一種利用聲波測(cè)量地層密度方法及其探測(cè)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬石油工程測(cè)井施工中裸眼井地層物理參數(shù)測(cè)量和巖性含油評(píng)價(jià)的專用 儀器技術(shù)領(lǐng)域尤其涉及一種利用聲波測(cè)量地層密度的方法及其測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油勘探和開發(fā)的過程中，對(duì)地層密度的測(cè)量是評(píng)價(jià)地層孔隙度的重要參數(shù)。 過去用放射性方法，測(cè)量電子俘獲截面獲得地層的密度，需要?jiǎng)┝勘容^大的伽馬源，對(duì)人體 和環(huán)境均有比較大的傷害。并且測(cè)量儀器必須被推靠到井壁，在井眼變化比較大的井段工 程施工難度和風(fēng)險(xiǎn)均比較大。測(cè)量結(jié)果受貼井壁影響，測(cè)量誤差比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種利用聲波測(cè)量地層密度的方法及測(cè)量 裝置，該方法通過超聲波對(duì)地層密度進(jìn)行測(cè)量，避免了放射源對(duì)人體傷害和對(duì)環(huán)境的傷害； 不用推靠器，提高了施工安全、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了工作質(zhì)量。
[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種利用聲波測(cè)量地 層密度的方法，包括如下步驟：第一，將水平探頭置于井內(nèi)，垂直井壁入射超聲波，超聲波在 井壁發(fā)生垂直反射，通過獲得的入射波和反射波計(jì)算反射系數(shù)；第二，對(duì)步驟一中測(cè)量的波 形進(jìn)行傅里葉變換FFT獲得其頻譜，選取其中的極大值，利用頻譜的極大值計(jì)算反射系數(shù) 的值；第三，根據(jù)步驟一中的反射系數(shù)或步驟二中頻譜的極大值獲得的反射波系數(shù)，通過本 發(fā)明提供的近似線性圖版計(jì)算出地層的密度。
[0005] 所述反射系婁
[0006] 其中，Z為所測(cè)量地層的波阻抗性，Z。為井內(nèi)液體的波阻抗。
[0007] 所述波阻抗Z=PV，其中P為地層的密度，V為地層的縱波速度。
[0008] 所述井內(nèi)液體的波阻抗&=PfVf，Pf為液體的密度有關(guān)，Vf為液體的縱波速度。
[0009] 所述的反射系數(shù)R不僅僅是地層密度P的函數(shù)，還是地層聲速V的函數(shù)，并且地 層密度和聲速具有相關(guān)關(guān)系。砂巖或石灰?guī)r圖版就是利用該相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了砂巖地層密 度與反射系數(shù)R之間的接近線性關(guān)系，或者說，利用砂巖本身的密度與聲速的關(guān)聯(lián)關(guān)系綜 合了彈性模量的影響，獲得了砂巖地層密度P改變時(shí)，其對(duì)應(yīng)的垂直反射系數(shù)R的變化，見 圖1，這樣，我們便可以用所測(cè)量的反射系數(shù)直接通過砂巖本身的特性圖版圖1刻度成砂巖 的密度。石灰?guī)r測(cè)量時(shí)，需要用石灰?guī)r的相應(yīng)圖版進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
[0010] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的方法還可以通過如下裝置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：
[0011] -種利用聲波測(cè)量地層密度的探測(cè)裝置，包括探測(cè)儀，所述探測(cè)儀端部水平設(shè)有 超聲探頭，其中包括將電沖擊轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)的壓電片和接收反射波的一個(gè)壓電單元。
[0012] 所述壓電片的半徑小于壓電單元，壓電片設(shè)置在所述壓電單元的內(nèi)部。
[0013] 所述壓電片的半徑小于壓電單元，壓電片設(shè)置在所述壓電單元的外部。
[0014] 所述壓電單元由兩個(gè)內(nèi)徑尺寸不同的壓電環(huán)構(gòu)成。
[0015] 所述超聲探頭為自發(fā)自收信號(hào)的壓電片和壓電環(huán)構(gòu)成。
