CN108678726A - 稳态激振横波测井系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稳态激振横波测井系统及方法，所述系统包括交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、孔内激振器和阵列式检波器组；交流信号发生器与功率放大器电连接，半波整流模块与功率放大器电连接；交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在地面，孔内激振器和阵列式检波器组通过隔声材料按照第一预设间距连接，阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与波速测试仪电连接，能够在孔内进行激振，可解决采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发横波，导致的无法进行横波的测试的技术问题。

Description

稳态激振横波测井系统及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，更具体地说，是涉及一种稳态激振横波测井系统及方法。

背景技术

横波(剪切波)波速是岩土体的一项重要的物理参数，工程勘察中常利用单孔法波速测试获取该参数。

目前，单孔法横波波速测试多采用地表瞬态激振，使用大锤在孔口水平上激振上压重物的剪切板激发横波成分占比高的地震波，利用放置在孔内指定深度的三分量检波器和波速测试仪器接收地面激振、由地层介质传递至孔内的地震波，利用波在震源和检波器之间的距离和传播时间计算地层横波速度。但是这种采用地表瞬态激振方式，当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发横波，导致无法测试横波的波速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳态激振横波测井系统及方法，以解决现有技术中存在的采用地表瞬态激振，当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发横波，导致无法进行横波的测试的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种稳态激振横波测井系统，包括：交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、孔内激振器和阵列式检波器组；

所述交流信号发生器与所述功率放大器电连接，所述半波整流模块与所述功率放大器电连接；

所述交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在地面，所述孔内激振器和阵列式检波器组通过隔声材料按照第一预设间距连接，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接，所述孔内激振器和所述阵列式检波器组构成本横波测井系统的孔内探头。

第二方面，本发明实施例提供一种采用上述的稳态激振横波测井系统的横波测井方法，包括：将所述孔内激振器和所述阵列式检波器组放置在井孔内；

所述交流信号发生器输出交流电信号到所述功率放大器；

所述功率放大器对交流电信号进行放大处理，并输出到所述半波整流模块；

所述半波整流模块对放大后的交流电信号进行半波整流处理，并输出到所述孔内激振器；

所述孔内激振器根据半波整流后的交流电信号水平振动，所述水平振动通过与井液耦合作用到井孔孔壁上，形成向下传播的地层横波；

所述阵列式检波器组接收所述横波信号，并实时将所述横波信号发送到所述波速测试仪；

所述波速测试仪根据所述横波信号计算地层横波波速。

本发明提供的稳态激振横波测井系统及方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明实施例提供的稳态激振横波测井系统及方法，所述系统包括交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、孔内激振器和阵列式检波器组；交流信号发生器与功率放大器电连接，半波整流模块与功率放大器电连接；交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在地面，孔内激振器和阵列式检波器组通过隔声材料按照第一预设间距连接，阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与波速测试仪电连接，能够在孔内进行激振，可解决采用地表瞬态激振当孔深较大或岩土层较硬，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发横波，导致的无法进行横波的测试的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明一实施例提供的稳态激振横波测井系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的交流电信号在经过半波整流模块输出的电流信号示意图；

图3为本发明一实施例提供的孔内激振器的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的稳态激振横波测井方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的每个检波器接收的地层横波的波形图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本发明实施例提供的稳态激振横波测井系统进行说明。所述稳态激振横波测井系统，包括：

交流信号发生器10、功率放大器20、半波整流模块30、波速测试仪40、孔内激振器50和阵列式检波器组60。

交流信号发生器10与功率放大器20电连接，半波整流模块30分别与功率放大器20、孔内激振器50电连接，阵列式检波器组60与波速测试仪40电连接。

交流信号发生器10、功率放大器20、半波整流模块30和波速测试仪40设置在地面，孔内激振器50和阵列式检波器组60按照第一预设间距设置在井孔70内，孔内激振器50和阵列式检波器组60通过隔声材料80按照第一预设间距连接，阵列式检波器组60包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料80固定连接的检波器61，每个检波器61均与波速测试仪40电连接，孔内激振器50和阵列式检波器组60构成本横波测井系统的孔内探头。

在本实施例中，交流信号发生器10包括交流电源和交流电源控制开关。功率放大器20为交流信号功率放大器。半波整流模块30为半波整流电路，参考图2，图2为交流电信号在经过半波整流模块30后输出的电流信号示意图。第一预设间距和第二预设间距可以是固定间距，也可以根据工程的需求进行设置。通过接收多个检波器的阵列式信号，可以提高测试的精度，减小误差。

