專利名稱:聲波變密度測(cè)井儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種完全利用聲波原理測(cè)量固井質(zhì)量的新型聲波變密度測(cè)井儀器。
二背景技術(shù):
在石油及天然氣工業(yè)的測(cè)井領(lǐng)域中,聲波測(cè)井儀器是一種用于檢測(cè)套管井水泥膠結(jié)質(zhì)量的儀器。這種儀器基本由四部分組成套管接箍測(cè)井儀(簡(jiǎn)稱CCL)、伽瑪測(cè)井儀器(簡(jiǎn)稱GR)、聲幅測(cè)井儀(簡(jiǎn)稱CBL)、變密度測(cè)井儀(簡(jiǎn)稱VDL),所以也稱做聲波變密度測(cè)井組合儀。套管接箍測(cè)井儀通過感應(yīng)套管中磁場(chǎng)的變化來檢測(cè)套管接箍的位置。因此可以用于粗略計(jì)算儀器所處井內(nèi)的深度。伽瑪測(cè)井儀器可以探測(cè)某位置地層所含伽瑪射線的強(qiáng)度總量,對(duì)于不同的地層以及同一地層的不同深度,該伽瑪射線總量是變化的,這種變化的特征可以作為油井的深度標(biāo)記。聲幅測(cè)井儀的源距較短,通常為1米,探測(cè)深度較淺,因此它用于測(cè)量水泥固結(jié)套管井的第一界面膠結(jié)質(zhì)量,即套管和水泥環(huán)之間是否膠結(jié)良好。變密度測(cè)井儀的源距較長(zhǎng),一般為1.5米,探測(cè)深度較深,因此可以用于套管井第二界面的膠結(jié)質(zhì)量,即水泥環(huán)和地層之間是否膠結(jié)良好。這四個(gè)參數(shù)的儀器通常是一次下井,同時(shí)工作,同時(shí)記錄各自的參數(shù)曲線。聲波的發(fā)射器和接收器均安放在充滿硅油的橡膠皮囊內(nèi),通過橡膠皮囊實(shí)現(xiàn)井液與硅油的隔離,通過橡膠皮囊和硅油實(shí)現(xiàn)井內(nèi)壓力與橡膠皮囊內(nèi)壓的平衡。
上述類型的儀器在實(shí)際應(yīng)用過程中存在以下問題。1)采用多纜芯交流供電容易造成電源與信號(hào)之間的相互干擾,交流信號(hào)在纜芯傳輸過程中就會(huì)通過纜芯之間的電容和電感相互感應(yīng)各自不需要的其它交流信號(hào),從而造成信噪比減小,聲波信號(hào)失真的問題。2)聲系部分的隔聲體和橡膠皮囊在實(shí)現(xiàn)壓力平衡和加強(qiáng)儀器鋼性的同時(shí),往往會(huì)在徑向上占用很大的空間,從而限制了聲波發(fā)射器和接收器的選用,尤其在儀器外徑細(xì)化過程中更是突出了這方面的矛盾。在通常情況下,我們所選用的聲波發(fā)射器和接收器為圓柱型的壓電陶瓷晶體。該種晶體的發(fā)射、接收頻帶范圍和能量極限均與晶體的幾何尺寸相關(guān)。總之較大直徑的晶體,發(fā)射能量大,能量在傳播過程中衰減慢,通透力強(qiáng),探測(cè)深度大,聲波到達(dá)接收器容易檢測(cè)。但由于儀器聲系結(jié)構(gòu)和外徑尺寸的局限性,這種聲系結(jié)構(gòu)的儀器往往會(huì)出現(xiàn)發(fā)射能量小,探測(cè)深度淺,聲系靈敏度低的問題。因此增大晶體外徑的選用就成為提高聲系整體性能的關(guān)鍵。3)有些井內(nèi)往往存在大量的腐蝕性氣體H2S,這種氣體對(duì)橡膠皮囊有很強(qiáng)的滲透性,能穿過橡膠皮囊進(jìn)入聲系內(nèi)部,造成橡膠皮囊腐蝕、硅油內(nèi)部充氣等。這種結(jié)果也會(huì)使聲系靈敏度下降,耐用性差,需要經(jīng)常更換被腐蝕的橡膠皮囊。
三
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)現(xiàn)有組合方式的聲波測(cè)井儀器存在的上述問題,提供一種新型的儀器信號(hào)組合方式和一種新型的聲系結(jié)構(gòu)的聲波變密度測(cè)井儀器。
