地质探测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种地质探测装置，该装置包括：发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且所述发射换能器组合为相控阵换能器组合，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；所述接收换能器组合接收所述被探测物反射回的通过所述地层的回波信号,并发送给所述控制系统；所述控制系统对所述回波信号进行处理，从而获取所述被探测物的信息。本实用新型可以实时探测钻头前方地质情况，利用定向声波技术提供的声源信号向钻头前方发射能量较强的信号，从而达到准确探测的目的。
【专利说明】地质探测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及石油工业领域，特别是涉及一种地质探测装置。
【背景技术】
[0002]在地质导向钻井中，对钻头前方地质情况进行实时精确的预测，在保障钻井安全、提高探井成功率和保护储集层等方面发挥着不可替代的作用。基于电法和核物理的井孔测量技术，可以以较高的分辨率对井孔周围的地层情况进行探测，但不适合对钻头前方较大距离范围内的地层结构及其参数情况进行探测。相比之下，声波可以在远距离的地层中进行传播，基于声波在物质中传播的原理发展起来的工程技术，在钻头前方地质情况的探测中具有一定的优势。
[0003]目前，可用于对钻头前方地质情况进行实时探测的两种声波技术分别是:钻头地震技术和随钻测量技术。其中，钻头地震技术采用钻头振动作为声源向地层中发射声波信号，放置到地面上的若干个检波器接收来自地下的直达波和反射波信号，通过对接收信号进行处理，得到钻头前方地质结构情况。随钻测量地震技术则是应用地表常规震源作为声源，接收部分集成到井下钻头附近的钻具组合中，通过将采集到的信号进行处理，得到钻头前方地层的结构情况。这两种技术在钻前地层情况的预测中起到了一定的作用，但存在一些问题。一方面，这两种技术都存在声源和接收器的长距离分离造成的信号衰减大，声源频率低造成的分辨率低等问题；另一方面，钻头地震技术在疏松地层、大斜度井等情况下的使用效果较差，而随钻地震测量方法容易受到数据传输速度低等方面的制约。
[0004]另外，一种近钻头声波信号发射和接收装置可以对钻头前方的地质体的位置等情况进行预测。其中前者以声波测井仪器在钻孔中形成的导波信号为声源，利用该信号与钻头前方地层之间的相互作用而达到探测的目的；后者未给出声学装置具体的信号发射和测量方式。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是为了解决目前钻头前方地质探测中存在的长距离传播引起的信号衰减和噪声混叠的问题。
[0006]为实现上述目的，本实用新型提供了 一种地质探测装置，所述装置包括:发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合由多个换能器阵元组成；
[0007]所述发射换能器组合与接收换能器组合分别与所述控制系统相连接；
[0008]所述发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且所述发射换能器组合为相控阵换能器组合，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；所述接收换能器组合接收所述被探测物反射回的通过所述地层的回波信号，并发送给所述控制系统；所述控制系统对所述回波信号进行处理，从而获取所述被探测物的信息。
[0009]进一步地，所述装置还包括，所述换能器阵元的相位加权方式是通过控制阵元加,d, sin θ
载激励信号的延迟时间来实现的，根据公式dt = ^~计算所述延迟时间，其中dt为延迟
V
时间，Cl1为所述换能器阵元的间距，Vf为钻井中的钻井液的流体声速，Θ为所述换能器阵元组合发出声波的声束偏转角与所述钻井的井轴交角。
[0010]进一步地，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号包括:对所述换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频信号。
[0011]进一步地，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号还包括:对所述换能器阵元加载具有相同时域和频域特征的低频调制高频信号。
[0012]进一步地，所述被探测物信息包括被探测物的结构信息、位置信息和声阻抗变化信息。
[0013]进一步地，所述回波信号包括:直达波信号、地层交界面处的反射波信号和来自地层反射体的反射波信号。
[0014]进一步地 ，所述装置还包括隔声体，用于阻隔钻铤波信号。
[0015]本实用新型的优点:实时探测钻头前方地质情况，利用定向声波技术提供的声源信号向钻头前方发射能量较强的信号，从而达到准确探测的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型实施例提供的地质探测装置示意图；
[0017]图2为本实用新型实施例提供的控制系统示意图；
[0018]图3为本实用新型实施例提供的地质探测装置应用场景示意图；
[0019]图4为本实用新型实施例提供的地质探测方法流程图；
[0020]图5为本实用新型实施例提供的应用相控阵技术发射声波时的接收波列示意图；
[0021]图6为本实用新型实施例提供的应用参量相控阵技术发射声波时的接收波列示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
[0023]图1为本实用新型实施例提供的地质探测装置示意图。如图1所示，该装置包括:
[0024]发射换能器组合301、接收换能器组合302和控制系统303 ;发射换能器组合301由多个换能器阵元314组成。
[0025]发射换能器组合301与接收换能器组合302分别与控制系统303相连接。
