CN106290581A - 一种超声波晶片组、超声波探头及岩芯超声波测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波晶片组、超声波探头和岩芯超声波测试系统。该超声波晶片组包括：纵波晶片，其为圆柱状；横波晶片，其为圆筒状，套装在所述纵波晶片的外表面，所述横波晶片与所述纵波晶片的中轴线重合；所述纵波晶片或横波晶片根据激励信号产生机械振动，从而产生绕中轴线呈轴对称分布的超声波场，或者，所述纵波晶片或横波晶片在绕中轴线呈轴对称分布的范围内接收超声波，产生接收信号。在岩芯测试过程中，即使被测岩芯发生旋转，超声波信号仍可均匀传输至岩芯，可有效检测到符合要求的超声波检测信号。

Description

一种超声波晶片组、超声波探头及岩芯超声波测试系统

技术领域

本发明涉及石油工业的地质、钻探岩芯和材质测试等领域，具体地说，涉及一种超声波晶片组、超声波探头及岩芯超声波测试系统。

背景技术

我国非常规油气资源类型多、分布范围广、资源量巨大，有着广阔的勘探前景。注重和加强对我国非常规油气资源的勘探开发研究，能有效的促进我国非常规油气资源工业的发展。

目前针对非常规油气的勘探开发研究主要通过对某区域内非常规油气的岩石进行采样从而获得测试数据。而岩石样品(以下简称“岩芯”)测试数据主要来源于超声波的测试。通过超声波测试，可获取岩芯的纵横波波形，读出纵横波时差，进而计算所测岩芯的纵横波速度。再根据计算出的岩芯纵横波速度可对区域内岩石特性进行准确分析，从而为非常规油气的勘探开发提供支持。

现有技术中，岩石超声波测试系统通常采用超声波探头测试岩芯的纵、横波速度。该类超声波探头中的两块压电陶瓷晶片通常呈半圆状。图1为现有技术中晶片组的截面示意图，图2为岩芯的示意图，其中横波晶片和纵波晶片均为半圆状，且组合设置为圆形来与圆柱状岩芯的端面相配合。这种晶片的结构实际是处于偏芯状态，图1中每个压电陶瓷晶片均不是与圆柱体岩芯同轴设置。由于岩芯是天然结构，具有一定的纹理，属于非均质各向异性，在测试时这些纹理会形成一定的折射。而偏芯状态测试会导致在转动岩芯测试时产生不同的测试结果，从而影响测试结果的准确性。

因此，亟需一种能够避免压电陶瓷晶片组与岩芯偏芯设置的超声波晶片组、超声波探头和岩芯超声波测试系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是克服现有技术中电陶瓷晶片组与岩芯偏芯设置导致测试结果不准确的技术缺陷。

因此，针对上述问题，本发明的实施例首先提供一种超声波晶片组，包括：

纵波晶片，其为圆柱状；

横波晶片，其为圆筒状，套装在所述纵波晶片的外表面，所述横波晶片与所述纵波晶片的中轴线重合；

所述纵波晶片或横波晶片根据激励信号产生机械振动，从而产生绕中轴线呈轴对称分布的超声波场，或者，所述纵波晶片或横波晶片在绕中轴线呈轴对称分布的范围内接收超声波，产生接收信号。

在一个实施例中，所述纵波晶片外表面与所述横波晶片的内表面紧密贴合。

在一个实施例中，所述横波晶片根据激励信号沿中轴线的垂直方向产生剪切振动，发出绕中轴线均匀分布的超声横波；

所述纵波晶片根据激励信号沿中轴线方向产生压缩振动，发出绕中轴线均匀分布的超声纵波。

根据本发明的另一方面，还提供一种超声波探头，用于对岩芯进行超声波检测，包括：

如上文所述的超声波晶片组；

壳体，其具有圆柱形空腔，所述超声波晶片组设置在圆柱形空腔内。

在一个实施例中，所述壳体顶部设有开口，所述壳体的侧壁设有引线孔，所述纵波晶片和横波晶片靠近壳体开口的表面分别连接引线，所述引线通过引线孔引出至壳体外部。

在一个实施例中，所述壳体的侧壁内设有引流管，其一端具有设置在壳体侧壁的侧面轴压孔，另一端具有设置在壳体底部的底面轴压孔。

在一个实施例中，所述壳体顶部设有内螺纹，所述壳体具有旋紧螺栓，其设有与壳体顶部内螺纹相配合的外螺纹，所述旋紧螺栓压紧超声波晶片组，以使超声波晶片组紧贴壳体的底部。

