專利名稱：鉆井時(shí)為聲波測(cè)井的傳送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在鉆井期間用聲波測(cè)定鉆孔周圍的巖層，特別是新改進(jìn)的聲波測(cè)井方法和設(shè)備，它使用了能優(yōu)先把激發(fā)和接收通過(guò)巖層傳播的單極聲波而抑制通過(guò)鉆井軸環(huán)傳播的多極波的傳送器，該傳送器被安裝在鉆井軸環(huán)上。
聲波在地下傳播的速度隨不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)而改變。例如，在砂石巖中，聲波約以每秒4000米的速度傳播，在石灰石巖中，約以每秒5000米的速度傳播，在巖石中的聲波可分為兩類縱向和橫向?？v(壓縮)波是介質(zhì)在其中平行于傳播方法前后振動(dòng)的波。橫(剪切)波是介質(zhì)的振動(dòng)垂直于波能運(yùn)動(dòng)方向的波。聲波通過(guò)介質(zhì)的速度與介質(zhì)的孔隙率有關(guān)，就它包含烴類的潛能而言，是巖層的一個(gè)重要特征。
為了測(cè)量聲波的速度，一測(cè)井儀器一般有兩個(gè)接收器，從聲波發(fā)送器沿儀器的軸線，它們被以不同的距離間隔開，利用到達(dá)各自接收器的波之間的相位或傳播時(shí)間差可確定聲速。利用兩個(gè)接收器能消除在鉆探泥漿中的傳播時(shí)間，以及補(bǔ)償不同的工具和鉆孔影響。
聲波通過(guò)多孔隙巖石會(huì)傳播得更慢，這一點(diǎn)是重要的，因?yàn)橛兄虡I(yè)利益的石油產(chǎn)品一般在具有好的孔隙率的巖石中發(fā)現(xiàn)。聲波在頁(yè)巖中傳播時(shí)間的不規(guī)則一般隨著深度的以可預(yù)測(cè)的方式增加，這一點(diǎn)能作為鉆孔正接近一高壓多孔區(qū)的警告，因而成為發(fā)生斷裂危險(xiǎn)的預(yù)兆。雖然其它一些利用聲波的技術(shù)已被試驗(yàn)，但主要用途仍保持在聲速的測(cè)量上，它們連同著名的Wyllie公式一起被用來(lái)計(jì)算巖石的孔隙率。特別是與中子和密度測(cè)井結(jié)合，聲波測(cè)井對(duì)地震相關(guān)性和水庫(kù)測(cè)定已經(jīng)是基本的了上述的聲波測(cè)井技術(shù)已主要用在露天礦井測(cè)量，其中探測(cè)器被懸掛在電纜上(鉆具組在孔外)。然而，最近幾年以來(lái)，在鉆井正在進(jìn)行時(shí)，各種儀器和設(shè)備都可用來(lái)測(cè)井。在美國(guó)專利號(hào)4,879,463和4,899,112中分別描述了用核子和電阻率測(cè)定的這樣儀器的例子。測(cè)量裝置與位于鉆頭附近的特殊鉆井軸環(huán)結(jié)合，大體在實(shí)際時(shí)間探測(cè)，顯示和/或記錄的各種測(cè)量結(jié)果在泥漿流中向上以壓力脈沖的形式被遠(yuǎn)距離測(cè)量。然而，由于在鉆孔里有一大的金屬鉆井軸環(huán)，這給聲波測(cè)量造成一定困難。主要問(wèn)題是從傳送器沿鉆井軸環(huán)傳播的某些能量同通過(guò)巖層傳播的能量大體上同時(shí)到達(dá)接收器，因而干涉了從巖層來(lái)的能量的測(cè)量。對(duì)這個(gè)已經(jīng)提出的問(wèn)題的一個(gè)解決方法是在鉆井軸環(huán)上切環(huán)形槽，用來(lái)消弱某些頻率段波的傳播。另一種解決方法是在某一頻率段操作發(fā)送器的減小鉆井軸環(huán)到達(dá)波。這些方法都被描述過(guò)，例如在歐洲專利號(hào)0,375,549B1中。
另一種被嘗試的波源采用壓電元件組，其沿安裝在鉆井軸環(huán)上的中心接收器垂直和對(duì)稱于鉆井軸環(huán)的縱向軸而安裝。這樣一種發(fā)送器在美國(guó)專利號(hào)5,387,767中被描述。這些發(fā)送器在鉆井軸環(huán)和巖層中都激發(fā)聲波。接收器探測(cè)兩種波。它能產(chǎn)生單極波，遺憾的是也產(chǎn)生四極和更高極的多極波。中心接收器對(duì)所有波都是毫無(wú)差別地敏感。因?yàn)槊恳欢鄻O波有不同的波傳播特性，所以，用在鉆井軸環(huán)截面上開槽的方法消弱多極波是很難的。
