一种单边透射法原位孔内测量地层声波参数的探头及方法
技术领域
本发明属于石油天然气勘探开发技术领域，具体涉及一种单边透射法原位孔内测量地层声波参数的探头及方法。
背景技术
地层岩石声学参数可反映地层岩性、孔隙度、力学性质及含流体性质等信息，这些储层参数的测井解释评价需要准确的岩心分析资料建模，岩心的声学参数测量尤为重要。现今岩心声学参数测量基本都在实验室中进行，一般将岩心加工成柱塞状，采用超声透射法测量岩心纵、横波速度，进而计算动态弹性参数，也可分析频率、幅度、衰减等其它声学特性。但实验室中测试和实际地层环境存在较大差异，高温高压实验可模拟部分环境，但地层中复杂的温度、应力及含流体状态是室内实验无法完全模拟的，因此实验室中测得的声学参数并不能完全代表地层岩石的声学性质。另外，从地层取心再去实验室加工、测量的传统岩石声波测量方法，实验结果的应用往往滞后于储层开发。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种单边透射法原位孔内测量地层声波参数的探头及方法，有助于实现测量时的温度、应力状态、含流体状态与声波测井、地震等地球物理方法测量时的一致性，提高岩石声学参数测量环境的真实性和结果应用的时效性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种单边透射法原位孔内测量地层声波参数的探头，包括发射换能器、接收换能器、推靠装置、隔声体、外壳、换能器信号线和接线插座；发射换能器和接收换能器固定在隔声体的一侧，推靠装置固定在隔声体上与发射换能器相对的一侧，推靠装置打开后推靠探头，使位于另一侧的发射换能器和接收换能器紧贴孔壁岩石，换能器信号线从隔声体中穿过，接线插座设置在外壳上，发射换能器和接收换能器分别通过接线插座与下井仪器中的信号发生器和信号接收器相连。
发射换能器和接收换能器均集成一组纵波换能器。
发射换能器和接收换能器均集成有一组纵波换能器和一组横波换能器，用于获取地层岩石纵波和横波速度。
加装多个不同源距的接收换能器，用于采集不同源距的声波信号，获取更准确的纵波速度。
接收换能器的间隔为探头超声发射和接收换能器频率均为1MHz或以上，发射换能器与接收换能器间距，即探头源距大于10mm。
推靠装置中设置液压伸缩机构、电动伸缩机构或弹簧。
基于本发明所述探头单边透射法原位孔内测量地层声波参数的方法，包括以下步骤：
步骤1，利用测井、钻井、录井、地震和地质资料确定实验测量深度；在地面利用标准块对探头进行标定检测，得到探头固有时间；
步骤2，将集成井壁钻孔及单边透射法孔内超声测量探头的井下仪器下放至步骤1确定的深度，在井壁钻孔；
步骤3，退出钻头，切换单边透射法孔内超声测量探头，放入步骤2所钻的井壁孔中；
步骤4，打开探头推靠装置，使发射换能器和接收换能器与孔壁岩石耦合良好；
步骤5，信号发生器向发射换能器发射脉冲信号，在接收换能器接收并转换、记录透射声波信号；
步骤6，读取透射波首波到达时间，减去探头固有时间即为声波在两换能器间岩石中的传播时间，两换能器距离除以传播时间即为声波速度。
标准块为已知超声波传播速度的稳定合金制成的弧面凹槽状或平板状标准件，用待标定探头测量标准件首波到达时间T1，根据两换能器间距L及标准件声波传播速度V1，即可得到探头固有时间T0：T0＝T1－L/V1。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的探头能进入井下地层岩石中，实现地层岩石声波参数的原位检测，保证了实验测量时的温度、应力状态、含流体状态与声波测井、地震等地球物理方法测量时的一致性，可为后者测量参数的标定及方法建模提供比传统实验室内测量更可靠的数据。
而且本发明所述方法省去了传统实验测量的岩石取心、岩心处理等环节，大大缩短了实验结果应用的及时性。
进一步的，发射换能器和接收换能器均集成有一组纵波换能器和一组横波换能器，获取地层岩石纵波和横波速度，进而计算动态弹性常数
进一步的，加装多个不同源距的接收换能器，用于采集不同源距的声波信号，获取更准确的纵波速度，并读取首波幅度进而分析地层岩石的声波衰减特性。
附图说明
图1为单边透射法孔内超声测量探头结构示意图。
附图中，1-发射换能器，2-接收换能器，3-推靠装置，4-隔声体
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述。