根据本发明的另一方面，还提供一种岩芯超声波测试系统，包括：

一对如上文所述的超声波探头，包括发送探头和接收探头，发送探头和接收探头内设的超声波晶片组的中心轴与被测岩芯的中心轴重合；

信号切换器，其通过引线分别连接横波晶片或纵波晶片，根据切换信号选择接通横波晶片或纵波晶片，向发送探头内部的横波晶片或纵波晶片提供激励信号；

数据处理器，其用于将接收探头内部的横波晶片或纵波晶片产生的接收信号进行处理，生成测试信号。

在一个实施例中，所述岩芯超声波测试系统还包括：

压力仓，所述发送探头、接收探头和被测岩芯设置在压力仓内部，所述压力仓用于向被测岩芯施加轴压、围压和孔压。

在一个实施例中，所述岩芯超声波测试系统还包括：

前置放大器，其一端连接接收探头内部的横波晶片或纵波晶片，另一端连接数据处理器，用于对接收信号进行功率放大处理。

本发明的实施例通过将横波晶片的中轴线设置为与纵波晶片的中轴线重合，使得超声波晶片组可产生沿中轴线方向均匀分布的超声波信号。

一方面保证岩芯接收到超声波信号更均匀，从而可获得更客观、准确的岩芯超声波测试结果。

另一方面，现有技术中由于岩芯纹理会影响超声波信号的传输效果，当被测岩芯发生旋转时，在极端情况下可能出现检测不到超声波信号的问题。本发明的实施例的超声波测试系统将超声波晶片组的中轴线设置为与岩芯的中轴线重合，即使被测岩芯发生旋转，超声波信号仍可均匀传输至岩芯，可有效检测到符合要求的超声波检测信号。

此外，使超声波晶片组与岩芯同轴设置，被测岩芯能均匀接收到超声波测试信号，可将超声波晶片组的直径设置为较小的数值。相应地，被测岩芯的直径可设置为较小。由于岩芯越大，进行超声波测试的成本也越高，因此本发明的实施例还可减少测试成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中晶片组的横截面示意图；

图2是现有技术中岩芯的示意图；

图3是本发明实施例一提供的超声波晶片组的横截面示意图；

图4是本发明实施例一提供的横波晶片的工作状态示意图；

图5是本发明实施例一提供的纵波晶片的工作状态示意图；

图6是本发明实施例二提供的超声波探头的横截面示意图；

图7是本发明实施例三提供的非常规岩芯超声波测试系统的框架图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

如图1所示，现有技术中超声波晶片组是由两片半圆形晶片拼接组成的圆形结构。其中，横波晶片和纵波晶片的中轴线偏离岩芯中轴线设置(以下简称为“偏芯设置”)。由于岩芯存在纹理，采用这种偏芯设置的超声波晶片组进行超声波测试时，岩芯内部不同部分接收并传输超声波信号的效率不同，因而可能导致岩芯超声波测试的结果不客观、准确，甚至可能检测不到超声波信号。例如，在岩芯某个部分传输超声波信号的效率很高时，可以检测到超声波信号；在岩芯某个部分传输超声波信号的效率很低时，可能检测不到超声波信号。

此外，在岩芯发生旋转的情况下，由于旋转前后岩芯纹理相对于晶片组的分布位置发生改变，对同一岩芯进行两次超声波测试后，前后两次的测试结果可能不同。

另外，由于晶片表面积越大，测试接收到的超声波信号强度也相应增大，因此若需获得强度足够大的超声波信号，则必须提供表面积合适的晶片。现有技术中常用50mm的探头来获得符合强度要求的超声波信号。针对38mm直径和25mm直径的岩芯，以现有技术中横波晶片和纵波晶片偏芯设置的方式也可分别制造出直径为38mm和25mm的超声波晶片组。但这两类超声波晶片组可能因为晶片组表面积减小且岩芯存在纹理，而导致最终检测不到超声波信号。

