专利名称：多极子阵列声波测井换能器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种声波测井仪器，尤其涉及一种多极子阵列声波测井换能器。
背景技术：
近年来，随着地质和石油勘探的深入，对测井仪器的期望和要求也越来越高，声波测井是石油测井的重要方法之一。目前采用的声波测井技术是利用发射换能器在井下发出声波，在地下介质中传播，经过一定时间衰减后，被接收换能器接收，通过对衰减的声波信号分析，判断地下的有关地质结构。声波换能器包括单极子声波换能器和偶极子声波换能器等，单极子声波发射换能器激发的主要是纵波信号，偶极子声波发射换能器激发的主要是横波信号。现在通常采用的声波测井仪器为单极子声源的常规声波测井仪器，其主要存在的缺点是(1)不能直接提取横波参数，需要经过计算机进行大量数据处理；(2)在软地层(地层声速小于泥浆声速)中，无法激励横波；(3)在套管井中难以取得地层纵横波参数。而横波参数对于显示地层岩性，判断油、气、水等，确定孔隙度，流体饱和度，裂缝发育情况等具有重要作用，软地层对石油勘探也极为重要。
为了克服该常规声波测井仪器的缺陷，在原有的仪器上增加偶极子声波换能器，这样可直接提取软、硬地层中的横波参数。但是这种仪器由于单极子换能器的发射频率高、损耗大、灵敏度低，无法准确获得渗透率参数，而渗透率参数求取始终是石油测井面临的重要课题，其准确求取在评价石油产量和储量上意义非常重大。并且由上述的仪器的结构，其也无法实现多种声波测井方式，比如，水泥胶结测井是石油测井中常用的方法，主要用来测量油井下套管后水泥灌注的胶结质量，该方法测量原理与单极测量方式类似，但源距(发射器-接收器之间距离)要求更长水，因此，泥胶结测井时就需要更换仪器才可以进行。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能够发射更低频率纵波的多极子阵列声波测井换能器，利用声全波测井中斯通利波速度和衰减求取储层渗透率。
本实用新型的另一目的在于提供一种多极子阵列声波测井换能器，能够实现多种声波测井方式。
本实用新型的目的是这样实现的，一种多极子阵列声波测井换能器，包括电缆、连接于电缆且垂直设置的骨架壳体，骨架壳体上设有隔声体，隔声体上部为接收区域，下部为发射区域；接收区域设有接收电路、单极子接收换能器、偶极子接收换能器；发射区域设有单极子发射换能器、偶极子发射换能器、发射电路，在发射区域还设有一个斯通利波发射换能器。
所述换能器设有电源线和信号线，该电源线和信号线连接于电缆，电缆连接设置于井上的声波测井仪器。
所述单极子发射换能器为两个；偶极子发射换能器为一个；单极子接收换能器为八个；偶极子接收换能器为八个。
各换能器的周边设有声窗。
所述斯通利波发射换能器由两个相同的矩形二迭片构成；所述二迭片为耐高温发射型压电陶瓷片粘结于低膨胀合金的基板上；两矩形二迭片平行且对称骨架壳体轴线固定于骨架壳体上；两压电陶瓷片连接电源正极，两基板连接电源负极。
所述两矩形二迭片的两基板相对设置，且两基板之间距离为30mm至80mm。
基板上设有通孔，基板外侧与通孔对应设有第一夹块和第二夹块，一螺钉穿过该第二夹块、第一夹块和通孔螺接于骨架壳体上。
所述发射换能器的压电陶瓷为WQ-2；所述接收换能器的压电陶瓷为WQ-1。
所述的隔声体为具一定厚度的空心圆管，管壁上设有导声槽，其两端设有接头。
骨架壳体上设有一个隔声体或设有复数隔声体依次相互连接。
由于本实用新型的结构，将五种换能器组装在一起。使三种不同的发射换能器发射不同的声波，而两种各八个接收换能器阵列接收的信号是通过不同地质结构的反射、折射和吸收等多种不同的物理过程，经处理这些信号差异即可判断是否含油、含汽及其储量。尤其本实用新型中加入斯通利波换能器和高灵敏度的纵波接收换能器(单极子)使利用斯通利波速度和衰减求取储层渗透率成为可能。本实用新型可以通过快速，方便的连接方式，改变发射换能器和接收换能器之间距离，以实现水泥胶结测井，使该多极子阵列声波测井换能器的整体功能得到扩张。
图1为多极子声波测井压电换能器阵列整体组装图。
