CN106640056A - 自动声波测井仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动声波测井仪及方法，通过应用编码器无线测位装置，使声波测井换能器在移动过程中，能够自动跟踪记录位移值，并根据设置好的位移间隔，自动进行采样，保存采集到的声波信号，通过对声波信号的分析，实现对岩层的强度和缺陷的检测评估，从而实现了测量分析装置和采样装置一体化和测量过程的自动化。

Description

自动声波测井仪及方法

技术领域

本发明涉及工程物探岩层结构检测技术领域，尤其涉及一种自动声波测井仪及方法。

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受的声(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。

声波测井是测量和记录井剖面上层岩的声学性质，如岩石的声速、声幅等的一种测井方法。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。声速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，测量数据可用于岩性识别、孔隙度计算、井眼稳定性预测等，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，就需手动的测量此点的位置，以得到具体的位置信息。特别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的误差，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，使声波测井仪在采集过程中自动获取位置，有着极强的现实意义。

发明内容

本发明提供一种自动声波测井仪及方法，实现了测量分析装置和采样装置一体化和测量过程的自动化。

为达上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种自动声波测井仪，包括：

声波测井换能器、编码器无线测位装置、声波数据传输电缆、工控计算机和声波数据采集卡；

其中，所述声波测井换能器与所述声波数据传输电缆的一端连接，用于根据采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机；

所述声波数据传输电缆，用于控制所述声波测井换能器在岩层中的移动及声波数据传输；

所述编码器无线测位装置用于实时测量所述声波测井换能器的位移值，并发送给所述工控计算机；

所述声波数据采集卡用于控制所述声波测井换能器按照所述采样位移间隔自动采集所述声波数据；

所述工控计算机用于根据接收到的所述位移值，设置采样位移间隔，并发送给所述声波数据采集卡；对所述声波数据进行分析处理。

上述自动声波测井仪中，所述编码器无线测位装置包括：高精度增量式编码器、计数模块、无线通信模块及电源模块；

所述电源模块用于为所述编码器和所述计数模块提供电能；所述高精度增量式编码器用于产生两相相位差为90°的方波脉冲，并将所述方波脉冲传送给所述计数模块；所述计数模块用于根据所述方波脉冲获得计数值；所述无线通信模块用于将所述计数值发送给所述工控计算机；

相应的，所述工控计算机用于根据所述计数值获得所述位移值。

上述自动声波测井仪中，还包括：三脚架；用于固定所述编码器无线测位装置；

所述三脚架上设置有滑轮，所述滑轮与所述编码器无线测位装置相接，所述滑轮随着所述声波数据传输电缆的移动而转动，带动所述编码器无线测位装置转动，实时测量所述声波测井换能器的位移值。

上述自动声波测井仪中，所述编码器无线测位装置通过无线串口将所述位移值发送给所述工控计算机。

上述自动声波测井仪中，所述工控计算机具体用于根据所述声波数据，通过声波参数测试分析对岩层的强度和缺陷进行检测评估。

上述自动声波测井仪中，所述声波测井换能器为TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器，包括一个声波发射端和多个声波接收端；所述声波发射端用于发射声波信号，所述声波接收端用于接收井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁地层传播的滑行波信号，并将采集到到所述声波数据发送给所述工控计算机。

上述自动声波测井仪中，所述声波数据采集卡包括可编程门电路FPGA和硬件电路。

上述自动声波测井仪中，所述声波数据传输电缆包括一根发射线缆和两根接收线缆。

一种自动声波测井方法，包括：

编码器无线测位装置实时测量声波测井换能器的位移值，并发送给工控计算机；

所述工控计算机根据所述位移值，设置采样位移间隔，将所述采样位移间隔发送给声波数据采集卡；

所述声波数据采集卡向所述声波测井换能器发送所述采样位移间隔；

所述声波测井换能器在所述声波数据传输电缆的控制下在岩层中移动，并根据所述采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机；

所述工控计算机根据所述声波数据，分析岩层的强度和缺陷。

本发明提供的自动声波测井仪及方法，通过应用编码器无线测位装置，使声波测井换能器在移动过程中，能够自动跟踪记录位移值，并根据设置好的位移间隔，自动进行采样，保存采集到的声波信号，通过对声波信号的分析，实现对岩层的强度和缺陷的检测评估，从而实现了测量分析装置和采样装置一体化和测量过程的自动化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的自动声波测井仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的自动声波测井仪中的编码器无线测位装置的结构示意图；