被垂直安裝的壓電組件傳送器有很強(qiáng)的四極輸出，因?yàn)樗a(chǎn)生兩個(gè)從鉆井軸環(huán)傳播束的分開但同相和幾乎相同的壓力脈沖。這些波發(fā)生干涉，產(chǎn)生強(qiáng)的四極波模式，它傳播得慢一些，但比單極鉆井軸環(huán)到達(dá)波的振幅要大。此到達(dá)波能產(chǎn)生干涉，與真正的單極巖層壓縮聲波混淆，因此給出錯(cuò)誤的結(jié)果。在努力克服這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，發(fā)送器以相對(duì)于接收器成45°被定向。這樣，四極波的振幅最小。然而，此最小值在一小角度范圍時(shí)，四極波能可以稍微旋轉(zhuǎn)。在一方面，本發(fā)明用傳送器簡(jiǎn)化了解決鉆井軸環(huán)波的問(wèn)題，傳送器在抑制難于用鉆井軸環(huán)開槽的方法消弱的多極波的同時(shí)，增強(qiáng)單極聲波。
盡管過(guò)去與電測(cè)井儀器和設(shè)備一起為聲波傳送器的很多提議被提出過(guò)，幾乎沒(méi)有在鉆井操作時(shí)有用在測(cè)井方面的潛在用途。使用壓電柱面的設(shè)備不能很容易地放置在鉆井軸環(huán)上。這種傳送器的變型已被提出，以產(chǎn)生多極波。因?yàn)檫@些波都應(yīng)被消除，為此，它們也不是特別有用。另一些傳送器已被提出，但也不能在鉆井軸環(huán)上試用，如鐵磁性設(shè)備。在另一方面，本發(fā)明采用了一傳送器，它被安裝在鉆井軸環(huán)的外圓周上，以在減小鉆井軸環(huán)多極波的同時(shí)，增大巖層聲波的激發(fā)。
本發(fā)明總的目的是提供新改進(jìn)的在鉆井時(shí)聲波測(cè)井方法和設(shè)備，它使用了在減小多極鉆井軸環(huán)波的同時(shí)增強(qiáng)單極聲波激發(fā)的傳送器，以便能探測(cè)單極巖層壓縮聲波。
根據(jù)本發(fā)明的原理，并通過(guò)包括軸環(huán)外表分配的多個(gè)元件的聲波傳送器的保證，軸環(huán)是鉆孔時(shí)測(cè)并儀器組的一部分，將得到這個(gè)和其它的目的。元件有大致相等的角間距，并離軸環(huán)軸線以相等的徑向距離被安裝。由于這樣的布置，第M等級(jí)多極波的振幅是
其中An是第n個(gè)元件的振幅因數(shù)，Qn是繞軸環(huán)圓周的角位置，N是元件的總數(shù)，作為參考，多極是M＝1(二極)，它是cosθ的函數(shù)，一直到M＝5(十極)，它是cos5θ的函數(shù)。如此類推，單極(M＝0)不依賴于角θ。
在最佳實(shí)施例中，對(duì)每個(gè)傳送器元件來(lái)說(shuō)，振幅因數(shù)A是相同時(shí)，因此是一個(gè)常數(shù)，元件圍繞軸環(huán)平均地分布。因此，
第M等級(jí)多極波變成
因此，除了單極波，如果N不等于M，第M等級(jí)的多極波振幅為0(即被消除)。因此，由被消除的最高等級(jí)多極波來(lái)確定所用單個(gè)傳送器元件的個(gè)數(shù)。
實(shí)際上，具有盡可能多的傳送器元件是最好的。本發(fā)明的傳送器能被用作發(fā)送器，其減小多極波部分(M＞0)的激發(fā)，而增強(qiáng)單極波(M＝0)振幅。傳送器也能用作位于軸環(huán)上的接收器，其減小對(duì)沿軸環(huán)傳播多極波的靈敏度，而增加巖層單極波部分。在兩種情況下，傳送器都包括以環(huán)形排列的多個(gè)壓電陶瓷元件。這些元件被并聯(lián)連接，其被壓制在合適的彈性材料，如橡膠中，并被安裝在軸環(huán)外圓周上的淺槽中，再用鋼護(hù)罩蓋上以保護(hù)它們。傳送器組件是豎固的，小的且定型的，以易于維修。
另一方面，本發(fā)明包括使用上述的環(huán)形發(fā)送器，并結(jié)合在美國(guó)專利號(hào)5,387,767中所描述的具有壓電元件疊層的橫向發(fā)送器，這里將美國(guó)專利5,387,767合并來(lái)作為參考。而且，本發(fā)明也能用環(huán)接收器結(jié)合橫向疊層壓電元件發(fā)送器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在每種情況下，環(huán)形傳送器被安裝在軸環(huán)上的淺外槽中，以便堅(jiān)固和易于維修。
