收波形数字化后上传至声波信号处理电路。
5.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于:所述声波信号处理电路包括X向信号处理模块和Y信号处理模块组成；所述X向信号处理模块由一个信号相减电路将相同接收环上两个X接收信号进行相减得到该环X方向的接收波形；所述Y向信号处理模块由一个信号相减电路将相同接收环上两个Y接收信号进行相减得到该环Y方向的接收波形。
6.根据权利要求1所述的测井仪，其特征在于:所述测井仪还包括一单极声源，采用圆环压电陶瓷发射换能器；所述单极声源与正交偶极子矢量换能器声源共用8换能器接收阵列。
7.根据权利要求6所述的测井仪，其特征在于:所述测井仪单极源距:8英尺；偶极源距:9英尺。
8.据权利要求6所述的测井仪，其特征在于:所述测井仪的单极发射源的工作主频为8kHz，偶极发射源工作频率包括1.2kHz、1.5kHz及2.2kHz三种频率。
9.据权利要求6所述的测井仪，其特征在于:所述测井仪采集的基本周期为ls，在一个采集周期内仪器进行单极采集、偶极X采集与偶极Y采集各一次，仪器采集次序为单极一偶极X —偶极Y，相邻两个采集次序为100ms。
10.据权利要求1所述的测井仪，其特征在于，所述信号处理电路还包括:提供实时曲线:单极纵波慢度，偶极X横波慢度与偶极Y横波慢度，及三条曲线的质量监控图； 以及精细后处理曲线:单极纵波、横波、斯通利波波速；泊松比及地层地应力的各向异性。
【文档编号】E21B47/00GK103437756SQ201310415558
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】何明, 李英波, 刘金柱 申请人:北京环鼎科技有限责任公司