用于声波测井仪的新型隔声体测井装置及最优化设计方法

摘要

本发明涉及一种地球物理探测/声学测井领域，公开了一种用于声波测井仪的新型隔声体测井装置及新型隔声体的最优化设计方法，包括隔声组件、上接头组件、下接头组件、中段接头组件，上接头组件和下接头组件上分别设有接收换能器和发射换能器，隔声组件包括发射隔声组件、接收隔声组件，发射隔声组件和接收隔声组件组合有效的增加了直达波延时时间，同时也使直达波幅度产生一定的衰减。本发明发射段隔声体和接收段隔声体的组合，有效地增加直达波延时时间，直达波幅度衰减明显改善隔声效果，隔声体能够在较宽频率范围内实现较好的直达波延时隔声效果，并在井况不好时能较好地保证测井仪器的安全，该装置整体结构简单，设计合理，有利于推广使用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测/声学测井领域，尤其涉及一种用于声波测井 仪的新型隔声体测井装置及新型隔声体的最优化设计方法。

背景技术

目前，声波测井不仅可以提供地层纵波速度、横波速度、弹性模量和泊松 比等岩石物性参数，而且为孔隙度、渗透率和含油饱和度等储层参数计算提供 基础参量。发射探头发射声波信号经过不同物性地层返回到多个接收器探头， 通过探头间距和接收到地层首波时差就可以得到不同物性地层的声波波速。当 经过仪器内部直达波率先或同时到达接收探头时就会对正常的测井工作产生影 响，使得测量结果产生误差。为了衰减和延迟仪器直达波需用隔声体进行处理， 现有的许多声波测井仪隔声体一般采用如图1所示的外刻环形凹槽的方式，还 有采用如图2所示的在周向上周期刻窗的方式。但上述两种刻槽方式对仪器结 构本身的机械性能影响很大，造成在测井使用过程中易损坏的情况发生。因此， 隔声体在满足隔声效果好的同时还要能够满足一定的机械强度，必须经过严格 的机械性能分析后才能使用。本发明专利中隔声体很好的解决了隔声效果和机 械强度的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中主要存在声波测井仪隔声体采用外刻环形凹槽的方 式或周向上周期刻窗的方式对仪器结构本身的机械性能影响很大而造成在测井 使用过程中仪器易损坏的情况发生的缺点，提供了一种发射段隔声体和接收段 隔声体的组合、隔声体上设置内刻隔声槽和外刻隔声槽、同时具有良好的隔声 效果和机械强度的用于声波测井仪的新型隔声体测井装置。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

用于声波测井仪的新型隔声体测井装置，包括隔声组件、分别固定设在隔 声组件两端的上接头组件和下接头组件，隔声组件包括发射隔声组件、接收隔 声组件，发射隔声组件、接收隔声组件分别连接在下接头组件、上接头组件上， 上接头组件和下接头组件上分别设有用于声波接收的接收换能器和用于声波发 射的发射换能器，还包括两端分别与发射隔声组件和接收隔声组件固定连接的 中段接头组件，发射隔声组件包括发射段隔声体，接收隔声组件包括接收段隔 声体，射隔声组件和接收隔声组件组合有效的增加了直达波延时时间，同时也 使直达波幅度产生一定的衰减。

接收段隔声体的内径和外径范围分别为15～35mm和45～70mm。

作为优选，发射段隔声体上设有发射段内刻隔声槽和发射段外刻隔声槽， 发射段内刻隔声槽与发射段外刻隔声槽之间的间距为5～10mm，接收段隔声体上 设有接收段内刻隔声槽和接收段外刻隔声槽，接收段内刻隔声槽与接收段外刻 隔声槽之间的间距为10～20mm。

隔声体上的内刻隔声槽和外刻隔声槽的组合，用于衰减或延迟直达波，射 隔声组件和接收隔声组件组合有效的增加了直达波延时时间，同时也使直达波 幅度产生一定的衰减隔声效果明显改善。

