包括接收器和隔套结构 的声波测井工具 【技术领域】
本发明涉及在声波测井工具中所使用的接收器组和隔套的结构。更具体地说，本发明涉及一种具有可减少与声波测井测量互相干扰的影响的、具有特别的挠性性质的结构。
背景技术
在石油和天然气工业中的声波钻井测井领域包括一般在500Hz～20KHz频率范围内，对钻井进行声学测量。一般，在这个范围以下认为是地震测量领域，在这个范围以上认为是超声波领域。钻井声学测井的一般技术介绍可在下列文献中找到：“使用声学和超声波的地球物理勘探”电气和电子工程的Wiley百科全书，(1999)第340～365页。
Schlumberger所使用的声波测井工具的一个例子为图1中示意性地所示的偶极子声波成像工具(DSI)。DSI工具包括一个具有在径向平面内正交排列的一对(上部和下部)偶极子源12的发送器部分10，和一个单极源14。隔声接头16将发送器部分10与一个接收器部分15连接，该连接器部分包含一组8个隔开一定距离的接收器站，每一个站有二对水声器，其中一个水声器与一个偶极子源排列在一条线上，另一个水声器与另一个正交的偶极子源排列在一条线上。电子盒20连接在接收器站15的顶部，并可通过电缆24与工具和位于地表面上地控制装置22连通。利用这种工具可以进行单极和偶极子测量。DSI工具具有几个数据采集工作模式，可将任何模式综合起来采集波形。这些模式为：上部和下部偶极子模式(UDP，LDP)-利用由与相应的偶极子源对准的几对接收器记录的波形来产生信号；相交的偶极子模式-利用每一对接收器记录的波形，去激发在线和相交的偶极子源；Stoneley模式一由低频激发单极源产生的单极波形；P和S模式(P&S)-由高频激发单极发送器得出的单极波形；和第一运动模式-由高频激发单极源得出的单极阈值交叉数据。
在偶极子测井中经常碰到的一个问题是，挠性信号沿着工具本身从偶极子源向接收器的传播。这种通常称为“工具到达”的信号与在结构中传播的相应的检测信号干涉，这是很不希望的。已经采取的消除或减少“工具到达”出现的方法包括在偶极子源和接收器之间形成一个可防止“工具到达”传播的装置或结构(“隔离器”)，和采用可延缓或削弱“工具到达”的接收器结构。
隔离器的一种形式是作在偶极子源和接收器为两个单独的体的工具中，该二个单独的体则利用较有挠性的连接器(例如电缆或挠性管)连接起来。美国专利US 5343001中说明了这种隔离器的一个例子。这种方法在防止“工具到达”直接沿着工具体从偶极子源通至接收器方面是有效的，但有一个问题是，该工具不能用在不垂直的，或几乎不垂直的钻井中。由于偏离垂直方向的钻井是非常普遍的，因此这种工具的用途有限。这种结构还不能解决从钻井来的挠性信号与接收器结构耦合，然后沿着接收器传播的问题。
对于偶极子源和接收器连接成一个刚性较大的结构的工具(即可以在偏离的钻井中工作的工具)，该方法是在偶极子源和接收器之间放置一个可中断“工具到达”通路的隔离器，同时采用一个可延缓和/或削弱挠性信号沿着工具体传播的结构。在上述的DSI工具中，隔声接头包括一叠放置在连接件周围的橡胶和钢垫圈。这个结构只是发送器和接收器之间的连接，在二者之间没有连续的壳体或工具体。在美国专利US 4872526中更详细地说明了隔声接头。
隔离器的另一种形式是分段结构。在该结构中，隔离器由多个部分构成，每一个部分只与相邻的部分连接，在每一个连接处为弹性或吸收性的材料。具有许多外壳和卷轴的这种结构的例子在美国专利US 5229553中作了说明，或在US 5728978中说明。在后者中，该结构具有由互锁的凸起部分连接的多个管状零件(还可参见：Computalog Research公司的Lucio N.Tello，Thomes J.Blankinship，Edwin K.Roberts，和Computal of Ltd.公司的Rick D.Kuzmiski的文章SPE56790：“垂直和偏离油井的偶极子组声学工具”该文刊登在“1999 SPE年度技术会议和展览”(Annual TechnicalConference and Edhibition)中，Houston，Texas，1999，10月3～6日)。
