专利名称：光缆传输信号的多颇率声学探头组合检测方法及井下仪器的制作方法
涉及领域本发明属于一种地球物理测井技术，可用于检查石油天然气井、煤田探井及金属矿探井的技术状况，涉及用光缆传输井下采集的多种频率声学探头接收到的检测信号，以及在井下用多种频率的声学探头组合检查井或套管内壁的表面状况、套管厚度以及套管外的水泥环分布状况的方法，具体地说，是一种光缆传输信号的多颇率声学探头组合检测方法及井下仪器。
背景技术：
以石油天然气井为例，在钻进工作完成后要下套管并要在套管和井壁的环形空间中用水泥将其封固。在试采石油、天然气时，要将正对油气层段的套管用特制的射孔弹将套管及套管外的水泥环射穿，以便油气能流入井内。在油气生产过程中，由于在产油气层段附近有油、气、水流动，使套管井附近的应力场发生变化，致使套管变形(横截面从正圆变成椭圆)，套管内壁还可能因采油过程中产生石蜡等胶质沉淀，以及地层水和石油中含的有硫化氢等产生的腐蚀。因此，要对油气井的技术状况进行检查。通常，对油气井技术状况的检查包括以下内容1、套管外水泥环的空间分布，水泥环与套管和地层的胶结及对井壁渗透层段的封堵情况，即固井质量检查。
2、套管的变形情况、椭圆度、套管上射孔孔眼的位置、大小、数目，套管内壁是否因受到腐蚀变薄，套管内壁是否有积沉的石蜡、沥青胶质等。
3、对于未下套管的油气井(俗称“裸眼井”)及下了套管的井(俗称“套管井”)，还需要声波反射方法检测，以获得井壁(裸眼井)上的地层层面、孔洞、裂缝发育带的直观图象或套管井井壁上射孔孔眼、套管扩裂、积腊或沥青层段的直观图象。由于在井内有泥浆，通常难以用可见光进行井壁的直观检测，而是用声波反射法检测，称之为井下声波电视测井。
现有的检测油气井技术状况的地球物理测井仪器及井下声波电视测井仪器是1.套管井固井质量检查对于已下套管并实施过井下作业的套管井，主要要检查固井质量，即套管外水泥环与套管与地层的胶结状况，即套管外水泥环的空间分布。以及套管壁上射孔孔眼的位置，是否有破损、积腊等，检查套管井的水泥的封固，称为固井质量检查，以前用过井温测量及轴向转换波模式的套管波(Lamb波或板波)幅度的测量。井温测井由于对测井作业时间有特殊的要求早已淘汰外，声幅测井由于不能识别水泥环与地层的胶结状况，因此不能用于井下状况复杂的疑难井的检查，即不能检查套管外水泥环的空间分布状况。现代检查套管外水泥环空间分布的主要方法是用声反射脉冲法，即根据在井内(井轴附近)向井壁发射的声波脉冲信号，观测记录套管内壁、外壁、水泥环及附近声学界面上反射信号，据此识别水泥环的空间分布。此类仪器国外有CET、SET，国内有UCT、CBET等型号。其共同特点是在井下仅用特定频率的一种声学探头。(与之有关的资料请参见附录《声波测井仪器发展评述》)，此种类型仪器的特点是只用一种频率的宽频带声学换能器，对套管内壁、外壁、套管外水泥环及地层各声学界面上的反射信号进行检测，其依据是各声学界面上的反射波信号在频率、幅度、走时上有差异，从方法原理上是可行的，但因对声学探头的性能要求高，实现起来并不容易，而且此类仪器目前在国内应用范围及作业次数有限。2.井下声波电视测井井下声波电视测井是既能在套管井中，又能在裸眼井中进行井壁表面声学成像的仪器，在井下用同一种频率或两种频率(但不同时使用)，国内外现有的仪器型号、性能均可见附录(《声波测井仪器发展评述》)。这类仪器的主要特点是只记录井内壁的反射回波，最后呈现井内壁表面的二维图象，一般不具备检测套管外面介质分布的功能，而且由于现用测井电缆数据传输速率的限制，对套管外介质分布的检测效果有限。
综上所述，目前检测油气井状况的测井仪器与声波电视测井仪器的功能一般并不兼容，因此为检测套管井的技术状况并获取井内壁表面的直观声系图象要用两种以上的仪器，而且这些仪器的声学探测系统(声系)在性能上不匹配，测量误差各不相同，对准确的检测油气井技术状况及井内壁表面图象带来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使检测油气井状况的测井仪器与声波电视测井仪器的功能兼容，可准确的检测油气井技术状况及井内壁表面图象的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法及下井仪器。
本发明的主要思路及仪器设计的要点本发明是这样实现的在套管井内，对井内壁表面的声波成像、套管厚度检测及套管外水泥环分布的检测在一次测井过程中完成。在裸眼井中，除可检测井壁表面的声学图象以外，还可检测井壁附近几厘米至几十厘米内是否有裂缝、空洞、泥质条带、岩脉等。为此，在井下设置三套声学探测系统，即1)井下声波电视测井系统，由一个频率为1MHz的高灵敏度声学探头组成声系。可在套管井及裸眼井中获得井壁直观声学图象。
2)用频率为1.5MHz的高灵敏度、较大带宽的声学探头检测套管井中套管壁的厚度变化。
