CN100349015C - 传递相控阵声波换能器激励信号的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是石油测井井下传递声波换能器激励信号的装置，由一个或一个以上安装于井下仪器声系内部的电子线路组成，电子线路安装在密封筒内，筒内电子线路通过端盖的连接端子与外部控制线和换能器相接。本发明可以用较少的控制线路，在井下125℃或更高的温度，在高电压和高压力条件下传递多路相控阵声波换能器激励信号，可以同时激励由多个圆环子阵列组合而成的柱状换能器阵列，向产生井旁地层中辐射多方位声场，使反射声波成像测井以及井间声波勘探得以实现。
Description
技术领域
本发明属于应用地球物理领域，涉及一种用于石油测井井下传递声波换能器激励信号的装置。
技术背景
相控阵声波换能器能够产生定向的大功率声波辐射，可以很好的解决石油勘探测井中对井旁和近井空间地层裂缝探测问题。
相控阵声波换能器的激励过程是按特定的顺序和间隔，以不同的强度分别激励阵列中被选定的若干个换能器单元，从而产生所需指向性和强度的声波辐射。由于需要对每个换能器元件施加千伏级电压和数安培级电流，元件要置于有利于声波耦合的充油橡胶皮囊或金属波纹管(声系)内，且承受很高的与外界平衡的压力，在数千米井内可达上百MPa。
通常声波测井的信号传递装置采用普通承压结构的独立的电子线路筒与声系连接，由于受井下条件的限制，相互联结的承压电气接头最多可安装60个左右，也不能承受千伏级的高电压。而相控阵换能器为了向不同的方向发射声波，其结构为多个沿纵轴对称排列的圆环子阵列组合而成的柱状阵列，由上百个通常是片状的换能器元件组成，典型结构的是4×24阵列，如图1所示。对这样的相控阵换能器无法采用通常的信号传递装置联结，如果将与换能器直接有关的电子器件置于声系内部，这些普通电子器件(集成电路、大功率有源器件，等)根本无法承受高温、高压的环境。目前，如何在井下高温、高电压和高压力条件下传递激励相控阵声波换能器信号，是一个难以解决的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种在井下高温、高电压和高压力条件下传递相控阵声波换能器激励信号的装置。
本发明采用如下技术方案：
传递声波换能器激励信号的装置由一个或一个以上安装于井下仪器声系内部的电子线路组成，电子线路安装在密封筒内，筒内电子线路通过端盖的连接端子与外部控制线和换能器相接。
本发明还采用如下技术方案：
对于两个以上阵列组成的声系有两个以上的密封路筒，电子线路相互连接。
密封筒由筒体、出线端盖、压圈和电子线路板组成，端盖套有O形密封圈，装入筒体两端后密封，端盖外圈与筒体顶端有防转定位装置。
端盖装有双O圈密封接线端子，与密封筒内电子线路连接。
密封筒内电子线路板排列成三板三角式结构或双板对装式结构，
电子线路由激励源和多组控制电路、选通开关组成，选通开关与控制电路连接，电子开关与激励的换能器元件连接，每一个换能器元件均连接一组选通开关与控制电路，通过受控的电子开关器件使一个以上的换能器元件共享同一激励源。
电子开关由高压大功率VMOS或IGBT器件组成。
控制电路为串入并出移位寄存器，工作电压在+5～15V之间，一般为+12V。
电子线路筒引出线为换能器端、串行时钟、数据串入、数据串出、供电和地线接线。本发明可以用较少的控制线路，在井下125℃或更高的温度，在高电压和高压力条件下传递多路相控阵声波换能器激励信号，可以同时激励由多个圆环子阵列组合而成的柱状换能器阵列，向产生井旁地层中辐射多方位声场，使反射声波成像测井以及井间声波勘探得以实现。
附图说明
附图1(a)为四个圆环子阵组成的石油测井井下柱状相控声波阵换能器示意图；
附图1(b)为圆环子子阵列横截面示意图；
附图2本发明单一换能器的控制电路和选通开关电路连接示意图；
附图3本发明一组圆环子阵列电路连接示意图；
附图4本发明密封筒结构示意图；
附图4(a)为密封筒A向示意图；
附图4(b)为密封筒B-B剖面示意图。
具体实施方式
