[发明专利]随钻超声探头总成及随钻超声探测方法

说明书

本发明提出了一种随钻超声探头总成及随钻超声探测方法，该探头总成包括与钻铤连接的钻铤骨架，多个环形相控阵探头，该多个环形相控阵探头周向分布在钻铤骨架中，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束；以及透声保护罩，其连接在钻铤骨架外壁并对应探头位置设置，透声保护罩上设有利于声束的发射与接收通道。本发明可以在随钻条件下使用，形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。

技术领域

本发明涉及地球物理、石油工程中的井壁超声成像技术领域，特别是涉及一种用于井壁扫描成像的随钻超声探头总成及随钻超声探测方法。

背景技术

随钻井壁超声成像技术基于超声脉冲反射法在钻进过程中采集井壁界面的回波信号并以图像来表征井眼状况，从而可以实时评价井眼几何形状，探测井壁上裂缝、孔洞、层理分布状况，以及监测井壁失稳和气侵等现象。这项技术对于钻井工程和油气储层评价都具有十分重要的意义。

现有的随钻井壁超声成像仪器中所用的超声探头一般采用厚度模振动换能元件，如平面或凹面圆片振子。这类超声探头辐射声场的聚焦区域和指向性都是固定不变的，在井眼扩径、缩径、坍塌等井眼形状变化剧烈的井段适应能力很弱，甚至无法采集到井壁图像。另外，由于井下钻具偏心、岩屑冲刷等因素，在钻进过程中，内置在钻铤中的超声探头辐射面或接收面到井壁的距离(或环空间隙)变化比较大，现有超声探头无法调节径向探测深度，不利于随钻条件下进行高分辨率的井壁超声成像。尽管已有极少量仪器应用球形聚焦方式试图拓宽辐射声场的聚焦区域，但是由于反射回波信号的能量相对较弱、信噪比低，不能满足随钻条件下高分辨率井壁成像的需求。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种随钻超声探头总成及随钻超声探测方法，可以在随钻条件下使用，形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种随钻超声探头总成，包括：

与钻铤连接的钻铤骨架，

多个环形相控阵探头，该多个环形相控阵探头周向分布在钻铤骨架中，在发射与接收信号时在聚焦区域的一定范围内形成连续可调的声束；以及

透声保护罩，其连接在钻铤骨架外壁并对应探头位置设置，透声保护罩上设有利于声束的发射与接收通道。

在本发明中，通过设置多个环形相控阵探头，将探头连接在钻铤骨架中并由透声保护罩防护，通过将环形相控阵探头沿钻铤骨架周向设置以及在聚焦区域内形成连续可调的声束，不仅实现在随钻条件下使用，而且对于不同井壁条件都能形成声束聚焦区域可控制的井壁成像，从而满足不同井壁环境下的成像需求。

在一种实施方案中，所述钻铤骨架采用由合金钢材料制作而成的空心圆柱状厚壁管体。且中部设有用于泥浆通过的轴向通孔。

在一种实施方案中，所述钻铤骨架中沿周向设有多个用于安装探头的径向槽孔，每个探头安装在钻铤骨架的一个径向槽孔内。优选地，所述环形相控阵探头整体为圆柱体状。

在一种实施方案中，所述透声保护罩采用凸面结构。该凸面结构可起到辅助声束聚焦作用。优选地，透声保护罩上的声束通道采用透声通孔，该通孔的形状包括椭圆形、圆形或方形通孔。

在一种实施方案中，所述环形相控阵探头包括保护外壳、多个封装在保护外壳内的圆环振子以及设在相邻圆环振子之间的声电隔离夹层。

在一种实施方案中，所述环形相控阵探头包括五个同轴设置的圆环振子，所述圆环振子采用压电型陶瓷圆环。在一个优选的实施例中，所述声电隔离夹层采用橡胶层制作而成，并填充在相邻圆环振子之间的环形间隙内。

在一种实施方案中，所述压电型陶瓷圆环的上下表面均镀有银层，构成圆环振子的正负电极。