[0016] 所述壓電環(huán)的內(nèi)徑均大于所述壓電片的內(nèi)徑。
[0017] 有益效果：1、通過超聲波的反射直接測(cè)量砂巖地層的密度，獲得密度孔隙度測(cè)井 資料，不需要再使用放射性源測(cè)量地層密度，保護(hù)了環(huán)境和人體健康。2、不需要將儀器推靠 到井壁，施工安全性提高，工程施工的風(fēng)險(xiǎn)減小。3、可以對(duì)整個(gè)井壁進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得井 壁密度的圖像。4、調(diào)整發(fā)射頻率，可以實(shí)現(xiàn)不同徑向探測(cè)深度的地層密度測(cè)量。5、該方法 可以在裸眼井和套管井中實(shí)施。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的砂巖圖版，即一種利用聲波測(cè)量地層密度的方法中反射系數(shù)與地 層密度的相關(guān)圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明一種利用聲波測(cè)量地層密度的探測(cè)裝置優(yōu)選結(jié)構(gòu)截面圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明一種利用聲波測(cè)量地層密度的探測(cè)裝置另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)截面圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明：
[0022] 本發(fā)明提供一種利用聲波測(cè)量地層密度的方法，包括如下步驟：第一，將水平探頭 置于井內(nèi)，垂直井壁入射超聲波到地層，通過獲得的入射波和反射波計(jì)算反射系數(shù)；第二， 對(duì)步驟一中測(cè)量的波形進(jìn)行傅里葉變換（FFT)獲得其頻譜，選取其中的極大值，利用頻譜 計(jì)算反射系數(shù)的變化值，第三，根據(jù)步驟一中的反射系數(shù)或步驟二中頻譜的極大值獲得反 射系數(shù)，通過線性分析計(jì)算出地層的密度。
[0023] 所述反射系數(shù)
其中，Z為所測(cè)量地層的波阻抗性，Z。為井內(nèi)液體的波 阻抗。所述波阻抗Z=PV，其中P為地層的密度，V為地層的縱波速度。所述井內(nèi)液體的 波阻抗&=PfVf，Pf為井內(nèi)液體的密度有關(guān)，Vf為井內(nèi)液體的縱波速度。所測(cè)量的反射 系數(shù)是地層密度及其縱波速度、井內(nèi)液體的密度及其縱波速度的綜合結(jié)果。
[0024] 本發(fā)明方法主要針對(duì)砂巖儲(chǔ)集層，其密度改變會(huì)導(dǎo)致孔隙度變化，相應(yīng)地其聲速 也會(huì)發(fā)生變化，將砂巖儲(chǔ)集層特有的聲速隨孔隙度的變化規(guī)律（威利公式或更精確的非線 性公式如瑞曼公式等）代入反射系數(shù)計(jì)算公式以后發(fā)現(xiàn)：反射系數(shù)隨地層密度的變化規(guī)律 是一單調(diào)變換曲線，接近直線，如圖1清楚示出。即，砂巖地層的廣義反射系數(shù)隨地層密度 近似線性變化，這樣，我們直接測(cè)量反射波幅度即可獲得砂巖地層的密度。而砂巖地層是最 主要的儲(chǔ)集層，是測(cè)井主要測(cè)量的目的層。因此，用垂直超聲方法可以測(cè)量到砂巖地層的密 度。
[0025] 本發(fā)明方法直接利用了反射波幅度中的地層密度信息。對(duì)于砂巖地層，所測(cè)量的 密度比較準(zhǔn)確。所測(cè)量的物理量是幅度，經(jīng)過處理以后獲得的參數(shù)是地層的密度，沒有彈性 模量的耦合特征。或者說，地層彈性模量的影響綜合到了反射系數(shù)與地層密度的圖版中。
[0026] 我們?cè)龠M(jìn)一步分析圖1，垂直入射的超聲波，其反射系數(shù)與砂巖地層的密度近似成 線性關(guān)系，該關(guān)系綜合了砂巖地層的彈性模量影響，是砂巖密度與反射系數(shù)之間的單值關(guān) 系，砂巖地層密度改變，相應(yīng)地其反射系數(shù)隨之改變，接收到的反射波幅度和相位也改變。 測(cè)量到反射波，并將幅度轉(zhuǎn)換為反射系數(shù)后經(jīng)過刻度刻度和標(biāo)定，即利用圖1所示的轉(zhuǎn)換 關(guān)系獲得砂巖地層的密度。該密度是通過超聲反射波的反射系數(shù)，用反射波幅度表現(xiàn)的。
[0027] 在石油工程中，主要依據(jù)砂巖地層的密度計(jì)算其孔隙體