CN102373922A - 井周超声成像下井仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井周超声成像下井仪；井周超声成像下井仪含有扫描头和密闭的扫描仓，扫描仓的内部设有电机和空心转轴，电机的轴的下端与空心转轴的上端固定连接，空心转轴的下部从扫描仓的下端伸出与扫描头密封固定连接，扫描头内设有N个超声波晶体，扫描仓内的控制电路含有N个信号耦合旋转变压器、正余弦旋转变压器、电机驱动模块、发射前放模块、分相器模块、数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，正余弦旋转变压器的转子与电机的轴的上端固定连接，N个信号耦合旋转变压器的转子均与电机的轴的下端固定连接；本发明提供了一种测井速度快、精度高、可靠性好的井周超声成像下井仪。

Description

井周超声成像下井仪

（一）、技术领域：本发明涉及一种石油测井下井仪，特别是涉及一种井周超声成像下井仪。

（二）、背景技术: 井周超声成像下井仪是利用超声晶体来测量裸眼井或套管井井壁地质特性的测井仪器。目前所采用的超声晶体都是压电陶瓷晶体，且该压电陶瓷晶体是收发合一的，也就是说发射晶体和接收晶体是同一个晶体。当把晶体置于充满液体的井中，晶体离井壁距离适中的情况下，给晶体一个触发激励时，晶体就可以接收到经井壁反射回的超声信号。超声信号的反射时间反映了晶体离井壁的距离，反射幅度反映了井壁的声阻抗特性。当晶体在电机的驱动下旋转时，根据奈奎斯特准则控制晶体的发射，就可以得到井壁一周的反射时间和反射幅度。当仪器由电缆拉升时，晶体在井中就做螺旋扫描测量，通过对所测信号的处理，就可以得到井周的反射时间和反射幅度。通过计算机对反射时间和反射幅度进行灰度处理，再结合方位信息显示就可以得到井壁四周的图像。图1中所示的就是超声波晶体发射和接收反射信号的波形图，图1中的传播时间反映的是晶体离井壁的距离，回波幅度反映了井壁的声阻抗特性。

60年代，Mobil研究公司首先取得了井周超声成像下井仪这类仪器原理的专利。Amoco公司对改进仪器获得的图像以及Sandia国家实验室对提高仪器的工作温度都作出了贡献。Shell公司增加了自动增益控制线路，它有助于减小由于井壁与入射波不垂直而引起的垂向范围。Georgi利用实验室资料阐述了仪器探测裂缝和分辨附近特征的能力。Shell公司还证明了凹形换能器可以降低工作频率，并可保持较高的成像分辨率。现代的井周超声扫描测井仪是以上述技术为基础的声波成像仪器。

现有井周超声成像下井仪采集的数据量由于不同厂家的每圈发射次数不同而有所不同，但数据量都较大。数据量的增大就意味着传输时间的增加，从而导致测速的降低；同时，图像精度的要求也导致测速的降低。以哈利波顿公司生产的CAST-V的图像模式为例来说明最高测速的问题：它每转动一圈需要上传407个字的数据，此数据以每帧32个字，每帧50ms的速度上传，这样传输407个字就需要9块32字/帧的时间，这样，一圈数据传输的时间为407×50/32/9＝72ms，考虑到图像的精度为0.3in，则1英尺就需12/0.3＝40圈扫描，40圈扫描的时间为40×72ms＝2.9s，故最高测速为1英尺/2.9秒＝21英尺/分钟＝384米/小时。在3800米井深中完成一次测量就需10个小时，在7200米深的井中完成一次测量就需20个小时，这对于测井人员而言是无法忍受的，这也是目前此类仪器的缺点之一。

最大测井速度其实是遥测数传能力、超声成像仪器所要求的测井精度和超声成像仪器产生数据速度的综合体现。为了提高测井速度，首先就需要遥测的速度加快。只有遥测的速度加快了，才能使测井数据快速上传到地面。但是，一味地提高遥测数传速度并不能提高测井速度，因为井下仪器产生所要求精度的数据的速度达不到要求。故遥测速度只是超声成像仪器测速可以提高的先决条件。目前，国内的遥测数传可以到500Kbps，有的甚至可达1Mbps。这就为提高超声成像仪器测井速度提供了可能。

有了高速遥测，现在的主要问题是提高超声成像仪器产生符合精度数据的能力。所谓精度，就是径向精度和垂直精度的统称。径向精度与井眼大小、晶体的声斑大小以及每圈测量的点数有关。垂直精度与晶体声斑大小和测井速度有关。在井眼大小和声斑大小以及每圈测量点数（200点/100点）都确定的情况下，通过选择不同尺寸扫描头可以保证测量的径向精度。垂直精度在声斑大小确定的情况下只与测井速度有关。测井速度过快，相邻两圈扫描的重叠率就会小于50％，甚至会没有重叠。根据奈奎斯特准则可知，其数据分辨率是不可信的。这也是导致测速慢的主要原因。下面以单晶体扫描形式来说明圈数据的提取及测速不能提高的原因。单晶体扫描形式中晶体运行轨迹平面展开图如图2所示，图2中， L是晶体转动一圈时仪器的垂直移动距离，v是测速，t是晶体扫描一圈所耗的时间，从下向上依次为第1圈扫描→第2圈扫描→第3圈扫描→第4圈扫描，前3圈扫描之间都有重复的部分，如果此时测速提高1倍，则相邻2圈扫描之间就不会重复50％，从而导致数据的不可信，测速提高再提高时，相邻2圈（如：第3圈和第4圈）扫描之间就没有重合部分，数据就更加不可信，所以，现有单晶体扫描是不能提高测速的。