作为优选，发射段内刻隔声槽、发射段外刻隔声槽、接收段内刻隔声槽、 接收段外刻隔声槽分别为矩形通孔槽、环形凹槽、方孔形通孔槽、环形凹槽， 发射段内刻隔声槽设在发射段外刻隔声槽的环形凹槽槽间的突起部分周向方 向，接收段内刻隔声槽设在接收段外刻隔声槽的环形凹槽槽间的突起部分周向 方向。

作为优选，发射段内刻隔声槽、接收段内刻隔声槽分别为20～30组、5～10 组，每组发射段内刻隔声槽、接收段内刻隔声槽均为四个，相邻两个发射段内 刻隔声槽之间形成90度错位布置，相邻两个接收段内刻隔声槽之间形成90度 错位布置。

作为优选，发射段外刻隔声槽、接收段外刻隔声槽的凹槽宽度分别为 5～20mm、15～30mm。

作为优选，发射段内刻隔声槽、接收段内刻隔声槽的槽内均填充有吸声橡 胶。

作为优选，发射段隔声体上还设有发射段皮囊，发射段皮囊穿设在发射段 隔声体中间；接收段隔声体上还设有接收段皮囊，接收段皮囊穿设在接收段隔 声体中间。

作为优选，中段接头组件包括中转换接头，中转换接头连接有第一接收固 定座，第一接收固定座连接有第一发射连接座，发射段隔声体依次通过中转换 接头、第一接收固定座、第一发射连接座与接收段隔声体连接，发射段隔声体 通过发射段皮囊转接头与下接头组件连接，接收段隔声体通过接收段皮囊转接 头与上接头组件连接，发射段皮囊转接头、接收段皮囊转接头分别与发射段皮 囊、接收段皮囊连接。

作为优选，上接头组件包括设在接收段皮囊转接头上的接收连接座、设在 接收连接座上的第二接收固定座、套设在第二接收固定座上的接收绝缘环、套 设在接收绝缘环上的接收固定环，接收绝缘环通过接收固定环压紧接收换能器， 接收换能器外罩设有接收透声罩，接收透声罩连接有承压接头，承压接头上设 有上转换接头；下接头组件包括设在发射段皮囊转接头上的第二发射连接座、 设在第二发射连接座上的发射固定座、套设在发射固定座上的发射绝缘环、套 设在发射绝缘环上的发射固定环，发射固定环通过变压器固定座压紧发射换能 器，变压器固定座一端设有U型槽，发射换能器通过U型槽走线，第二发射连 接座分别与发射段隔声体、接收段隔声体对拧，发射换能器外罩设有发射透声 罩，变压器固定座上设有下转换接头。

进一步证明本发明专利隔声结构的隔声效果和机械强度能够满足要求，对 上述理论设计的声波测井仪新型隔声体进行了数值模拟和实验验证。

对隔声体的机械强度性能进行如下有限差分数值模拟：

隔声体的机械强度性能进行如下有限差分数值计算分析的具体方法步骤如 下：

a.根据第三强度理论，隔声体受拉力时，其失效判据为：

σ₁-σ₃＝σ_s，从而得到：

${\sigma }_{r3}={\sigma }_1-{\sigma }_3=\sqrt{({\sigma }^2+4{\tau }^2)};$

隔声体受到的拉力为最大承载拉力，强度条件为：

σ₁-σ₃≤[σ]，

其中[σ]为材料最大许用应力。

利用有限差分数值模拟方法分析，施加一定拉力在隔声体上可以得到相应 的应力云图，通过应力云图可以明显发现，隔声体上危险受力点应该在切割槽 拐角处，只要控制危险点的最大应力小于材料最大许用应力就可以求出隔声体 所能承受的最大拉力值。