除了在偶极子源和接收器之间设置隔离器以外，对接收器部分本身的结构也进行了改进。在接收器壳体提供工具的主要结构强度的DSI工具中，使用槽和孔和质量加载环的综合来改良壳体的声学性质，以减少或延缓挠性(和其他)“工具到达”。这种方法的另一些例子可在美国专利US 4850450和US 5036945中找到。在US 5731550中，用于US 5229553中的隔离器上的分段结构也可用于接收器部分。然而，由于这不是一个刚性结构，因此还必需形成一个壳体或套筒，使该工具可在偏离的钻井中工作。解决这个问题的其他方法在作为WO 99/56155公布的PCT申请NO.PCT/IB98/00646中作了说明，这里引入该申请供参考。
目前，在消除或防止挠性“工具到达”方面，没有一种方法是完全成功的。本发明的目的是要提供一种工具结构，它在处理挠性“工具到达”问题时，不会损害该工具进行结构的偶极子测量的能力。
【发明内容】
本发明提供了一种测井工具的结构，该工具包括一个基本上为连续的中心心轴，在心轴上放置着以规则间隔隔开的质量块，至少一些质量块上装有传感器(例如接收器)。采用这种结构时，该工具的性质如同质量、弹簧结构，并且其挠性和延伸性能可控制，使其方差曲线不延伸至要测井的结构的方差曲线中。该结构可适用于整个测井工具，或只用于接收器部分，和/或在接收器部分和发送器部分之间的隔套部分。
本发明的工具包括至少一个声波信号源和具有心轴-质量块结构的一个接收器部分和/或隔套部分。最好，该工具包括带有单极源和正交的偶极子源的一个发送器部分；带有心轴作为承载零件的一个隔套；和带有单极源与由心轴-质量块结构构成的一个接收器组的接收器部分。
质量块结构可用于测井工具的接收器部分，一些质量块上装有声波接收器零件(例如水声器)。质量块起接收器配件的作用，并且只通过心轴互相连接。将连接器零件放置在多个相邻的质量块上，可以形成一个接收器组。一般，该组包括多个接收器站(质量块)-例如8、12、或16个站，每一个接收器站具有几个以规则方式围绕每一个站的周边排列的接收器零件(例如4或8个接收器零件)。
每一个接收器零件都可带有前端电子线路，提供由每一个接收器零件发出的数字式输出。所要求的电路可以位于靠近相应的接收器配件的心轴周围。这样，可以沿着该工具进行信号的数字式通信。
最好，接收器零件带有相应的电子线路，使输出为数字式形式。
另外，在接收器组的每一个末端可以有单极源。
当将心轴-质量块结构用于隔套部分时，该结构最好放置在工具的发送器和接收器部分之间。心轴起连续的承载结构的作用，并可以为空心的，以形成在该工具的二个部分之间的导线导管。还可以设置一个由例如聚四氟乙烯一类的材料制成的非承载的外套筒(接收器结构也可有相同的套筒)。
下面，将结合附图，用例子来说明本发明。在本发明的范围内，可对实施方式进行改变。
【附图说明】
图1表示先前技术的声波测井工具；
图2表示包括本发明实施例的测井工具；
图3表示图2所示的工具的发送器组件的更详细的图；
图4a、4b和4c表示图2所示的工具的隔套部分和所用的质量块的更详细的图；
图5表示图2所示工具的接收器探头的内部结构的总图；
图6表示接收器的零件和接收器探头的发送器部分附近的部分视图；
图7a、7b和7c表示在接收器探头中所用的质量块的侧视、横截面和等角投影图；
图8表示另一种质量块设计；
图9a和9b表示印刷电路板(PCB)构件；
图10表示在检测元件级上的采集电子电路；
图11表示在接收器站级上的采集电子电路；
图12表示接收器通信总线的结构；
图13表示第一级放大器电路设计；和
图14表示第二级放大器电路设计。
【具体实施方式】