（三）、发明内容：本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种测井速度快、精度高、可靠性好的井周超声成像下井仪。

本发明的技术方案：一种井周超声成像下井仪，含有扫描头和密闭的扫描仓，扫描仓的外形为柱形（比如为圆柱形），扫描仓由耐高压钢筒制作而成，扫描仓竖直设置，扫描仓的内部设有电机和竖直设置的空心转轴，电机的轴竖直设置，电机的轴的下端通过联轴节与空心转轴的上端固定连接，电机的轴与空心转轴同轴，空心转轴的下部从扫描仓的下端伸出，扫描仓的下端设有端盖，空心转轴的侧壁通过密封轴承固定在端盖上，空心转轴的下端与扫描头密封固定连接，扫描头的壳体内设有超声波晶体，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体与壳体之间密封固定连接，超声波晶体的个数为N，N为大于等于2的自然数；扫描仓内还设有控制电路，控制电路含有N个信号耦合旋转变压器、正余弦旋转变压器、电机驱动模块、发射前放模块、分相器模块、数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，正余弦旋转变压器的转子与电机的轴同轴并与电机的轴的上端固定连接，分相器模块输出参考信号给正余弦旋转变压器的励磁绕组，分相器模块还处理正余弦旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号，分相器模块通过对正弦信号和余弦信号的处理得到电机的位置参数，并依据此位置参数来控制电机驱动模块，电机驱动模块再控制电机的转动，分相器模块还为数据处理模块提供圈同步信号和发射开始信号，数据处理模块提供给分相器模块控制信号，N个信号耦合旋转变压器的转子均与电机的轴同轴并与电机的轴的下端固定连接，N个信号耦合旋转变压器的转子绕组的N组引线经过空心转轴的内部空腔进入扫描头的内部后分别与N个超声波晶体的信号线电连接，N个信号耦合旋转变压器的定子绕组的N组引线与发射前放模块连接，发射前放模块将N个超声波晶体的发射信号分别提供给N个信号耦合旋转变压器，发射前放模块还从N个信号耦合旋转变压器接收回波信号，回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块将超声波晶体的发射控制信号提供给发射前放模块，数据传输模块将数据处理模块中的数据传送出去。

圈同步信号是为了提醒数据处理模块电机已转动一圈，可以传输本圈扫描的数据到数据传输模块，发射开始信号是为了提醒数据处理模块超声波晶体已转动一定角度（如1.8度或3.6度），需要超声波晶体再次发射信号，数据处理模块根据圈同步信号和发射开始信号控制发射前放模块发射超声波信号和接收回波信号。

由于井下的情况很为复杂，接收到的信号大小差别较大，为了能适应不同的井下情况，在数据采集模块采用了自动增益控制单元。数据处理模块把从数据采集模块采集过来的数据进行处理，得到所需的到达时间和到达幅度。在圈同步信号的同步下，数据处理模块把得到的N个超声波晶体的N     个1/N圈数据送到数据传输模块，数据传输模块对数据处理模块所传的数据进行拟合，从而得到完整的一圈数据。数据传输模块还对慢道信号进行采集，慢道信号就是数据变化不是很明显或变化缓慢的量，慢道信号包括方位信息（inx、iny、magx、magy）和电机电压（motor_v）与电机电流（motor_c）。在地面命令的要求下，数据传输模块拟合后的数据通过CAN通信线被传输到井下遥测单元，井下遥测单元再将该数据传输到地面。

扫描仓外还设有泥浆探测仓和固定目标体，泥浆探测仓内设有一个泥浆探测超声波晶体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面朝向泥浆探测仓的壳体外并正对固定目标体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面与固定目标体之间有一定的距离（如50mm），泥浆探测超声波晶体与泥浆探测仓的壳体之间密封固定连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与发射前放模块连接，发射前放模块为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射前放模块还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，泥浆探测超声波晶体的回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块还将泥浆探测超声波晶体的发射控制信号提供给发射前放模块。

由于在不同比重的井液泥浆中，超声波的传输速度有较大差异，所以增加了一个泥浆探测仓来测量超声波在不同井液泥浆中的速度。这样，只要得到泥浆探测超声波晶体发射和接收到超声波之间的时间，通过速度计算公式就可以得到超声波在此井液泥浆中的传输速度。