本發(fā)明除有上述目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)之外，還有其它目的，特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)照附圖，并結(jié)合下面優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述后，這將變得更明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明用聲波傳送器在鉆井操作時(shí)測(cè)井的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明被安裝在鉆井軸環(huán)槽表面的發(fā)送器組件的縱向局部剖視圖；圖3是圖2中的發(fā)送器在移去護(hù)罩和彈性環(huán)后的局部展開平面圖；圖4是被安裝在鉆井軸環(huán)上發(fā)送器組件的橫剖圖；圖5和6是根據(jù)本發(fā)明接收器組件圖，它們分別與圖2和3相似；圖7是圖5和6中所示接收器的橫向半剖圖；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明發(fā)送器—接收器裝置的其它實(shí)施例的示意圖。
首先參照?qǐng)D1，連接在鉆孔軸環(huán)組11下端的鉆頭10正常鉆孔12進(jìn)入地層，一個(gè)緊接鉆頭10并經(jīng)特別制造的鉆孔軸環(huán)13中有一個(gè)或多個(gè)測(cè)井裝置安裝在其上或其內(nèi)，以便隨著鉆孔12的深入，將鉆孔貫穿過(guò)的巖層的不同特定性能測(cè)定出來(lái)。代表這樣測(cè)量結(jié)果的電信號(hào)被送到鉆孔時(shí)測(cè)量?jī)x器14，它包括一旋轉(zhuǎn)閥或“汽笛”，其能在軸環(huán)組11內(nèi)的泥漿流中產(chǎn)生壓力脈沖，并通過(guò)鉆孔管傳送到表面。旋轉(zhuǎn)閥根據(jù)測(cè)量的信號(hào)而被控制，在泥漿中產(chǎn)生經(jīng)編碼的壓力脈沖，它們?cè)诒砻姹惶綔y(cè)、解碼和顯示和/或記錄。泥漿脈沖遙測(cè)裝置的具體結(jié)構(gòu)已被公開，例如，在美國(guó)專利號(hào)4,100,528，4,103,281，4,167,000和5,237,540，關(guān)于巖層特性多種測(cè)定裝置都能制得，比如電阻率或?qū)щ娐?，自然γ射線，中子，密度和其它，除此之外，還有各種鉆井參數(shù)測(cè)量，比如鉆頭上的重量和扭矩，涉及測(cè)量的鉆孔方向，例如傾斜和方位。
本發(fā)明在此公開和主張的是一種聲波測(cè)井技術(shù)，其中，在鉆井時(shí)，通過(guò)與鉆孔12相鄰巖層的聲波的速度或傳播時(shí)間被測(cè)量下來(lái)，沿孔被向上傳送，并被記錄或相對(duì)于深度測(cè)定以作為孔隙率的指示。在一最佳裝置中，此項(xiàng)技術(shù)用聲波發(fā)送器19和兩個(gè)接收17和18來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)接收器相對(duì)于發(fā)送器以不同的軸向距離分隔開。由發(fā)送器19發(fā)出的聲能以聲波的方式在環(huán)形套筒15中通過(guò)泥漿而傳播，并如圖1所示意的箭頭16進(jìn)入巖層到達(dá)鉆孔12的外面。聲波以較小的時(shí)間差到達(dá)接收器17，18。當(dāng)鉆孔12通過(guò)各種巖層而延伸時(shí)，通過(guò)對(duì)接收器17，18的輸出信號(hào)進(jìn)行電分析，以確定在連續(xù)地層上的聲速。使用兩個(gè)間隔開的接收器17，18允許補(bǔ)償在環(huán)形套筒里通過(guò)鉆探泥漿向上傳播的聲波，以及可能有的鉆孔12直徑的變化。在鉆井時(shí)用聲波和其它測(cè)量裝置顯著的優(yōu)點(diǎn)是由于泥漿巖層粘結(jié)在鉆孔壁上，在測(cè)量裝置的平面上將不會(huì)發(fā)生泥漿巖層的侵入。