孔内激振器50为放置在在钻孔内的激振器。阵列式检波器组60有多个相隔的检波器组成。孔内激振器50和阵列式检波器组60按照第一预设间隔设置在井孔内，孔内激振器与阵列式检波器组之间及阵列式检波器组中的检波器之间均采用隔声材料连接，孔内激振器中的振动头可以做水平向激振，阵列式检波器组中各检波器的灵敏方向与孔内激振器的激振方向一致。

从上述实施例可知，通过交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和孔内激振器，交流信号发生器与功率放大器电连接，半波整流模块分别与功率放大器、孔内激振器电连接，交流信号发生器输出的交流电信号经过功率放大器、半波整流模块处理后，输入到孔内激振器，孔内激振器做水平向振动，该振动通过井液耦合到井壁，在井壁地层水平向振动向下传播，形成横波，阵列式检波器组接收地层横波信号并发送到波速测试仪，由波速测试仪计算得到地层横波波速。本实施例提供的稳态激振横波测井系统能够实现在孔内进行激振，而不是地表瞬态激振，可以解决当孔深较大或岩土层较硬，地表激振的能量可能无法满足深部测点的测试要求，或者当钻孔位于水域，无法通过地表激振激发横波，导致无法进行横波的测试的技术问题；同时通过信号发生器调节激振器的激振频率，可以使激振器工作在地层共振频率附近，增大地层振动的振幅，提高接收到的信号的信噪比；通过功率放大器，可以调节激振器的激振能量，使接收到的信号的能量满足测试要求。

进一步地，请参阅图1，所述交流信号发生器10、功率放大器20、半波整流模块30和波速测试仪40组合在一套仪器中。通过将交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪整合到一套仪器中可以方便稳态激振横波测井系统的运输和销售。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的孔内稳态激振剪切波测试系统的一种具体实施方式，所述阵列式检波器组60包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料80固定连接的检波器61，每个检波器61均与波速测试仪40电连接。通过隔声材料固定连接多个检波器，防止检波器之间的干扰。

在本实施例中，第二预设间距可以是固定间距，也可以根据工程的需求进行设置。通过接收多个检波器的阵列式信号，可以提高测试的精度，减小误差。

进一步地，作为本发明提供的孔内稳态激振横波测试系统的一种具体实施方式，所述孔内激振器50为水平向稳态激振器，阵列式检波器组60中各检波器61的灵敏方向与孔内激振器50的激振方向一致。检波器61的灵敏方向与孔内激振器50的激振方向一致，提高检波器61的接收到的地层横波信号的质量。

进一步地，请参阅图1及图3，作为本发明提供的孔内稳态激振横波测试系统的一种具体实施方式，水平向稳态激振器50包括壳体51、硅钢片框架52、电磁线圈53和振动头54。硅钢片框架52固定在壳体51的水平安装孔55内，电磁线圈53设置在所述硅钢片框架52内，电磁线圈53与半波整流模块30电连接，硅钢片框架52和电磁线圈53与壳体51一起构成激振器的不动部分；振动头54与硅钢片框架52通过弹性部件56连接，振动头54位于水平安装孔55的孔口处，振动头54为孔内激振器50的可动部分。

在本实施例中，壳体51为防腐蚀材料制成。硅钢片框架52通过螺栓57固定在水平安装孔55的底座上。弹性部件56为橡胶弹簧或机械弹簧。

从本实施例可知，通过半波整流模块半波整流后的交流电信号输出到电磁线圈，电磁线圈在半波整流后的交流电信号作用下产生周期变化的磁场，振动头在电磁铁的吸引力及弹簧的推力交互作用下，在水平安装孔内做水平向振动，该水平向振动通过井液耦合到井壁，在井壁地层水平向振动向下传播，形成地层横波，本实施例的孔内激振器结构简单，可有效降低施工成本。

进一步地，请参阅图1及图3，作为本发明提供的孔内稳态激振横波测试系统的一种具体实施方式，所述水平安装孔55水平向贯通，振动头54为两个，且左右对称设置，两个振动头54通过连杆58固定在一起。振动头54作为孔内激振器的可动部分，在硅钢片框架52、电磁线圈53组成的电磁铁的吸引力及弹性部件56的推力交互作用下，可以在水平安装孔内做水平向振动。