分相器模块含有分相器、5KHZ振荡器、第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路，5KHZ振荡器输出的参考信号进入正余弦旋转变压器的励磁绕组和分相器中，正余弦旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号进入分相器中，分相器的输出信号依次进入第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路中，电平转换电路的电机控制输出信号通过电机驱动模块中的电平转换单元A、电平转换单元B和电平转换单元C控制电机的运行，电平转换电路还为数据处理模块提供圈同步信号和发射开始信号，数据处理模块输出的分相控制信号控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作；发射前放模块含有发射电路、通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路，N个信号耦合旋转变压器的定子绕组的N组引线和泥浆探测超声波晶体的信号线与发射电路连接，发射电路为N个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射电路还接收N个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号，回波信号经发射电路接收后，再依次经过通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路后进入数据采集模块的自动增益控制单元中，数据处理模块输出的回波控制输出信号控制通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路的工作，数据处理模块输出的发射控制信号进入发射电路中，数据采集模块中还含有数据采集单元，自动增益控制单元的输出信号进入数据采集单元中，数据采集单元的数据总线与数据处理模块的数据总线连接，数据处理模块控制自动增益控制单元和数据采集单元的工作，数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。 

N为2时，超声波晶体含有第一超声波晶体和第二超声波晶体，信号耦合旋转变压器含有第一信号耦合旋转变压器和第二信号耦合旋转变压器，发射前放模块含有第一发射前放模块和第二发射前放模块，数据采集模块含有第一数据采集模块和第二数据采集模块，数据处理模块含有第一数据处理模块和第二数据处理模块；第一发射前放模块含有第一发射电路、第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路，第一信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第一发射电路连接，第一发射电路为第一个超声波晶体提供发射信号，第一发射电路还接收第一个超声波晶体的回波信号，回波信号经第一发射电路接收后，再依次经过第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路后进入第一数据采集模块的第一自动增益控制单元中，第一数据处理模块输出的回波控制输出信号控制第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路的工作，第一数据处理模块输出的发射控制信号进入第一发射电路中，第一数据采集模块中还含有第一数据采集单元，第一自动增益控制单元的输出信号进入第一数据采集单元中，第一数据采集单元的数据总线与第一数据处理模块的数据总线连接，第一数据处理模块控制第一自动增益控制单元和第一数据采集单元的工作，第一数据处理模块的分相控制信号控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作；第二发射前放模块含有第二发射电路、第三发射电路、第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路，第二信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第二发射电路连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与第三发射电路连接，第二发射电路为第二个超声波晶体提供发射信号，第二发射电路还接收第二个超声波晶体的回波信号，第三发射电路为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，第三发射电路还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，第二个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号分别经第二发射电路和第三发射电路接收后，再依次经过第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路后进入第二数据采集模块的第二自动增益控制单元中，第二数据处理模块输出的回波控制输出信号控制第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路的工作，第二数据处理模块输出的发射控制信号进入第二发射电路和第三发射电路中，第二数据采集模块中还含有第二数据采集单元，第二自动增益控制单元的输出信号进入第二数据采集单元中，第二数据采集单元的数据总线与第二数据处理模块的数据总线连接，第二数据处理模块控制第二自动增益控制单元和第二数据采集单元的工作；第一数据处理模块和第二数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。 

电机为三相无刷直流电机；N为2，或为3，或为4。

超声波晶体和泥浆探测超声波晶体为压电陶瓷晶体，各超声波晶体的性能要求基本保持一致，以保证测量数据的可信度。

电机安装在扫描仓内的电机架上，正余弦旋转变压器设置在电机的上部，N个信号耦合旋转变压器设置在电机的下部；电机的上下两端都有轴伸出，轴的上端为实心轴，轴的下端为空心轴，实心轴上安装正余弦旋转变压器，空心轴上安装有信号耦合旋转变压器，信号耦合旋转变压器的转子绕组的引线进入空心轴后，再经过空心转轴的内部空腔进入扫描头的内部。

扫描头的壳体为空心柱状体，超声波晶体安装在壳体的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体的尾部朝向壳体内，超声波晶体与晶体安装通孔之间密封连接， N个超声波晶体围绕壳体的轴线均布在壳体的侧壁中，N个超声波晶体的高度一样，壳体的下端封闭，壳体的上端中央设有转轴孔，空心转轴安装在转轴孔中。

壳体内设有水平的接线柱板，接线柱板下表面的高度高于超声波晶体的尾部上边沿的高度，接线柱板上设有N个接线柱，N个接线柱的中部均穿过接线柱板，接线柱的上端和下端分别位于接线柱板的上面和下面，N个超声波晶体尾部的信号线分别与N个接线柱的下端电连接；接线柱板设在壳体内侧壁的台阶上，接线柱板的上部设有压块，压块的外侧面与壳体的内侧面之间密封连接，压块的下端内部设有空腔体，接线柱的上端位于该空腔体中，壳体的上部设有瓶盖形螺套，瓶盖形螺套的盖底中部为空心，瓶盖形螺套与壳体上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套的盖底压在压块上，转轴孔设在压块上表面的中部，转轴孔和空腔体之间设有隔板，隔板的中间设有信号线通孔，信号线通孔将转轴孔和空腔体连通起来，隔板的周边设有转轴固定通孔，空心转轴通过转轴固定通孔内的螺钉固定在转轴孔中； 压块的外侧面中部设有外凸缘，外凸缘的下表面与壳体的上端面连接，外凸缘的上表面与瓶盖形螺套的盖底连接，外凸缘的下表面与壳体的上端面之间设有定位键，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间密封连接，外凸缘与瓶盖形螺套之间通过定位螺钉定位；接线柱板与压块通过固定螺钉固定在一起，压块的外侧面与壳体的内侧面之间设有压块密封圈，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间设有螺套密封圈，超声波晶体的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈，超声波晶体通过晶体螺钉固定在壳体上，转轴孔内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈。