现参见图2可看出，根据本发明的实施例的钻井测井工具包括一个接收器部分和一个隔套部分。图2所示的工具包括一个声波发射器组件110，该组件又包括一个定中心装置112和一个支座114。图3更详细地表示了发送器组件110，它包括带有相应的电子线路和声源的驱动线路的电子线路部分120，油容积补偿器部分122，第一个偶极子源124(名义的“Y”方向)，第二个偶极子源126(与第一个偶极子源124垂直，名义的“X”方向)和一个单极源128。偶极子源124、126基本上和申请人在题为“偶极子测井工具”，序列号为09/537836号，2000年3月2日提出的正在审查中的美国专利申请(这里引入供参考)中所述的那样；而单极源128基本上与US5036945中所述的那样(这里引入供参考)。贯通部分130可使动力线和信号线与发送器组件110上面的工具的部分连接。
如图2所示，隔套部分132连接在发送器组件110的上面。图中表示了两种方案，一种是长的隔套部分132a，另一种是短的隔套部分132b。隔套部分的长度可根据要测井的结构的所希望的声学性质来选择。现利用图4a，4b和4c来更详细地说明隔套部分132。隔套部分132包括由钛合金管制成的、有许多不锈钢质量结构210的一个内部心轴200。该质量结构210包括带有圆柱形外表面212和成形内表面214的块体。该内表面214形成以规定的间隔，沿着心轴200的长度牢固地安装的一个空腔216。通过加热每一个质量块210，使它膨胀，和利用由每一个质量块210的内表面214形成的孔220，使质量块在心轴200上滑动到位，可将质量块210固定在心轴200上。然后，使质量块210冷却和在心轴200周围收缩。通过小心地选择心轴200和质量块210的材料和结构，与使质量块200沿着心轴200适当地定位，则隔套的声学性能如同质量-弹簧结构一样，它不与用于评估围绕钻井的结构的声波信号干涉，而同时可为工具的其他零件提供适当的结构和支承。由于在隔套周围没有套筒或壳体，并且质量块210为空心的和彼此不密封，因此，钻井流体可进入质量块210的空腔216中，并且淤坭可堆积在块的内部，影响其声学性能。为了清洁空腔216，作出穿过质量块210侧壁212的孔218。心轴200是空心的，并与隔套部分132每一端的贯通部分230、240连接，因此导线(没有示出)可通过发送器组件110和接收器探头134之间的隔套132。
隔套部分132的顶部与接收器探头134连接，该探头包括接收器和附近的单极发送器部分136，油容积补偿器138和探头电子线路部分140。接收器探头还带有橡胶支座142、144。图5表示接收器探头134的内部结构的总图。探头134的接收器和附近的单极发送器部分136包括一个接收器站146的组145(在本例子中为16个接收器站，也可以是其他数目)，这些接收器站沿着中心心轴148以一定间隔隔开。每一个接收器站146又包括一个与心轴148连接的接收器安装块150；和具有多个围绕着块150的圆周等角度分布的检测元件152(水声器)。在目前情况下，设置8个元件152，但也可以使用其他的数目(例如4个元件)。每一个接收器站146带有前端电子线路板，下面将作更详细的说明。在接收器组145的每一个末端上安装着单极发送器154、156。接收器和附近的单极部分136装在一个包层的聚四氟乙烯套筒158内，并充满用于压力补偿的油。油容积补偿器138连接在接收器和附近的单极发送器部分136的上面，并与其内部连接。探头电子线路部分140连接在油容积补偿器138的上面，并包括前端电源和单极源用的升压变压器(没有示出)。贯通部分160可使探头134的各个部分用导线连通。探头134的上端部分也带有贯通部分162，用于与也具有定中心的装置166的主电子线路盒164连接。主电子线路盒164带有标准的连接器168，它可与一串测井工具的其他工具，或遥测电路盒连接。该遥测电路盒则可通过测井线路电缆(没有示出)，与地表面系统连通。
图6、7和8更详细地表示接收器探头。接收器部分136的基本结构为与在隔套部分中所用的相同的心轴148和质量块150结构。在接收器部分136的每一端设有基本上与以上发送器部分所述相同的单极源154、156。心轴148在这些单极源154、156之间延伸，并且一系列的质量块150用与在隔套部分中相同的方法，安装在心轴148上。16个相邻的质量块150形成接收器配件170。每一个接收器配件上装有在其圆周周围隔开一定距离的、沿圆周配置的一组接收器零件(水声器)172。在每一个接收器站的直径方向相对的一对接收器零件，与相应的一个偶极子源对准。在这个实施例中，设有8个接收器零件172。接收器站的数目和每一个站中接收器零件的数目可以根据需要选择，例如可选择12个接收器站，每一个站有4个接收器零件。
