[发明专利]井周超声成像下井仪扫描头

说明书

 （一）、技术领域：本发明涉及一种超声波扫描头，特别是涉及一种用于石油测井的井周超声成像下井仪扫描头。

（二）、背景技术: 井周超声成像下井仪是利用超声晶体来测量裸眼井或套管井井壁地质特性的测井仪器。目前所采用的超声晶体都是压电陶瓷晶体，且该压电陶瓷晶体是收发合一的，也就是说发射晶体和接收晶体是同一个晶体。当把晶体置于充满液体的井中，晶体离井壁距离适中的情况下，给晶体一个触发激励时，晶体就可以接收到经井壁反射回的超声信号。超声信号的反射时间反映了晶体离井壁的距离，反射幅度反映了井壁的声阻抗特性。当晶体在电机的驱动下旋转时，根据奈奎斯特准则控制晶体的发射，就可以得到井壁一周的反射时间和反射幅度。当仪器由电缆拉升时，晶体在井中就做螺旋扫描测量，通过对所测信号的处理，就可以得到井周的反射时间和反射幅度。通过计算机对反射时间和反射幅度进行灰度处理，再结合方位信息显示就可以得到井壁四周的图像。图1中所示的就是超声波晶体发射和接收反射信号的波形图，图1中的传播时间反映的是晶体离井壁的距离，回波幅度反映了井壁的声阻抗特性。

60年代，Mobil研究公司首先取得了井周超声成像下井仪这类仪器原理的专利。Amoco公司对改进仪器获得的图像以及Sandia国家实验室对提高仪器的工作温度都作出了贡献。Shell公司增加了自动增益控制线路，它有助于减小由于井壁与入射波不垂直而引起的垂向范围。Georgi利用实验室资料阐述了仪器探测裂缝和分辨附近特征的能力。Shell公司还证明了凹形换能器可以降低工作频率，并可保持较高的成像分辨率。现代的井周超声扫描测井仪是以上述技术为基础的声波成像仪器。

现有井周超声成像下井仪采集的数据量由于不同厂家的每圈发射次数不同而有所不同，但数据量都较大。数据量的增大就意味着传输时间的增加，从而导致测速的降低；同时，图像精度的要求也导致测速的降低。以哈利波顿公司生产的CAST-V的图像模式为例来说明最高测速的问题：它每转动一圈需要上传407个字的数据，此数据以每帧32个字，每帧50ms的速度上传，这样传输407个字就需要9块32字/帧的时间，这样，一圈数据传输的时间为407×50/32/9＝72ms，考虑到图像的精度为0.3in，则1英尺就需12/0.3＝40圈扫描，40圈扫描的时间为40×72ms＝2.9s，故最高测速为1英尺/2.9秒＝21英尺/分钟＝384米/小时。在3800米井深中完成一次测量就需10个小时，在7200米深的井中完成一次测量就需20个小时，这对于测井人员而言是无法忍受的，这也是目前此类仪器的缺点之一。

最大测井速度其实是遥测数传能力、超声成像仪器所要求的测井精度和超声成像仪器产生数据速度的综合体现。为了提高测井速度，首先就需要遥测的速度加快。只有遥测的速度加快了，才能使测井数据快速上传到地面。但是，一味地提高遥测数传速度并不能提高测井速度，因为井下仪器产生所要求精度的数据的速度达不到要求。故遥测速度只是超声成像仪器测速可以提高的先决条件。目前，国内的遥测数传可以到500Kbps，有的甚至可达1Mbps。这就为提高超声成像仪器测井速度提供了可能。

有了高速遥测，现在的主要问题是提高超声成像仪器产生符合精度数据的能力。所谓精度，就是径向精度和垂直精度的统称。径向精度与井眼大小、晶体的声斑大小以及每圈测量的点数有关。垂直精度与晶体声斑大小和测井速度有关。在井眼大小和声斑大小以及每圈测量点数（200点/100点）都确定的情况下，通过选择不同尺寸扫描头可以保证测量的径向精度。垂直精度在声斑大小确定的情况下只与测井速度有关。测井速度过快，相邻两圈扫描的重叠率就会小于50％，甚至会没有重叠。根据奈奎斯特准则可知，其数据分辨率是不可信的。这也是导致测速慢的主要原因。下面以单晶体扫描形式来说明圈数据的提取及测速不能提高的原因。单晶体扫描形式中晶体运行轨迹平面展开图如图2所示，图2中， L是晶体转动一圈时仪器的垂直移动距离，v是测速，t是晶体扫描一圈所耗的时间，从下向上依次为第1圈扫描→第2圈扫描→第3圈扫描→第4圈扫描，前3圈扫描之间都有重复的部分，如果此时测速提高1倍，则相邻2圈扫描之间就不会重复50％，从而导致数据的不可信，测速提高再提高时，相邻2圈（如：第3圈和第4圈）扫描之间就没有重合部分，数据就更加不可信，所以，现有单晶体扫描是不能提高测速的。

（三）、发明内容：本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种含多个超声波晶体，并且与下井仪的转轴连接方便可靠的井周超声成像下井仪扫描头。