壳体的底部设有放油螺纹通孔，放油螺纹通孔内设有放油螺钉，放油螺钉与放油螺纹通孔之间密封连接，放油螺钉与放油螺纹通孔之间设有放油密封圈。

采用该井周超声成像下井仪扫描部件可以在保证精度的情况下提高测井速度，下面以扫描头中含有两个超声波晶体时的例子来说明：测井时，电机的转速维持不变，即电机转速与单个超声波晶体时的电机转速相同以保证测量的径向精度。

两个晶体的扫描形式中晶体的运行轨迹平面展开图如图3所示，两个晶体的轨迹线如图4所示。图4中，A为第一个晶体的轨迹线，B为第二个晶体的轨迹线。图3中，从下向上依次为第一个晶体的第1圈扫描→第二个晶体的第1圈扫描→第一个晶体的第2圈扫描→第二个晶体的第2圈扫描→第一个晶体的第3圈扫描→第二个晶体的第3圈扫描， L1是晶体转动一圈时仪器的垂直移动距离，v1是测速，v1=2v，测速v1比图2中的测速v提高了1倍，t是晶体扫描一圈所耗的时间。对于单个晶体扫描形式而言，前后两次的扫描不能重复，垂直精度不能保证。但是，由于现在是两个晶体，其不重复部分可以由另外一个晶体来代替测量。通过对数据的拟合处理，可以得到一圈完整的扫描数据，从而保证了仪器测量的垂直精度。这样，在测速提高一倍达760米/小时的情况下，采用2个晶体是能够保证测量精度的。

3个晶体和4个晶体的情况与上面2个晶体的情况类似。3个晶体之间相差120°，4个晶体之间相差90°。3个晶体可以把测速提高3倍达1100米/小时，此时要求遥测速度为300Kbps；4个晶体可以把测速提高4倍达1520米/小时，此时遥测速度为400Kbps。

本发明的有益效果：1、本发明通过多个超声波晶体的扫描形式，提高了测井速度（每增加一个超声波晶体，测井速度就可以提高1倍），大大缩短了测井时间；并且在测井速度提高的同时，还保证了测井的径向精度和垂直精度；使用本发明测井时，结合方位信息，可以真正及时地得到仪器偏心或井眼椭圆的信息；本发明可与常规仪器组合成为快速测井设备。

2、本发明采用信号耦合旋转变压器实现旋转部分的电信号与其它固定部分的电信号的传递，与采用传统滑环传递信号的形式相比，由于信号耦合旋转变压器是无触点连接，没有机械磨损，因此，本发明可靠性好、使用寿命长。本发明克服了传统滑环传递信号的形式中由于长期机械磨损而导致接触不良的缺点。

3、本发明的扫描头中，空心转轴安装在压块上的转轴孔中，空心转轴中间空心处的信号线通过接线柱板上的接线柱与超声波晶体尾部的信号线连接，因此，扫描头与空心转轴之间的连接方便可靠。

