CN103698397B - 一种定量接触压力超声波检测系统及其检测方法 - Google Patents
一种定量接触压力超声波检测系统及其检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种定量接触压力超声检测系统及其检测方法，该检测系统包括超声波探头、高压仓、定量接触压力调整单元、环境模拟单元以及控制单元；定量接触压力调整单元包括步进电机和传动部件；电机带动传动部件与超声波探头连接，使待测岩样和超声波接收探头紧密耦合；环境模拟单元包括加热模块和加压模块；二者与高压仓连接；该检测方法是通过控制单元控制环境模拟单元以及定量接触压力单元，完成对高压仓的加热、加压操作以及超声波检测；并获得最佳接触点；本发明可对高温、高压下的岩石进行无损伤动态测试，并获得最佳超声波检测信号，精细反映样品内部结构的渐变和突变过程。
Description
技术领域
本发明涉及岩石的物理特性检测领域，尤其涉及一种在高温高压条件下的定量接触压力超声波检测系统及其检测方法。
背景技术
众所周知，随着表层油气田的不断挖掘开采，浅层油气资源变得越来越少，人们开始把探索油气资源的目标瞄向了深层油气田。而要对深层油气田进行研究，就需要模拟地下深处的高温高压环境。通过检测含油岩石在不同压力和温度条件下物理特性的变化，可以对储油层的生成、变化和迁移等进行研究，其数据对油、气田的开发有着重要的指导意义。
目前现有技术普遍采用定量接触压力超声波测试装置或高温高压超声波检测装置；
1）定量接触压力超声波测试装置是通过用计算机控制超声波探头与被测物体的接触压力定量化分析的方法，它能对检测物体施加不同大小的力以取得最佳接触和最佳观测效果，并具有可重复性和多次同条件下的一致性。以二维断层图像形式，清晰、准确、细致、多层次、直观地展示被检测物体内部的超声波传播特性。但是定量接触压力超声波测试装置只能检测常温、常压条件下的样品静态物理特性，然而检测样品在不同的温度压力环境下会表现出有别于常温低压环境下的物理特性；此外，利用现有技术对样品进行检测时，将超声波发射、接收晶片粘贴在被测样品表面，此方法无法取得最佳接触和最佳信号。
2）高温高压超声波检测装置主体部分是一个密封的高压仓。在仓内，被测样品被加温、加压。然后通过超声波探头检测其在不同条件下物理特性的变化。因此通过该装置可以测出样品的各个阶段表现出的有别于常温低压环境下的特性。在石油勘探研究部门，要想真正认识煤层气地层的岩石物理特征，它是一个必不可少的研究手段。
但是，该装置同样无法调节超声波接收探头和待测岩样之间的接触力，即无法取得最佳接触点和最佳信号。
综上所述，现有测量装置都只在常温常压下对待测岩样进行测试，在高温高压下国内尚未有相关设备能解决此状态下的测试力矩调整装置。因此，若想真正认识煤层气地层的岩石物理特征，清晰、准确地检测高温高压条件下样品的动态物理特性是一个必不可少的研究手段。
发明内容
为了解决现有技术的定量接触压力超声波测试装置无法检测待测岩样在高温高压条件下的变化情况的问题，本发明提供了一种高温、高压下定量接触压力超声检测系统及其检测方法，本发明在采用了增压、加温系统模拟地下高温、高压环境的同时，吸收了定量接触压力超声波测试装置的优点，可动态、精细显示被测物体可在逐渐增压、增温的情况下，内部结构发生的渐变和突变过程。
本发明提供的检测系统为：
一种定量接触压力超声波检测系统，包括超声波测试单元、定量接触压力调整单元以及控制单元；所述超声波测试单元包括超声波发射探头1以及超声波接收探头2，二者加载在待测岩样两端，所述定量接触压力调整单元与所述超声波接收探头2相连接，所述控制单元与所述定量接触压力调整单元相连接；其特征在于：
所述检测系统还包括高压仓3和环境模拟单元；所述待测岩样设置在所述高压仓3中，所述超声波发射探头1以及超声波接收探头2分别伸入所述高压仓3并紧顶在所述待测岩样两端；
所述环境模拟单元包括加热模块和加压模块；所述环境模拟单元与所述高压仓3连接；
所述定量接触压力调整单元包括电机和传动部件；所述电机带动所述的传动部件与所述的超声波接收探头2连接，用于调整超声波接收探头2，使所述待测岩样和超声波接收探头2之间的紧密耦合。