圖2是根據(jù)本發(fā)明以當(dāng)激發(fā)時(shí)產(chǎn)生聲波能的發(fā)送器中的形式顯示了傳送器，發(fā)送器19包括許多細(xì)長(zhǎng)壓電陶瓷元件20，它們被安裝和壓制在一環(huán)形彈性體21內(nèi)，環(huán)形彈性體定位于鉆孔軸環(huán)13外壁上的環(huán)形槽或凹槽22表面。彈性性體21被一護(hù)罩組件23所覆蓋，護(hù)罩組件包括上下環(huán)24，25和一圓筒形外殼26，外殼上有在每個(gè)元件20徑向向外處形成的窗口27。一負(fù)引出線28從每個(gè)元件20的下端連接處向下延伸，一正引出線29從它與每個(gè)元件的連接處向上延伸。如圖3中的展開圖所示，為了便于圖解說(shuō)明，移去了護(hù)罩組件23和彈性體21，元件20以大致相等角度間距圍繞槽22沿圓周方向間隔布置，它們離鉆孔軸環(huán)13的中心軸有大致相等的徑向距離。正引出線29一般被連接到環(huán)形正集合線30上，而負(fù)引出線28一般被連接到環(huán)線負(fù)集合線31上，導(dǎo)線30，31被分別連接到引出線32，33上，引出線如圖示那樣通過(guò)縱向槽延伸，并借助于高壓饋通到圖1中標(biāo)號(hào)8所示的發(fā)送器發(fā)射回路。當(dāng)元件20承受以電脈沖形式的發(fā)射信號(hào)時(shí)，每個(gè)元件體積增大，并共同產(chǎn)生一向前的聲波，此聲波通過(guò)彈性體21，窗口28和軸環(huán)13外的環(huán)形套筒15內(nèi)的鉆探泥漿向外傳播，然后傳播到鉆孔12周圍的巖層里。由于很多元件20圍繞軸環(huán)13的圓周以循環(huán)排列的方式分布，當(dāng)被激發(fā)時(shí)，它們便產(chǎn)生單極聲波。
圖4顯示了在聲波發(fā)送器19平面上貫通鉆孔軸環(huán)13的橫向全剖圖。軸環(huán)13有一中心孔32，鉆探泥漿通過(guò)此中心孔被抽吸到鉆頭10處，并通過(guò)那里的噴管冒出，從而通過(guò)環(huán)形套筒15返回到表面。為了將彈性體21定位于槽22里，或從槽中移去，其中設(shè)置了一徑向薄片33。在圖4中，外殼26上的窗戶或開口27被更清楚地顯示出來(lái)，它們具有相等的角間距，壓電陶瓷元件20相對(duì)于軸環(huán)13的中心軸徑向定位。為了便于圖解說(shuō)明，只示出了24個(gè)元件20。然而應(yīng)該考慮到也能采用不同的個(gè)數(shù)，優(yōu)選的是對(duì)給定尺寸的軸環(huán)13盡可能地用較多的個(gè)數(shù)。因?yàn)槿绻鼈冎腥我粋€(gè)在使用時(shí)損壞或出故障，單極對(duì)多極的振幅比是同元件20的個(gè)數(shù)成比例的。在一典型的實(shí)施例中，每個(gè)元件20橫截面有0.1平方英寸，長(zhǎng)2英寸，并由鈦酸鉛或偏鈮酸鉛制成，它們都具有高壓電容量常數(shù)。在長(zhǎng)度共振以下的頻率范圍內(nèi)，每個(gè)元件20體積膨脹，因此形成一中心壓力源。陶瓷在電極區(qū)域和壓電常數(shù)上相匹配，這更便于從相同的坯料上切下它們。引出線28，29通過(guò)接頭片被連接，以便在溫度和壓力變化時(shí)提供同向彈性和強(qiáng)度，從而確保導(dǎo)線和接頭的牢固。除此之外，又將元件20安裝在合適的角向和徑向位置，彈性體21防止元件20遭受沖擊載荷。
本發(fā)明的另一特征是發(fā)送器19的壓電陶瓷元件能連成多個(gè)子排列，每個(gè)覆蓋一角扇區(qū)。每個(gè)子排列能有它自己的發(fā)射回路，或被一回路以一種方式發(fā)射，這樣它們優(yōu)先地被以一種方式激發(fā)，從而產(chǎn)生單極、正交二極，四極或其它高級(jí)多極聲波。