而本发明的实施例通过将横波晶片和纵波晶片的中轴线设置成与岩芯中轴线重合，可克服以上技术缺陷。

实施例一

图3是本发明实施例提供的超声波晶片组的横截面示意图。如图3所示，超声波晶片组300包括横波晶片310和纵波晶片320。

其中，横波晶片310和纵波晶片320均为压电陶瓷晶片。纵波晶片320位于超声波晶片组300的中心，呈圆柱状。横波晶片310呈圆筒状，与纵波晶片320的中轴线重合。横波晶片310套装在纵波晶片320的外表面。纵波晶片外表面与横波晶片的内表面紧密贴合，以最大限度利用晶片的安装面积，来获得较好的超声波形。横波晶片310与纵波晶片320的中轴线重合，使横波晶片310和纵波晶片320在单独作为一个完整晶片产生超声波信号时，几乎不受另一个完整晶片的信号干扰，从而稳定地输出较强的沿中轴线呈轴对称均匀分布的超声波信号。因此，超声波信号可均匀辐射至被测岩芯各部分，从而避免偏芯设置导致超声波信号过度削弱的问题。这样以来，即使晶片组的直径较小，检测到的超声波信号强度分布均匀，且信号强度仍满足测试要求，超声波测试结果也会更加客观、准确。

横波晶片310和纵波晶片320的一端分别设置一根引线(图中未示出)。外设的信号切换装置通过引线连接横波晶片310或纵波晶片320，在进行横波测试或者纵波测试时，信号切换装置选择连通测试所需的横波晶片310或纵波晶片320。

横波晶片310或纵波晶片320根据激励信号产生机械振动，从而产生绕中轴线呈轴对称分布的超声波场，或者，横波晶片310或纵波晶片320在绕中轴线呈轴对称分布的范围内接收超声波，产生接收信号。在本发明的一个具体实施例中，以高压脉冲信号作为激励信号。

需要说明的是，由于波的衍射作用，横波极化的超声波晶片会产生一些纵波成分。因为横波极化的横波信号信噪比大，在具体的测试中可以忽略纵波信号的干扰，因此本实施例在阐述晶片组产生超声波原理部分将会忽略该部分。

图4是横波晶片310的工作状态示意图。此处仅以a点为例阐述横波晶片310的工作原理。如图所示，信号切换装置通过引线选择连通横波晶片310，激励信号发生器向横波晶片310施加激励信号。横波晶片310中的a点在激励信号的作用下沿中轴线的垂直方向发生剪切振动。横波晶片310中的a点的振动方向与超声波的传播方向垂直，因而发出绕中轴线均匀分布的超声横波。

图5是纵波晶片320的工作状态示意图。此处仅以b点为例阐述纵波晶片320的工作原理。如图所示，信号切换装置通过引线选择连通纵波晶片320，激励信号发生器向纵波晶片320上施加激励信号，纵波晶片320中的b点在激励信号的作用下沿中轴线方向发生压缩振动。纵波晶片320中的b点的振动方向与超声波的传播方向平行，因而发出绕中轴线均匀分布的超声纵波。

由于现有技术采用偏芯设置，在对直径较大(直径50mm)的岩芯进行超声波测试时，可能导致接收的超声波信号强度过低，因而更无法针对直径较小(直径25mm和38mm)的岩芯进行超声波测试。在本实施例的超声波晶片组中，以前述结构设置的横波晶片和纵波晶片由于可产生沿岩芯轴方向上均匀分布的超声波信号，进而可获得较强的对岩芯的超声波测试信号，因而可用于对直径为50mm、38mm和25mm的岩芯的超声波测试，更加实用。

在一个优选的示例中，针对直径为25mm的岩芯，可设置超声波晶片组中横波晶片310的直径为17mm，孔径为10.2mm；纵波晶片320的直径为10mm。针对直径为38mm和50mm的岩芯，也可具体设置横波晶片和纵波晶片的尺寸参数，此处不再赘述。

此外，由于超声波晶片组的尺寸减小，用于测试的岩芯的直径也可相应减小。岩芯直径越小，测试所需成本越低，因而采用本发明实施例的超声波晶片组对岩芯进行超声波测试时，可有效降低超声波测试的成本。

实施例二

如图6所示，本实施例提供一种超声波探头。超声波探头600用于对岩芯进行超声波检测，包括壳体610、超声波晶片组300和旋紧螺栓620。由于超声波探头要承受一定的温度和压力，为避免超声晶片损坏，本实施例采用不锈钢材质的壳体保护超声波晶片。

