一、技术领域：本发明涉及一种完全利用声波原理测量固井质量的新型 声波变密度测井仪器。

二、背景技术：在石油及天然气工业的测井领域中，声波测井仪器是一 种用于检测套管井水泥胶结质量的仪器。这种仪器基本由四部分组成：套管 接箍测井仪(简称CCL)、伽玛测井仪器(简称GR)、声幅测井仪(简称CBL)、 变密度测井仪(简称VDL)，所以也称做声波变密度测井组合仪。套管接箍测 井仪通过感应套管中磁场的变化来检测套管接箍的位置。因此可以用于粗略 计算仪器所处井内的深度。伽玛测井仪器可以探测某位置地层所含伽玛射线 的强度总量，对于不同的地层以及同一地层的不同深度，该伽玛射线总量是 变化的，这种变化的特征可以作为油井的深度标记。声幅测井仪的源距较短， 通常为1米，探测深度较浅，因此它用于测量水泥固结套管井的第一界面胶 结质量，即套管和水泥环之间是否胶结良好。变密度测井仪的源距较长，一 般为1.5米，探测深度较深，因此可以用于套管井第二界面的胶结质量，即 水泥环和地层之间是否胶结良好。这四个参数的仪器通常是一次下井，同时 工作，同时记录各自的参数曲线。声波的发射器和接收器均安放在充满硅油 的橡胶皮囊内，通过橡胶皮囊实现井液与硅油的隔离，通过橡胶皮囊和硅油 实现井内压力与橡胶皮囊内压的平衡。

上述类型的仪器在实际应用过程中存在以下问题。1)采用多缆芯交流供 电容易造成电源与信号之间的相互干扰，交流信号在缆芯传输过程中就会通 过缆芯之间的电容和电感相互感应各自不需要的其它交流信号，从而造成信 噪比减小，声波信号失真的问题。2)声系部分的隔声体和橡胶皮囊在实现压 力平衡和加强仪器钢性的同时，往往会在径向上占用很大的空间，从而限制 了声波发射器和接收器的选用，尤其在仪器外径细化过程中更是突出了这方 面的矛盾。在通常情况下，我们所选用的声波发射器和接收器为圆柱型的压 电陶瓷晶体。该种晶体的发射、接收频带范围和能量极限均与晶体的几何尺 寸相关。总之较大直径的晶体，发射能量大，能量在传播过程中衰减慢，通 透力强，探测深度大，声波到达接收器容易检测。但由于仪器声系结构和外 径尺寸的局限性，这种声系结构的仪器往往会出现发射能量小，探测深度浅， 声系灵敏度低的问题。因此增大晶体外径的选用就成为提高声系整体性能的 关键。3)有些井内往往存在大量的腐蚀性气体H2S，这种气体对橡胶皮囊有 很强的渗透性，能穿过橡胶皮囊进入声系内部，造成橡胶皮囊腐蚀、硅油内 部充气等。这种结果也会使声系灵敏度下降，耐用性差，需要经常更换被腐 蚀的橡胶皮囊。

三、发明内容：

本发明的目的就是针对现有组合方式的声波测井仪器存在的上述问题， 提供一种新型的仪器信号组合方式和一种新型的声系结构的声波变密度测井 仪器。

其技术方案是：包括声系、声波电子线路、伽玛仪、磁定位仪。声系是 由发射器、隔声体、声幅测井仪(CBL)接收器、变密度测井仪(VDL)接 收器组成，声波电子线路包括电源电路、逻辑电路、前置放大电路、发射电 路、电缆驱动电路组成，伽玛仪包括闪烁探测器和机械部件组成，磁定位仪 由一块电子线路板和机械部分组成。声系发射器由发射声波换能器和辅助固 定壳体组成，声幅测井仪(CBL)接收器由接收声波换能器和辅助固定壳体 组成，变密度测井仪(VDL)接收器由接收声波换能器和辅助固定壳体组成， 两个接收器通过由隔声体相互连接，发射器与上接收器通过隔声体连接，发 射器、接收器和隔声体内充满相互连通的硅油。伽玛仪的闪烁探测器由光电 倍增管、NaI晶体、电子线路组成。伽玛仪机械部分包括两块永久磁钢和绕制 的线圈及相关的机械外壳组成，两块永久磁钢以同极性相对的方式装在线圈 两端。发射器的结构包括发射晶体外壳、发射晶体座、压紧螺母、连接头、 发射晶体垫组成，发射晶体安放在发射晶体座上，用压紧螺母将其压紧，套 上发射晶体外套，波纹管接头连接在连接头上；接收器结构包括压紧螺母、 接收晶体外套、接收晶体座、接收晶体垫、连接头、波纹管接头组成，连接 头与仪器外壳和波纹管连接。