图2A为单极子发射换能器的结构图。
图2B为单极子发射换能器的安装图。
图3A为偶极子发射换能器的结构安装图。
图3B为偶极子发射换能器的三迭片示意图。
图3C为偶极子发射换能器的三迭片侧剖视图。
图4A为斯通利波发射换能器的结构安装图。
图4B为斯通利波发射换能器的矩形二迭片示意图。
图4C为斯通利波发射换能器的矩形二迭片侧剖视图。
图5A为单极子接收换能器的结构图。
图5B为单极子接收换能器的结构安装图。
图6A为偶极子接收换能器的结构安装图。
图6B为偶极子接收换能器的三迭片示意图。
图6C为偶极子接收换能器的三迭片侧剖视图。
图7为隔声体的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种多极子阵列声波测井换能器，包括电缆1、连接于电缆1且垂直设置的骨架壳体2，骨架壳体2上设有隔声体3，隔声体3上部为接收区域A，下部为发射区域B；接收区域A设有接收电路、单极子接收换能器4、偶极子接收换能器5；发射区域B设有单极子发射换能器6、偶极子发射换能器7、发射电路，在发射区域B还设有一个斯通利波发射换能器8。
由于斯通利波发射换能器8发射的是频率更低的纵波，即斯通利波，而斯通利波在井孔井壁附近储层岩石中传播，传播的速度和幅度受到该区域岩石性质的影响，这个区域的岩石与储层孔隙中流体(石油)的渗透性能关系最密切，由此，可以建立斯通利波传播速度、幅度衰减和渗透性的关系，从而得到储层渗透率。
本实用新型中如图1所示，隔声体3大约设置在整个换能器阵列中部；骨架壳体采用常规的骨架壳体分段连接；各个换能器分段连接于整个换能器阵列中，且连接后的各个换能器的壳体成为骨架壳体的一部分。
本实用新型所述换能器设有电源线和信号线，该电源线和信号线连接于电缆1，电缆1连接设置于井上的声波测井仪器。本实用新型多极子阵列声波测井换能器主要是通过地面系统控制发射换能器和接收换能器来完成的，由于换能器数量，种类繁多，地面系统设计了多个工作模式，称为“测量子集”，每种模式决定了使用发射换能器和接收换能的种类，数目以及数据采样率等参数，在实际测量时，每个模式可以独立进行，也可以同时进行，模式的使用视实际测量要求而选择。单极子发射换能器发射的声波，由单极子接收换能器接收；偶极子发射换能器发出的声波由偶极子接收换能器接收；斯通利波发射换能器发出的声波由于是单极低频波，所以仍由单极子接收换能器接收，在接收声波时，可依据发射声波的时序来区分。
三种不同的发射换能器发射不同的声波，由于地层的结构不同(岩石、粘土、含油、含汽和含水等)对发射不同频段的声波传播衰减不同，而各接收换能器接收的信号是通过不同地质结构的反射、折射和吸收等多种不同的物理过程，经处理这些信号差异即可判断是否含油、含汽及其储量。
在本实用新型中利用单极子、偶极子以及斯通利波换能器组成多极声源，可以直接测量地层的纵波、声波、斯通利波参数，既可以相互参考验证，也可以单独处理，大大提高了仪器的可信度和应用范围，同时也得益于单极接收换能器两只陶瓷管的串联结构，使仪器接收灵敏度有了较大提高。
利用横波速度计算弹性模量、泊松比、计算抗压强度、探测地层的各向异性和预测破裂压力；利用纵、横波速度比还可以用于判断气层；由于本实用新型中加入斯通利波换能器，因此可利用斯通利波速度和衰减求取储层渗透率。
在本实施例中，所述单极子发射换能器6为两个；偶极子发射换能器7为一个；单极子接收换能器4为八个；偶极子接收换能器5为八个。单极子的发射声波频率比偶极子发射的高，在同一地层比偶极子衰减损耗得多，为了祢补这一缺陷，设置两个单极发射换能器同时工作；有些地层结构一个单子发射的能量够用，另一个只作为备份。利用多元阵列接收，是因为它有垂直其轴线平面接收指向性窄的特性，有利确定测出的地层参数的空间位置，阵元数量越多，指向性越窄，本使用新型取八元阵列已足够用的了。
本实用新型中各换能器的周边设有声窗，声窗位于各换能器的骨架壳体周围，由于其声阻抗与骨架壳体内的硅油和骨架壳体外的水、泥浆声阻抗相匹配，因而对于发射换能器，它能使声波不受阻挡或少受阻挡地发射到地层结构中去；对于接收换能器，它能使传播到骨架壳体外的回波不衰减或少衰减地被接收。
