專利名稱：一種用于隨鉆聲波測井的聲源激勵(lì)裝置的制作方法
一種用于隨鉆聲波測井的聲源激勵(lì)裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于應(yīng)用地球物理測井領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，用于向地層輻射大功率和多頻帶的聲源信號。
背景技術(shù)：
隨鉆聲波測井在鉆井的同時(shí)進(jìn)行聲波測井，受鉆井濾液侵入影響小，更能有效地探測井壁地層的巖性、物性和儲集層參數(shù)。其目的是在鉆井過程中確定地層縱波和橫波速度，為油氣田的勘探和開發(fā)提供重要信息，例如:實(shí)時(shí)的孔隙壓力、井壁穩(wěn)定性分析和巖石孔隙度等。隨鉆聲波測井受鉆具噪聲、鉆井液循環(huán)噪聲和鉆鋌波的影響，為了獲得高質(zhì)量的測井?dāng)?shù)據(jù)，鉆鋌隔聲、高精度測量、大功率和寬頻帶的聲波發(fā)射及數(shù)字濾波等技術(shù)至關(guān)重要。
電纜聲波測井中，大功率矩形脈沖是廣泛采用的寬頻激勵(lì)聲源方式(盧俊強(qiáng)，鞠曉東，成向陽，多極子陣列聲波測井儀的換能器激勵(lì)方法，高壓電技術(shù)，2009，35 (2):324-328)，其通過控制功率管在飽和區(qū)和截至區(qū)的開關(guān)狀態(tài)及變壓器阻抗匹配來產(chǎn)生激勵(lì)聲波發(fā)射器的脈沖信號，發(fā)射器近似工作在諧振方式，其脈沖主頻帶與變壓器及發(fā)射器參數(shù)相關(guān)。專利公開號為CN102889079A的發(fā)明專利公開了一種聲波測井發(fā)射換能器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換和抽頭變壓器的推挽結(jié)構(gòu)，并利用功率放大器的線性放大區(qū)提供了一種頻率可調(diào)的聲源激勵(lì)信號，并使發(fā)射器工作在受迫振動(dòng)方式。
與電纜聲波測井相比，隨鉆聲波測井為了減小鉆具和鉆井濾液循環(huán)噪聲以及多極子工作方式的要求，往往需要聲波發(fā)射器能向地層輻射多個(gè)頻帶信號，雖然可以在鉆鋌上安裝獨(dú)立的單極子、偶極子和四極子模式聲源，但增加了儀器長度和成本。用一個(gè)聲源通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制實(shí)現(xiàn)多極子聲波輻射是較好的選擇，顯然，矩形脈沖激勵(lì)難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶激勵(lì)。抽頭變壓器推挽結(jié)構(gòu)電路能夠?qū)崿F(xiàn)這種多頻帶的激勵(lì)，但對多通道激勵(lì)需要多個(gè)并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器和多個(gè)中心抽頭變壓器，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜和大體積的變壓器均不利于狹小鉆鋌內(nèi)實(shí)現(xiàn)。用同一發(fā) 射器產(chǎn)生多極子模式和向地層輻射大功率、多頻帶的聲源激勵(lì)信號，對于縮短儀器長度，降低儀器成本和數(shù)據(jù)處理等至關(guān)重要。發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，通過同一位置的聲源發(fā)射器向地層輻射大功率和多頻帶的聲源信號。
一種隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置包括:控制系統(tǒng)和聲源發(fā)射器；其特征在于:控制系統(tǒng)固定在鉆鋌的內(nèi)部空腔內(nèi)；控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器的高電壓正弦波脈沖信號；聲源發(fā)射器由四個(gè)弧形的壓電晶體換能器構(gòu)成，聲源發(fā)射器安裝于鉆鋌外壁的圓環(huán)形凹槽內(nèi)，用于電-聲能量轉(zhuǎn)換以向地層輻射聲波。
優(yōu)選地，控制系統(tǒng)通過鉆鋌上的插銷鎖定在鉆鋌的內(nèi)部空腔內(nèi)。