其中，壳体610具有圆柱形空腔。壳体610底部为圆形，顶部直径不小于底部直径。本图中仅以壳体610顶部直径等于底部直径，即壳体610为圆柱体为例进行阐述。

在一个具体的示例中，壳体底部设置为直径25mm的圆面。根据被测岩芯直径的不同，壳体底部也可分别设置为38mm和50mm的圆面。

壳体610顶部设有开口，超声波晶片组300设置在壳体610的圆柱形空腔内。壳体610侧壁设有引线孔611、侧面轴压孔612和引流管613，壳体610的底部设有底面轴压孔614。

超声波晶片组300靠近壳体610顶部开口的表面引出两条引线分别连接横波晶片310和纵波晶片320，所述两条引线通过引线孔611引出，连接至壳体610外部的激励信号发生器和信号切换器。在引线孔611处采用密封螺栓进行密封(图中未示出)。

引流管613设置在壳体610的侧壁内，其一端具有设置在壳体610侧壁的侧面轴压孔612，另一端具有设置在壳体底部的底面轴压孔614。在进行轴压测试时，通过侧面轴压孔612、引流管613和底面轴压孔614注入液压油，向被测岩芯施加轴向压力。这样设置，可有效利用壳体的侧壁，保持壳体其他结构的形状不变，避免因在其他结构上设置引流管而影响超声波测试的检测效果。

壳体610顶部设有内螺纹，旋紧螺栓620设有与壳体610的内螺纹相配合的外螺纹。旋紧螺栓620可用于压紧超声波晶片组300，以使超声波晶片组300紧贴壳体610的底部，从而使超声波信号传递的效率更高。

旋紧螺栓620的轴心位置设有引线孔621，连接横波晶片310和纵波晶片320的两条引线穿过引线孔621引出。在使用中，为横波晶片310和纵波晶片320连接好引线后，使用聚氨酯将横波晶片310和纵波晶片320整体浇铸为圆柱体，再由旋紧螺栓620压紧。

实施例三

本实施例提供一种岩芯超声波测试系统，如图7所示。

岩芯超声波测试系统700包括两个相同的超声波探头600、岩芯200、信号切换器710、压力仓720、激励信号发生器730、前置放大器740和数据处理器750。

其中，两个相同的超声波探头600以上下对称的方式紧贴岩芯200，两个超声波探头的壳体底部均与岩芯表面接触。在图7的示例中，在岩芯上方的超声波探头为发射探头，在岩芯下方的超声波探头为接收探头。

需要强调的是，在测试中超声波探头600内设的晶片组300的中轴线与岩芯200的中轴线重合，岩芯200接收的超声波沿中轴线均匀分布。当岩芯200发生旋转时，并不会因为岩芯中纹理相对晶片组300的位置发生改变而导致接收的超声波强度改变，从而避免现有技术中对同一岩芯进行两次超声波测试后，前后两次的测试结果不同的技术缺陷。

两个超声波探头600和岩芯200均设置在压力仓720内部。压力仓720用于向被测岩芯施加轴压、围压和孔压。在进行测试时，通过三轴试验机向压力仓720内施加轴向压力、围压和孔压，并设置测试温度，利用超声横波、超声纵波在不同应力条件下的传播特性测试岩芯的动态弹性参数。

信号切换器710分别与两个超声波探头600中的四根引线连接，信号切换器710根据外部输入的切换信号选择连通横波晶片310或者纵波晶片320，激励信号发生器730向横波晶片310或者纵波晶片320施加激励信号，从而产生超声横波或者超声纵波。

超声横波和超声纵波通过岩芯200后可通过接收探头600的晶片组接收，从而转换成电信号。由于该电信号比较微弱，不能进行远距离传输。为获得更强的电信号，可将该电信号经过前置放大器740进行信号放大，再传输至数据处理器750，将该电信号转换成数字信号。如此以来，采集到的数字信号可通过数据处理计算机进行处理运算、存储等工作，计算被测岩芯的动态弹性参数。

本实施例的岩芯超声波测试系统采用超声波测试方式，可多次对岩芯进行测试而不损坏岩芯。

本实施例的岩芯超声波测试系统通过设置横波晶片和纵波晶片的中轴线与岩芯的中轴线重合，可产生沿岩芯中轴线均匀分布的超声波信号，使得用于超声波探头的超声波晶片组可对岩芯各部分进行全面的检测，因而获得更全面、准确的测试结果。不会存在现有技术中因为横波晶片和纵波晶片的中轴线偏离岩芯中轴线设置产生的测试结果不准确的问题。