调整接触压力是为了使待测岩样和超声波接收探头2之间的耦合紧密，只有耦合紧密才能取得最清晰的超声波图像，耦合不紧会衰减超声波信号，取不到好的超声波信号就不能得到清晰的二维超声波断层图像。
所述传动部件包括传动齿轮10；所述电机为步进电机5或伺服电机；所述传动齿轮10设置在所述步进电机5的传动轴上，所述传动齿轮10通过连接部件与所述超声波接收探头2相连接；通过所述步进电机5带动所述传动齿轮10进而使所述超声波接收探头2在所述高压仓3内沿轴线左右移动，调整与所述待测岩样之间的距离,以达到加力、减力和锁止的作用。
所述连接部件包括滑道11以及滑块12；所述超声波接收探头2滑动设置在所述滑道11中，所述滑块12两端分别与所述超声波接收探头2以及所述传动齿轮10硬连接或弹性连接；
所述步进电机5与所述控制单元相连接，所述步进电机5带动所述传动齿轮10共同运转，从而带动所述超声波接收探头2与所述待测岩样耦合。
所述高压仓3中设有弹簧6；所述弹簧6两端分别与所述高压仓3内壁端面以及所述超声波发射探头1尾部相连接。设置弹簧7的目的是缓冲步进电机带来的硬冲力，使力矩调节更柔和也可防止冲力过快损坏被测物体。所述环境模拟单元中，所述加热模块包括温度传感器8、加热电阻丝和温度控制器；所述温度传感器8和加热电阻丝设置在所述高压仓3内，所述温度控制器设置在所述高压仓3外部；所述温度传感器8与所述温度控制器相连接，所述温度控制器分别与所述加热电阻丝以及控制单元相连接。所述温度传感器8检测所述高压仓3中的温度，并将检测结果传输至所述温度控制器，所述控制单元向所述温度控制器发送加热命令，所述加热电阻丝完成加热操作。
所述环境模拟单元中，所述加压模块包括压力传感器9、压力控制器以及液压装置；所述压力传感器9以及液压装置设置在所述高压仓3内，所述压力控制器设置在所述高压仓3外部；所述压力传感器9与所述压力控制器相连接，所述压力控制器分别与所述液压装置以及控制单元相连接。所述压力传感器9检测所高压仓3中的压力值，并将检测结果传输至所述压力控制器，所述控制单元向所述压力控制器发送加压命令，所述液压装置向所述高压仓3内输送高压流体完成加压操作。
所述控制单元与所述高压仓3，超声波发射探头1，超声波接收探头2，环境模拟单元以及定量接触压力调整单元连接；
所述控制单元发出控制信号给所述超声波发射探头1，环境模拟单元以及定量接触压力调整单元，用于控制所述超声波发射探头1开关，控制温度控制器和压力控制器进行温度和压力控制，用于调整超声波接收探头2与待测岩心的耦合度；
所述控制单元接收所述高压仓3发出的仓内参数信号，以及接收所述超声波接收探头2的测量结果数据信号，并对测量结果数据进行分析和输出。
所述温度控制器以及压力控制器中均设有报警器。当所述密封腔体中的温度或压力不满足实验所需条件时，所述报警器被触发并带动所述加热电阻丝或液压装置开始或中止工作。
所述高压仓3的外壁材料为耐高温、高压的非金属材料，优选材料为聚四氟乙烯；所述高压仓3两端固定在托架7上；所述高压仓3内部的最高温度为120℃；所述高压仓3内部的最高压力为140MPa。
所述超声波发射探头1与所述超声波接收探头2为同一结构，该结构主体包括压电晶片1-1、导电螺杆1-2以及管壳1-3；所述压电晶片1-1封装在所述管壳1-3内，所述导电螺杆1-2两端分别与所述压电晶片1-1以及所述控制单元相连接；
在具体实施中，超声波发射探头1与超声波接收探头2采用常州超声电子有限公司的蝙蝠牌5P10超声波换能器。
封装在所述管壳1-3中的所述压电晶片1-1作为所述超声波发射探头1的发射端以及所述超声波接收探头2的接收端，并紧顶在所述待测岩样两端。
所述控制单元包括计算机4；所述计算机4的信号控制端口分别与所述超声波发射探头1、步进电机5、加热模块以及加压模块相连接；所述计算机4的信号接收端口与所述超声波接收探头2相连接；控制信号由所述计算机4分别传输至所述超声波发射探头1、加热模块、加压模块以及步进电机5，所述温度传感器8、压力传感器9以及超声波接收探头2的接收数据传输至所述计算机4的输入端口。
利用一种定量接触压力超声检测系统实现的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，将所述待测岩样安装在所述高压仓3内，将所述超声波发射探头1、超声波接收探头2、步进电机5以及传动齿轮10安装到预定位置，将所述高压仓3固定在所述托架7上；