其技術(shù)方案是包括聲系、聲波電子線路、伽瑪儀、磁定位儀。聲系是由發(fā)射器、隔聲體、聲幅測(cè)井儀(CBL)接收器、變密度測(cè)井儀(VDL)接收器組成,聲波電子線路包括電源電路、邏輯電路、前置放大電路、發(fā)射電路、電纜驅(qū)動(dòng)電路組成,伽瑪儀包括閃爍探測(cè)器和機(jī)械部件組成,磁定位儀由一塊電子線路板和機(jī)械部分組成。聲系發(fā)射器由發(fā)射聲波換能器和輔助固定殼體組成,聲幅測(cè)井儀(CBL)接收器由接收聲波換能器和輔助固定殼體組成,變密度測(cè)井儀(VDL)接收器由接收聲波換能器和輔助固定殼體組成,兩個(gè)接收器通過由隔聲體相互連接,發(fā)射器與上接收器通過隔聲體連接,發(fā)射器、接收器和隔聲體內(nèi)充滿相互連通的硅油。伽瑪儀的閃爍探測(cè)器由光電倍增管、NaI晶體、電子線路組成。伽瑪儀機(jī)械部分包括兩塊永久磁鋼和繞制的線圈及相關(guān)的機(jī)械外殼組成,兩塊永久磁鋼以同極性相對(duì)的方式裝在線圈兩端。發(fā)射器的結(jié)構(gòu)包括發(fā)射晶體外殼、發(fā)射晶體座、壓緊螺母、連接頭、發(fā)射晶體墊組成,發(fā)射晶體安放在發(fā)射晶體座上,用壓緊螺母將其壓緊,套上發(fā)射晶體外套,波紋管接頭連接在連接頭上;接收器結(jié)構(gòu)包括壓緊螺母、接收晶體外套、接收晶體座、接收晶體墊、連接頭、波紋管接頭組成,連接頭與儀器外殼和波紋管連接。
本實(shí)用新型的儀器信號(hào)組合方式即把儀器信號(hào)在時(shí)間上分開傳輸,直流供電。直流供電可以和交流信號(hào)共同使用同一根纜芯,相互不發(fā)生干擾。CCL采用超低頻傳輸方式,其頻率范圍約在10HZ以內(nèi),不采用分時(shí)方式。GR、CBL、VDL信號(hào)采用分時(shí)方式,即在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)各自傳輸各自的信號(hào),避免了互相干擾??梢允褂脝涡倦娎|、三芯電纜和七芯電纜測(cè)井,擴(kuò)大了其適用范圍。同時(shí)這種新型的聲系結(jié)構(gòu)把隔聲體分為兩部分,二者之間用較細(xì)的金屬支架連接,承重。該金屬支架穿過壓電晶體內(nèi)圓,壓電晶體通過絕緣材料套在金屬支架外。這樣便使承重支架和壓電晶體各自變換了自己所在的位置。由原來的承重部位在外圓、壓電晶體在內(nèi)圓的方式改為承重部位在內(nèi)圓、壓電晶體在外圓的方式。通過這種位置變換,拓寬了我們選用壓電晶體的范圍。這樣儀器在外徑細(xì)化過程中,更容易選用從聲學(xué)理論上較適用的晶體。晶體的外罩是很薄的金屬外罩,實(shí)現(xiàn)了井液和晶體的隔離。薄的金屬外罩相對(duì)于橡膠皮囊來說,它可以減小聲波能量的衰減。晶體和晶體之間采用金屬波紋管連接,實(shí)現(xiàn)了電路之間的互通,油路之間的互通。這種聲系結(jié)構(gòu)不僅增大了聲系發(fā)射能量和接收靈敏度,而且抗H2S氣體腐蝕。波紋管可以多次拆卸反復(fù)使用,降低了儀器的使用維護(hù)成本和勞動(dòng)量。
四
圖1聲波變密度測(cè)井儀器的實(shí)施方式系統(tǒng)示意圖;圖2聲波變密度測(cè)井儀結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖;圖3發(fā)射器部分的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4接收器部分的結(jié)構(gòu)示意圖;圖5聲波變密度測(cè)井儀電路框圖;圖6聲波變密度測(cè)井儀電源電路原理圖;圖7聲波變密度測(cè)井儀邏輯電路原理圖。
五具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1CCL線路部分將感應(yīng)到的套管磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻電信號(hào),并耦合到下井供電電纜上直接傳到地面。GR線路部分在GR探測(cè)器得到地層GR射線后轉(zhuǎn)換成電脈沖并經(jīng)放大整形、濾波;功放處理后送到CBL線路,并經(jīng)CBL線路分時(shí)處理后耦合到供電纜芯傳到地面。CBL線路負(fù)責(zé)為聲系提供發(fā)射邏輯、發(fā)射用的高壓電脈沖,并處理由GR儀送入的GR信號(hào);處理由聲系返回的聲波回波信號(hào),并使該兩組信號(hào)在不同時(shí)刻按某一固定周期傳輸?shù)降孛?。聲系在得到由CBL線路送入的高壓電脈沖后產(chǎn)生20KHZ的聲波脈沖,該聲波脈沖往套管地層傳播并反射到接收換能器。接收換能器負(fù)責(zé)把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入CBL線路處理。
