CN106567707B - 利用测井系统进行实时自动声波检测的测井方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供实时自动声波测井方法，包括步骤a)工控计算机向步进驱动系统发送脉冲信号；步骤b)步进驱动系统收到脉冲信号后驱动井下检测仪器按设定的方向转动；步骤c)工控计算机实时接收井下检测仪器采集的数据并显示；步骤d)工控计算机对接收的实时数据进行分析，判断检测是否完全。与现有技术相比，本发明提供的方法可完整且准确地探测地底数据，并根据实时声波数据和姿态信息及时调整井下检测仪器的工作方向，以得到需要的数据，不易产生误差，无需重复测量；实时自动声波测井系统具有完整的自动化驱动能力，可实时检测声波数据及姿态信息，并智能化控制井下检测仪器转动，操作简单，无需专业人员指导检测，测井系统体积小，携带方便。
Description
技术领域
本发明涉及工程物探岩层结构检测技术领域，尤其涉及利用测井系统进行实时自动声波检测的测井方法。
背景技术
地质学是七大自然科学之一，主要是研究地球及其成因和演化发展。实际应用非常广泛：地震的预测、各类矿产的寻找、勘探，灾害性的滑坡，古生物的演化。其中物理勘探简称“物探”，是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹性、放射性等物理性质的差异为研究基础，用不同的物理方法和物探仪器，通过研究和观测各种地球物理场的变化来探测地层岩性、地质构造等地质条件的。主要的物探方法有重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、声波勘探、放射性勘探等。依据工作空间的不同，又可分为地面物探、航空物探、海洋物探、井中物探等。
声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。由于岩体的岩性、结构面情况、风化程度、应力状态、含水情况等地质因素都能直接引起声(超声)波波速、振幅和频率发生变化，因此可通过接收器所接收的声(超声)波波速、频率和振幅了解岩石(体)地质情况并求得岩石(体)某些力学参数(如泊松比、动弹性模量、抗压强度、弹性抗力系数等)和其他一些工程地质性质指标(如风化系数、裂隙系数、各向异性系数等)。声波测井(Sonic Logging)是利用岩石的这些声学性质来研究钻井的地质剖面，通过研究声波在井下岩层和介质中的传播特性，从而了解岩层的地质特性并判断固井质量的一种测井方法。声波测井把利用电、磁、声、热、核等物理原理制造的各种测井仪器，由测井电缆下入井内，使地面电测仪可沿着井筒连续记录随深度变化的各种参数，通过测量得到的声学数据可用于岩性识别、孔隙度计算、井眼稳定性预测等，来识别地下的岩层，如油、气、水层、煤层、金属矿床等；例如声波可以计算地层孔隙度、岩石力学参数、地应力和地层压力；声幅可以研究固井质量,观察岩壁情况、裂缝和套损；声波频率可以研究油井串槽和岩下流体的流动情况，应用十分广泛。
声波测井仪是通过采集声波在岩层和介质中的传播特性数据，从而检测出岩层的地质特性和技术状况的一种装置。通过采集不同位置，对所得到的各类介质的声波参数测试分析，具体包括纵波测试分析、横波测试分析和三分量测试分析，从而对这一位置的强度、缺陷等进行评估。利用声波测井仪测量岩层中某点的地质结构，就必须知道此点的具体位置。然而，现有的方法主要是先通过采集岩层中不同点位的声波信号，然后手动测出这些点位的具体位置，通过对声波信号的分析，从而得出这些位置的地质结构。此方法操作麻烦，探测装置每采集一个点位的声波数据，均需手动测量此点位置，以得到具体的位置信息。当在岩层较深且测量点位密集的情况下，测得的位置不仅存在较大误差，而且需花费大量时间和精力。
但在实际工作环境中，就算手动测量出探测装置采集每个点位声波数据的位置，也由于井四周的地质情况复杂，无法完整且准确地探测数据，故分析时易产生误差，且需花费大量时间和精力重复测量。因此，使声波测井仪在采集声学数据过程中高效率、高精度、高稳定性的研发，有着极强的现实意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种利用测井系统进行实时自动声波检测的测井方法，可实时获取测井仪工作时的姿态信息，并根据实时姿态信息及时调整测井仪的工作方向，以得到精确的井下探测数据。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
实时自动声波测井方法，包括如下步骤：
