专利名称：声传感器组件的利记博彩app
本申请要求美国临时申请(No.60/160,787领域，1999年10月21日)的利益(代理人事件表No.24.0825)。
本发明广泛地涉及声传感器。更具体地说，本发明涉及用于并下工具的声传感器。
钻孔时对钻孔直径的了解对钻孔者来说是重要的，因为钻孔者可能实时地进行补救行动，避免松开钻柱和进行裸井测井作业中固有的延时。例如，如果钻孔直径超规格，这一事实表明存在不合适的泥流、或者不合适的泥化学特性、或者静水压力太低、或者存在一些其它钻孔直径不稳定性来源。另一方面，如果钻孔的直径低于规格或标称尺寸，这一事实表明钻头磨损，应该替换，以适应后面扩井作业的需要。
钻孔直径不稳定性增加了钻柱卡在井下的危险。钻柱卡住意味着昂贵和耗时的打捞作业，引起在钻柱的末端损耗后修复钻柱或孔的偏离。为了进行补救作业，钻孔直径的实时变化信息对钻孔者来说是重要的。
作为深度函数的钻孔直径对钻孔者来说也是重要的，其中钻孔必须长期保持宽松。在钻柱取出钻孔时监视钻孔直径给钻孔者提供了关于特有钻井流体特性的信息，该信息与地层特性有关。
当钻孔偏离时，对钻孔直径的认识还对钻孔者有帮助。当钻孔直径超出规格时定向钻孔是困难的，因为钻柱、底孔组件和柱环稳定器不能接触到钻孔者预定的钻孔壁。实时了解钻孔直径提供了定向钻孔判定所依靠的信息。这样的判定省去了取出钻杆以修改底孔组件来纠正孔曲率偏离问题的需要。
实时了解钻孔直径对在钻孔时测井(LWD)操作同样是重要的。某些测量，特别是地层的核测量，对钻孔直径是敏感的。在一定条件下对钻孔直径的了解对于确认或纠正这样的测量可能是关键的。
因为实时了解钻孔直径是所希望的，已知用于钻孔时测量井孔直径的超声波传感器组件。例如，美国专利No.5130950(由此全面地被结合引用)公开了这样的传感器组件。由此如先有技术的
图1所示，先有技术传感器组件10适合于钻孔壁12或钻孔柱环稳定器叶身的方位，它放置在井下钻孔组件的钻头之上。超声波传感器组件10包含传感器叠层14，它包含内部声音吸收填充元件16、压电陶瓷盘变换器18、和匹配层20，其中压电陶瓷盘变换器18与向外相邻的填充元件16层叠，匹配层20布置成与向外的变换器18相邻并且与压电陶瓷盘变换器18和传感器组件外面的环境(即钻孔泥)之间阻抗匹配。由PEEK(聚醚酮)构成的窗口24，朝传感器叠层14的匹配层20外布置，并且包含面朝外的凹陷26，用于向钻孔壁30方向将超声波脉冲集中到钻孔泥28。弹性体或环氧树脂32充满凹陷处便呈现光滑面给流动泥和钻孔壁。
填充元件16、变换器18和匹配层20由胶22全部粘在一起并安装在保护橡胶护套34中。胶22防止传感器叠层在橡胶护套中彼此左右滑动，为了满意的性能，传感器叠层必须保持适当的对准。弹性体材料36置于橡胶护套34和金属杯形物38之间，传感器叠层14置于其间。在杯38中，窗口24安装在杯38中的弹簧40上，其中杯38朝着包围传感器叠层14的橡胶护套34和弹形体材料36外。
陶瓷盘变换器18约有0.80英寸的直径、0.07英寸的宽度，并限制在橡胶护套34要求的空间的尺寸内，橡胶护套34在杯38中包围并密封传感器叠层14。
传感器组件10还包含连接到陶瓷盘变换器18外表面及内表面的电极42和用于将所述组件连接到安置在钻柱环中的电子模块的连接插头44。电子模块包含控制和处理电路及存储逻辑，用于经由陶瓷盘变换器18发送大约600KHz到700KHz范围内的超声波脉冲，以及用于产生表示回波的返回(也称回波)信号，它从钻孔壁弹回后返回到变换器18。电子模块最好还包含电源和用于存储时间函数信号的井底存储器。它与MWD遥感勘测模块接合，用于在钻孔时向地面实时发送测量信息。
两种噪声源出现在工具的传感器叠层附近。第一是钻孔噪声，它比声脉冲回波的频段低。第二是抽吸噪声，其频带延伸到脉冲回波装置的频率范围。