3)用频率为300kHz和500kHz的两种声学探头检测套管外水泥环的空间分布并查明各种声学界面(裂缝、空洞等)。为提高检测效果，对现有的方法做了两点改进，即4)普遍提高声系的采样密度，使在井下采集的信号的总量比现有仪器采集的信息量大两个数量级。
5)在检测套管外水泥环空间分布的探测声系中用两种以上频率的声学探头，有别于现有的仅用一种频率的探测声系。即通过用两种频率声学探头的探测结果的比较来查明套管外水泥环的空间分布。这是本项发明的主要创新点之一。现有的用单一频率探头检测套管外水泥环空间分布的声系，对声学探头的要求苛刻，以致很难实现。本发明选定了300kHz和500kHz的两种频率的声学探头检测套管井套管外水泥环的空间分布，是以发明者大量的实验为基础，在理论上是正确的，在方法上是可行的，而且容易实现。此外，用于井下声波电视测井的频率为1MHz的声学探头可采集的后续信号也可以作为识别套管外水泥空间分布的辅助参考。
本发明的下井仪器包括声学探头1、圆柱体2、电机3、滑环4、发射电路5、接收电路6、电路短节7、连接头8、光线电缆9、保温瓶10、扶正器11、12、声波传导筒13、电机保护筒14、压力平衡器15，声波传导筒13内有圆柱体2，声学探头1装在同一圆柱体2上，电机保护筒14内有电机3，在电机3轴上装有滑环4，仪器内分别设有发射电路5、接收电路6、电路短节7，连接头8和光纤电缆9连通，仪器外层有保温瓶10，声学探头1的外部有井下扶正器11、12，在声波传导筒13和电机保护筒14中注有硅油，仪器的端部设有压力平衡器15。
本发明还采用如下技术方案声学探头1可以是一个以上。
由于在井下采用了能完成三种功能(井下声波电视测井、套管壁厚检测和套管外水泥环检测)的四种不同频率的(1.0MHz、1.5MHz、300kHz、500kHz)声系，而且提高了信号采集密度，使采集到的信号大幅度增加，远远超过现用的测井电缆的传输速率(500bit/s)，为此按可采用光传输井下采集到的信息。
将井下采集的信息用光缆传输到地面是本发明的重要创新点之一。国内外地球物理测井仪器中还没有先例。
图1为本发明的端部结构示意图；图2为本发明中部的结构示意图；图3为本发明另一端部的结构示意图。
具体实施除了井下电源以外，井下仪器分为井下声波电视测井、套管厚度检测和套管外水泥环空间分布检测等三个子系统。各部分的探测部件是声学探头。以下对各系统的声学探头系及工作条件予以说明。1、井下声波电视测井子系统声学探头的频率为1.0MHz，采用高灵敏度锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料。探头绕仪器轴每秒旋转5圈，每旋转一圈向井壁发射1024次声脉冲并接收相应回波。由于采集量(每旋转一圈发射并采集反射声脉冲次数)比现有的性能最好的仪器多一倍(每旋转一圈发射并采集512次声脉冲)，因此，图象质量将有改善，在裸眼井及套管井中均可工作。2、套管厚度检测子系统声学探头频率1.5MHz，采用高灵敏度锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料。探头绕仪器轴每秒旋转5圈，每旋转一圈向井壁发射512次声脉冲并接收相应回波。除可检测套管厚度外，还可检测套管的椭圆度及变形。此子系统仅在套管井中工作。3、套管外水泥环空间分布检测系统声系由300kHz和500kHz的两种频率的探头组成。用窄频带锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料。换能器绕仪器轴每秒旋转5圈，每旋转一圈向井壁发射256次声脉冲并接收相应回波。在套管井中可检测套管外水泥环分布，在裸眼井中可采用某一种频率的声学探头检测井壁介质中的孔洞、裂缝、岩脉等声学界面。
为适应三种功能组合的、有四种频率的声学探头采集到的大量信号的传输，采用光缆传输井下采集到的声学信号。所用的光缆是为地球物理测井专用。
如图1、图2、图3所示，本发明在井下是这样实现的井下多个不同频率的声学探头(1)，装在同一圆柱体(2)上，由电机(3)驱动其同步旋转。在电机轴上装有滑环(4)，用以将发射电路(5)按每旋转一周不同的采样密度通过多个声学探头(1)向井壁发射声脉冲。各个声学探头(1)将各自接收到的反射波(不同频率)信号传至接收电路(6)处理，处理后的信号传至电/光信号转换传输电路短节(7)。经转换后的光信号经耐温耐压光纤电缆一体井下仪连接头(8)和光纤电缆(9)传到地面计算机采集系统。为保证电/光传输电路能在150℃的环境中工作，将其封装在金属保温瓶(10)内，为使声学探头在井内测量时保持居中，加装了井下扶正器(11)(12)。为保护声学探头，在声波传导筒(13)和电机保护筒(14)中注有硅油，并通过压力平衡器(15)与井内液柱压力保持平衡。