步骤a)工控计算机向步进驱动系统发送脉冲信号；
步骤b)步进驱动系统收到脉冲信号后驱动井下检测仪器运动；
步骤c)工控计算机实时接收井下检测仪器采集的数据并显示；
步骤d)工控计算机对接收的实时数据进行分析，判断检测是否完全。
优选地，步骤a中工控计算机通过Auduino控制板向步进驱动系统发送脉冲信号。
优选地，步骤b中步进驱动系统的步进驱动器收到脉冲信号后控制步进电机驱动井下检测仪器按设定的方向转动。
优选地，步骤c中工控计算机分别通过声波数据传输电缆和RS232总线接收声波数据和姿态信息。
优选地，步骤d中将步骤c接收数据与工控计算机中数据库中数据进行对比，自动分析接收数据是否完整，是则继续自动检测，否则自动检测转为手动检测。
优选地，上述实时自动声波测井方法在步骤a之前还包括程序预设，包括：固件更新、步进驱动系统转动函数预设、三维电子罗盘读数函数预设。
本发明还提供了一种实时自动声波测井系统，包括电连接的工控计算机、步进驱动系统、线缆、声波测井换能器和三维电子罗盘；其中，
工控计算机用于对步进驱动系统发送脉冲信号，并接收和显示声波数据和姿态信息；
步进驱动系统用于控制脉冲信号分别控制角位移量、电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位和调速的目的；
声波测井换能器用于采集声波数据并发送给工控计算机；
三维电子罗盘用于实时检测声波测井换能器工作时的姿态信息并发送给工控计算机。
优选地，线缆包括杜邦线、声波数据传输电缆和RS232总线，其中，声波数据传输电缆用于控制声波测井换能器在岩石中的移动、声波数据的传输，RS232总线用于控制脉冲信号以及姿态信息的传输。
优选地，工控计算机配置Arduino控制板，用于设计步进电机操作函数、三维电子罗盘参数，实现系统自动化控制。
更优选地，工控计算机与Arduino控制板通过RS232总线连接。
优选地，三维电子罗盘搭载于声波测井换能器上，即三维电子罗盘与声波测井换能器共运动，以实时准确测量声波测井换能器井下工作时的空间状态。
更优选地，工控计算机与三维电子罗盘通过RS232总线连接。
优选地，步进驱动系统包括步进电机驱动和步进电机，步进电机驱动用于连接工频交流或直流电源驱动步进电机工作；步进电机与声波测井换能器或三维电子罗盘连接，用于驱动声波测井换能器或三维电子罗盘转动。
更优选地，步进电机通过声波数据传输电缆与声波测井换能器连接。
更优选地，步进电机通过杜邦线与三维电子罗盘连接。
与现有技术相比，本发明提供的实时自动声波测井方法可完整且准确地探测地底数据，并根据实时声波数据和姿态信息及时调整井下检测仪器的工作方向，以得到需要的井下探测数据，不易产生误差，故不需花费大量时间和精力重复测量；实时自动声波测井系统具有完整的自动化驱动能力，可实时检测声波数据及姿态信息，并智能化控制井下检测仪器转动，操作简单，无需专业人员指导检测，测井系统体积小，携带方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实时自动声波测井系统连接示意图；
图2为本发明实施例提供的实时自动声波测井系统的硬件连接示意图；
图3为本发明实施例提供的步进电机接收脉冲个数与航向角关系示意图；
图4为本发明实施例提供的实时自动声波测井系统角度转换子vi流程图；
图5为本发明实施例提供的实时自动声波测井系统工作流程图。
附图标记：
1-工控计算机，2-Uno R3型Arduino控制板，3-步进电机驱动系统，4-TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器，5-DCM250B型三维电子罗盘。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。实施例中出现的材料或仪器在具体实施方式中无如特殊说明，均为市售，且按照其说明书进行操作，在此不作赘述。