抽吸噪声不仅由包围传感器叠层14的橡胶护套34机械地滤除，而且还由径向朝变换器18外的围绕橡胶护套而安装的滤波环46滤除。填充元件20由其与压电材料之间的橡胶填料来防震，所述橡胶填料包围传感器叠层。
钻孔噪声，其幅值可能很高，部分地由橡胶护套34和上述的滤波环46机械地滤除，并且部分地电子滤除。通过为避免放大器饱和而安置在信号放大器前的电子高通滤波器来达到电子滤波，电子高通滤波器可以在放大器饱和及恢复期期间屏蔽超声波信号检测。
尽管考虑到上述方面，还得知美国专利No.5130950的超声波传感器系统在信号传输和恢复方面不是特别有效。其原因之一是每个传感器叠层之间的胶对可恢复信号有不希望的衰减。另一个原因是从尺寸受橡胶护套限制的传感器盘没有足够的信号输出。另外，先有技术的传感器系统难以制造，并且由于胶和压电材料必须在制造步骤之间处理，因而需要相对大量的时间来制造。而且，由于手工安置在传感器叠层之间的胶的数量不同，在不同传感器系统的性能之间存在不一致。
因此本发明的一个目的是提供一种超声波传感器，它能够确定工具偏离钻孔壁，并因此确定在给定深度的钻孔直径。
本发明的另一个目的是提供一种超声波传感器组件，它使信号恢复最优化。
本发明的又一个目的是提供一种超声波传感器组件，它使得超声波传感器的位置相对接近地层，并且使得可以使用相对大的填充体积。
本发明的再一个目的是提供一种超声波传感器，它在传感器叠层之间不使用胶。
本发明的另一个目的是提供一种超声波传感器，它适合于在高压下工作。
本发明的又一个目的是提供一种超声波传感器，它可以容易地被造得规格一致。
本发明的再一个目的是提供一种超声波传感器，它的制造费用相对较低。
根据这些将在下面详细讨论的目的，提供用于钻孔时测量井孔直径的超声波传感器组件。传感器组件包含传感器叠层，它包含内部声音吸收填充元件、压电陶瓷盘传感器和匹配层，其中压电陶瓷盘传感器与向外相邻的填充元件层叠，匹配层最好由PEEK构成并且布置成与向外的陶瓷盘相邻。传感器叠层装在金属杯的腔中，没有包围着的橡胶护套，并且最好由PEEK构成的柔软的隔膜来保持定位。隔膜用O形环密封。窗口，最好也由PEEK构成，靠着隔膜安置并且由弹簧支撑靠着隔膜。
本发明的隔膜和O形环在井孔中的流体/泥和传感器叠层之间形成水压密封，并且起着保持传感器叠层的作用。另外，隔膜声学地连接到传感器叠层，由此相对于利用胶将叠层粘合到一起的先有技术的超声波传感器而言改进了信号恢复。另外，隔膜变形以便在发送或接收时允许传感器叠层移动，还适合于保持传感器叠层和窗口之间的声学连接。而且，隔膜使得传感器叠层的压力、温度和容积补偿成为可能。即，由于传感器叠层由不同温度特性的材料构成，因而认为由于压力连同归因于温度效应的某些容积膨胀，传感器叠层将经受某些容积收缩。隔膜适应有关变化而保持所有元件的完全声学连接。
结合所提供的附图，对于本领域的技术人员来说，本发明的另一个目的和优点将变得明显。
图1是先有技术的超声波传感器组件的纵向剖面图，图2是按照本发明的超声波传感器的侧视图，和图3是图2的超声波传感器组件的纵向剖面图。
现回到图2和图3，提供一种在钻孔时测量井孔直径的超声波传感器组件110。传感器组件110包含传感器叠层112，它包含内部声音吸收填充元件114、变换器116和阻抗匹配层118，其中变换器116向外邻近填充元件而层叠，阻抗匹配层118向外邻近陶瓷盘布置。填充元件114最好由诸如具有钨粒子的橡胶导电材料构成，并且最好具有凸尾部115。支撑体117最好由聚醚酮(PEEK)构成，提供给尾部115以便构成具有圆柱形式的填充元件。变换器118由压电陶瓷盘构成。匹配层118最好由PEEK构成。传感器叠层112每个最好有大约一英寸的直径，并且变换器16最好厚0.25英寸。传感器叠层112设置在金属杯形壳122的梯形腔中。