4、本发明的扫描头的壳体、超声波晶体、压块和瓶盖形螺套之间都采用密封圈连接，防水性强，非常适合井下使用。

（四）、附图说明：

图1为超声波晶体发射和接收反射信号的波形图；

图2为单晶体扫描形式中晶体运行轨迹平面展开图；

图3为两个晶体的扫描形式中晶体的运行轨迹平面展开图；

图4为两个晶体的轨迹线示意图；

图5为含有两个超声波晶体的扫描头的结构示意图；

图6为含有三个超声波晶体的扫描头的结构示意图；

图7为含有四个超声波晶体的扫描头的结构示意图；

图8为井周超声成像下井仪的结构示意图；

图9为控制电路的原理框图；

图10为分相器模块的原理框图；

图11为电机驱动模块的原理框图；

图12为第一发射前放模块的原理框图；

图13为第一数据采集模块的原理框图；

图14为第一数据处理模块的原理框图；

图15为第二发射前放模块的原理框图；

图16为第二数据采集模块的原理框图；

图17为第二数据处理模块的原理框图。

（五）、具体实施方式：实施例一：参见图5、图8～图17，图中，井周超声成像下井仪含有扫描头40和密闭的扫描仓45，扫描仓45的外形为圆柱形，扫描仓45由耐高压钢筒制作而成，扫描仓45竖直设置，扫描仓45的内部设有电机42和竖直设置的空心转轴46，电机42的轴44竖直设置，电机42的轴44的下端通过联轴节49与空心转轴46的上端固定连接，电机42的轴44与空心转轴46同轴，空心转轴46的下部从扫描仓45的下端伸出，扫描仓45的下端设有端盖47，空心转轴46的侧壁通过密封轴承48固定在端盖47上，空心转轴46的下端与扫描头40密封固定连接，扫描头40的壳体1内设有两个超声波晶体2，超声波晶体2的发射接收面朝向壳体1外，超声波晶体2与壳体1之间密封固定连接；扫描仓45内还设有控制电路，控制电路含有两个信号耦合旋转变压器43、正余弦旋转变压器41、电机驱动模块、发射前放模块、分相器模块、数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，正余弦旋转变压器41的转子与电机42的轴44同轴并与电机42的轴44的上端固定连接，分相器模块输出参考信号给正余弦旋转变压器41的励磁绕组，分相器模块还处理正余弦旋转变压器41输出的正弦信号和余弦信号，分相器模块通过对正弦信号和余弦信号的处理得到电机42的位置参数，并依据此位置参数来控制电机驱动模块，电机驱动模块再控制电机42的转动，分相器模块还为数据处理模块提供圈同步信号和发射开始信号，数据处理模块提供给分相器模块控制信号，两个信号耦合旋转变压器43的转子均与电机42的轴44同轴并与电机42的轴44的下端固定连接，两个信号耦合旋转变压器43的转子绕组的两组引线经过空心转轴46的内部空腔进入扫描头40的内部后分别与两个超声波晶体2的信号线9电连接，两个信号耦合旋转变压器43的定子绕组的两组引线与发射前放模块连接，发射前放模块将两个超声波晶体2的发射信号分别提供给两个信号耦合旋转变压器43，发射前放模块还从两个信号耦合旋转变压器43接收回波信号，回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块将超声波晶体2的发射控制信号提供给发射前放模块，数据传输模块将数据处理模块中的数据传送出去。

扫描仓45外还设有泥浆探测仓和固定目标体，泥浆探测仓内设有一个泥浆探测超声波晶体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面朝向泥浆探测仓的壳体外并正对固定目标体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面与固定目标体之间有一定的距离（可为50mm），泥浆探测超声波晶体与泥浆探测仓的壳体之间密封固定连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与发射前放模块连接，发射前放模块为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射前放模块还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，泥浆探测超声波晶体的回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块还将泥浆探测超声波晶体的发射控制信号提供给发射前放模块。

分相器模块含有分相器、5KHZ振荡器、第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路，5KHZ振荡器输出的参考信号REF5K进入正余弦旋转变压器41的励磁绕组和分相器中，正余弦旋转变压器41输出的正弦信号SIN和余弦信号COS进入分相器中，分相器的输出信号依次进入第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路中，电平转换电路的电机控制输出信号A+、B+、C+、A-、B-、C-通过电机驱动模块中的电平转换单元A、电平转换单元B和电平转换单元C控制电机42的运行，电平转换电路还为数据处理模块提供圈同步信号REF和发射开始信号START，数据处理模块输出的分相控制信号控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作。

超声波晶体2含有第一超声波晶体和第二超声波晶体，信号耦合旋转变压器43含有第一信号耦合旋转变压器和第二信号耦合旋转变压器，发射前放模块含有第一发射前放模块和第二发射前放模块，数据采集模块含有第一数据采集模块和第二数据采集模块，数据处理模块含有第一数据处理模块和第二数据处理模块；第一发射前放模块含有第一发射电路、第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路，第一信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第一发射电路连接，第一发射电路为第一个超声波晶体提供发射信号，第一发射电路还接收第一个超声波晶体的回波信号，回波信号经第一发射电路接收后，再依次经过第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路后进入第一数据采集模块的第一自动增益控制单元中，第一数据处理模块输出的回波控制输出信号A01、A11、A21、A31、YIZHI1控制第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路的工作，第一数据处理模块输出的发射控制信号scan_k1进入第一发射电路中，第一数据采集模块中还含有第一数据采集单元，第一自动增益控制单元的输出信号进入第一数据采集单元中，第一数据采集单元的数据总线D01～D71与第一数据处理模块的数据总线连接，第一数据处理模块控制第一自动增益控制单元和第一数据采集单元的工作，第一数据处理模块的分相控制信号R2、R1、R0、CTR_M控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作；第二发射前放模块含有第二发射电路、第三发射电路、第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路，第二信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第二发射电路连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与第三发射电路连接，第二发射电路为第二个超声波晶体提供发射信号，第二发射电路还接收第二个超声波晶体的回波信号，第三发射电路为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，第三发射电路还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，第二个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号分别经第二发射电路和第三发射电路接收后，再依次经过第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路后进入第二数据采集模块的第二自动增益控制单元中，第二数据处理模块输出的回波控制输出信号A02、A12、A22、A32、YIZHI2控制第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路的工作，第二数据处理模块输出的发射控制信号scan_k2、mud_k进入第二发射电路和第三发射电路中，第二数据采集模块中还含有第二数据采集单元，第二自动增益控制单元的输出信号进入第二数据采集单元中，第二数据采集单元的数据总线D02～D72与第二数据处理模块的数据总线连接，第二数据处理模块控制第二自动增益控制单元和第二数据采集单元的工作；第一数据处理模块和第二数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。 