进一步，本实用新型所述斯通利波发射换能器8由两个相同的矩形二迭片构成；如图4A、图4B、图4C所示，所述二迭片为耐高温发射型压电陶瓷片81粘结于低膨胀合金的基板82上；耐高温发射型压电陶瓷片81为WQ--2，其厚1.0--5.0mm，宽25--75mm，长50--150mm，用高温导电胶83粘结在基板82上，此板的尺寸为长100--200mm，宽5--75mm，厚0.5--5mm，两矩形二迭片平行且对称骨架壳体2轴线固定于骨架壳体2上；两压电陶瓷片81连接电源正极84，两基板82连接电源负极85。
所述两矩形二迭片的两基板82相对设置，且两基板82之间距离为30mm至80mm，不宜太�。裨虻推敌Ч睿灰蚴芫拙断虺叽绲南拗埔膊豢赡芴�。
基板82上设有通孔86，本实施例中通孔86为四个；基板外侧与通孔对应设有第一夹块87和第二夹块88，一螺钉89穿过该第二夹块88、第一夹块87和通孔86螺接于骨架壳体2上。两种夹块的作用是限定二迭片换能器作纵向弯曲振动的，是对称的边界条件；位于基片两侧，并与其接触的夹块，在螺孔的连线开有深3--5mm，宽3--5mm槽，使换能器的振动处于固定和简支之间，增大其辐射声能效果。
本实用新型中所述发射换能器的压电陶瓷为WQ-2；所述接收换能器的压电陶瓷为WQ-1。该等材料的压电系数高，能够提高换能器的灵敏度。
本实用新型中所述的单极子发射换能器6可采用常规的单极子发射换能器的结构。在本实施例中，单极子发射换能器6如图2A、图2B、图2C所示，耐高温的负极引线61，分别用高温焊锡焊于两只由耐高温发射压电陶瓷WQ-2材料做的管子661和662的外壁银层上，正极引线62分别用高温焊锡焊于管子661和662的内壁。这些导线是外层包复聚四氟乙烯的多股镀银金属丝构成。不锈钢芯轴63中间设有通孔，可以通过其它换能器电源线和信号线的。不锈钢上盖板64在对应位置有两个正、负极出线通孔，孔径各为2--5mm。三个相同的聚四氟乙烯绝缘垫65厚1.0mm--3.0mm，端头的两个需各切一槽，作为负极引线的通路。两只管子661、662几何尺寸、压电性能相同，其高10.0--50.0mm，外径50.0--70.0mm，壁厚2.0--5.0mm，管子661和662并联，可降低阻抗有利发射功率的提高。管子662下部设有不锈钢制做的下盖板67；由螺母68与芯轴63将陶瓷管(661和662)、上下盖板64和67、绝缘垫65(三个)如图所示拧紧固定在一起，其芯轴63与骨架壳体2的芯轴重合，单极发射换能器的轴向两端要嵌死于骨架壳体2之内，在高电压4000V的激励下，突出表现非线性低频径向振动，其谐振频率8KH左右正是测井所需要单极声源。芯轴63与陶瓷管661、662之间有一聚四氟乙烯绝缘芯轴69，其高度和内径由陶瓷管661、662和不锈钢芯轴63来定，其壁厚在3.0--10mm之间。换能器的内腔充满硅油，并内外连通，压力平衡。声窗12外径与骨架壳体2相同，壁厚0.3--3.0mm，长度略大于换能器的纵向尺寸；材料为聚酰亚氨或钛合金。
本实用新型中所述的偶极子发射换能器7可采用常规的偶极子发射换能器的结构。在本实施例中，偶极子发射换能器7如图3A、图3B、图3C所示，它是矩形三迭片，其为一矩形基片72两侧连接两个耐高温发射压电陶瓷WQ-2矩型片711、712；利用矩形三迭片纵向弯曲振动产生低频声信号，由于矩型片711和712外侧相对于轴芯的极化方向相反，即矩型片711的外电极为正，矩型片712的外电极为负，而这两个外侧电极连接在同一激励电源的正极73上，基片72连接于激励电源的负极74上，它与骨架壳体2相连为地线，如此一来，某一时刻在电压的激励下矩型片711和712在轴向向同一侧弯曲，因而向外辐射的声波是低频横波。矩型片711、712几何尺寸1.0--5.0mm厚，50--150mm长，25--75mm宽，性能相同。偶极子发射换能器两端各有一个以骨架壳体2轴心为对称的不锈钢夹块75，它们分别在偶极子换能器两端的四个通孔对应位置靠四个螺钉将其固定在骨架壳体2上，它的尺寸取决于骨架壳体2的径向尺寸和基片72的长度尺寸。基片72是低膨胀合金，尺寸厚为0.5--5.0mm，长100--200mm，宽25--75mm。陶瓷矩型片711、712与基片72之间是用耐高温的导电胶76粘结。偶极子发射换能器的声窗12外径尺寸与骨架壳体2相同，壁厚0.5--5.0mm，长100--150mm。其内腔充满硅油。