由于两个振动头54是固定在一起的，两个振动头同时向一个方向运动，这样孔内激振器50产生的振动的振源就是非对称的，孔内激振器50沿水平向只在一个方向产生压力，使井壁产生弯曲振动，从而激发出横波，提高了测试信号的可靠性。相比于普通的压电陶瓷收缩膨胀式的对称振动振源，非对称的振动振源压制了井液中可能存在的干扰波-斯通利波，突出了地层的横波，使得本系统不但可以应用在地层横波速度大于井液纵波速度的高速地层，还可以应用在地层横波速度小于井液纵波速度的低速地层。

从本实施例可知，由于孔内稳态激振器产生的振动振源为非对称源，沿水平向只在一个方向产生压力，使井壁产生弯曲振动，从而激发出地层横波，减弱斯通利波的产生，提高测试信号的可靠性。

需要说明的是：所述检波器61个数为5个，也可以是其他数量。检波器可以是单分量检波器或三分量检波器。优选地，检波器为单分量压电式加速度传感器，该压电式加速度传感器内置前置放大器，灵敏度高、频带宽。检波器的灵敏方向与孔内激振器的激振方向一致。由于振动信号微弱，尤其是钻孔深部测点和岩石地层，振动的幅度非常小，故使用高灵敏度的传感器非常必要，岩石地层测试时要求振动频率较高，需要传感器具有较宽的频带，相对而言，压电式加速度传感器更容易满足测试要求。合适的条件下，也可以使用灵敏度、频带宽度符合测试要求的其他类型的检波器。由于井孔内存在井液，因此检波器需要密封在容器中，做好防水处理。

所述孔内激振器50和阵列式检波器组60通过隔声材料连接，以防止激振器和检波器之间的相互干扰。

所述弹性部件56为橡胶弹簧或机械弹簧。优选地，弹性部件56为橡胶弹簧。

所述波速测试仪40为地层剪切波波速测试仪。所述电磁线圈53为漆包线电磁线圈。

参考图4，图4为本发明一实施例提供的采用上述实施例提供的稳态激振横波测井系统的横波测井方法。所述横波测井方法详述如下：

S601：将孔内激振器和阵列式检波器组放置在井孔内。

在本实施例中，孔内激振器和阵列式检波器按照第一预设间隔设置，第一预设间隔可以是固定的间距，也可以根据工程的需要进行设置。

S602：交流信号发生器输出交流电信号到功率放大器。

在本实施例中，交流信号发生器输出的交流电信号的频率可变。

S603：功率放大器对交流电信号进行放大处理，并输出到半波整流模块。

参考图2，交流电信号在经过半波整流模块30输出的交流信号如图2所示。

S604：半波整流模块对放大后的交流电信号进行半波整流处理，并输出到孔内激振器。

在本实施例中，孔内激振器接收的交流电信号为半波交流电信号(图2所示)。

S605：所述孔内激振器根据半波整流后的交流电信号水平振动，所述水平振动通过与井液耦合作用到井孔孔壁上，形成向下传播的地层横波。

在本发明的一个实施例中，孔内激振器为水平向稳态激振器；水平向稳态激振器包括壳体、硅钢片框架、电磁线圈和振动头；硅钢片框架固定在壳体的水平安装孔内，电磁线圈设置在硅钢片框架内，电磁线圈与半波整流模块连接，振动头与硅钢片框架通过弹性部件连接，振动头位于水平安装孔的孔口处；

步骤S605具体包括：半波整流模块半波整流后的交流电信号输出到电磁线圈，交流电信号内每个周期内有半个周期没有电流通过；电磁线圈通入半波整流后的交流电信号时，当电磁线圈中电流通过时，硅钢片框架在电磁线圈电流作用下产生成磁性，吸引振动头，振动头向硅钢片框架方向运动并压缩弹性部件，当电磁线圈中没有电流通过时磁性消失，振动头在弹性部件的作用下向远离硅钢片框架方向运动；振动头在周期变化的磁场和弹性部件的相互作用下周期性往复水平振动，水平振动通过井液耦合激振井壁产生横波沿地层向下传播。

S606：阵列式检波器组接收横波信号，并实时将横波信号发送到波速测试仪。

S607：波速测试仪根据横波信号计算地层横波波速。

在本发明的一个实施例中，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接；步骤S607具体包括：获取横波信号在阵列式检波器组的首尾两个检波器之间的传播时间，并根据两个检波器之间距离，通过波速计算公式计算得到地层横波波速。