[0026]发射换能器组合301，位于钻铤308内，用于发射声波信号，通过地层310到达被探测物，并且发射换能器组合301为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元314按照幅度和相位加权的方式加载激励信号。
[0027]接收换能器组合302，位于钻铤308内，用于接收被探测物反射回的通过地层的回波信号，接收换能器组合302由至少两个换能器阵元组成，这样有利于对钻头前方反射体和异常体信息的提取。
[0028]控制系统303，位于发射换能器组合301和接收换能器组合302之间，用于对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。
[0029]优选地，该装置还包括:
[0030]钻杆304，用于将泥浆运送到钻头307处。隔声体306位于发射换能器组合301和接收换能器组合302之间，用于阻隔钻铤波。钻头307位于地层310交界处，用于向地面钻孔。钻铤308，与钻杆304相连接，用于固定钻杆304。钻井液309位于钻杆304内，用于减少钻头307与地层310的摩擦力。地层310位于钻头307下方。入射波311，发射换能器组合301向地层310发射声波信号，声波信号在地层310中传播，产生入射波311。反射体316位于地层310内。入射波311为位于地层310中入射到反射体316的入射波。反射波313位于地层310内，若在钻头前方存在波阻抗不连续的反射体316，将会产生反射波313。其中，Cl1为两个发射换能器阵元314之间的距离，d2为两个接收换能器阵元315之间的距离。
[0031]图2为本实用新型实施例提供的控制系统示意图。如图2所示，控制系统400包括:接收模块401，用于对被探测物信息进行接收。存储模块402，用于对被探测物信息进行存储。处理模块403，用于对被探测物信息进行处理。发送模块404，用于将被探测物信息遥传给地面计算机控制系统。
[0032]图3为本实用新型实施例提供的地质探测装置应用场景示意图。如图3所示，该装置包括:
[0033]发射换能器组合209、接收换能器组合210和控制系统211 ;发射换能器组合209由多个换能器阵元组成。
[0034]发射换能器组合209与接收换能器组合210分别与控制系统211相连接。
[0035]发射换能器组合209，位于钻铤204内，用于发射声波信号，通过地层206到达被探测物，并且发射换能器组合209为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；
[0036]接收换能器组合210，位于钻铤204内，用于接收被探测物反射回的通过地层的回
波信号；
[0037]控制系统211，位于发射换能器组合209和接收换能器组合210之间，用于对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。
[0038]优选地，该装置还包括:计算机控制系统202，位于地面的井架201旁，用于接收被探测物的信息，并对被探测物进行准确探测。
[0039]优选地,该装置还包括:
[0040]井架201位于地面上，用于满足钻井起下钻具和下套管作业的要求，起支撑和承重的作用。泥浆泵203位于井架201旁，用于向井眼207灌注泥浆，并减少钻头205与地层206的摩擦力。钻杆215位于钻井201下面，用于将泥浆运送到钻头205处。钻铤204，与钻杆215相连接，用于固定钻杆215。钻头205位于井眼207和地层206交界面处，用于向地面钻孔。地层206位于钻头205下方。井眼207位于钻杆215上方和井架201下方。地质异常体213位于地层206内。入射波212为位于地层206中入射到地质异常体213的入射波。反射波214为位于地层206中来自地质异常体213的反射波。
[0041]优选地，发射换能器组合和接收换能器组合在钻头上方具体的装配方式具有多样性，可结合实际的换能器组合的尺寸及其声波发射和接收的方向性来确定。为保证将声学装置顺利的装配到钻头上方的钻铤上，需要满足声学装置的尺寸与钻铤和钻头的尺寸匹配。其中，发射换能器组合和接收换能器组合的源距及换能器阵元之间的间距需根据实际情况调整，源距可在几米到十几米之间，发射换能器阵元的间距由形成定向声束时需满足的条件决定，为保证信号处理的精度，接收换能器阵元的间距应较小，可与发射换能器的间距相当。
[0042]图4为本实用新型实施例提供的地质探测方法流程图。如图4所示，该方法包括:
[0043]步骤101，发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且发射换能器组合为相控阵换能器组合，相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；
[0044]步骤102，接收换能器组合接收被探测物反射回的通过地层的回波信号；
[0045]步骤103，控制系统对回波信号进行处理，从而获取被探测物的信息。
[0046]优先地，该方法还包括，所述换能器阵元的相位加权方式是通过控制阵元加载激
,d, sin^
励信号的延迟时间来实现的，根据公式
【权利要求】
1.一种地质探测装置，其特征在于，所述装置包括:发射换能器组合、接收换能器组合和控制系统；所述发射换能器组合由多个换能器阵元组成； 所述发射换能器组合与接收换能器组合分别与所述控制系统相连接； 所述发射换能器组合发射声波信号，通过地层到达被探测物，并且所述发射换能器组合为相控阵换能器组合，所述相控阵换能器组合中的换能器阵元按照幅度和相位加权的方式加载激励信号；所述接收换能器组合接收所述被探测物反射回的通过所述地层的回波信号，并发送给所述控制系统；所述控制系统对所述回波信号进行处理，从而获取所述被探测物的信息。
2.根据权利要求1所述的地质探测装置，其特征在于，所述装置还包括隔声体，用于阻隔钻铤波信号。
【文档编号】G01V1/40GK203825208SQ201420051815
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】张秀梅, 林伟军, 王秀明, 苏畅 申请人:中国科学院声学研究所