经过有限差分数值模拟对所述本发明专利隔声体进行机械性能分析，得到 隔声体所能承受的最大拉力为80kN约8吨重的力。普通的环形刻通槽方式的隔 声体所能承受的最大拉力极限应该在2.96吨以内，远达不到本发明专利隔声体 的抗拉性能；

b.隔声体抗弯分析：对所述本发明专利隔声体中间施加fixed support进 行固定，两端施加等大小等方向的拉力，并设定材料承受最大许用应力值，当 两端拉力达到3.9kN时，隔声体发生弯曲，产生的最大应力接近最大许用应力 值[σ]，计算最大抗弯压力也要满足强度条件：

σ₁-σ₃≤[σ]，

得到最大抗弯压力值为3.9kN约0.4吨重，普通的环形刻通槽方式的隔声体所 能承受的最大抗弯压力为1.5kN约0.15吨，也达不到本发明专利隔声体的抗弯 性能。

为了进一步证明本发明专利隔声结构的隔声效果和机械强度能够满足要 求，对上述理论设计的声波测井仪新型隔声体进行了数值模拟和实验验证。

进一步对本发明隔声体的机械强度性能进行数值计算分析。分析显示：在 隔声体切割槽棱边角是应力集中最大的地方，从分析结果可以看出隔声体在满 足许用应力时所能承受的最大拉力为80kN约8.2吨，完全可以满足电缆声波测 井的要求，并且给出了普通刻槽方式的隔声体受拉力时的应力云图作为对比。 当隔声体两端受压发生弯曲时，中间部位所受应力最大，在满足许用应力的条 件下，隔声体能承受的抗弯压力为3.9kN约0.4吨，也能满足电缆声波测井的抗 弯要求，并且给出了普通刻槽方式的隔声体抗弯数值分析的应力云图作为对比。

用于声波测井仪的新型隔声体的最优化设计方法，包括如下步骤：

A.设定参数或变量：定义隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度分 别为d₁和d₂，d₂＝βd₁，β为隔声体内刻隔声槽与隔声体外刻隔声槽的宽度比例系 数，根据工程实际情况确定β，隔声体的隔声效果通常由隔声量和直达波延时 时间τ衡量，对于普通刻槽方式的常规声波测井仪隔声效果主要取决于直达波延 时时间τ；直达波延时时间τ通过截取近波波至点和远波波至点之间的时间差得 到并与d₁、d₂和f具有相关性；

B.从直达波的四分之一波长开始计算，以等间距步长Δd不断增加隔声体内 刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接 收换能器的阵列波形，以隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度d₁和d₂为组合变量，得到如下所示的直达波延时时间目标函数Σ(d₁,d₂)：

$\Sigma (d_1,d_2)={\int }_{f_1}^{f_2}F(d_1,d_2)\mathrm{df}$

其中，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止 频率；F(d₁,d₂)为有限差分数值模拟的直达波延时时间相关函数；

C.依据目标函数Σ(d₁,d₂)，利用有限差分数值模拟方法模拟得到每个步长下 的目标函数值，并利用最小二乘法求解得到目标函数的全局极大值，当目标函 数达到最大值时，对应隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度值，即为 最优化组合的隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度值，从而确定隔声 效果最好、隔声直达波延时时间最大时的隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声 槽的宽度值。

实验室测量接收换能器接收到的波形图测试验证显示：该隔声体最大直达 波延时时间τ能够达到1.2ms多，并且使一些高频声波幅度降低了，其隔声性能 完全可以满足电缆声波测井中对直达波延时时间τ的要求。普通刻槽隔声体的直 达波延时时间，不仅衰减后声波幅值大，而且直达波延时时间τ只有0.4ms左右。

本发明由于采用了以上技术方案，具有如下显著的技术效果：

(1)结构上，本发明的新型隔声体包括隔声组件和上、中、下连接组件， 隔声组件包括隔声体、皮囊、吸声材料、转换接头，整体结构简单，设计合 理。

(2)隔声体上的内刻隔声槽和外刻隔声槽的组合，用于衰减或延迟直达 波，射隔声组件和接收隔声组件组合有效的增加了直达波延时时间，同时也使 直达波幅度产生一定的衰减隔声效果明显改善。