優(yōu)選地，每個(gè)壓電晶體換能器被包裹一層用于電信號隔離和聲波耦合的絕緣材料。
優(yōu)選地，絕緣材料為聚四氟乙烯。
優(yōu)選地，控制系統(tǒng)由發(fā)射電子線路骨架和發(fā)射電子線路組成。
優(yōu)選地，發(fā)射電子線路骨架的兩端為圓柱體、兩圓柱體之間為正四棱柱體，發(fā)射電子線路骨架的軸心設(shè)有水眼，與鉆鋌的水眼互相連通，發(fā)射電子線路骨架兩端均設(shè)有O型密封圈，發(fā)射電子線路骨架通過O型密封圈與鉆鋌內(nèi)壁緊密接觸；在正四棱柱體上安裝發(fā)射電子線路。
優(yōu)選地，發(fā)射電子線路具有總線接口電路，總線接口電路與隨鉆聲波測井井下儀器控制中心相連接，在總線接口電路與聲源發(fā)射器之間有兩個(gè)功能和結(jié)構(gòu)完全相同的并行激勵(lì)通道，每個(gè)激勵(lì)通道包括: 發(fā)射控制器，與總線接口電路相連接；發(fā)射控制器為數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列器件或任何能夠產(chǎn)生方波信號的微控制器； 電平變換電路，與發(fā)射控制器電路相連接； 功率管驅(qū)動(dòng)電路，與電平變換電路相連接； 功率放大電路,與功率管驅(qū)動(dòng)電路相連接，由一對工作在開關(guān)狀態(tài)的大功率N溝道功率管和P溝道功率管組成； 寬頻帶變壓器，位于功率放大電路與聲源發(fā)射器之間，與聲源發(fā)射器的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器連接；每個(gè)壓電晶體換能器的內(nèi)、外表面各有一根引出導(dǎo)線，用于傳輸高電壓的正弦波脈沖信號；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器外表面的引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器的次級繞組的一端連接；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器的內(nèi)表面引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器的次級繞組的另一端連接。
優(yōu)選地，鉆鋌的水眼和發(fā)射電子線路骨架的水眼軸線重合，鉆鋌的水眼和發(fā)射電子線路骨架的水眼孔徑相同或不同。
優(yōu)選地，每端的O型密封圈為一個(gè)或多個(gè)。
優(yōu)選地，發(fā)射電子線路的一端通過發(fā)射電子線路骨架上的第一密封接頭與隨鉆聲波測井井下儀控制中心連接，另一端通過鉆鋌上的第二密封接頭與聲源發(fā)射器連接。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明的用于隨鉆聲波測井的聲源激勵(lì)裝置結(jié)構(gòu)簡單，能向地層輻射與聲源發(fā)射器固有主頻無關(guān)的大功率和多頻帶的聲波信號，適應(yīng)多極子隨鉆聲波的頻帶要求。


圖1為本發(fā)明所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明所述的發(fā)射電子線路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4a為本發(fā)明所述的單極子聲源工作示意圖； 圖4b為本發(fā)明所述的四極子聲源工作示意圖； 圖5為本發(fā)明所述的聲源激勵(lì)信號不同頻率時(shí)的激勵(lì)波形圖； 圖6為本發(fā)明所述的聲源激勵(lì)信號不同頻 率時(shí)的激勵(lì)波形頻譜圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置包括:控制系統(tǒng)3和聲源發(fā)射器2 ;控制系統(tǒng)3通過鉆鋌I上的插銷鎖定在鉆鋌I的內(nèi)部空腔內(nèi)；控制系統(tǒng)3用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器2的高電壓正弦波脈沖信號；聲源發(fā)射器2由四個(gè)弧形的壓電晶體換能器6構(gòu)成，聲源發(fā)射器2安裝于鉆鋌I外壁的圓環(huán)形凹槽內(nèi)，用于電-聲能量轉(zhuǎn)換以向地層輻射聲波。每個(gè)壓電晶體換能器6被包裹一層用于電信號隔離和聲波耦合的絕緣材料，如聚四氟乙烯。