图3a和图3b为本发明实施例中编码器输出脉冲信号示意图；

图4为本发明实施例中信号脉冲选通模块的电路原理图；

图5为本发明实施例中无线串口部分电路示意图；

图6为MCU计数算法的流程图；

图7位本发明实施例提供的自动声波测井方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的自动声波测井仪的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的自动声波测井仪具体可以包括：

声波测井换能器2、编码器无线测位装置3、声波数据传输电缆1、工控计算机5和声波数据采集卡4。

其中，所述声波测井换能器2与所述声波数据传输电缆1的一端连接，用于根据采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机5；所述声波数据传输电缆1，用于控制所述声波测井换能器2在岩层中的移动及声波数据的传输；所述编码器无线测位装置3用于实时测量所述声波测井换能器2的位移值，并发送给所述工控计算机5；所述声波数据采集卡4用于控制所述声波测井换能器2按照所述采样位移间隔自动采集所述声波数据；所述工控计算机5用于根据接收到的所述位移值，设置采样位移间隔，并发送给所述声波数据采集卡4；对所述声波数据进行分析处理。

进一步地，所述自动声波测井仪还可以包括：三脚架；用于固定所述编码器无线测位装置3；所述三脚架上设置有滑轮，所述滑轮与所述编码器无线测位装置3相接，所述滑轮随着所述声波数据传输电缆1的移动而转动，带动所述编码器无线测位装置3转动，实时测量实施声波测井换能器2的位移值。所述编码器无线测位装置3通过无线串口将所述位移值发送给所述工控计算机5。所述工控计算机5具体用于根据所述声波数据，通过声波参数测试分析对岩层的强度和缺陷进行检测评估。

具体的，所述声波测井换能器2可以发送和接受声波信号，通过声波数据传输电缆1与声波数据采集卡4相连。所述采集卡把声波换能器传来的声波数据进行一定处理，并传输给上位机工控计算机5进行分析处理。所述编码器无线测位装置3，可以实时记录声波换能器的位置。

本实施例中，所述声波测井换能器2为TH－1FnS型一发多收串式声波测井换能器2，包括一个声波发射端和多个声波接收端；所述声波发射端用于发射声波信号，所述声波接收端用于接收井旁地层界面反射回井中的声波信号和沿井壁地层传播的滑行波信号，并将采集到的所述声波数据发送给所述工控计算机5。

实际应用中，所述声波数据传输电缆1包括一根发射线缆和两根接收线缆，柔韧性好，且传输损耗和反射损耗小，可以承载不小于所述声波数据传输电缆1及声波测井换能器2自重的3倍。

所述声波数据采集卡4包括可编程门电路FPGA和硬件电路。

进一步地，如图2所示，所述编码器无线测位装置3包括：高精度增量式编码器、计数模块、无线通信模块及电源模块；所述电源模块用于为所述编码器和所述计数模块提供电能；所述高精度增量式编码器用于产生两相相位差为90°的方波脉冲，并将所述方波脉冲传送给所述计数模块；所述计数模块用于根据所述方波脉冲获得计数值；所述无线通信模块用于将所述计数值发送给所述工控计算机5；相应的，所述工控计算机5用于根据所述计数值获得所述位移值。

较为优选的，所述高精度编码器型号为欧姆龙E6B2-CWZ5B，一圈的脉冲数为600，PNP集电极开路输出，输出的脉冲为电压方波脉冲，精度高，抗抖、抗干扰能力强；所述计数模块为基于STC89C52单片机(以下简称MCU)及外围电路组成的微处理模块；STC89C52包含T0、T1、T2三个计数器，T0、T1分别用来计算编码器相位差为90°的A、B两路脉冲数目，对两路相差90°的编码信号A和编码信号B使用外部触发计数时钟的上升沿进行计数，并用两个与非门和一个D触发器设计的外围电路判断选通A、B两路脉冲，当编码器正转，T0加计数；反转时，T1加计数，把两个计数值相减即得到编码器的实际脉冲数。计数器T2用于设置相应波特率用于串口数据传输。所述无线通信模块为E50-TTL-100,是一款100mW的无线传输模块，工作在148-173.5MHz频段，使用串口进行数据收发，降低了无线应用模块的门槛。