(3)在隔声效果的设计中，引入了数值模拟有限元分析技术，更准确地分 析隔声体的隔声效果和机械强度，同时结合实验，保证了仪器工作时可以承受 住机械力。

综上所述，本发明采用发射段隔声体和接收段隔声体的组合，通过隔声体 上设置内刻隔声槽和外刻隔声槽用于衰减或延迟直达波，隔声体能够在较宽频 率范围内实现较好的延时隔声效果，并在井况不好时能较好地保证测井仪器的 安全，该装置整体结构简单，设计合理，有利于推广使用。

附图说明

图1为现有的一种单独外刻环形凹槽的隔声体的周向180度展开结构示意 图。

图2为现有的一种单独周向周期刻窗的隔声体的周向180度展开结构示意 图。

图3为本发明用于声波测井仪的新型隔声体测井装置实施例的整体结构示 意图。

图4为本发明上接头组件实施例的结构示意图。

图5为本发明接收段隔声体实施例的结构示意图。

图6为本发明中段接头组件实施例的结构示意图。

图7为本发明发射段隔声体实施例的结构示意图。

图8为本发明下接头组件实施例的结构示意图。

图9为本发明隔声体通过实验测量出的波形图。

图10为本发明隔声体受拉分析的应力分布图。

图11为本发明隔声体抗弯分析的应力云图。

图12为本发明隔声体进行抗弯数值分析的应力云图。

图13为普通刻槽方式的隔声体受拉力时的应力云图。

图14为普通刻槽方式的隔声体抗弯数值分析的应力云图。

附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—上转换接头、2—承压接头、 3—接收透声罩、4—接收连接座、5—接收段皮囊转接头、6—接收段隔声体、7 —第一发射连接座、8—中转换接头、9—发射段隔声体、10—发射透声罩、11 —下转换接头、12—发射段皮囊、13—接收段皮囊、14—第一接收固定座、15 —发射段皮囊转接头、16—第二接收固定座、17—接收固定环、18—接收绝缘 环、19—接收换能器、20—第二发射连接座、21—发射固定座、22—发射绝缘 环、23—发射固定环、24—变压器固定座、25—发射换能器、61—接收段内刻 隔声槽、62—接收段外刻隔声槽、91—发射段内刻隔声槽、92—发射段外刻隔 声槽、240—U型槽。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

用于声波测井仪的新型隔声体测井装置，如图3-8所示，包括隔声组件、分 别固定设在隔声组件两端的上接头组件和下接头组件，隔声组件包括发射隔声 组件、接收隔声组件，发射隔声组件、接收隔声组件分别连接在下接头组件、 上接头组件上，上接头组件和下接头组件上分别设有用于声波接收的接收换能 器19和用于声波发射的发射换能器25，还包括两端分别与发射隔声组件和接收 隔声组件固定连接的中段接头组件，发射隔声组件包括发射段隔声体9，接收隔 声组件包括接收段隔声体6，发射段隔声体9和接收段隔声体6的组合拓宽隔声 频率带。

发射段隔声体9上设有发射段内刻隔声槽91和发射段外刻隔声槽92，发射 段内刻隔声槽91与发射段外刻隔声槽92之间的间距为5～10mm，接收段隔声体 6上设有接收段内刻隔声槽61和接收段外刻隔声槽62，接收段内刻隔声槽61 与接收段外刻隔声槽62之间的间距为10～20mm。

发射段内刻隔声槽91、发射段外刻隔声槽92、接收段内刻隔声槽61、接收 段外刻隔声槽62分别为矩形通孔槽、环形凹槽、方孔形通孔槽、环形凹槽，发 射段内刻隔声槽91设在发射段外刻隔声槽92的环形凹槽槽间的突起部分周向 方向，接收段内刻隔声槽61设在接收段外刻隔声槽62的环形凹槽槽间的突起 部分周向方向。