步骤2，设置参数步骤：设置测量参数，包括测量温度，测量压力和测量次数N；
步骤3，环境模拟步骤：开启所述温度控制器以及压力控制器，对所述高压仓3中的待测岩样进行加热、加压操作，并将所述高压仓3内部的温度、压力参数信息实时采集并反馈至所述控制单元；
步骤4，判断步骤：判断环境模拟步骤是否结束；若所述控制单元接收到所述高压仓3内部的温度值以及压力值满足设定参数条件，暂停加热、加压操作；
步骤5，测量开始：记录测量次数i，设i初始值为1；
步骤6，耦合度调整步骤：通过所述控制单元控制所述超声波接收探头2与待测岩样之间的耦合度；
步骤7，超声波测量步骤：所述超声波发射探头1向所述待测岩样发射超声波信号；
步骤8，采集测量结果步骤：所述控制单元将超声波接收探头2的测量结果采集；
步骤9，判断采集是否结束步骤：判断测量次数i是否≥测量次数N；若否则i=i+1，且转入步骤6；若是则继续步骤10；
步骤10，所述控制单元采集超声波二维断层图像；将采集到的超声波传播特性结果进行处理分析后，得到所述待测岩样的物理特性输出显示。
在步骤6的耦合度调整过程中，开启所述步进电机5，带动所述传动齿轮10运转，从而推动所述超声波接收探头2与所述待测岩样耦合接触；取得最佳定量接触压力；所述最佳接触力根据最佳波形显示，最佳接触力为1kg压力（或者9.8N）。
本发明利用增压、加温系统来模拟地下高温、高压环境，同时融合了定量接触压力超声波测试装置的优点，可使被测样品在逐渐增压、增温且无损伤的情况下，用超声波检测其动态的物理特性，并以二维超声波断层图像的形式，清晰、准确、细致、多层次、直观地展示被测样品内部的超声波传播特性，精细地反映了待测岩石内部结构发生的渐变和突变过程，例如缝隙、孔洞等结构的渐变和突变过程。
附图说明
图1为本发明的一种定量接触压力超声波检测系统的模块连接示意图；
图2为本发明的一种定量接触压力超声波检测系统的结构示意图；
图3为本发明的一种定量接触压力超声波检测系统的实施例结构示意图；
图4为本发明的超声波发射探头以及超声波接收探头的结构示意图；
图5为发明的测量工艺流程图。
附图编号说明：
1-超声波发射探头；1-1压电晶片；1-2导电螺杆；1-3管壳；
2-超声波接收探头；3-高压仓；4-计算机；5-步进电机；6-弹簧；
7-托架；8-温度传感器；9-压力传感器；10-传动齿轮；10-1主动齿轮；
10-2齿条；11-滑道；12-滑块；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。
具体实施方式
如图1～4所示，一种定量接触压力超声波检测系统，包括超声波发射探头1、超声波接收探头2、高压仓3、计算机4、定量接触压力调整单元、环境模拟单元以及弹簧6；
待测岩样密封设置在高压仓3中，高压仓3两端固定在托架7上，高压仓3的外壁材料为耐高温、高压的聚四氟乙烯材质。
所述定量接触压力调整单元包括电机和传动部件；所述电机带动所述的传动部件与所述的超声波接收探头2连接，用于调整超声波接收探头2，使所述待测岩样和超声波接收探头2之间的紧密耦合。
所述传动部件包括传动齿轮10；所述电机为步进电机5；
所述传动齿轮10包括主动齿轮10-1和齿条10-2；所述主动齿轮10-1设置在所述步进电机5的传动轴上，所述齿条10-2与所述主动齿轮10-1耦合，且所述齿条10-2通过连接部件与所述超声波接收探头2相连接。所述步进电机5与所述计算机4相连接，通过所述步进电机5带动所述主动齿轮10-1以及齿条10-2，进而使所述超声波接收探头2在所述高压仓3内沿轴线左右移动，调整与所述待测岩样之间的距离。
所述连接部件包括滑道11以及滑块12；所述超声波接收探头2滑动设置在所述滑道11中，所述滑块12两端分别与所述超声波接收探头（2）以及所述齿条10-2硬连接或弹性连接。
所述弹簧6设置在高压仓3内部，其一端固定在所述高压仓3内壁端面上，另一端与所述超声波发射探头1尾部相连接。
所述环境模拟单元包括加热模块和加压模块；
所述加热模块包括温度传感器8、加热电阻丝和温度控制器；所述温度传感器8和加热电阻丝设置在所述高压仓3中，所述温度控制器设置在所述高压仓3外部；所述温度传感器8与所述温度控制器相连接，所述温度控制器分别与所述加热电阻丝以及计算机4相连接。