參照?qǐng)D21為磁定位儀,由磁鋼、線圈及機(jī)械部分組成。2為伽瑪儀,由閃爍探測(cè)器和機(jī)械部件組成。閃爍探測(cè)器由光電倍增管、NaI晶體、電子線路組成。3為聲波線路包括發(fā)射線路,驅(qū)動(dòng)線路,邏輯控制線路,前置放大線路,電源線路等。聲系4,包括一發(fā)射器5(將在下面針對(duì)圖3較為詳細(xì)地予以說明),一個(gè)3英尺接收器6(將在下面針對(duì)圖4較為詳細(xì)地予以說明),一個(gè)5英尺接收器7,隔聲體10,波紋管11,一個(gè)壓力平衡腔8。發(fā)射器5到3英尺接收器6距離為1m,3英尺接收器與5英尺接收器的間距為0.5m。波紋管11為不銹鋼材料,耐酸耐堿性很好。它是以波紋形式制成,增加了聲波的傳播距離,延長(zhǎng)了聲波體波到達(dá)時(shí)間,減小了體波干擾。壓力平衡腔8,負(fù)責(zé)聲系內(nèi)部油壓與外部井液壓力平衡。各扶正器9沿著儀器間隔開來安放,以便儀器在使用時(shí)保持其接近井孔中心位置。
參照?qǐng)D315為發(fā)射晶體外套,此機(jī)械部件是薄的不銹鋼材料,用來實(shí)現(xiàn)井液與發(fā)射晶體的隔離。16為發(fā)射晶體座,用來安放發(fā)射晶體,起上下機(jī)械連接作用。22為壓緊螺母,起固定作用,使發(fā)射晶體在發(fā)射晶體座上不會(huì)出現(xiàn)縱向和橫向移動(dòng)。18為連接頭,與儀器外殼26和接收晶體波紋管連接。38為發(fā)射晶體墊,起定位、絕緣作用,防止發(fā)射晶體各極與金屬殼接觸,發(fā)生短路。將2塊12條的發(fā)射晶體安放在發(fā)射晶體座16上。用壓緊螺母22將其壓緊,套上薄的鋼制發(fā)射晶體外套15。用勾頭扳手旋上帶有絲扣的連接頭18,然后用活動(dòng)扳手將波紋管接頭20接在連接頭18上。
參照?qǐng)D4(3英尺接收器6與5英尺接收器7的結(jié)構(gòu)是一致的)。22為壓緊螺母,同發(fā)射器中的壓緊螺母作用一樣,起固定作用,使接收晶體在接收晶體座上不會(huì)出現(xiàn)縱向和橫向移動(dòng)。27為接收晶體外套,此機(jī)械部件為薄的不銹鋼材料,用來實(shí)現(xiàn)井液與接收晶體的隔離。28為接收晶體座,用來安放接收晶體,起上下機(jī)械連接作用。24為接收晶體墊,起定位、絕緣作用,防止接收晶體各極與金屬殼接觸,發(fā)生短路。18為連接頭,與儀器外殼和波紋管連接。20為波紋管接頭,在儀器中起連接作用。接收晶體安放在接收晶體座28上。用壓緊螺母22將其壓緊,套上薄的鋼制接收晶體外套27。用勾頭扳手旋上帶有絲扣的連接頭18,然后用活動(dòng)扳手將波紋管接頭20接在連接頭18上。波紋管接頭20連接在接收晶體座28的另一端29。
將上接頭固定在平衡腔上,將5英尺接收器旋入上接頭上部,將波紋管接頭固定在5英尺接收晶體座上。將13英尺雙芯屏蔽線穿過2英尺波紋管,波紋管和接頭用活動(dòng)扳手上緊,13英尺雙芯屏蔽線在波紋管內(nèi)來回折兩次。在波紋管的另一端上好波紋管接頭。隔聲體穿過2英尺波紋管和接收晶體座相連接,上好隔聲體兩端的定位螺釘,在隔聲體的另一端旋入連接頭。3英尺接收器和連接頭相連,在3英尺接收晶體座上裝好波紋管接頭和波紋管,雙芯屏蔽線在管內(nèi)來回折兩次,在波紋管的另一端裝好接頭,隔聲體穿過3英尺波紋管和連接頭相連,上緊。在隔聲體的另一端上好連接頭。把5英尺3英尺屏蔽線穿過發(fā)射晶體座,發(fā)射器和連接頭上緊,發(fā)射晶體座和上接頭由中空的扶正器連接,把焊好的七芯密封體旋入聲系上接頭,將聲波線路部分固定在聲系上接頭的一端,然后再連接上GR部分,最后連接CCL部分。