发射段内刻隔声槽91、接收段内刻隔声槽61分别为二十四组、五组，每组 发射段内刻隔声槽91、接收段内刻隔声槽61均为四个，相邻两个发射段内刻隔 声槽91之间形成90度错位布置，相邻两个接收段内刻隔声槽61之间形成90 度错位布置。

发射段外刻隔声槽92、接收段外刻隔声槽62的凹槽宽度分别为5～20mm、 15～30mm。

发射段内刻隔声槽91、接收段内刻隔声槽61的槽内均填充有吸声橡胶。

发射段隔声体9上还设有发射段皮囊12，发射段皮囊12穿设在发射段隔声 体9中间；接收段隔声体6上还设有接收段皮囊13，接收段皮囊13穿设在接收 段隔声体6中间。

中段接头组件包括中转换接头8，中转换接头8连接有第一接收固定座14， 第一接收固定座14连接有第一发射连接座7，发射段隔声体9依次通过中转换 接头8、第一接收固定座14、第一发射连接座7与接收段隔声体6连接，发射 段隔声体9通过发射段皮囊转接头15与下接头组件连接，接收段隔声体6通过 接收段皮囊转接头5与上接头组件连接，发射段皮囊转接头15、接收段皮囊转 接头5分别与发射段皮囊12、接收段皮囊13连接。

上接头组件包括设在接收段皮囊转接头5上的接收连接座4、设在接收连接 座4上的第二接收固定座16、套设在第二接收固定座16上的接收绝缘环18、 套设在接收绝缘环18上的接收固定环17，接收绝缘环18通过接收固定环17压 紧接收换能器19，接收换能器19外罩设有接收透声罩3，接收透声罩3连接有 承压接头2，承压接头2上设有上转换接头1；下接头组件包括设在发射段皮囊 转接头15上的第二发射连接座20、设在第二发射连接座20上的发射固定座21、 套设在发射固定座21上的发射绝缘环22、套设在发射绝缘环22上的发射固定 环23，发射固定环23通过变压器固定座24压紧发射换能器25，变压器固定座 24一端设有U型槽240，发射换能器25通过U型槽240走线，第二发射连接 座20分别与发射段隔声体9、接收段隔声体6对拧，发射换能器25外罩设有发 射透声罩10，变压器固定座24上设有下转换接头11。

接收段隔声体的内径和外径范围分别为15～35mm和45～70mm。发射段内 刻隔声槽、接收段内刻隔声槽分别为20～30组、5～10组，每组发射段内刻隔声 槽、接收段内刻隔声槽均为四个，相邻两个发射段内刻隔声槽之间形成90度错 位布置，相邻两个接收段内刻隔声槽之间形成90度错位布置。

对隔声体的机械强度性能进行如下有限差分数值模拟：

隔声体的机械强度性能进行如下有限差分数值计算分析的具体方法步骤如 下：

a.根据第三强度理论，隔声体受拉力时，其失效判据为：

σ₁-σ₃＝σ_s，从而得到：

${\sigma }_{r3}={\sigma }_1-{\sigma }_3=\sqrt{({\sigma }^2+4{\tau }^2)};$

隔声体受到的拉力为最大承载拉力，强度条件为：

σ₁-σ₃≤[σ]，

其中[σ]为材料最大许用应力。

利用有限差分数值模拟方法分析，施加一定拉力在隔声体上可以得到相应 的应力云图，通过应力云图可以明显发现，隔声体上危险受力点应该在切割槽 拐角处，只要控制危险点的最大应力小于材料最大许用应力就可以求出隔声体 所能承受的最大拉力值。

经过有限差分数值模拟所述本发明专利隔声体进行机械性能分析，得到隔 声体所能承受的最大拉力为80kN约8吨重的力如图11，如图2所示的普通的刻 槽方式的隔声体所能承受的最大拉力极限应该在2.96吨以内，受力云图如图13， 远达不到本发明专利隔声体的抗拉性能；

b.隔声体抗弯分析：在隔声体中间施加fixed support进行固定，两端施 加等大小等方向的拉力，并设定材料承受最大许用应力值，当两端拉力达到 3.9kN时，隔声体发生弯曲，产生的最大应力接近最大许用应力值[σ]，计算最 大抗弯拉力也要满足强度条件：