如圖2所示，控制系統(tǒng)3由發(fā)射電子線路骨架4和發(fā)射電子線路5組成，發(fā)射電子線路骨架4的兩端為圓柱體、兩圓柱體之間為正四棱柱體，發(fā)射電子線路骨架4的軸心設(shè)有水眼8，與鉆鋌I的水眼7互相連通，鉆鋌的水眼7和發(fā)射電子線路骨架的水眼8軸線重合、但孔徑可以不同，用于鉆井濾液流通；發(fā)射電子線路骨架4兩端各有I個(gè)O型密封圈9，發(fā)射電子線路骨架4通過O型密封圈9與鉆鋌I內(nèi)壁緊密接觸，以使發(fā)射電子線路5和水眼7、水眼8內(nèi)的鉆井濾液隔離；當(dāng)然，O型密封圈9也可以是多個(gè)；在正四棱柱體上安裝發(fā)射電子線路5 ;當(dāng)然，發(fā)射電子線路骨架4外壁也可根據(jù)發(fā)射電子線路5的數(shù)量和功能被加工成其他形狀；發(fā)射電子線路5的一端通過發(fā)射電子線路骨架4上的第一密封接頭11與隨鉆聲波測井井下儀控制中心連接，另一端通過鉆鋌I上的第二密封接頭10與聲源發(fā)射器2連接。
如圖3所示，發(fā)射電子線路具有總線接口電路12，總線接口電路12與隨鉆聲波測井井下儀器控制中 心相連接，總線接口電路12用于接收隨鉆聲波測井井下儀控制中心送來的聲波發(fā)射命令；在總線接口電路12與聲源發(fā)射器2之間有兩個(gè)功能和結(jié)構(gòu)完全相同的并行激勵(lì)通道，其中，每個(gè)激勵(lì)通道包括: 發(fā)射控制器13，與總線接口電路12相連接，發(fā)射控制器13用于對接收自總線接口電路12的聲波發(fā)射命令進(jìn)行譯碼，并產(chǎn)生方波信號；發(fā)射控制器13為數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列器件或任何能夠產(chǎn)生方波信號的微控制器；發(fā)射控制器13產(chǎn)生的方波頻率決定了激勵(lì)信號的頻率，而方波的周期個(gè)數(shù)則決定了激勵(lì)信號的帶寬； 電平變換電路14，與發(fā)射控制器電路13相連接，用于將發(fā)射控制器13的方波信號電平調(diào)整到適于功率管驅(qū)動(dòng)電路15控制端的電平； 功率管驅(qū)動(dòng)電路15，與電平變換電路14相連接，用于產(chǎn)生能夠驅(qū)動(dòng)功率放大電路16的驅(qū)動(dòng)信號； 功率放大電路16，與功率管驅(qū)動(dòng)電路15相連接，由一對工作在開關(guān)狀態(tài)的大功率N溝道功率管和P溝道功率管組成，用于對功率管驅(qū)動(dòng)電路15產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號進(jìn)行功率放大，提供驅(qū)動(dòng)寬頻帶變壓器17的高電壓和大電流方波信號。
寬頻帶變壓器17，位于功率放大電路16與聲源發(fā)射器2之間，與聲源發(fā)射器2的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器6連接；寬頻帶變壓器17與聲源發(fā)射器2的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器6構(gòu)成無源低通濾波器，用于濾除方波信號中的高頻率成分，使加載在壓電晶體換能器6上的激勵(lì)信號為高電壓的正弦波脈沖信號。
四個(gè)壓電晶體換能器6在鉆鋌I外壁的圓環(huán)形凹槽內(nèi)沿鉆鋌周向均勻布置，即形成兩組正對的壓電晶體換能器；兩個(gè)并行激勵(lì)通道分別控制兩組正對的壓電晶體換能器；聲源發(fā)射器2的每個(gè)壓電晶體換能器6的內(nèi)、夕卜表面各有一根引出導(dǎo)線,用于傳輸高電壓的正弦波脈沖信號；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器6外表面的引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器17的次級繞組的一端連接；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器6的內(nèi)表面引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器17的次級繞組的另一端連接；聲源發(fā)射器2以此連線方式實(shí)現(xiàn)單極子和四極子聲波發(fā)射。