參照?qǐng)D5本儀器供電為單芯直流供電,該供電線路部分將為聲波發(fā)射接收線路、邏輯控制線路、GR線路、驅(qū)動(dòng)線路提供所需要的直流電源。發(fā)射接收線路產(chǎn)生3000V/50us高壓電脈沖,激勵(lì)發(fā)射探頭使之產(chǎn)生聲波信號(hào)在套管中傳輸。邏輯控制線路產(chǎn)生一同步脈沖,控制聲波信號(hào)的傳輸。首先采集到的是一先負(fù)后正的3英尺同步信號(hào),其后面2ms內(nèi)為聲波信號(hào)傳輸,56ms內(nèi)為GR信號(hào)傳輸。該GR信號(hào)經(jīng)過放大整形送到邏輯控制線路,經(jīng)驅(qū)動(dòng)處理后耦合到供電電纜上傳至地面。然后又采集到一先正后負(fù)的5英尺同步信號(hào),在其后2ms內(nèi)為聲波信號(hào)傳輸,56ms內(nèi)為GR信號(hào)傳輸。整個(gè)這個(gè)周期是128ms。聲波、GR信號(hào)經(jīng)過這樣周期性的不斷分時(shí)傳輸,互相不發(fā)生干擾。CCL線路將感應(yīng)到的套管磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻電信號(hào),耦合到下井供電電纜上傳到地面。
參照?qǐng)D6改進(jìn)后的聲波變密度測(cè)井儀一改過去的多纜芯交流供電變?yōu)楝F(xiàn)在的單纜芯直流供電。地面直流電源面板通過單芯電纜給儀器供直流電源100V。在該電源電路原理圖上100V直流電源先經(jīng)過電阻R1,原理圖中L1、C2、C4共同組成一個(gè)低通濾波器,目的是為了濾除疊加于直流供電電源上的交流信號(hào)。100V直流電源經(jīng)R3降壓和D2、C6穩(wěn)壓濾波后,得到+12V電源為IC1(CD4001)供電,由IC1、R4、R5、C7共同組成一方波信號(hào)發(fā)生器,可產(chǎn)生4KHZ~5KHZ左右的方波,經(jīng)C18、R18為Q1提供開關(guān)信號(hào)。T1、C1、D2、R2及Q1共同組成開關(guān)電源,將100V直流電源變?yōu)榈蛪航涣麟娫春蠼?jīng)輸出二組直流電源分別為+16V和-16V左右,然后經(jīng)Q2、C8、R6、Z1、C10及Q3、C11、R7、Z2、C9二組器件組成的穩(wěn)壓濾波網(wǎng)絡(luò)分別輸出+11V±0.5V和-11V±0.5V的直流電源。
同樣原理,D8-D11及其后組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可提供穩(wěn)定的+4V±0.5V和-4V±0.5V的直流電源。
由D12-D14、C16、C17組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可以輸出170V-200V之間的直流電為發(fā)射板供電。
參照?qǐng)D7該電路原理圖由IC1、C30、C1、R2、P1、R1共同組成的方波信號(hào)發(fā)生器,可產(chǎn)生穩(wěn)定的32KHZ方波。該方波信號(hào)經(jīng)IC1的4腳輸出到IC21的10腳。IC21為二進(jìn)制分頻器,其1腳輸出為3英尺CBL開關(guān)門信號(hào)3’G。該信號(hào)經(jīng)IC反相器反相后為5英尺VDL提供開關(guān)門信號(hào)5’G。IC3A為一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,其2腳輸出為GR信號(hào)提供開關(guān)信號(hào)GRGAT。IC3B的13腳可產(chǎn)生周期為64ms,寬度為20μs的脈沖信號(hào);并經(jīng)Q1、Q2放大后作為發(fā)射脈沖信號(hào)TRIG,用于對(duì)發(fā)射晶體的控制。IC6為一電子開關(guān),由IC6、IC3B、IC4B、IC5B作為同步信號(hào)發(fā)生器,可產(chǎn)生3英尺CBL、5英尺VDL同步識(shí)別信號(hào)SYS,并經(jīng)R10、R11輸出。從地面上首先采集到的是一先負(fù)后正的3英尺同步信號(hào),然后又采集到一先正后負(fù)的5英尺同步信號(hào)。IC4A及IC5A用于控制CBL、VDL信號(hào)的輸出時(shí)間寬度。