本发明的仪器信号组合方式即把仪器信号在时间上分开传输，直流供电。 直流供电可以和交流信号共同使用同一根缆芯，相互不发生干扰。CCL采用超 低频传输方式，其频率范围约在10HZ以内，不采用分时方式。GR、CBL、VDL 信号采用分时方式，即在规定的时段内各自传输各自的信号，避免了互相干 扰。可以使用单芯电缆、三芯电缆和七芯电缆测井，扩大了其适用范围。同 时这种新型的声系结构把隔声体分为两部分，二者之间用较细的金属支架连 接，承重。该金属支架穿过压电晶体内圆，压电晶体通过绝缘材料套在金属 支架外。这样便使承重支架和压电晶体各自变换了自己所在的位置。由原来 的承重部位在外圆、压电晶体在内圆的方式改为承重部位在内圆、压电晶体 在外圆的方式。通过这种位置变换，拓宽了我们选用压电晶体的范围。这样 仪器在外径细化过程中，更容易选用从声学理论上较适用的晶体。晶体的 外罩是很薄的金属外罩，实现了井液和晶体的隔离。薄的金属外罩相对于橡 胶皮囊来说，它可以减小声波能量的衰减。晶体和晶体之间采用金属波纹管 连接，实现了电路之间的互通，油路之间的互通。这种声系结构不仅增大了 声系发射能量和接收灵敏度，而且抗H2S气体腐蚀。波纹管可以多次拆卸反复 使用，降低了仪器的使用维护成本和劳动量。

四、附图说明

图1声波变密度测井仪器的实施方式系统示意图；

图2声波变密度测井仪结构示意简图；

图3发射器部分的结构示意图；

图4接收器部分的结构示意图；

图5声波变密度测井仪电路框图；

图6声波变密度测井仪电源电路原理图；

图7声波变密度测井仪逻辑电路原理图。

五、具体实施方式：

参照图1：CCL线路部分将感应到的套管磁信号转换成低频电信号，并耦 合到下井供电电缆上直接传到地面。GR线路部分在GR探测器得到地层GR射 线后转换成电脉冲并经放大整形、滤波；功放处理后送到CBL线路，并经CBL 线路分时处理后耦合到供电缆芯传到地面。CBL线路负责为声系提供发射逻 辑、发射用的高压电脉冲，并处理由GR仪送入的GR信号；处理由声系返回 的声波回波信号，并使该两组信号在不同时刻按某一固定周期传输到地面。 声系在得到由CBL线路送入的高压电脉冲后产生20KHZ的声波脉冲，该声波 脉冲往套管地层传播并反射到接收换能器。接收换能器负责把声波信号转换 成电信号送入CBL线路处理。

参照图2：1为磁定位仪，由磁钢、线圈及机械部分组成。2为伽玛仪， 由闪烁探测器和机械部件组成。闪烁探测器由光电倍增管、NaI晶体、电子线 路组成。3为声波线路包括发射线路，驱动线路，逻辑控制线路，前置放大 线路，电源线路等。声系4，包括一发射器5(将在下面针对图3较为详细地 予以说明)，一个3英尺接收器6(将在下面针对图4较为详细地予以说明)， 一个5英尺接收器7，隔声体10，波纹管11，一个压力平衡腔8。发射器5 到3英尺接收器6距离为1m，3英尺接收器与5英尺接收器的间距为0.5m。 波纹管11为不锈钢材料，耐酸耐碱性很好。它是以波纹形式制成，增加了声 波的传播距离，延长了声波体波到达时间，减小了体波干扰。压力平衡腔8， 负责声系内部油压与外部井液压力平衡。各扶正器9沿着仪器间隔开来安放， 以便仪器在使用时保持其接近井孔中心位置。

参照图3：15为发射晶体外套，此机械部件是薄的不锈钢材料，用来实 现井液与发射晶体的隔离。16为发射晶体座，用来安放发射晶体，起上下机 械连接作用。22为压紧螺母，起固定作用，使发射晶体在发射晶体座上不会 出现纵向和横向移动。18为连接头，与仪器外壳26和接收晶体波纹管连接。 38为发射晶体垫，起定位、绝缘作用，防止发射晶体各极与金属壳接触，发 生短路。将2块12条的发射晶体安放在发射晶体座16上。用压紧螺母22将 其压紧，套上薄的钢制发射晶体外套15。用勾头扳手旋上带有丝扣的连接头 18，然后用活动扳手将波纹管接头20接在连接头18上。

参照图4：(3英尺接收器6与5英尺接收器7的结构是一致的)。22为压紧 螺母，同发射器中的压紧螺母作用一样，起固定作用，使接收晶体在接收晶 体座上不会出现纵向和横向移动。27为接收晶体外套，此机械部件为薄的不 锈钢材料，用来实现井液与接收晶体的隔离。28为接收晶体座，用来安放接 收晶体，起上下机械连接作用。24为接收晶体垫，起定位、绝缘作用，防止 接收晶体各极与金属壳接触，发生短路。18为连接头，与仪器外壳和波纹管 连接。20为波纹管接头，在仪器中起连接作用。接收晶体安放在接收晶体座 28上。用压紧螺母22将其压紧，套上薄的钢制接收晶体外套27。用勾头扳 手旋上带有丝扣的连接头18，然后用活动扳手将波纹管接头20接在连接头 18上。波纹管接头20连接在接收晶体座28的另一端29。