圖5-7是根據(jù)本發(fā)明以能檢測(cè)到達(dá)聲波能并產(chǎn)生連續(xù)輸出信號(hào)的接收器17或18的形式顯示聲波傳送器。每個(gè)接收器17或18包括以大體相等的角間距和徑向距離沿周向間隔分布的壓電陶瓷元件41。元件被壓制在環(huán)形彈性體42中，彈性體裝配在軸環(huán)13的環(huán)形槽43表面。元件41的環(huán)形排列被護(hù)罩組件44所保護(hù)，護(hù)罩組件包括上、下環(huán)45，46以及外殼47。外殼上有一與每個(gè)元件41徑向相對(duì)的窗口48。正如在前述實(shí)施例中那樣，環(huán)45，46和外殼47如圖示那樣有螺釘固定在軸環(huán)上。正、負(fù)集合線50，51(圖6)并列地連接所有元件41，引出線52，53通過(guò)槽和高壓饋通到接收器前置放大器7的輸入端(圖1)。彈性體42在54處被切開，以允許安裝和移出。在此例中，每個(gè)元件41橫截面為0.25平方英寸，厚0.1英寸，在典型的聲波頻率范圍內(nèi)，提供不定向的中心壓力接收器。元件41在電極區(qū)域和壓電應(yīng)變常數(shù)上相匹配，可優(yōu)先地從同一坯料上切下它們。集合線50，51能如圖示那樣被編織或成環(huán)形，以便為安裝和移去提供周向彈性。彈性體42通過(guò)環(huán)形套筒內(nèi)的泥漿從巖層將壓力波傳導(dǎo)到元件41，元件將壓力波轉(zhuǎn)移為電信號(hào)。這些電信號(hào)被圖示的并列導(dǎo)線結(jié)構(gòu)累加到一起，單獨(dú)總和被電荷前置放大器放大。
本發(fā)明的另外實(shí)施例在圖8A和8B中被示意性地顯示出來(lái)。例如圖8A中的發(fā)送器19′可以是由壓電陶瓷元件20組成的環(huán)形組件，元件20如圖2所示離鉆孔軸環(huán)13的縱向軸大致相等的徑向距離以及以大致相等的角間距繞槽22間隔布置。元件20被封閉在一環(huán)形彈性體21中，并根據(jù)圖2上述描述的那樣被保護(hù)地隔離。分離開的接收器17′和18′象圖1中的接收器17和18那樣定位，它們?nèi)缟鲜雒绹?guó)專利號(hào)5,387,767中公開的那樣是一橫向組件。每個(gè)接收器17′和18′有從中間板向外伸出的壓電陶瓷元件組，元件組被裝在筒形外殼里，外殼有沿直徑方向伸入到軸環(huán)對(duì)置孔中的對(duì)應(yīng)端部分。裝配時(shí)雙向?qū)ΨQ軸環(huán)對(duì)置孔中的對(duì)應(yīng)端部分。裝配時(shí)雙向?qū)ΨQ并平衡裝配力，使用彈性隔離器用來(lái)消弱聲波發(fā)送到鉆孔軸環(huán)13。如圖8B所示，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，發(fā)送器19″位于圖1中環(huán)形發(fā)送器19′所在的鉆孔軸環(huán)13處，它是一橫向元件組，如美國(guó)專利號(hào)5,387,767中所公開的那樣。而間隔開的接收器17″和18″是環(huán)形接收器，如圖5和6所示。
在操作和使用本發(fā)明時(shí)，聲波發(fā)送器19和接收器17和18都裝在各自的位于鉆孔軸環(huán)13內(nèi)的槽22和43中。鉆孔軸環(huán)被連接在鉆頭10以上的鉆具組內(nèi)。用來(lái)激發(fā)發(fā)送器19及探測(cè)和處理從接收器17和18來(lái)的信號(hào)的各種電子回路一般位于軸環(huán)13壁內(nèi)的常壓室內(nèi)。裝置的輸出信號(hào)以一種適當(dāng)?shù)姆绞剿偷姐@孔時(shí)的測(cè)量?jī)x器14，儀器發(fā)送編碼泥漿脈沖到表面，以便聲波測(cè)井結(jié)果在真實(shí)的時(shí)間內(nèi)大致被記錄下來(lái)。
當(dāng)發(fā)送器19的壓電陶瓷元件20遭受從發(fā)射回路8來(lái)的電脈沖時(shí)，每個(gè)元件的體積稍微膨脹，以建立一個(gè)在彈性體21內(nèi)產(chǎn)生壓力波的壓力源。由于每個(gè)元件20體積的膨脹，壓力源的振幅和相位都相等，因此這些源彼此增強(qiáng)，并產(chǎn)生不依賴于方位的輸出波，即單極波。這些波通過(guò)環(huán)形套筒15內(nèi)的鉆探泥漿傳播，也在鉆孔12外的巖石內(nèi)位移。因而，這些波按圖1中箭頭16所示的那樣縱向傳播，也通過(guò)泥漿向內(nèi)回到接收器17和18。在那里它激發(fā)元件41而產(chǎn)生電流輸出。利用接收到的聲波之間的相位或傳播時(shí)間差和發(fā)送器19與接收器17和18之間的縱向間距可以確定通過(guò)巖層的聲速，這個(gè)速度與巖石的孔隙率有關(guān)。