井下电路说明发射电路5发射电路由4个独立发射单元电路组成，分别对声系的4个换能器进行脉冲激发，使换能器产生相应频率的超声波。其中，两个探头162μs发射一次，每次4μs。另外两个探头325μs发射一次，每次4μs。接收电路6接收电路与发射电路相对应，也是由4个独立的接收单元电路组成，分别接收声系4个换能器接收到的相对应频率的信号，接收电路在发射电路发射开始后20μs开始工作，两个150μs截止，两个300μs截止，等待下一次发射，如此反复循环。控制电路声系4个换能器由井下单片机控制，其发射电压，工作状态可以进行多种组合，由控制地面指令进行工作。传输电路井下4个换能器接收到的信号，经滤波放大处理后，由井下光端机进行光调制后经光缆传输到地面光端机，经信号还原处理后进行记录，存到计算机硬盘或磁带上，经二次处理后，向用户提供成果图。
以上电路都是目前井下声波测井中成熟、通用的技术，本发明所涉及的仪器均为市场上通用产品。
权利要求
1.光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法，其特征在于井下仪器采用的声学系统有井下声波电视测井、套管厚度检测和套管外水泥环空间分布检测三种功能，每种功能由一或两种频率的声学探头完成，所用的仪器中声学探头的频率为300kHz、500kHz、1.0MHz、15MHz四种。本发明要求在0.1-1.5MHz频段上，任意选择的两种频率以上不含两种的探头组合形成的声学检测系统在井下设置三套声学探测系统。
2.根据权利要求1所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法，其特征在于井下声波电视测井系统，由一个频率为1MHz的声学探头组成声系，在套管井及裸眼井中获得井壁直观声学图象。
3.根据权利要求1所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法，其特征在于用频率为1.5MHz的声学探头检测套管井中套管壁的厚度变化。
4.根据权利要求1所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法，其特征在于用频率为300kHz和500kHz的两种声学探头检测套管外水泥环的空间分布，通过用两种频率声学探头的探测结果的比较来查明套管外水泥环的空间分布，并查明各种声学界面。
5.根据权利要求4所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测方法，其特征在于用于井下声波电视测井的频率为1MHz的声学探头可采集的后续信号也可以作为识别套管外水泥空间分布的辅助参考。
6.光缆传输信号的多频率声学探头组合检测的下井仪器，包括声学探头(1)、圆柱体(2)、电机(3)、滑环(4)、发射电路(5)、接收电路(6)、电路短节(7)、连接头(8)、光线电缆(9)、保温瓶(10)、扶正器(11)、(12)、声波传导筒(13)、电机保护筒(14)、压力平衡器(15)，其特征在于声波传导筒(13)内有圆柱体(2)，声学探头(1)装在同一圆柱体(2)上，电机保护筒(14)内有电机(3)，在电机(3)的轴上装有滑环(4)，仪器内分别设有发射电路(5)、接收电路(6)、电路短节(7)，连接头(8)和光纤电缆(9)连通，仪器外层有保温瓶(10)，声学探头(1)的外部有井下扶正器(11)、(12)，仪器的端部设有压力平衡器(15)。
7.根据权利要求6所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测的下井仪器，其特征在于声学探头(1)可以是一个以上。
8.根据权利要求6所述的光缆传输信号的多频率声学探头组合检测的下井仪器，其特征在于在声波传导筒(13)和电机保护筒(14)中注有硅油。
全文摘要
光缆传输信号的多颇率声学探头组合检测方法及井下仪器，井下仪器采用的声学系统有井下声波电视测井、套管厚度检测和套管外水泥环空间分布检测三种功能，每种功能由一或两种频率的声学探头完成，所用的仪器中声学探头的频率为300kHz、500kHz、1.0MHz、1.5MHz四种，仪器包括声学探头1、光线电缆9等，声学探头1装在同一圆柱体2上，仪器内分别设有发射电路5、接收电路6、电路短节7，提高了信号采集密度，使采集到的信号大幅度增加，远远超过现用的测井电缆的传输速率(500bit/s)，为此按可采用光传输井下采集到的信息。
文档编号E21B49/00GK1470739SQ0212564
公开日2004年1月28日 申请日期2002年7月26日 优先权日2002年7月26日
发明者徐凌堂, 楚泽涵, 刘菲菲 申请人:盘锦纵横声光电子技术有限责任公司, 石油大学(北京)