将上接头固定在平衡腔上，将5英尺接收器旋入上接头上部，将波纹管 接头固定在5英尺接收晶体座上。将13英尺双芯屏蔽线穿过2英尺波纹管， 波纹管和接头用活动扳手上紧，13英尺双芯屏蔽线在波纹管内来回折两次。 在波纹管的另一端上好波纹管接头。隔声体穿过2英尺波纹管和接收晶体座 相连接，上好隔声体两端的定位螺钉，在隔声体的另一端旋入连接头。3英尺 接收器和连接头相连，在3英尺接收晶体座上装好波纹管接头和波纹管，双 芯屏蔽线在管内来回折两次，在波纹管的另一端装好接头，隔声体穿过3英 尺波纹管和连接头相连，上紧。在隔声体的另一端上好连接头。把5英尺3 英尺屏蔽线穿过发射晶体座，发射器和连接头上紧，发射晶体座和上接头由 中空的扶正器连接，把焊好的七芯密封体旋入声系上接头，将声波线路部分 固定在声系上接头的一端，然后再连接上GR部分，最后连接CCL部分。

参照图5：本仪器供电为单芯直流供电，该供电线路部分将为声波发射接 收线路、逻辑控制线路、GR线路、驱动线路提供所需要的直流电源。发射接 收线路产生3000V/50us高压电脉冲，激励发射探头使之产生声波信号在套管 中传输。逻辑控制线路产生一同步脉冲，控制声波信号的传输。首先采集到 的是一先负后正的3英尺同步信号，其后面2ms内为声波信号传输，56ms内 为GR信号传输。该GR信号经过放大整形送到逻辑控制线路，经驱动处理后 耦合到供电电缆上传至地面。然后又采集到一先正后负的5英尺同步信号， 在其后2ms内为声波信号传输，56ms内为GR信号传输。整个这个周期是128ms。 声波、GR信号经过这样周期性的不断分时传输，互相不发生干扰。CCL线路 将感应到的套管磁信号转换成低频电信号，耦合到下井供电电缆上传到地面。

参照图6：改进后的声波变密度测井仪一改过去的多缆芯交流供电变为现 在的单缆芯直流供电。地面直流电源面板通过单芯电缆给仪器供直流电源 100V。在该电源电路原理图上100V直流电源先经过电阻R1，原理图中L1、 C2、C4共同组成一个低通滤波器，目的是为了滤除叠加于直流供电电源上的 交流信号。100V直流电源经R3降压和D2、C6稳压滤波后，得到+12V电源为 IC1(CD4001)供电，由IC1、R4、R5、C7共同组成一方波信号发生器，可产 生4KHZ～5KHZ左右的方波，经C18、R18为Q1提供开关信号。T1、C1、D2、 R2及Q1共同组成开关电源，将100V直流电源变为低压交流电源后经输出二 组直流电源分别为+16V和-16V左右，然后经Q2、C8、R6、Z1、C10及Q3、C11、 R7、Z2、C9二组器件组成的稳压滤波网络分别输出+11V±0.5V和-11V±0.5V 的直流电源。

同样原理，D8-D11及其后组成的滤波网络可提供稳定的+4V±0.5V和-4V ±0.5V的直流电源。

由D12-D14、C16、C17组成的滤波网络可以输出170V-200V之间的直流 电为发射板供电。

参照图7：该电路原理图由IC1、C30、C1、R2、P1、R1共同组成的方波 信号发生器，可产生稳定的32KHZ方波。该方波信号经IC1的4脚输出到IC21 的10脚。IC21为二进制分频器，其1脚输出为3英尺CBL开关门信号3’G。 该信号经IC反相器反相后为5英尺VDL提供开关门信号5’G。IC3A为一单 稳态触发器，其2脚输出为GR信号提供开关信号GRGAT。IC3B的13脚可产 生周期为64ms，宽度为20μs的脉冲信号；并经Q1、Q2放大后作为发射脉冲 信号TRIG，用于对发射晶体的控制。IC6为一电子开关，由IC6、IC3B、IC4B、 IC5B作为同步信号发生器，可产生3英尺CBL、5英尺VDL同步识别信号SYS， 并经R10、R11输出。从地面上首先采集到的是一先负后正的3英尺同步信号， 然后又采集到一先正后负的5英尺同步信号。IC4A及IC5A用于控制CBL、VDL 信号的输出时间宽度。CBL、VDL信号的传输时间宽度为2ms，6ms为空，剩下 的56ms为GR信号传输。声波、GR信号经过周期性的分时传输，互相不产生 干扰。Z1、Z2、及C6、P2组成CBL、VDL幅度调整器，可实现CBL、VDL的幅 度调节。