另外，即使岩芯某个部分存在纹理，岩芯的其他部分也可正常传输超声波信号，可保证超声波测试中接收到符合要求的超声波信号。因而本发明实施例的超声波测试系统不仅可用于对直径较大(50mm)的岩芯进行超声波测试，也可用于对直径更小(如25mm、38mm)的岩芯进行超声波测试。

由于岩芯越大，超声波测试的成本越高，因此本发明实施例的超声波晶片组在用于测试直径分别为25mm和38mm的岩芯时，可减少测试成本。

本发明实施例的岩石超声波测试系统可用中心频率为1MHz或500KHz的超声波测试单轴加载、三轴加载以及控制岩石样品的孔隙压力、温度等条件下岩样的纵波速度(P波)和一个同轴面振动方向相互垂直的横波(S波)的速度，并由此获得岩样的动态弹性参数(杨氏模量、泊松比、拉梅常数、体积模量、剪切模量等)。在测试过程中，超声波探头与岩芯处在同一温压环境中，可保证测试结果十分准确。

经验证，在测试直径为25mm的岩芯时，该系统中超声波探头可承受的最高温度为150℃，最大轴向加载力为90MPa，最大围压为90MPa，孔隙流体压力(简称孔压)为70MPa。因此，本发明实施例的岩芯超声波采集系统符合实际测试要求。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种超声波晶片组，其特征在于，包括：

纵波晶片，其为圆柱状；

横波晶片，其为圆筒状，套装在所述纵波晶片的外表面，所述横波晶片与所述纵波晶片的中轴线重合；

所述纵波晶片或横波晶片根据激励信号产生机械振动，从而产生绕中轴线呈轴对称分布的超声波场，或者，所述纵波晶片或横波晶片在绕中轴线呈轴对称分布的范围内接收超声波，产生接收信号。

2.根据权利要求1所述的超声波晶片组，其特征在于，

所述纵波晶片外表面与所述横波晶片的内表面紧密贴合。

3.根据权利要求1所述的超声波晶片组，其特征在于，

所述横波晶片根据激励信号沿中轴线的垂直方向产生剪切振动，发出绕中轴线均匀分布的超声横波；

所述纵波晶片根据激励信号沿中轴线方向产生压缩振动，发出绕中轴线均匀分布的超声纵波。

4.一种超声波探头，用于对岩芯进行超声波检测，其特征在于，包括：

如权利要求1-3中任一项所述的超声波晶片组；

壳体，其具有圆柱形空腔，所述超声波晶片组设置在圆柱形空腔内。

5.根据权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，

所述壳体顶部设有开口，所述壳体的侧壁设有引线孔，所述纵波晶片和横波晶片靠近壳体开口的表面分别连接引线，所述引线通过引线孔引出至壳体外部。

6.根据权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，

所述壳体的侧壁内设有引流管，其一端具有设置在壳体侧壁的侧面轴压孔，另一端具有设置在壳体底部的底面轴压孔。

7.根据权利要求4所述的超声波探头，其特征在于，

所述壳体顶部设有内螺纹，所述壳体具有旋紧螺栓，其设有与壳体顶部内螺纹相配合的外螺纹，所述旋紧螺栓压紧超声波晶片组，以使超声波晶片组紧贴壳体的底部。

8.一种岩芯超声波测试系统，其特征在于，包括：

一对如权利要求4-7中任一项所述的超声波探头，包括发送探头和接收探头，发送探头和接收探头内设的超声波晶片组的中心轴与被测岩芯的中心轴重合；

信号切换器，其通过引线分别连接横波晶片或纵波晶片，根据切换信号选择接通横波晶片或纵波晶片，向发送探头内部的横波晶片或纵波晶片提供激励信号；

数据处理器，其用于将接收探头内部的横波晶片或纵波晶片产生的接收信号进行处理，生成测试信号。

9.根据权利要求8所述的岩芯超声波测试系统，其特征在于，还包括：

压力仓，所述发送探头、接收探头和被测岩芯设置在压力仓内部，所述压力仓用于向被测岩芯施加轴压、围压和孔压。

10.根据权利要求8所述的岩芯超声波测试系统，其特征在于，还包括：

前置放大器，其一端连接接收探头内部的横波晶片或纵波晶片，另一端连接数据处理器，用于对接收信号进行功率放大处理。