图1～图2为本发明实施例提供的实时自动声波测井连接示意图，如图所示，本实施例提供的实时自动声波测井系统主要包括：工控计算机1(市售)、Uno R3型Arduino控制板2(市售)、ULN2003型步进驱动器(市售)、28BYJ-48型步进电机(市售)、TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4(购自湘潭天鸿检测科技有限公司)和DCM250B型三维电子罗盘5(购自深圳瑞芬科技公司)。其中，工控计算机1通过RS232总线顺次与Arduino控制板2、ULN2003型步进驱动器、28BYJ-48型步进电机电连接，28BYJ-48型步进电机通过声波数据传输电缆驱动TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4运动，DCM250B型三维电子罗盘5安装在TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4上，TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4通过声波数据传输电缆连接至工控计算机1，DCM250B型三维电子罗盘5通过RS232总线连接至工控计算机1。本发明提供的实施自动声波测井系统的工作原理为：工控计算机1向Arduino控制板2发送脉冲信号，Arduino控制板2将脉冲信号传输至ULN2003型步进驱动器，ULN2003型步进驱动器收到工控计算机1通过Arduino控制板2发送过来的脉冲信号后，控制28BYJ-48型步进电机转动，28BYJ-48型步进电机即可驱动TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4进行移动，同时，固定连接在TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器4上的DCM250B型三维电子罗盘5将收集到的姿态信息通过RS232总线传输至工控计算机1。
以测量某地某一井下空间状态为例，首次使用实时自动声波测井系统时需设置程序，具体如下：
(1)在LabVIEW、Arduino IDE上进行固件更新；
(2)在LabVIEW Interface for Arduino(LIFA，是LabVIEW专门用于Arduino的工具包)上按需要设置步进电机函数Stepper Configure.vi：
(2.1)设置函数Stepper Write.vi：本实施例中将步进电机转动参数设为6400步、转动速度100步/s、加速度0(即匀速运动)，此时，步进电机转动6400步之后的航向角显示为202.5°，倾斜角Pitch：-61°、转动角roll：5.3°，根据步距角公式计算航向角为6400×5.625÷64＝562.5，562.5°-360°＝202.5°，此时验证数据正确；其中，使用的Arduino引脚为8、9、10、11，步进电机控制方法为4Wire；
(2.2)设置脉冲信号对应步距角，图3为本实施例提供的步进电机接收脉冲个数与航向角关系示意图，脉冲信号与航向角关系根据步进电机型号不同而不同，在此不作赘述；
(2.3)设置函数Stepper To Go.vi：判断步进电机是否完成上一指令设置的步数，防止命令被覆盖而失效；
(2.4)设置函数Stepper Close.vi：将步进电机控制引脚设置为低电平，停止步进电机；
(2.5)设置关闭函数Close.vi：关闭使用串口，释放资源；
(2.6)表盘设计：当需要中断自动转动的步进电机的运动并改变航向角时，可临时设计表盘，即通过手动转动步进电机前面板表盘指针改变其读数，从而控制事件结构中的原值与新值，新值与原值的差值就是步进电机重新转动的步数，从而使航向角发生变化，并转动到希望对准的角度；
(3)根据说明书配置三维电子罗盘参数：
(3.1)在LabVIEW上设置VISA初始化函数Init.vi，其中，分别配置串口号数据帧格式为数据比特位8位、停止位1位、波特率9600、标示符固定为68H，其余为默认数据，连接类型为USB串口；
(3.2)在LabVIEW输入表1的角度命令，传感器作出应答回复例，并在三维电子罗盘显示器上实现字符串向数值的转换，即传感器应答回复为十六进制字符串，首先将字符串转换成字符串数组再转换成无符号字符数组，然后索引数组利用商与余数(除以16)，分别对三组数组的商与余数进行处理，最后通过符合运算得到数值，其中，0表示正，1表示负，角度转换子vi流程图如图4所示；以三维电子罗盘说明书中某一角度显示为例：
由表1可知，传感器应答回复例对应为68 13 00 84 00 10 50 10 10 05 01 0401 22，截取字符串实现三轴角度分离，即在VISA写入端口写入应答回复例的角度命令(6813 00 84)、倾斜角Pitch命令AA AB BB(00 10 50)、转动角Roll命令CC CD DD(10 10 05)、航向角Heading命令EE EF FF(01 04 01)，则Pitch(00 10 50)为+010.50°、Roll(10 1005)为-010.05°、Heading(01 04 01)为+104.01°；