电机42为三相无刷直流电机。

超声波晶体2和泥浆探测超声波晶体为压电陶瓷晶体，各超声波晶体2的性能要求基本保持一致，以保证测量数据的可信度。

电机42安装在扫描仓45内的电机架50上，正余弦旋转变压器41设置在电机42的上部，信号耦合旋转变压器43设置在电机42的下部；电机42的上下两端都有轴44伸出，轴44的上端为实心轴，轴44的下端为空心轴，实心轴上安装正余弦旋转变压器41，空心轴上安装有信号耦合旋转变压器43，信号耦合旋转变压器43的转子绕组的引线进入空心轴后，再经过空心转轴46的内部空腔进入扫描头40的内部。

扫描头40的壳体1为空心柱状体，超声波晶体2安装在壳体1的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体2的发射接收面朝向壳体1外，超声波晶体2的尾部朝向壳体1内，超声波晶体2与晶体安装通孔之间密封连接， 两个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，两个超声波晶体2的高度一样，壳体1的下端封闭，壳体1的上端中央设有转轴孔24，空心转轴46安装在转轴孔24中。

壳体1内设有水平的接线柱板3，接线柱板3下表面的高度高于超声波晶体2的尾部上边沿的高度，接线柱板3上设有两个接线柱4，两个接线柱4的中部均穿过接线柱板3，接线柱4的上端和下端分别位于接线柱板3的上面和下面，两个超声波晶体2尾部的信号线9分别与两个接线柱4的下端电连接；接线柱板3设在壳体1内侧壁的台阶上，接线柱板3的上部设有压块5，压块5的外侧面与壳体1的内侧面之间密封连接，压块5的下端内部设有空腔体23，接线柱4的上端位于该空腔体23中，壳体1的上部设有瓶盖形螺套6，瓶盖形螺套6的盖底中部为空心，瓶盖形螺套6与壳体1上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套6的盖底压在压块5上，转轴孔24设在压块5上表面的中部，转轴孔24和空腔体23之间设有隔板21，隔板21的中间设有信号线通孔22，信号线通孔22将转轴孔24和空腔体23连通起来，隔板21的周边设有转轴固定通孔，空心转轴46通过转轴固定通孔内的螺钉18固定在转轴孔24中； 压块5的外侧面中部设有外凸缘26，外凸缘26的下表面与壳体1的上端面连接，外凸缘26的上表面与瓶盖形螺套6的盖底连接，外凸缘26的下表面与壳体1的上端面之间设有定位键17，外凸缘26的外侧面与瓶盖形螺套6的内侧面之间密封连接，外凸缘26与瓶盖形螺套6之间通过定位螺钉20定位；接线柱板3与压块5通过固定螺钉15固定在一起，压块5的外侧面与壳体1的内侧面之间设有压块密封圈16，外凸缘26的外侧面与瓶盖形螺套6的内侧面之间设有螺套密封圈27，超声波晶体2的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈14，超声波晶体2通过晶体螺钉13固定在壳体1上，转轴孔24内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈19。

壳体1的底部设有放油螺纹通孔11，放油螺纹通孔11内设有放油螺钉10，放油螺钉10与放油螺纹通孔11之间密封连接，放油螺钉10与放油螺纹通孔11之间设有放油密封圈12。

实施例二：参见图6、图8～图9，图中编号与实施例一相同的，代表的意义相同，其工作过程也基本相同，相同之处不重述，不同之处是：扫描头40的壳体1内设有三个超声波晶体2，三个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，三个超声波晶体2的高度一样。

发射前放模块含有发射电路、通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路，三个信号耦合旋转变压器43的定子绕组的三组引线和泥浆探测超声波晶体的信号线与发射电路连接，发射电路为三个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射电路还接收三个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号，回波信号经发射电路接收后，再依次经过通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路后进入数据采集模块的自动增益控制单元中，数据处理模块输出的回波控制输出信号控制通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路的工作，数据处理模块输出的发射控制信号进入发射电路中，数据采集模块中还含有数据采集单元，自动增益控制单元的输出信号进入数据采集单元中，数据采集单元的数据总线与数据处理模块的数据总线连接，数据处理模块控制自动增益控制单元和数据采集单元的工作，数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。 

实施例三：参见图7、图8～图9，图中编号与实施例二相同的，代表的意义相同，其工作过程也基本相同，相同之处不重述，不同之处是：扫描头40的壳体1内设有四个超声波晶体2，四个超声波晶体2围绕壳体1的轴线均布在壳体1的侧壁中，四个超声波晶体2的高度一样；信号耦合旋转变压器43的个数也为4个。