所述加压模块包括压力传感器9、压力控制器以及电动液压装置；所述压力传感器9以及电动液压装置设置在所述高压仓3内，所述压力控制器设置在所述高压仓3外部；所述压力传感器9与所述压力控制器相连接，所述压力控制器分别与电动液压装置以及计算机4相连接。
在加热加压过程中，高压仓3内部的最高温度可达120℃，高压仓3内部的最高压力可达140MPa。
温度控制器以及压力控制器中均设有报警器；压力仓3中的温度或压力不满足实验所需条件时，报警器会启动并使加热电阻丝或电动液压装置开始或中止工作。
如图4所示，利用一种定量接触压力超声检测系统的检测方法，其步骤为，
步骤1，将所述待测岩样安装在所述高压仓3内，将所述超声波发射探头1、超声波接收探头2、步进电机5以及传动齿轮10安装到预定位置，将所述高压仓3固定在所述托架7上；
步骤2，设置参数步骤：设置测量参数，包括测量温度，测量压力和测量次数N；
步骤3，环境模拟步骤：开启所述温度控制器以及压力控制器，对所述高压仓3中的待测岩样进行加热、加压操作，并将所述高压仓3内部的温度、压力参数信息实时采集并反馈至所述控制单元；
步骤4，判断步骤：判断环境模拟步骤是否结束；若所述控制单元接收到所述高压仓3内部的温度值以及压力值满足设定参数条件，暂停加热、加压操作；
步骤5，测量开始：记录测量次数i，设i初始值为1；
步骤6，耦合度调整步骤：通过所述控制单元控制所述超声波接收探头2与待测岩样之间的耦合度；
步骤7，超声波测量步骤：所述超声波发射探头1向所述待测岩样发射超声波信号；
步骤8，采集测量结果步骤：所述控制单元将超声波接收探头2的测量结果采集；
步骤9，判断采集是否结束步骤：判断测量次数i是否≥测量次数N；若否则i=i+1，且转入步骤6；若是则继续步骤10；
步骤10，所述控制单元采集超声波二维断层图像；将采集到的超声波传播特性结果进行处理分析后，得到所述待测岩样的物理特性输出显示。
在步骤6的耦合度调整过程中，开启所述步进电机5，带动所述传动齿轮10运转，从而推动所述超声波接收探头2与所述待测岩样耦合接触；取得最佳定量接触压力；
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。
Claims (10)
1.一种定量接触压力超声波检测系统，包括超声波测试单元、定量接触压力调整单元以及控制单元；所述超声波测试单元包括超声波发射探头(1)以及超声波接收探头(2)，二者加载在待测岩样两端，所述定量接触压力调整单元与所述超声波接收探头(2)相连接，所述控制单元与所述定量接触压力调整单元相连接；其特征在于：
所述检测系统还包括高压仓(3)和环境模拟单元；所述待测岩样设置在所述高压仓(3)中，所述超声波发射探头(1)以及超声波接收探头(2)分别伸入所述高压仓(3)并紧顶在所述待测岩样两端；
所述环境模拟单元包括加热模块和加压模块；所述环境模拟单元与所述高压仓(3)连接；
所述定量接触压力调整单元包括电机和传动部件；所述电机带动所述的传动部件与所述的超声波接收探头(2)连接，用于调整超声波接收探头(2)，使所述待测岩样和超声波接收探头(2)之间的紧密耦合；
所述传动部件包括传动齿轮(10)；所述电机为步进电机(5)或伺服电机；所述传动齿轮(10)设置在所述步进电机(5)的传动轴上，所述传动齿轮(10)通过连接部件与所述超声波接收探头(2)相连接；通过所述步进电机(5)带动所述传动齿轮(10)进而使所述超声波接收探头(2)在所述高压仓(3)内沿轴线左右移动，调整与所述待测岩样之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述连接部件包括滑道(11)以及滑块(12)；所述超声波接收探头(2)滑动设置在所述滑道(11)中，所述滑块(12)两端分别与所述超声波接收探头(2)以及所述传动齿轮(10)硬连接或弹性连接；
所述步进电机(5)与所述控制单元相连接，所述步进电机(5)带动所述传动齿轮(10)共同运转，从而带动所述超声波接收探头(2)与所述待测岩样耦合。