类似地，磁偏角命令的传感器应答回复例也如以上形式转换，在此不作赘述；
表1三维电子罗盘说明书的命令字解析
上述函数及各参数非固定，应随各待测井下环境而变，不应理解为对本申请提供的技术方案所要求保护的范围。
将所有参数设置完毕后，开始进行井下声波检测，图5为实时自动声波测井系统工作流程图，如图所示，先对测井系统各部分进行检查运转是否正常，然后控制声波测井换能器下井，当声波测井换能器到达需要检测地下岩层声学性质的位置后，工控计算机发出已预设好的脉冲信号，即可开启对井下声波数据以及姿态信息进行收集的自动程序，当步进驱动系统收到脉冲信号后驱动声波测井换能器转动一定角度，并实时进行声波数据及方位角数据检测，回传至工控计算机并于显示器显示，此后，工控计算机将收集的数据与数据库中数据进行对比，分析是否检测完全，若检测完全，即继续自动检测；若不完全，发出报警，随即转动表盘，步进电机将根据表盘设置的航向角进行转动，从而收集更多的井下数据，重复测量直至采集完成，计算机继续进行自动检测程序。当完成井下数据的收集后，结束自动检测程序，控制声波测井换能器重回地面，关闭声波测井系统各部。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.利用测井系统进行实时自动声波检测的测井方法，其特征在于，所述测井系统包括电连接的工控计算机、步进驱动系统、线缆、声波测井换能器和三维电子罗盘；其中，
工控计算机用于对步进驱动系统发送脉冲信号，并接收和显示声波数据和姿态信息；
步进驱动系统用于控制脉冲信号分别控制角位移量、电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位和调速的目的；
声波测井换能器用于采集声波数据并发送给工控计算机；
三维电子罗盘用于实时检测声波测井换能器工作时的姿态信息并发送给工控计算机；
所述测井方法包括如下步骤：
步骤a)工控计算机向步进驱动系统发送脉冲信号；
步骤b)步进驱动系统收到脉冲信号后驱动井下检测仪器运动；
步骤c)工控计算机实时接收井下检测仪器采集的数据并显示；
步骤d)工控计算机对接收的实时数据进行分析，判断检测是否完全；
步骤d中将步骤c接收数据与工控计算机中数据库中数据进行对比，自动分析接收数据是否完整，是则继续自动检测，否则自动检测转为手动检测。
2.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：步骤a中工控计算机通过Auduino控制板向步进驱动系统发送脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：步骤b中步进驱动系统的步进驱动器收到脉冲信号后控制步进电机驱动井下检测仪器按设定的方向转动。
4.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：步骤c中工控计算机分别通过声波数据传输电缆和RS232总线接收声波数据和姿态信息。
5.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：线缆包括杜邦线、声波数据传输电缆和RS232总线，其中，声波数据传输电缆用于控制声波测井换能器在岩石中的移动、声波数据的传输，RS232总线用于控制脉冲信号以及姿态信息的传输。
6.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：工控计算机配置Arduino控制板，用于设计步进电机操作函数、三维电子罗盘参数，实现系统自动化控制。
7.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：三维电子罗盘搭载于声波测井换能器上，即三维电子罗盘与声波测井换能器共运动，以实时准确测量声波测井换能器井下工作时的空间状态。
8.根据权利要求1所述的测井方法，其特征在于：步进驱动系统包括步进电机驱动和步进电机，步进电机驱动用于连接工频交流或直流电源驱动步进电机工作；步进电机与声波测井换能器或三维电子罗盘连接，用于驱动声波测井换能器或三维电子罗盘转动。
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| CN106567707A (zh) | 2017-04-19 |
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