σ₁-σ₃≤[σ]，

得到最大抗弯拉力值为3.9kN约0.4吨重如图12，如图2所示的普通的环 形刻通槽方式的隔声体所能承受的最大抗弯压力为1.5kN约0.15吨，受力云图 如图14，也达不到本发明专利隔声体的抗弯性能。

为了进一步证明本发明专利隔声结构的隔声效果和机械强度能够满足要 求，对上述理论设计的声波测井仪新型隔声体进行了数值模拟和实验验证。

进一步对本发明隔声体的机械强度性能进行数值计算分析。图11给出了本 发明的隔声体受拉力时的应力云图，从图11中可以看出：在隔声体切割槽棱边 角是应力集中最大的地方，从分析结果可以看出隔声体在满足许用应力时所能 承受的最大拉力为80kN约8.2吨，完全可以满足电缆声波测井的要求。图13 给出了普通刻槽方式的隔声体受拉力时的应力云图作为对比。图12给出了本发 明的隔声体进行抗弯数值分析的应力云图，当隔声体两端受压发生弯曲时，中 间部位所受应力最大，在满足许用应力的条件下，隔声体能承受的抗弯压力为 3.9kN约0.4吨，也能满足电缆声波测井的抗弯要求。图14给出了普通刻槽方 式的隔声体抗弯数值分析的应力云图作为对比。

用于声波测井仪的新型隔声体的最优化设计方法，包括如下步骤：

A.设定参数或变量：定义隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度分 别为d₁和d₂，d₂＝βd₁，β为隔声体内刻隔声槽与隔声体外刻隔声槽的宽度比例系 数，根据工程实际情况确定β，隔声体的隔声效果通常由隔声量和直达波延时 时间τ衡量，对于如图2所示刻槽方式的常规声波测井仪隔声效果主要取决于直 达波延时时间τ；直达波延时时间τ通过截取近波波至点和远波波至点之间的时 间差得到并与d₁、d₂和f具有相关性；

B.从直达波的四分之一波长开始计算，以等间距步长Δd不断增加隔声体内 刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度，利用有限差分数值模拟方法模拟得到接 收换能器的阵列波形，以隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度d₁和d₂为组合变量，得到如下所示的直达波延时时间τ的目标函数Σ(d₁,d₂)：

$\Sigma (d_1,d_2)={\int }_{f_1}^{f_2}F(d_1,d_2)\mathrm{df}$

其中，f为频率，f₁为拟设计有效阻带的起始频率，f₂为拟设计有效阻带的终止 频率；F(d₁,d₂)为有限差分数值模拟的直达波延时时间相关函数；

C.依据目标函数Σ(d₁,d₂)，利用有限差分数值模拟方法模拟得到每个步长下 的目标函数值，并利用最小二乘法求解得到目标函数的全局极大值，当目标函 数达到最大值时，对应隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度值，即为 最优化组合的隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声槽的宽度值，从而确定隔声 效果最好、隔声直达波延时时间τ最大时的隔声体内刻隔声槽和隔声体外刻隔声 槽的宽度值。

如图9所示，为本发明专利隔声体实验室测量接收换能器接收到的波形图， 从图9中可以看出1、3两条波形分别是上端接收换能器和中段接收换能器接收 到的波形。实验测试验证显示：该隔声体最大直达波延时时间能够达到1.2ms， 并且过滤了一些高频声波并使直达波幅度降低了，完全可以满足电缆声波测井 中对直达波延时时间的要求。图2中隔声体的刻槽模式隔声体在实验室测量出 的波形图如图10所示，通过将图10与图9比较发现：通过普通刻槽方式隔声 体的直达波不仅声波幅值大，而且直达波延时时间只有0.4ms左右。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作 的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。