本实用新型中所述的单极子接收换能器4可采用常规的单极子接收换能器的结构。在本实施例中，单极子接收换能器4与现有的多极子声波测井阵列换能器的单极子接收换能器结构不同。如图5A、图5B所示，它是由两个同样的接收型高温压电陶瓷WQ--1材料做的管子411和412串联而成，其灵敏度比用一只管子提高一倍。每一个陶瓷管的长20--40mm，外径30--50mm，壁厚1.0--4.0mm。两压电陶瓷管串联后的正极信号引线42、负极信号引线43也都是耐高温导线，其外层是由聚四氟乙稀包复，芯线是多股镀银金属丝组成。在陶瓷管上的每一个焊点也都是用高温焊锡焊接而成。接收换能器的不锈钢芯轴44其内径20--40mm，壁厚2--5mm，两端的螺扣是为接于骨架壳体2的；不锈钢盖板45用于止挡管子411、412；聚四氟乙稀绝缘芯轴47的内径与不锈钢芯轴44滑动配合，壁厚2--8mm。紧固螺母48用于紧固和定位；将三个相同的聚四氟乙稀绝缘垫圈46、管子411、412、绝缘芯轴47和不锈钢芯轴44按顺序放好，并焊接各焊点，将紧固螺母48紧拧于不锈钢芯轴44，使上述部件组合为一体。，其中底端的一个绝缘垫46对应陶瓷管的位置开直径为2--5mm小孔以便使负极引线43顺畅通过；在不锈钢芯轴44和绝缘芯轴47对应压电陶瓷管的位置，上下各开两个小孔，直径2--5mm，这孔的作用一是信号导线的通路；二是内外腔进出硅油起连通作用的。
进一步，本实用新型中所述的偶极子接收换能器5可采用常规的偶极子接收换能器的结构。在本实施例中，偶极子接收换能器5如图6A、图6B、图6C所示，其核心部分是带减振垫的三迭片，选其电路上的串联高阻抗，并利用它的弯曲振动接收低频横波(偶极发射换能器发射的回波)。低膨胀合金园形基片52直径20--40mm，厚0.3--1.0mm；由耐高温压电陶瓷WQ--1材料做成的园片511、512，它的几何尺寸是直径25--35mm，厚度是0.3--1.0mm，在基片和陶瓷片之间用高温导电胶将园片511和512的负极面粘结在基片52的中心位置；在基片52园周边沿两侧，硫化上厚0.5--1.0mm，宽3--5mm的氟橡胶53作为减振垫；该接收换能器的一个信号线54及其另一个信号线55一端接于总电缆，它们的另一端分别用高温焊锡焊于两只高温压电陶瓷WQ--1片子的中心；两个不锈钢卡环56，其外径尺寸由三迭片外径尺寸而定，内径尺寸由氟橡胶环57的内径而定，靠近三迭片的一端，外沿高，内沿低，成楔状，外周尖角紧卡于氟胶垫，这样更接近简支状态，使接收灵敏度得以提高。两个卡环56各有两个直径为5--8mm的孔，是多个接收换能器信号线的通路；以骨架壳体2轴芯为对称的两只弹簧挡圈57，它的作用是将三迭片通过两只卡环紧固于骨架壳体2的轴心位置。声窗12设于换能器的周边；换能器内部充满硅油58。
由于本实用新型的结构，将五种换能器组装在一起，使三种不同的发射换能器发射不同的声波，而两种各八只接收换能器阵列接收的信号是通过不同地质结构的反射、折射和吸收等多种不同的物理过程，经处理这些信号差异即可判断是否含油、含汽及其储量。尤其本实用新型中加入斯通利波换能器与其相应的接收换能器，因此可利用斯通利波速度和衰减求取储层渗透率。
本实施例中骨架壳体2上设有一个隔声体3。隔声体3是声波测井仪器重要的组成部分，通常放置在发射换能器和接收换能器之间，其主要的功能就是减弱声波从发射换能器通过仪器的外壳以及其他硬连接部分直接传播到接收换能器，为保证仪器在油井中实施测量，该部分还必须具备一定的强度，在强烈的拉，扭等力的作用下不会发生变形。如图7所示，所述的隔声体3由和骨架壳体2一致的材料加工，是一个空心的具备一定厚度的圆管，在管壁上刻有导声槽31，以增加声波在其上的传播路径，达到减弱直达信号的目的，其两端加工常规的仪器接头32，可使其方便与骨架壳体2连接。