所述發(fā)射電子線路5的每個(gè)激勵(lì)通道工作過程如下: 發(fā)射控制器13從總線接口電路12接收到聲波發(fā)射命令和分析命令后,按聲波發(fā)射命令約定的頻率和周期個(gè)數(shù)輸出特定的方波信號到輸出管腳，順次經(jīng)電平變換電路14、功率管驅(qū)動(dòng)電路15和功率放大電路16進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號功率放大；功率放大電路16的N溝道功率管和P溝道功率管在驅(qū)動(dòng)信號控制下交替導(dǎo)通或關(guān)閉，使電流或從正高電壓+HV經(jīng)N溝道功率管至寬頻帶變壓器17初級繞組流向參考地，或從參考地經(jīng)寬頻帶變壓器17初級繞組至P溝道功率管流向負(fù)高電壓-HV，形成正負(fù)交替的雙極性方波信號；雙極性方波信號經(jīng)寬頻帶變壓器17和兩個(gè)正對的壓電晶體換能器6構(gòu)成的低通濾波器低通濾波，消除高頻率成分，生成大功率的正弦波激勵(lì)電信號，控制壓電晶體換能器6向地層福射聲波,完成一次聲波發(fā)射。如此，周而復(fù)始，便形成了隨鉆聲波測井的持續(xù)聲源激勵(lì)。
圖4a，圖4b分別給出了聲源發(fā)射器2的單極子和四極子工作模式。當(dāng)發(fā)射電子線路5的兩個(gè)激勵(lì)通道施加相位和幅度均相同的激勵(lì)信號驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器2時(shí)，四個(gè)壓電晶體換能器6同時(shí)膨脹或同時(shí)收縮，聲源發(fā)射器2工作在單極子方式；當(dāng)發(fā)射電子線路5的兩個(gè)激勵(lì)通道施加相位相反，幅度相同的激勵(lì)信號驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器2時(shí)，若一個(gè)方向上的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器6膨脹，則另一個(gè)方向上的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器6收縮，反之亦然，此時(shí)，聲源發(fā)射器2工作在四極子方式。
圖5給出了施加在同一個(gè)壓電晶體換能器6上的激勵(lì)電信號時(shí)間域波形，壓電晶體換能器6的固有主頻為13kHz，激勵(lì)電信號頻率自上而下從2kHz至15kHz按IkHz步長遞增，激勵(lì)電信號的持續(xù)時(shí)間均為3個(gè)周期。
圖6為對應(yīng)于圖5激勵(lì)電信號的頻譜圖?？梢钥吹?，聲源激勵(lì)裝置激勵(lì)的聲源頻率與壓電晶體換能器6的固有主頻無直接相關(guān)關(guān)系，在隨鉆聲波測井工作的頻率帶寬內(nèi)得到了適合的激勵(lì)波形，實(shí)現(xiàn)了多頻帶的多極子方式聲波發(fā)射；特別的，能夠使四極子隨鉆聲波測井的一些發(fā)射頻率，如6kHz頻率，能有效位于其鉆鋌波截止頻率(理論上IOkHz左右)和鉆具噪聲頻率(一般 在IkHz 3kHz)之間。
權(quán)利要求
1.一種隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，包括:控制系統(tǒng)和聲源發(fā)射器；其特征在于:控制系統(tǒng)固定在鉆鋌的內(nèi)部空腔內(nèi)；控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器的高電壓正弦波脈沖信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，聲源發(fā)射器由四個(gè)弧形的壓電晶體換能器構(gòu)成，聲源發(fā)射器安裝于鉆鋌外壁的圓環(huán)形凹槽內(nèi)；每個(gè)壓電晶體換能器被包裹一層用于電信號隔離和聲波耦合的絕緣材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，絕緣材料為聚四氟乙烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