本发明中电路的工作原理是：在声波发射前控制系统(通常是单片机或数字信号处理器)通过本发明所述的串行移位数据链路将所有换能器元件的控制开关的工作状态锁存到各寄存器中，移位时钟和数据的数量与换能器元件数相同，然后用相控方式对被选通的换能器按照不同顺序、不同间隔和不同强度通过多个独立的激励源依次激励，从而产生所需要的定向声波辐射。
如4×24阵列，24个换能器元件以15度角均分组成圆环子阵列，实际上在一次激励中只有不超过任意6个连续的换能器元件(形成90度夹角)需要施加相控方式激励，即这6个元件必须使用各自独立的激励源，这样在圆周上对称的4个元件可以通过大功率电子开关器件控制选通而共享同一个激励源，降低了独立激励源的数量。对于4×24阵列需要4×6为24个独立激励源。
电子开关器件的开闭状态是在激励前设定，激励脉冲的宽度由电子线路筒内的激励源电路决定而与电子开关无关，因此器件的开关速度变得不再重要，这样就可以使用CMOS集成电路直接控制大功率VMOS或IGBT开关器件而省去中间激励，如图2所示。每一个换能器元件均需要一组这样的控制，一组圆环子阵列的典型连接如图3所示。
本发明为解决电子器件在声系内的承压和连接问题，将电子线路装在密封筒中，并且置于声系内部，实施例如图4所示。由于只能在密封筒的端面引出线，为承受千伏级电压这些出线的距离不能太近，因此每个密封筒内只能放置一组或两组圆环换能器子阵列所需的控制电路9和开关器件8，这样，对于由4×24阵列组成的整个声系就需要两个或更多的密封密封筒。
电子线路密封筒由筒体6、出线端盖5、压圈和电子线路板7等组成，线路板7呈三板三角式结构或双板对装式结构。端盖套有两道耐油、耐温O圈4，装入筒体6两端后形成承压密封。端盖外圈2与筒体6顶端有一个定位防转销3，防止压圈2锁紧端盖时端盖随转。端盖装有石油测井仪器常用的双O圈密封接线密封塞1，引出密封筒内电子线路板7的连线。
对于只完成单个圆环换能器阵列的引出线为29条(包括公共地线)，其中换能器端接线24条、串行时钟、数据串入、数据串出、+12V供电和地线共5条。地线阻抗必须很小，也可以与密封筒壳相接，但不得利用密封筒壳直接作为地线使用。
Claims (4)
1、一种传递声波换能器激励信号的装置，其特征在于由一个或一个以上安装于井下仪器声系内部的电子线路组成，24个换能器元件以15度角均分组成圆环子阵列，6个元件使用各自独立的激励源，圆周上对称的4个元件通过大功率电子开关器件控制选通而共享同一个激励源，电子线路装在密封筒中，对于两个以上阵列组成的声系有两个以上的密封路筒，并且置于声系内部，每个密封筒内只能放置一组或两组圆环换能器子阵列所需的控制电路(9)和开关器件，筒内电子线路通过端盖的连接端子与外部控制线和换能器相接；
电子线路由激励源和多组控制电路、选通开关组成，选通开关与控制电路连接，电子开关与激励的换能器元件连接，每一个换能器元件均连接一组选通开关与控制电路，通过受控的电子开关器件使一个以上的换能器元件共享同一激励源，电子开关由高压大功率VMOS或IGBT器件组成。
2、根据权利要求1所述的一种传递声波换能器激励信号的装置，其特征在于：电子线路密封筒由筒体(6)、出线端盖(5)、压圈和电子线路板(7)组成，线路板(7)呈三板三角式结构或双板对装式结构，端盖套有两道耐油、耐温O圈(4)，装入筒体(6)两端后形成承压密封，端盖外圈(2)与筒体(6)顶端有一个定位防转销(3)，端盖装有双O圈密封接线密封塞(1)，引出密封筒内电子线路板(7)的连线。
3、根据权利要求1所述的一种传递声波换能器激励信号的装置，其特征在于：控制电路为串入并出移位寄存器，工作电压在+5～15V之间，一般为+12V。
4、根据权利要求1所述的一种传递声波换能器激励信号的装置，其特征在于：圆环换能器阵列的引出线为29条，其中换能器端接线24条、串行时钟、数据串入、数据串出、+12V供电和地线共5条，地线与密封筒壳相接。
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