较为优选的，所示工控计算计可以为Windows XP操作系统，包括上位机信号处理软件及触屏人机交互界面，主要用Labview虚拟一起编程实现。

编码器可由9v直流供电电源直接供电；正常供电后，当声波测井换能器2连接的声波数据传输电缆1拉动三脚架上的滑轮转动时，固定在滑轮上的高精度编码器产生A、B两相相位相差90°的方波脉冲，并把脉冲传送给计数模块的信号脉冲选通模块对信号进行放大，然后通过硬件电路对A、B脉冲信号进行选通，使编码器正传时，把编码器A路信号传给低功耗MCU的计数器T0进行计数，使脉冲信号每遇到一个上升沿计数器就加1；当编码器反转时，把编码器B路信号传给计数器T1进行计数。通过C语言程序设计，计算：COUNT＝T0-T1，得到的COUNT就是编码器实际转动的脉冲数。然后MCU整合信息以后，利用自带的计数器T2，设置相应的通信协议，把得到的计数值，通过无线串口模块，传给工控计算机5，工控计算机5根据滑轮的周长和编码器一圈的脉冲数目，进行一定换算，从而得到了自动声波测井仪的实时位移。具体换算公式为：其中，S为位移，V为计数值，C为滑轮的周长，T为编码器转动一圈的脉冲数目。

本实施例编码器无线测位装置3中的编码器输出脉冲信号如图3a和图3b所示。当编码器转动时，会产生A、B、C方波电压脉冲。正转时，A相信号超前B相信号90°；反转时，B相信号超前A相信号90°。其中信号C为参考零位的脉冲信号，编码器码盘每旋转一周，只发出一个标志脉冲信号。标志脉冲信号通常用来指示机械位置或对积累量清零。

为了能够准确的得到编码器转动的脉冲数，必须知道编码器的转动方向，并实现编码器正传时，加计数；反转时，减计数。本实施例通过使用一个D触发器和两个与非门组成的硬件电路来实现编码器转动方向的判断。具体电路原理图如图3所示。当编码器顺时针旋转时，A相输出波形超前B相输出波形90°，D触发器输出Q(波形B1)为低电平、(波形A1)为高电平，下面与非门打开，选通输出波形A(即与非门输出脉冲A2)；此时，上面与非门关闭，其输出为高电平(波形B2)。当编码器逆时针旋转时，通道A输出波形比通道B输出波形延迟90°，D触发器输出(波形A1)为低电平，Q(波形B1)为高电平，下面与非门关闭，其输出为高电平(波形A2)；此时，上面与非门打开，选通输出波形B(即与非门输出脉冲B2)。通过此电路模块，使编码器在转动的过程中，A、B两相脉冲始终只有一路选通输出到MCU进行计数。选通输出脉冲A2与MCU中的计数器T0相连、B2与计数器T1相连。所以在编码器正传时，T0计数A2的脉冲个数，T1无计数(此时B2无脉冲)；在编码器反转时，T1计数B2的脉冲个数，T0无计数(此时A2无脉冲)。把T0的计数值与T1的计数值相减，即得到了编码器实际转动的脉冲数目，并实现了正转加、反转减的目的，所述MCU计数采用C语言编写的代码，其算法流程图如图6所示。

图5中的串口通信模块使用的是E50-TTL-100型无线串口。部分电路图如图4所示，TXD、RXD分别与MCU的RXD、TXD相连。把MCU得到的计数值通过无线串口传输给工控计算机5。无线串口是成对存在的，在工控计算机5上也必须连接一个相同的E50-TTL-100型无线串口，用于与无线测位装置通信。使用的无线串口模块也是使用9v直流供电电源供电，通用性好，直接使用计数模块的电源供电，无需格外提供电源。

具体的，M0、M1控制无线串口的四种工作方式，以下表格为M0、M1输入状态和对应模块的简介：

把M0、M1接地，选择0一般模式。使用配套的无线串口设置软件，把收发双方配置成透传(即发送的数据就是原有数据，不会添加协议头)，并把双方空速、地址、信道设置成一至。由于所用MCU使用的是11.0592MHz的晶振，设置的波特率为115200，因此，为保证通信正常无误码，无线串口双方波特率也设置为115200。把对应的另一个E50-TTL-100型无线串口，连接到USB转UART的接口转换模块E15-USB-T2后，直接插在工控计算机5的USB接口上，装上驱动，就能实现无线收发。

本实施例的技术方案，通过应用编码器无线测位装置，使声波测井换能器在移动过程中，能够自动跟踪记录位移值，并根据设置好的位移间隔，自动进行采样，保存采集到的声波信号，通过对声波信号的分析，实现对岩层的强度和缺陷的检测评估，从而实现了测量分析装置和采样装置一体化和测量过程的自动化。