，控制系統(tǒng)由發(fā)射電子線路骨架和發(fā)射電子線路組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，控制系統(tǒng)通過鉆鋌上的插銷鎖定在鉆鋌的內(nèi)部空腔內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，發(fā)射電子線路骨架的兩端為圓柱體、兩圓柱體之間為正四棱柱體，發(fā)射電子線路骨架的軸心設(shè)有水眼，與鉆鋌的水眼互相連通，發(fā)射電子線路骨架兩端均設(shè)有O型密封圈，發(fā)射電子線路骨架通過O型密封圈與鉆鋌內(nèi)壁緊密接觸；在正四棱柱體上安裝發(fā)射電子線路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，發(fā)射電子線路具有總線接口電路，總線接口電路與隨鉆聲波測井井下儀器控制中心相連接，在總線接口電路與聲源發(fā)射器之間有兩個(gè)功能和結(jié)構(gòu)完全相同的并行激勵(lì)通道，每個(gè)激勵(lì)通道包括: 發(fā)射控制器，與總線接口電路相連接；發(fā)射控制器為數(shù)字信號處理器、現(xiàn)場可編程門陣列器件或任何能夠產(chǎn)生方波信號的微控制器； 電平變換電路，與發(fā)射控制器電路相連接； 功率管驅(qū)動(dòng)電路，與電平變換電路相連接； 功率放大電路,與功率管驅(qū)動(dòng)電路相連接，由一對工作在開關(guān)狀態(tài)的大功率N溝道功率管和P溝道功率管組成； 寬頻帶變壓器，位于功率放大電路與聲源發(fā)射器之間，與聲源發(fā)射器的兩個(gè)正對的壓電晶體換能器連接；每個(gè)壓電晶體換能器的內(nèi)、外表面各有一根引出導(dǎo)線，用于傳輸高電壓的正弦波脈沖信號；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器外表面的引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器的次級繞組的 一端連接；正對的兩個(gè)壓電晶體換能器的內(nèi)表面引出導(dǎo)線接在一起，并與寬頻帶變壓器的次級繞組的另一端連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，鉆鋌的水眼和發(fā)射電子線路骨架的水眼軸線重合，鉆鋌的水眼和發(fā)射電子線路骨架的水眼孔徑相同或不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，每端的O型密封圈為一個(gè)或多個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置，其特征在于，發(fā)射電子線路的一端通過發(fā)射電子線路骨架上的第一密封接頭與隨鉆聲波測井井下儀控制中心連接，另一端通過鉆鋌上的第二密封接頭與聲源發(fā)射器連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于應(yīng)用地球物理測井領(lǐng)域，具體涉及一種用于隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置。隨鉆聲波測井聲源激勵(lì)裝置包括控制系統(tǒng)和聲源發(fā)射器；其特征在于控制系統(tǒng)固定在鉆鋌的內(nèi)部空腔內(nèi)；控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)聲源發(fā)射器的高電壓正弦波脈沖信號；聲源發(fā)射器由四個(gè)弧形的壓電晶體換能器構(gòu)成，聲源發(fā)射器安裝于鉆鋌外壁的圓環(huán)形凹槽內(nèi)，用于電-聲能量轉(zhuǎn)換以向地層輻射聲波。本發(fā)明的用于隨鉆聲波測井的聲源激勵(lì)裝置能向地層輻射與聲源發(fā)射器固有主頻無關(guān)的大功率和多頻帶的聲波信號，適應(yīng)多極子隨鉆聲波的頻帶要求。
文檔編號E21B47/14GK103233724SQ201310149318
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者譚寶海, 張博, 郝仲田, 蘇遠(yuǎn)大, 唐曉明 申請人:中國石油大學(xué)(華東)