當(dāng)發(fā)送器19被激發(fā)時(shí)，聲波也與鉆孔軸環(huán)13耦合，這樣的波直接傳播到接收器17，18，然而，本發(fā)明的單極環(huán)形發(fā)送器不產(chǎn)生多極波，以便軸環(huán)到達(dá)波有一較小的振幅。巖層四級(jí)，六級(jí)和八極波的干涉能量也被抑制。
由于壓電陶瓷元件20是并聯(lián)的，輸出信號(hào)是獨(dú)立的和數(shù)，也不依賴于陶瓷元件的結(jié)構(gòu)或機(jī)械連接，如果在鉆井期間一些元件被損壞或它們的輸出信號(hào)由于某種原因丟失，只會(huì)對(duì)整個(gè)輸出信號(hào)產(chǎn)生較小的影響。由于發(fā)送器和接收器是定型裝置，它們很容易被安裝或移開，只需通過(guò)緊固或松開護(hù)罩和它的螺釘，而不影響儀器的電子線路。
單極環(huán)形接收器17，18消除或大大抑制多極波，因而對(duì)軸環(huán)形到達(dá)波不敏感。由于鉆孔在軸環(huán)和鉆孔中傳播的噪音信號(hào)將傾向于以各種多極波的型式傳播。因而，高級(jí)型或波的消除將減小接收到的鉆孔噪音等級(jí)。
再值得注意的是由于壓電陶瓷元件41是并聯(lián)的，以便它們的輸出信號(hào)是單獨(dú)的和數(shù)；也由于此輸出信號(hào)不依賴于元件的結(jié)構(gòu)或機(jī)械連接，在鉆孔期間一些元件的損壞或丟失只會(huì)對(duì)整個(gè)輸出信號(hào)有較小的影響。
現(xiàn)在，應(yīng)該承認(rèn)在鉆井期間用聲波測(cè)井的新改進(jìn)的方法和設(shè)備已被公開了，由于可在有脫離本發(fā)明涉及的原理的基礎(chǔ)上對(duì)所公開的實(shí)施例進(jìn)行某些改變和變更，為了覆蓋落在本發(fā)明范圍內(nèi)的各種改變和變更，這是所附權(quán)利要求的目的。
權(quán)利要求
1.一種在鉆井時(shí)安裝在管狀鉆具組件上以用于在鉆孔中進(jìn)行聲波測(cè)量的聲波傳送器，所述的傳送器包括圍繞所述的鉆具組件的一種排列安裝的多個(gè)傳送器元件，所述的元件以大致相等的角間距定位，并被布置成激發(fā)和產(chǎn)生或探測(cè)聲波。
2.如權(quán)利要求1所述的傳送器，其特征在于傳送器元件是壓電元件。
3.如權(quán)利要求1所述的傳送器，其特征在于所述的傳送器元件以離所述排列的中心大致相等的徑向距離而定位。
4.如權(quán)利要求1所述的傳送器，其特征在于所述元件的激發(fā)優(yōu)先地產(chǎn)生或探測(cè)單極聲波，而抑制多極波。
5.如權(quán)利要求1所述的傳送器，其特征在于所述的元件被安裝和固定在一彈性環(huán)中，而彈性環(huán)的大小與所述管狀鉆具組件上的外環(huán)形槽相配。
6.如權(quán)利要求5所述的傳送器，還包括為保護(hù)所述環(huán)和所述元件的包圍裝置，所述包圍裝置有在每個(gè)所述元件徑向向外處形成的窗口。
7.如權(quán)利要求6所述的傳送器，其特征在于所述的彈性環(huán)在周向是不連續(xù)的，以便提高它定位于所述槽中或從所述槽中移去的能力。
8.如權(quán)利要求1所述的傳送器，還包括并聯(lián)連接所述元件的電子回路裝置，以便從那兒出來(lái)的輸出信號(hào)是每個(gè)元件輸出信號(hào)的獨(dú)立和數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的傳送器，還包括并聯(lián)連接所述元件以探測(cè)所述鉆具組周向周圍中和的聲波的電子回路裝置，以便減小對(duì)多極波的靈敏性，并根據(jù)被探測(cè)到的波路放大器提供輸出信號(hào)。
10.一種在鉆孔鉆入地層期間用于聲波測(cè)井的聲波發(fā)送器，其包括有著縱向軸的管狀鉆孔軸環(huán)；圍繞所述鉆孔軸環(huán)安裝的單個(gè)傳送器元件的環(huán)形排列；連接所述元件的電路裝置，以便施加的電刺激引起所述的元件產(chǎn)生圍繞鉆孔傳播到地層里的單極聲波。