图1是单边透射法孔内超声测量探头结构示意图，一种原位测量地层岩石声学参数的探头，包括发射换能器1、接收换能器2、推靠装置3、隔声体4、外壳、换能器信号线和接线插座；发射换能器1和接收换能器2固定在隔声体4的一侧，推靠装置3固定在隔声体4上与发射换能器1相对的一侧，推靠装置3打开后推靠探头，使位于另一侧的发射换能器1和接收换能器2紧贴孔壁岩石，换能器信号线从隔声体4中穿过，发射换能器1和接收换能器2分别通过接线插座与下井仪器中的信号发生器和信号接收器相连。
单边透射法孔内超声测量探头整体为圆柱形，包括发射换能器1、接收换能器2、推靠装置3、隔声体4及探头外壳，测量原理同传统的透射法：通过脉冲发生器向发射换能器1发射电脉冲，在发射换能器1中转换为声振动，声振动通过岩石后到达接收换能器2，在接收换能器2转换为电脉冲信号，电脉冲信号传送至信号接收器，记录接收信号并读取首波到达时间，两探头之间距离除以传播时间即为声波速度，能从接收信号分析频率、幅度、衰减等其它声学特性。
发射换能器1和接收换能器2均集成有一组纵波换能器和一组横波换能器，可采集纵波和横波透射波信号。推靠装置为液压加压式，在测量时为换能器提供推靠力，使换能器与孔壁耦合良好。
发射换能器1和接收换能器2中各集成一组纵波换能器和一组横波换能器，可测量纵、横波速度获取动态弹性参数。
发射换能器1与接收换能器1间距，即探头源距大于10mm由孔深及换能器的尺寸、频率和脉冲信号拖尾长度决定
推靠装置采用液压式，与发射换能器1和接收换能器2直接相连，在测量时为发射换能器1和接收换能器2提供推靠力，使发射换能器1和接收换能器2与孔壁耦合良好。推靠装置包括托板、推板和液压装置。推靠装置与壳体连接，液压装置设置在推板和托板之间，液压室留有接口，与下井仪器液压系统连接。推板与孔壁接触，发射换能器1和接收换能器2与托板连接，使用时液压室中充油，将托板和托板向远离方向推动，使得发射换能器1和接收换能器2表面紧贴孔壁并与孔壁耦合良好。
隔声体4位于发射换能器1和接收换能器2之间，使发射换能器1和接收换能器2固定在一个探头中，其特点是其声波传播速度远低于岩石声波传播速度，且对超声波能量衰减非常快，使测量时接收换能器2接收到经孔壁岩石传播的首波信号不受经隔声体4传播信号的影响。
探头外壳将发射换能器1、接收换能器2、隔声体4和推靠装置3封装成一个整体，保护上述组件。
采用标准块对探头进行标定。探头配套标准块为标准铜合金制成的平板状标准件，已知其纵波速度为5200m/s，横波速度为3200m/s，用本发明所述单边透射法孔内超声测量探头测量首波到达时间：纵波为16.1μs，横波为27.2μs，两探头中心距离为4cm，据此计算得到探头的固有时间为：纵波固有时间8.41μs，横波固有时间14.70μs。为保证探头固有时间计算可靠，在用标准铝块制成的标准块上也进行测量，得到的探头固有时间分别为：纵波8.40μs，横波14.82μs，均小于岩样声波速度实验室测量行业标准中规定的误差：纵波±3％、横波±5％，说明探头固有时间计算可靠，取两次测量的平均值作为探头纵波固有时间和横波固有时间。
基于上述单边透射法孔内超声测量探头，本发明提出了地层声波参数原位实验测量方法，包括如下步骤：
步骤1，利用测井、钻井、录井、地震和地质资料确定要进行实验测量的地层深度及方位；
步骤2，将集成井壁钻孔及单边透射法孔内超声测量探头的井下仪器下放至步骤1确定的深度，调整至确定的方位，在井壁钻孔，孔深50mm；
步骤3，退出钻头，切换单边透射法孔内超声测量探头，放入步骤2所钻的井壁孔中；
步骤4，打开探头推靠装置3，使发射换能器1和接收换能器2与孔壁岩石耦合良好；
步骤5，测量地层声波参数：首先向纵波发射换能器发射脉冲信号，转换为声振动信号，经孔壁岩石传播后在接收换能器转换为电信号，用示波器接收并记录透射声波信号，并转换、记录透射纵波信号。再向横波发射换能器发射脉冲信号，接收并记录透射横波信号；
步骤6，读取透射纵波和横波首波到达时间分别为17.0μs和27.3μs，减去探头固有时间得到纵、横波在两探头间岩石中的传播时间9.3μs和14.8μs，用两探头距离4cm除以传播时间即得到纵、横波速度4300m/s和2700m/s。
步骤7，测量得到岩心体积密度为2.62g/cm3。根据行业标准，计算动态弹性参数：动态杨氏模量为44.9GPa，动态泊松比为0.17。