Claims (10)

1.一种井周超声成像下井仪，含有扫描头和密闭的扫描仓，扫描仓的外形为柱形，扫描仓竖直设置，其特征是：扫描仓的内部设有电机和竖直设置的空心转轴，电机的轴竖直设置，电机的轴的下端通过联轴节与空心转轴的上端固定连接，电机的轴与空心转轴同轴，空心转轴的下部从扫描仓的下端伸出，扫描仓的下端设有端盖，空心转轴的侧壁通过密封轴承固定在端盖上，空心转轴的下端与扫描头密封固定连接，扫描头的壳体内设有超声波晶体，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体与壳体之间密封固定连接，超声波晶体的个数为N，N为大于等于2的自然数；扫描仓内还设有控制电路，控制电路含有N个信号耦合旋转变压器、正余弦旋转变压器、电机驱动模块、发射前放模块、分相器模块、数据采集模块、数据处理模块和数据传输模块，正余弦旋转变压器的转子与电机的轴同轴并与电机的轴的上端固定连接，分相器模块输出参考信号给正余弦旋转变压器的励磁绕组，分相器模块还处理正余弦旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号，分相器模块通过对正弦信号和余弦信号的处理得到电机的位置参数，并依据此位置参数来控制电机驱动模块，电机驱动模块再控制电机的转动，分相器模块还为数据处理模块提供圈同步信号和发射开始信号，数据处理模块提供给分相器模块控制信号，N个信号耦合旋转变压器的转子均与电机的轴同轴并与电机的轴的下端固定连接，N个信号耦合旋转变压器的转子绕组的N组引线经过空心转轴的内部空腔进入扫描头的内部后分别与N个超声波晶体的信号线电连接，N个信号耦合旋转变压器的定子绕组的N组引线与发射前放模块连接，发射前放模块将N个超声波晶体的发射信号分别提供给N个信号耦合旋转变压器，发射前放模块还从N个信号耦合旋转变压器接收回波信号，回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块将超声波晶体的发射控制信号提供给发射前放模块，数据传输模块将数据处理模块中的数据传送出去。

2.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述扫描仓外还设有泥浆探测仓和固定目标体，泥浆探测仓内设有一个泥浆探测超声波晶体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面朝向泥浆探测仓的壳体外并正对固定目标体，泥浆探测超声波晶体的发射接收面与固定目标体之间有一定的距离，泥浆探测超声波晶体与泥浆探测仓的壳体之间密封固定连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与发射前放模块连接，发射前放模块为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射前放模块还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，泥浆探测超声波晶体的回波信号经过发射前放模块的放大/衰减和滤波后传送给数据采集模块，数据采集模块对发射前放模块输出的信号进行接收和存储，然后根据数据处理模块的需要为数据处理模块提供数据，数据处理模块还将泥浆探测超声波晶体的发射控制信号提供给发射前放模块。

3.根据权利要求2所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述分相器模块含有分相器、5KHZ振荡器、第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路，5KHZ振荡器输出的参考信号进入正余弦旋转变压器的励磁绕组和分相器中，正余弦旋转变压器输出的正弦信号和余弦信号进入分相器中，分相器的输出信号依次进入第一锁存器、驱动及发射控制单元、第二锁存器和电平转换电路中，电平转换电路的电机控制输出信号通过电机驱动模块中的电平转换单元A、电平转换单元B和电平转换单元C控制电机的运行，电平转换电路还为数据处理模块提供圈同步信号和发射开始信号，数据处理模块输出的分相控制信号控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作；发射前放模块含有发射电路、通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路，N个信号耦合旋转变压器的定子绕组的N组引线和泥浆探测超声波晶体的信号线与发射电路连接，发射电路为N个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体提供发射信号，发射电路还接收N个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号，回波信号经发射电路接收后，再依次经过通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路后进入数据采集模块的自动增益控制单元中，数据处理模块输出的回波控制输出信号控制通道选择电路、放大/衰减电路和带通滤波电路的工作，数据处理模块输出的发射控制信号进入发射电路中，数据采集模块中还含有数据采集单元，自动增益控制单元的输出信号进入数据采集单元中，数据采集单元的数据总线与数据处理模块的数据总线连接，数据处理模块控制自动增益控制单元和数据采集单元的工作，数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。