相对柔软的隔膜130最好由PEEK构成，向外对着匹配层118而设置。隔膜层最好有大约1.125英寸的直径和大约0.04英寸厚度。隔膜130包含边缘132。O形环环绕隔膜130的边缘132而布置，并且与阶梯腔120接触，以便为传感器叠层112提供液密的密封。窗口136最好也由PEEK构成，包含外部凹面138，具有最好大约两英寸的半径，它起作朝钻孔壁方向将超声波脉冲从变换器116集中到钻孔泥的作用，并且还起作将可恢复信号集中返回到传感器盘的作用。与先有技术相反，在凹面没有环氧树脂和弹性体。窗口136由弹簧144强制靠住隔膜130，弹簧144由穿过壳122而进入所述环的螺杆148(图2)紧固的环146保持位置。这样，变换器116、匹配层118、隔膜130和窗口136被直接声学地连接，并且按照本发明的最佳实施例，当减小或消除传感器反射时，超声波信号传输被最优化。
第一电极150，最好由薄铜片构成，一端连接到变换器116的外表面152，另一端连接到插头154，用于将所述组件连接到安置在钻柱环(未示出)中的电子模块(未示出)上。第二电极156一端连接到填充元件114，它由于其导电性而作为电极，另一端连接到另一插头158。如前面结合美国专利No.5130950所讨论的，电子模块包含控制和处理电路及存储逻辑，用于经由变换器116发送超声波脉冲，并用于产生代表返回给变换器这样的脉冲回波的回波信号。电子模块最好还包含电源和用于存储时间函数信号的井底存储器。它与MWD遥感勘测模块接合，用于在钻孔时向地面实时发送测量信息。
包围传感器112壳122的腔120的所有空隙、电极150、156和插头154、158的部分用诸如可从Dow Corning Corp公司获得的“SYGARD 182”的真空凝胶填充。索环162在腔中密封凝胶，并且插头154、158延伸通过索环162。当传感器110在井下使用时，凝胶防止传感器叠层在静水压力下毁坏。同样地，静水压力使传感器叠层彼此保持接触并省去了象先有技术中需要使用的凝胶。
壳体122的外部包含卡口固定件166和许多环绕的沟道168及沟道中O形环的170，它在钻杆环176的壁174的径向孔172中锁住并密封传感器组件。
本领域的技术人员应当意识到隔膜130和O形环134在井孔的流体/泥和传感器叠层112之间形成水压密封，并且还起作保持传感器叠层定位的作用。而且，当发送或接收时，隔膜变形以允许传感器叠层移动(即振动)。同样，隔膜向传感器叠层提供压力、温度和容积补偿。而且，隔膜上的静水压力保持为使传感器叠层和窗口之间有恒定的声学连接。
另外，匹配层118、隔膜130和窗口136的布置提供了隔膜130和传感器叠层112之间的声学连接，它相对于先有技术的超声波传感器组件而言提供了改进的信号传输和恢复，其中先有技术的超声波传感器利用胶将传感器叠层粘在一起并且利用橡胶护套将传感器叠层与窗口隔开。省去胶消除了因传感器叠层间胶量不同而引起的传感器性能不一致。
而且，省去先有技术中使用的橡胶护套允许变换器116与地层更接近。而这在壳的腔中提供了更多的空间，由此允许能够产生更低频率(例如在200KHz到300KHz范围)的相对较大的变换器并因此相对于先有技术增加了性能。当工作在较高的频率时，泥中的声音衰减较大，对于相同反射的几何形状，这一在较低频谱的工作产生了更强的信号。另外，用于吸收不希望的向后传播的声波的更大量的填充材料114可置于腔中。再有，使变换器的直径和厚度适合于减少或省去径向模。即，由于直径对厚度的比率变得更小，由陶瓷盘产生的声学信号呈现较大的不希望的径向模波。因此在本发明中相对地增加变换器116的直径显著地减小了径向模响应。
在此已经描述和说明了供井下应用的超声波传感器实施例。虽然本发明具体的实施例已经被描述，但并不意味着本发明仅限于此，例如并不意味着本发明象现有技术允许的一样范围和规格。因此，虽然特定的材料已经被公开，但其它材料也能使用。例如，虽然PEEK是用于几个元件的最佳材料，但承受相对高温度而不变形并且具有适当阻抗元件匹配特性的另一种塑料也可使用。另外，虽然特定的最佳尺寸已经被公开，但其它尺寸也能提供给所述元件。同样地，虽然用于传感器的最佳频率范围已经公开，但其它频率也可使用。而且，虽然在钻杆环中安装传感器组件的最佳结构被提供，但其它安装结构也可使用。同样地，虽然在隔膜周围设置O形环的最佳特定安排已经公开，但其它安排也可利用。例如，取代边缘，隔膜可设计成具有放置O型环的环向沟，其理由被认为是释放空气(例如通过在真空中装配传感器)，否则它可能在装配期间陷在隔膜后面。因此本领域的技术人员应注意到可做出对本发明的其它修改仍然在所附的权利要求范围内。