本发明实施例还提供自动声波测井方法，该方法可以包括：

编码器无线测位装置实时测量声波测井换能器的位移值，并发送给工控计算机；所述工控计算机根据所述位移值，设置采样位移间隔，将所述采样位移间隔发送给声波数据采集卡；所述声波数据采集卡向所述声波测井换能器发送所述采样位移间隔；所述声波测井换能器在所述声波数据传输电缆的控制下在岩层中移动，并根据所述采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机；所述工控计算机根据所述声波数据，分析岩层的强度和缺陷。

具体的，如图7所示，给仪器正常供电后，人工拉动声波数据传输电缆，使声波测井换能器在岩层中向下缓慢移动，通过声波数据传输电缆的牵引，使固定在三脚架上的滑轮随之转动，而滑轮与编码器无线测位装置紧密相接，实时的测量出声波测井换能器的位移值，并把编码器无线测位装置所测得的位移值通过无线串口传给工控计算机，工控计算机依据实时位移值，设置采样位移间隔，传送命令给声波数据采集卡，使声波数据采集卡控制声波测井换能器按设定的采样位移间隔自动采样，并把采集到的声波数据及时传回工控计算机进行处理，通过声波参数测试分析，从而对岩层的强度、缺陷等进行检测评估，整个测量操作仅需一人拉动电缆即可完成，无需额外动作，操作简单方便。

本实施例的自动声波测井方法，可由上述自动声波测井仪执行，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种自动声波测井仪，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的测井仪，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。

3.根据权利要求1所述的测井仪，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。

4.根据权利要求1所述的测井仪，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。

5.根据权利要求1所述的测井仪，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。

6.权利要求1所述的自动声波测井仪，其特征在于：包括声波测井换能器、编码器无线测位装置、声波数据传输电缆、步进驱动系统、三维电子罗盘、工控计算机和声波数据采集卡；

其中，所述声波测井换能器与所述声波数据传输电缆的一端连接，用于根据采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机；

所述声波数据传输电缆，用于控制所述声波测井换能器在岩层中的移动及声波数据传输；

所述编码器无线测位装置用于实时测量所述声波测井换能器的位移值，并发送给所述工控计算机；

所述声波数据采集卡用于控制所述声波测井换能器按照所述采样位移间隔自动采集所述声波数据；

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；

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；

所述工控计算机用于根据接收到的所述位移值，设置采样位移间隔，并发送给所述声波数据采集卡；对所述声波数据进行分析处理。

7.根据权利要求1所述的自动声波测井仪，其特征在于，所述编码器无线测位装置包括：高精度增量式编码器、计数模块、无线通信模块及电源模块；

所述电源模块用于为所述编码器和所述计数模块提供电能；所述高精度增量式编码器用于产生两相相位差为90°的方波脉冲，并将所述方波脉冲传送给所述计数模块；所述计数模块用于根据所述方波脉冲获得计数值；所述无线通信模块用于将所述计数值发送给所述工控计算机；

相应的，所述工控计算机用于根据所述计数值获得所述位移值。

8.根据权利要求1所述的自动声波测井仪，其特征在于，还包括：三脚架；用于固定所述编码器无线测位装置；

所述三脚架上设置有滑轮，所述滑轮与所述编码器无线测位装置相接，所述滑轮随着所述声波数据传输电缆的移动而转动，带动所述编码器无线测位装置转动，实时测量所述声波测井换能器的位移值。

9.自动声波测井方法，其特征在于，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声波测井换能器运动；

步骤c)工控计算机实时接收声波测井换能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。

10.自动声波测井方法，其特征在于，包括：

编码器无线测位装置实时测量声波测井换能器的位移值，并发送给工控计算机；

所述工控计算机根据所述位移值，设置采样位移间隔，将所述采样位移间隔发送给声波数据采集卡；

所述声波数据采集卡向所述声波测井换能器发送所述采样位移间隔；

所述声波测井换能器在所述声波数据传输电缆的控制下在岩层中移动，并根据所述采样位移间隔自动采集声波数据，并发送给所述工控计算机；

所述步进驱动系统收到脉冲信号后驱动声波测井换能器运动；

所述三维电子罗盘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；

所述工控计算机根据所述声波数据和姿态信息，分析岩层的强度和缺陷。