3.根据权利要求1所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述高压仓(3)中设有弹簧(6)；所述弹簧(6)两端分别与所述高压仓(3)内壁端面以及所述超声波发射探头(1)尾部相连接。
4.根据权利要求1所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述环境模拟单元中，所述加热模块包括温度传感器(8)、加热电阻丝和温度控制器；所述温度传感器(8)和加热电阻丝设置在所述高压仓(3)内，所述温度控制器设置在所述高压仓(3)外部；所述温度传感器(8)与所述温度控制器相连接，所述温度控制器分别与所述加热电阻丝以及控制单元相连接。
5.根据权利要求1所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述环境模拟单元中，所述加压模块包括压力传感器(9)、压力控制器以及液压装置；所述压力传感器(9)以及液压装置设置在所述高压仓(3)内，所述压力控制器设置在所述高压仓(3)外部；所述压力传感器(9)与所述压力控制器相连接，所述压力控制器分别与所述液压装置以及控制单元相连接。
6.根据权利要求1、4、5之一所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述控制单元与所述高压仓(3)，超声波发射探头(1)，超声波接收探头(2)，环境模拟单元以及定量接触压力调整单元连接；
所述控制单元发出控制信号给所述超声波发射探头(1)，环境模拟单元以及定量接触压力调整单元，用于控制所述超声波发射探头(1)开关，控制温度控制器和压力控制器进行温度和压力控制，用于调整超声波接收探头(2)与待测岩心的耦合度；
所述控制单元接收所述高压仓(3)发出的仓内参数信号，以及接收所述超声波接收探头(2)的测量结果数据信号，并对测量结果数据进行分析和输出。
7.根据权利要求4或5所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述温度控制器以及压力控制器中均设有报警器。
8.根据权利要求1所述的一种定量接触压力超声波检测系统，其特征在于：
所述高压仓(3)的外壁材料为耐高温、高压的非金属材料；所述高压仓(3)两端固定在托架(7)上；所述高压仓(3)内部的最高温度为120℃；所述高压仓(3)内部的最高压力为140MPa。
9.利用权利要求1～8之一所述的一种定量接触压力超声波检测系统实现的检测方法，其特征在于：
所述检测方法的步骤为，
步骤1，将所述待测岩样安装在所述高压仓(3)内，将所述超声波发射探头(1)、超声波接收探头(2)、步进电机(5)以及传动齿轮(10)安装到预定位置，将所述高压仓(3)固定在所述托架(7)上；
步骤2，设置参数步骤：设置测量参数，包括测量温度，测量压力和测量次数N；
步骤3，环境模拟步骤：开启所述温度控制器以及压力控制器，对所述高压仓(3)中的待测岩样进行加热、加压操作，并将所述高压仓(3)内部的温度、压力参数信息实时采集并反馈至所述控制单元；
步骤4，判断步骤：判断环境模拟步骤是否结束；若所述控制单元接收到所述高压仓(3)内部的温度值以及压力值满足设定参数条件，暂停加热、加压操作；
步骤5，测量开始：记录测量次数i，设i初始值为1；
步骤6，耦合度调整步骤：通过所述控制单元控制所述超声波接收探头(2)与待测岩样之间的耦合度；
步骤7，超声波测量步骤：所述超声波发射探头(1)向所述待测岩样发射超声波信号；
步骤8，采集测量结果步骤：所述控制单元将超声波接收探头(2)的测量结果采集；
步骤9，判断采集是否结束步骤：判断测量次数i是否≥测量次数N；若否则i＝i+1，且转入步骤6；若是则继续步骤10；
步骤10，所述控制单元采集超声波二维断层图像；将采集到的超声波传播特性结果进行处理分析后，得到所述待测岩样的物理特性输出显示。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：
步骤6，在所述的耦合度调整步骤中，开启所述步进电机(5)，带动所述传动齿轮(10)运转，从而推动所述超声波接收探头(2)与所述待测岩样耦合接触；取得定量接触压力为1kg压力。
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