进一步，在本实施例中，骨架壳体2上还可设有复数隔声体3依次相互连接。由于这种结构特点，可以通过快速，方便的连接方式，加长发射换能器和接收换能器之间距离，以实现水泥胶结测井，使该多极子阵列声波测井换能器的整体功能得到扩张。
权利要求1.一种多极子阵列声波测井换能器，包括电缆、连接于电缆且垂直设置的骨架壳体，骨架壳体上设有隔声体，隔声体上部为接收区域，下部为发射区域；接收区域设有接收电路、单极子接收换能器、偶极子接收换能器；发射区域设有单极子发射换能器、偶极子发射换能器、发射电路，其特征在于在发射区域还设有一个斯通利波发射换能器。
2.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述换能器设有电源线和信号线，该电源线和信号线连接于电缆，电缆连接设置于井上的声波测井仪器。
3.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述单极子发射换能器为两个；偶极子发射换能器为一个；单极子接收换能器为八个；偶极子接收换能器为八个。
4.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于各换能器的周边设有声窗。
5.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述斯通利波发射换能器由两个相同的矩形二迭片构成；所述二迭片为耐高温发射型压电陶瓷片粘结于低膨胀合金的基板上；两矩形二迭片平行且对称骨架壳体轴线固定于骨架壳体上；两压电陶瓷片连接电源正极，两基板连接电源负极。
6.如权利要求5所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述两矩形二迭片的两基板相对设置，且两基板之间距离为30mm至80mm。
7.如权利要求6所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于基板上设有通孔，基板外侧与通孔对应设有第一夹块和第二夹块，一螺钉穿过该第二夹块、第一夹块和通孔螺接于骨架壳体上。
8.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述单极子接收换能器为两只同样的耐高温压电陶瓷管串联而成。
9.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述发射换能器的压电陶瓷为WQ-2；所述接收换能器的压电陶瓷为WQ-1。
10.如权利要求1所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于所述的隔声体为具一定厚度的空心圆管，管壁上设有导声槽，其两端设有接头。
11.如权利要求1或10所述的多极子阵列声波测井换能器，其特征在于骨架壳体上设有一个隔声体或设有复数隔声体依次相互连接。
专利摘要本实用新型涉及一种多极子阵列声波测井换能器，包括电缆、连接于电缆且垂直设置的骨架壳体，骨架壳体上设有隔声体，隔声体上部为接收区域，下部为发射区域；接收区域设有接收电路、单极子接收换能器、偶极子接收换能器；发射区域设有单极子发射换能器、偶极子发射换能器、发射电路，在发射区域还设有一个斯通利波发射换能器。本实用新型可利用直接测量斯通利波速度和衰减求取储层渗透率；并可以通过快速、方便的连接方式，改变发射换能器和接收换能器之间距离，以实现水泥胶结测井，使该多极子阵列声波测井换能器的整体功能得到扩展。
文档编号G01V1/44GK2621300SQ0326189
公开日2004年6月23日 申请日期2003年6月3日 优先权日2003年6月3日
发明者孙德兴, 宋公仆, 陈炎, 王守德, 王东, 王世长 申请人:中海油田服务股份有限公司, 中国科学院声学研究所
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