11.如權(quán)利要求10所述的發(fā)送器，其特征在于所述元件被壓制在一環(huán)形彈性體中，所述的彈性性體在它圓周上的某一點(diǎn)被切開，以便于在所述的軸環(huán)中定位或從所述軸環(huán)中移去。
12.如權(quán)利要求11所述的發(fā)送器，還包括圍繞所述排列的護(hù)罩裝置，其上在每個(gè)所述元件的徑向向外處形成有單個(gè)的窗口，以允許聲波通過(guò)，同時(shí)將所述彈性體和所述元件保護(hù)在鉆孔內(nèi)。
13.如權(quán)利要求10所述的發(fā)送器，還包括激發(fā)大致均勻地圍繞所述排列的所述元件的發(fā)射裝置，以減小所述鉆孔軸環(huán)中多極波的產(chǎn)生，同時(shí)產(chǎn)生向外傳播到鉆孔周圍地層中去的單極波。
14.一種在鉆孔期間確定通過(guò)鉆孔周圍巖層的聲速并在鉆具組下帶有鉆頭的聲波測(cè)井裝置，包括一適于連接在鉆頭以上的鉆具組上的管狀軸環(huán)；所述的軸環(huán)有固定在其上的第一，第二，和第三傳送器元件的圓周排列；電刺激圍繞所述圓周的所述第一排列的裝置，以產(chǎn)生傳播到巖層中去的聲波；探測(cè)在第二和第三排列處的所述到達(dá)波，從而利用被探測(cè)到的波計(jì)算通過(guò)巖層的聲波。
15.如權(quán)利要求14所述的測(cè)井裝置，其特征在于所述的第一排列被安裝在所述軸環(huán)的第一外環(huán)形槽中，所述第二和第三排列被分別安裝在所述軸環(huán)的一對(duì)第二環(huán)形槽中，還包括分別圍繞所述槽的護(hù)罩裝置，其上在每個(gè)所述元件徑向向外處形成有單個(gè)的窗口。
16.如權(quán)利要求14所述的測(cè)井裝置，其特征在于每個(gè)所述的排列被安裝在一環(huán)形彈性體中，每個(gè)所述的彈性體在周向是不連續(xù)的，以便從所述軸環(huán)中移出和定位于所述的軸環(huán)中。
17.如權(quán)利要求14所述的測(cè)井裝置，其特征在于所述的激發(fā)裝置包括并聯(lián)連接所述第一排列中每個(gè)所述元件的電路裝置，以便得到大致均勻的激發(fā)。
18.如權(quán)利要求14所述的測(cè)井裝置，其特征在于所述的探測(cè)裝置包括并聯(lián)連接每個(gè)述第二和第三排列中所述元件的電路裝置，以便圍繞每個(gè)所述排列的周向的中和聲波被探測(cè)。
19.一種在鉆孔期間確定通過(guò)鉆孔周圍巖層的聲速并在鉆具組下端帶有鉆頭的聲波測(cè)井裝置，包括一適于連接在鉆頭以上的鉆具組上的管狀軸環(huán)；一安裝在所述軸環(huán)上的單個(gè)發(fā)送傳送器元件的環(huán)形組件，其用于產(chǎn)生向外傳播到巖層中的聲波；至少一個(gè)安裝在所述軸環(huán)上的接收傳送器元件組件，它們?cè)诳v向離所述的環(huán)形組件一選定距離，以探測(cè)所述聲波的到達(dá)，從而能計(jì)算通過(guò)巖層的聲波速度。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于所述的發(fā)送器元件是被安裝在所述軸環(huán)外環(huán)形槽中的壓電元件，所述元件有著大致相等的角間距，并在離所述軸環(huán)的縱向軸大致相等的半徑處定位。
21.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于所述的接收傳送器元件是壓電元件組，其被雙向?qū)ΨQ地安裝在具有對(duì)應(yīng)端部分的筒形外殼里，對(duì)應(yīng)端部分沿直徑方向定位于所述軸環(huán)壁的對(duì)置孔中。