质量块150包括一个较细长的、管状的、中间有孔182通过的体180。孔182的末端部分184具有直径小的、包围心轴148的外表面的区域186。质量块150的外端部分188作成用于安装检测零件172的安装腔190。图8表示另一种形式的质量块150。这些形式或其他相似的结构可以用来确定接收器部分的声学性能，特别是在挠性模式下更是如此。每一个质量块150都互相连接，使它不能与相邻的质量块直接接触。接收器中的唯一的连续结构为心轴148。在接收器站组145的末端，装有标准样件的质量块(如图8所示的那样)，以保证该接收器站组末端附近的结构的声学性能一致。
检测元件172最好为压电式压力传感器。传感器的优选形式为一个压电材料制成的圆筒，它带有用穿过该圆筒的螺钉连接的端盖。传感器的另一种形式为一叠极化的压电板。它可以是有一个穿过该叠的中心的螺钉以压缩这些压电板的形式。另一种方案是，这些压电板可以放在一个壳体中，并用电极彼此隔开，以使对压电板的压力效果达到最大。不管采用什么形式的传感器，最好使极化轴线与工具的纵轴线平行。检测元件172在质量块150中的精确安装方式取决于所使用的检测元件的形式。
前端的电子元件安装在位于配件250(见图9)上的电路板(没有示出)上，该板放置在每一个质量块150的外部部分的周围。每一个接收器站都带有在配件250上的一组电路板。配件250包括四个表面252，这些表面位于可装在质量块150上的圆形末端接头254之间。末端接头的外径基本上与安装腔190的外径相同。
图10表示接收器前端的基本电子线路结构，它包括检测元件172，其输出送至包括带有第一级高通滤波器的电荷至电压转换放大器的第一级300。第一级300的输出通至第二级302，该第二极具有可编程的增益放大器和模数转换器(ADC)输入缓冲器。第二级302的输出通至带有20位的δ-σ转换器的模数转换器(ADC)304，和给电动扬声器(DSP)306提供序列数据的分样滤波器。当扩展至这里所述的8个传感器站时，前端电子线路可以作成如图11所示那样，使每一个传感器的第一和第二级分开，并设置二个通道的ADC 304，以便同时处理二个传感器的输出。ADC通道的数目取决于所使用的ADC的具体实现方式。DSP最后所得到的输出形成每一个接收器站#1～#16的数字式输出。该数字式输出沿着接收器部分中的公共串行总线308送至主电子线路盒164(图12)中的主DSP310。
图13表示第一级放大器的优选实施例，它包括一个差动电荷放大器电路。传感器的输出信号Si提供给由测试信号St和Rc电路RfCf，R，Cl改良的OPA 404形式的运算放大器，得到第一级的输出O1。其他的实现方式也是合适的，例如单端的或平衡的电荷或电压放大器。
图14表示第二级放大器的优选实施方式。这种实现方式取第一级输出O1作为其输入，并利用二个OPA 404式的运算放大器(OPA 404a，OPA 404b)和带有相应的R和C元件的PGA来调制信号。另外，其他的电路设计也是合适的。第二级的输出通至ADC，再通至接收器DSP。该DSP从每一个接收器站的四个ADC，通过并行总线采集串行数据，并将该数据转换为序列数据。为了对在电路板上的ADC和PGA一类的装置进行控制、和与电子线路盒的主DSP通讯(包括传输采集的数据)，当利用由声学信号源发出的编码序列(例如M-序列)时，DSP还可提供处理消卷积用的信号。
以上对本发明的各个实施例的说明只是作为例子。当利用这里所述的本发明的概念时，可以作一些改变。特别是，心轴和质量块结构的实际尺寸和形状可以改变，以适应提出的要求。另外，在特定情况下，这里所述的电子线路设计可以被其他设计代替。这些改变都不会影响这里所述的本发明的概念。本发明还可用于希望产生声波信号和进行声学测量的其他工具。