4.根据权利要求3所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述N为2，超声波晶体含有第一超声波晶体和第二超声波晶体，信号耦合旋转变压器含有第一信号耦合旋转变压器和第二信号耦合旋转变压器，发射前放模块含有第一发射前放模块和第二发射前放模块，数据采集模块含有第一数据采集模块和第二数据采集模块，数据处理模块含有第一数据处理模块和第二数据处理模块；第一发射前放模块含有第一发射电路、第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路，第一信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第一发射电路连接，第一发射电路为第一个超声波晶体提供发射信号，第一发射电路还接收第一个超声波晶体的回波信号，回波信号经第一发射电路接收后，再依次经过第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路后进入第一数据采集模块的第一自动增益控制单元中，第一数据处理模块输出的回波控制输出信号控制第一通道选择电路、第一放大/衰减电路和第一带通滤波电路的工作，第一数据处理模块输出的发射控制信号进入第一发射电路中，第一数据采集模块中还含有第一数据采集单元，第一自动增益控制单元的输出信号进入第一数据采集单元中，第一数据采集单元的数据总线与第一数据处理模块的数据总线连接，第一数据处理模块控制第一自动增益控制单元和第一数据采集单元的工作，第一数据处理模块的分相控制信号控制第一锁存器、第二锁存器和电平转换电路的工作；第二发射前放模块含有第二发射电路、第三发射电路、第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路，第二信号耦合旋转变压器的定子绕组的引线与第二发射电路连接，泥浆探测超声波晶体的信号线与第三发射电路连接，第二发射电路为第二个超声波晶体提供发射信号，第二发射电路还接收第二个超声波晶体的回波信号，第三发射电路为泥浆探测超声波晶体提供发射信号，第三发射电路还接收泥浆探测超声波晶体的回波信号，第二个超声波晶体和泥浆探测超声波晶体的回波信号分别经第二发射电路和第三发射电路接收后，再依次经过第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路后进入第二数据采集模块的第二自动增益控制单元中，第二数据处理模块输出的回波控制输出信号控制第二通道选择电路、第二放大/衰减电路和第二带通滤波电路的工作，第二数据处理模块输出的发射控制信号进入第二发射电路和第三发射电路中，第二数据采集模块中还含有第二数据采集单元，第二自动增益控制单元的输出信号进入第二数据采集单元中，第二数据采集单元的数据总线与第二数据处理模块的数据总线连接，第二数据处理模块控制第二自动增益控制单元和第二数据采集单元的工作；第一数据处理模块和第二数据处理模块的通讯端口与数据传输模块的通讯端口连接。

5.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述电机为三相无刷直流电机；所述N为2，或为3，或为4。

6.根据权利要求2所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述超声波晶体和泥浆探测超声波晶体为压电陶瓷晶体。

7.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述电机安装在扫描仓内的电机架上，正余弦旋转变压器设置在电机的上部，N个信号耦合旋转变压器设置在电机的下部；电机的上下两端都有轴伸出，轴的上端为实心轴，轴的下端为空心轴，实心轴上安装正余弦旋转变压器，空心轴上安装有信号耦合旋转变压器，信号耦合旋转变压器的转子绕组的引线进入空心轴后，再经过空心转轴的内部空腔进入扫描头的内部。

8.根据权利要求1所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述扫描头的壳体为空心柱状体，超声波晶体安装在壳体的侧壁上的晶体安装通孔中，超声波晶体的发射接收面朝向壳体外，超声波晶体的尾部朝向壳体内，超声波晶体与晶体安装通孔之间密封连接， N个超声波晶体围绕壳体的轴线均布在壳体的侧壁中，N个超声波晶体的高度一样，壳体的下端封闭，壳体的上端中央设有转轴孔。

9.根据权利要求８所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述壳体内设有水平的接线柱板，接线柱板下表面的高度高于超声波晶体的尾部上边沿的高度，接线柱板上设有N个接线柱，N个接线柱的中部均穿过接线柱板，接线柱的上端和下端分别位于接线柱板的上面和下面，N个超声波晶体尾部的信号线分别与N个接线柱的下端电连接；接线柱板设在壳体内侧壁的台阶上，接线柱板的上部设有压块，压块的外侧面与壳体的内侧面之间密封连接，压块的下端内部设有空腔体，接线柱的上端位于该空腔体中，壳体的上部设有瓶盖形螺套，瓶盖形螺套的盖底中部为空心，瓶盖形螺套与壳体上部的外侧面之间通过螺纹连接，瓶盖形螺套的盖底压在压块上，转轴孔设在压块上表面的中部，转轴孔和空腔体之间设有隔板，隔板的中间设有信号线通孔，信号线通孔将转轴孔和空腔体连通起来，隔板的周边设有转轴固定通孔； 压块的外侧面中部设有外凸缘，外凸缘的下表面与壳体的上端面连接，外凸缘的上表面与瓶盖形螺套的盖底连接，外凸缘的下表面与壳体的上端面之间设有定位键，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间密封连接，外凸缘与瓶盖形螺套之间通过定位螺钉定位；接线柱板与压块通过固定螺钉固定在一起，压块的外侧面与壳体的内侧面之间设有压块密封圈，外凸缘的外侧面与瓶盖形螺套的内侧面之间设有螺套密封圈，超声波晶体的侧面与晶体安装通孔之间设有晶体密封圈，超声波晶体通过晶体螺钉固定在壳体上，转轴孔内侧面上的环形凹槽内设有转轴孔密封圈。

10.根据权利要求８所述的井周超声成像下井仪，其特征是：所述壳体的底部设有放油螺纹通孔，放油螺纹通孔内设有放油螺钉，放油螺钉与放油螺纹通孔之间密封连接，放油螺钉与放油螺纹通孔之间设有放油密封圈。

Images