22.一種在鉆進(jìn)期間確定通過(guò)鉆孔周圍巖層的聲速，并在鉆具組下端帶有鉆頭的聲波測(cè)井裝置，包括一在所述軸環(huán)內(nèi)的發(fā)送傳送器元件組橫向組件，其用于產(chǎn)生向外傳播到巖層中的聲波；至少一個(gè)安裝在所述軸環(huán)上的單個(gè)接收傳送器元件的環(huán)形組件，它們?cè)诳v向離所述的發(fā)送傳送器元件一選定距離，以探測(cè)所述聲波的到達(dá)，從而能計(jì)算通過(guò)巖層的聲波速度。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于所述的發(fā)送傳送器元件是壓電元件組，其被雙向?qū)ΨQ地安裝在具有對(duì)應(yīng)端部分的筒形外殼里，對(duì)應(yīng)端部分沿直徑方向定位于所述軸環(huán)壁的對(duì)置孔中。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于所述的接收傳送器元件是被安裝在所述軸環(huán)外徑形槽中的壓電元件，所述元件有著大致相等的角間距，并在離所述軸環(huán)的縱向軸大致相等的半徑處定位。
25.一種在鉆孔里產(chǎn)生和探測(cè)聲波以在鉆進(jìn)時(shí)獲得通過(guò)鉆孔周圍巖層所述波速的測(cè)井記錄的方法，包括下列步驟利用沿鉆孔軸環(huán)周向安裝的聲波產(chǎn)生元件的第一環(huán)形排列，以產(chǎn)生向外傳播到巖層中的單極波；利用沿鉆孔軸環(huán)周向安裝的聲波探測(cè)元件的至少一個(gè)第二環(huán)形排列，其與所述第一環(huán)形排列縱向分開，以探測(cè)從巖層來(lái)的所述單極波的到達(dá)波。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括下一步驟，即并聯(lián)地由連接所述第一環(huán)形排列的所述元件，以便繞圓周大致均勻地激發(fā)所述元件。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括下一步驟，即并聯(lián)地電連接所述第二環(huán)形排列的所述元件，以使中和的聲波被探測(cè)，減小對(duì)多極波的靈敏度。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括下一步驟即安裝每一所述的環(huán)形排列在各自的環(huán)形彈性體中，安裝所述彈性體在所述鉆孔軸環(huán)外表面上各自的環(huán)形槽中。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，還包括下一步驟即隔離每個(gè)所述的彈性體，以保護(hù)彈性體和所述元件；在每個(gè)所述外殼上提供窗口，窗口位于每個(gè)所述元件的徑向向外處。
30.一種在鉆孔時(shí)確定通過(guò)鉆孔周圍巖層的聲波速度的方法，包括下列步驟；使用縱向分開的傳送器元件的第一和第二組件，所述組件之一是單個(gè)壓電元件的環(huán)形排列，另一個(gè)是單個(gè)壓電元件的疊層排列；用所述組件之一產(chǎn)生向外傳播到巖層中的聲波；用所述組件中的另一個(gè)探測(cè)聲波的到達(dá)，以便能計(jì)算出所述聲波通過(guò)巖層的速度。
31.一種產(chǎn)生聲波能用來(lái)在鉆孔里進(jìn)行聲波測(cè)量的方法，所述的方法包括下列步驟提供安裝在環(huán)形排列中的多個(gè)傳送器元件；優(yōu)先地以一種方式激發(fā)所述的傳送器元件，以使所產(chǎn)生的聲波極性是多極的。
全文摘要
一種在鉆孔時(shí)用于聲波測(cè)井的聲波傳送器，它包括圍繞鉆孔軸環(huán)周向安裝的傳送器元件的一個(gè)排列。元件被固定彈性環(huán)內(nèi)，彈性環(huán)被容納在軸環(huán)上的外槽里，并被帶窗口的護(hù)罩所保護(hù)。元件被并聯(lián)地電連接起來(lái)，以便當(dāng)它被電脈沖激發(fā)時(shí)，元件產(chǎn)生向外傳播到地層中的單極聲波。當(dāng)用作接收器時(shí)，元件探測(cè)從圍繞軸環(huán)圓周的巖層中傳來(lái)的中和聲波，并對(duì)通過(guò)鉆孔軸環(huán)傳播的多極波有最小的靈敏度。
文檔編號(hào)G01V1/52GK1165956SQ9612308
公開日1997年11月26日 申請(qǐng)日期1996年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月7日
發(fā)明者J·B·阿倫, S·K·陳, D·A·克拉色爾, T·M·劉 申請(qǐng)人:安娜鉆機(jī)國(guó)際有限公司