权利要求
1．一种钻孔应用中的传感器组件，包括具有腔的壳；设置在所述腔中的叠层，所述叠层包含声音吸收填充材料、超声波变换器、和用以匹配所述变换器的阻抗和钻孔中流体的阻抗的阻抗匹配材料；靠着所述叠层安放的隔膜；和通过弹簧而偏离所述隔膜的窗口。
2．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于还包括一对可导电地连接到所述变换器的电极。
3．按照权利要求2的传感器组件，其特征在于，所述填充材料包含导电粒子，并且所述电极对中的一个电极连接到所述填充材料，而所述填充材料可导电地连接到所述变换器。
4．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于还包括在所述腔中包围所述叠层的胶。
5．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述匹配材料、所述隔膜和所述窗口由PEEK构成。
6．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述变换器是压电陶瓷盘。
7．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述隔膜形成所述腔的静水密封。
8．按照权利要求7的传感器组件，其特征在于，所述叠层还包含O形环，并且所述隔膜在所述壳中由O形环固定。
9．按照权利要求8的传感器组件，其特征在于，所述隔膜包含向内邻近所述隔膜边缘的垂直边缘，并且所述O形环在所述隔膜边缘环绕着所述垂直边缘安置。
10．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述窗口形成有表面凹度。
11．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述声音吸收填充材料、所述超声波变换器、和所述阻抗匹配材料彼此直接接触地层叠而没有胶层。
12．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述填充材料具有凸形尾端，它距所述超声波变换器最远。
13．按照权利要求12的传感器组件，其特征在于，所述叠层包含设置在所述填充材料的所述凸形尾端的凹杯，以使所述填充材料和所述杯一道具有基本为柱体的形状。
14．按照权利要求1的传感器组件，其特征在于，所述超声波变换器产生200KHz到300KHz范围的超声波信号。
全文摘要
一种在钻井孔时测量井孔直径的超声波传感器组件,包括叠层,该叠层包含内部声音吸收填充元件、压电陶瓷盘传感器和匹配层,其中传感器向外相邻填充元件而层叠,匹配层最好由PEEK构成并向外相邻变换器。叠层装在金属杯的腔中,没有包围着的橡胶护套,最好由PEEK构成的柔软隔膜来保持定位。隔膜用O形环密封。窗口最好也由PEEK构成,靠着隔膜安置并由弹簧支撑靠着隔膜。这一安排声学地将隔膜连接到叠层并改进信号恢复。隔膜和O型环在井孔中的流体/泥与叠层之间形成水压密封,以便保持叠层。当发送和接收时,隔膜变形以允许移动,并保持叠层和窗口之间的声学连接。
文档编号G01V1/52GK1298093SQ0013301
公开日2001年6月6日 申请日期2000年10月21日 优先权日1999年10月21日
发明者J·－P·马森, M·F·帕邦 申请人:施卢默格控股有限公司