CBL、VDL信號(hào)的傳輸時(shí)間寬度為2ms,6ms為空,剩下的56ms為GR信號(hào)傳輸。聲波、GR信號(hào)經(jīng)過周期性的分時(shí)傳輸,互相不產(chǎn)生干擾。Z1、Z2、及C6、P2組成CBL、VDL幅度調(diào)整器,可實(shí)現(xiàn)CBL、VDL的幅度調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求1.一種聲波變密度測(cè)井儀器,包括聲系、聲波電子線路、伽瑪儀、磁定位儀依次連接組成,其特征是;聲系是由發(fā)射器、聲幅測(cè)井儀接收器、變密度測(cè)井儀接收器通過之間的隔聲體連接組成,聲波電子線路包括電源電路、邏輯電路、前置放大電路、發(fā)射電路、電纜驅(qū)動(dòng)電路相互連接組成,伽瑪儀包括閃爍探測(cè)器和機(jī)械部件連接組成,磁定位儀由一塊電子線路板和機(jī)械部分連接組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波變密度測(cè)井儀器,其特征是聲系發(fā)射器由發(fā)射聲波換能器和輔助固定殼體組成,聲幅測(cè)井儀接收器由接收聲波換能器和輔助固定殼體組成,變密度測(cè)井儀接收器由接收聲波換能器和輔助固定殼體組成,兩個(gè)接收器通過由隔聲體相互連接,發(fā)射器與上接收器通過隔聲體連接,發(fā)射器、接收器和隔聲體內(nèi)充滿相互連通的硅油。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波變密度測(cè)井儀器,其特征是伽瑪儀的閃爍探測(cè)器由光電倍增管、NaI晶體、電子線路連接組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波變密度測(cè)井儀器,其特征是伽瑪儀機(jī)械部分包括兩塊永久磁鋼和繞制的線圈及相關(guān)的機(jī)械外殼組成,兩塊永久磁鋼以同極性相對(duì)的方式裝在線圈兩端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲波變密度測(cè)井儀器,其特征是發(fā)射器的結(jié)構(gòu)包括發(fā)射晶體外殼、發(fā)射晶體座、壓緊螺母、連接頭、發(fā)射晶體墊組成,發(fā)射晶體安放在發(fā)射晶體座上,用壓緊螺母將其壓緊,套上發(fā)射晶體外套,波紋管接頭連接在連接頭上;接收器結(jié)構(gòu)包括壓緊螺母、接收晶體外套、接收晶體座、接收晶體墊、連接頭、波紋管接頭組成,連接頭與儀器外殼和波紋管連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種完全利用聲波原理測(cè)量固井質(zhì)量的新型聲波變密度測(cè)井儀器。其技術(shù)方案是包括聲系、聲波電子線路、伽瑪儀、磁定位儀。聲系是由發(fā)射器、隔聲體、聲幅測(cè)井儀(CBL)接收器、變密度測(cè)井儀(VDL)接收器組成,聲波電子線路包括電源電路、邏輯電路、前置放大電路、發(fā)射電路、電纜驅(qū)動(dòng)電路組成,伽瑪儀包括閃爍探測(cè)器和機(jī)械部件組成,磁定位儀由一塊電子線路板和機(jī)械部分組成。本實(shí)用新型的儀器信號(hào)組合方式即把儀器信號(hào)在時(shí)間上分開傳輸,直流供電,直流供電可以和交流信號(hào)共同使用同一根纜芯,相互不發(fā)生干擾。儀器在外徑細(xì)化過程中,更容易選用從聲學(xué)理論上較適用的晶體。這種聲系結(jié)構(gòu)不僅增大了聲系發(fā)射能量和接收靈敏度,而且抗H
文檔編號(hào)E21B33/13GK2835554SQ200520085140
公開日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2005年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者辛鵬來, 王長(zhǎng)文, 王增華, 許玉俊, 張立鵬, 徐海莉, 趙文鵬 申請(qǐng)人:中國石化集團(tuán)勝利石油管理局測(cè)井公司