在本发明的另一个实施例中，步骤S607具体包括：

获取横波信号在任意两个检波器之间的传播时间，并根据两个检波器之间距离，通过波速计算公式计算得到横波波速；

依照所述波速计算公式，计算每两个检波器之间的横波波速，然后对每两个检波器之间的横波波速取算术平均值，得到最终的地层横波波速。

波速计算公式，横波波速式中，L为阵列式剪波器串首尾两道检波器之间的距离；Δt为横波在首尾两道检波器之间传播的时间。

从本实施例可知，通过计算每两个检波器之间的横波波速的算术平均值，可减少测量误差，提高测量精度。

在本发明的另一个实施例中，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接，所述第二预设间距为等间隔设置，步骤S607具体包括：

获取每个检波器的横波信号的振幅与时间曲线图；

将每个检波器的横波信号的振幅与时间曲线图叠放到同一坐标系中；

根据多个振幅与时间曲线图的波峰的斜率，得到地层横波波速。

在本实施例中，参考图5，图5为每个检波器接收的地层横波的波形图。波峰的斜率反映的是几道横波波形相位差延迟的速率大小。如果是两道波形，波速为两道检波器之间的距离除以两道波峰之间的延迟时间；如果是三道波形，波速为第一道检波器与第三道检波器之间的距离除以第一道与第三道波峰之间的延迟时间，以此类推。如果假设波速在地层中是匀速传播的，且各检波器间等间隔设置，则地层横波波速等于多个振幅与时间曲线图的波峰的斜率乘以相邻检波器的距离。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稳态激振横波测井系统，其特征在于，包括交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块、波速测试仪、孔内激振器和阵列式检波器组；

所述交流信号发生器与所述功率放大器电连接，所述半波整流模块与所述功率放大器电连接；

所述交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪设置在地面，所述孔内激振器和阵列式检波器组通过隔声材料按照第一预设间距连接，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接，所述孔内激振器和所述阵列式检波器组构成本横波测井系统的孔内探头。

2.如权利要求1所述的稳态激振横波测井系统，其特征在于，所述交流信号发生器、功率放大器、半波整流模块和波速测试仪组合在一套仪器中。

3.如权利要求1所述的稳态激振横波测井系统，其特征在于，所述孔内激振器为水平向稳态激振器，所述阵列式检波器组中各检波器的灵敏方向与所述孔内激振器的激振方向一致。

4.如权利要求3所述的稳态激振横波测井系统，其特征在于，所述水平向稳态激振器包括壳体、硅钢片框架、电磁线圈和振动头；

所述硅钢片框架固定在所述壳体的水平安装孔内，所述电磁线圈设在所述硅钢片框架内，所述电磁线圈与所述半波整流模块连接，所述硅钢片框架和电磁线圈与所述壳体一起构成所述孔内激振器的不动部分；所述振动头与所述硅钢片框架通过弹性部件连接，所述振动头位于所述水平安装孔的孔口处，所述振动头为所述孔内激振器的可动部分。

5.如权利要求4所述的稳态激振横波测井系统，其特征在于，所述水平安装孔水平向贯通，所述振动头为两个，且左右对称设置，两个振动头通过连杆固定在一起。

6.一种采用权利1所述的稳态激振横波测井系统的横波测井方法，其特征在于，包括：

将所述孔内激振器和所述阵列式检波器组放置在井孔内；

所述交流信号发生器输出交流电信号到所述功率放大器；

所述功率放大器对交流电信号进行放大处理，并输出到所述半波整流模块；

所述半波整流模块对放大后的交流电信号进行半波整流处理，并输出到所述孔内激振器；

所述孔内激振器根据半波整流后的交流电信号水平振动，所述水平振动通过与井液耦合作用到井孔孔壁上，形成向下传播的地层横波；

所述阵列式检波器组接收所述横波信号，并实时将所述横波信号发送到所述波速测试仪；

所述波速测试仪根据所述横波信号计算地层横波波速。

7.如权利要求6所述的横波测井方法，其特征在于，所述孔内激振器为水平向稳态激振器；所述水平向稳态激振器包括壳体、硅钢片框架、电磁线圈和振动头；所述硅钢片框架固定在所述壳体的水平安装孔内，所述电磁线圈设置在所述硅钢片框架内，所述电磁线圈与所述半波整流模块连接，所述振动头与所述硅钢片框架通过弹性部件连接，所述振动头位于所述水平安装孔的孔口处；

所述孔内激振器根据半波整流后的交流电信号水平振动，所述水平振动通过与井液耦合作用到井孔孔壁上，形成向下传播的地层横波，包括：

所述半波整流模块半波整流后的交流电信号输出到所述电磁线圈，所述交流电信号内每个周期内有半个周期没有电流通过；

所述电磁线圈通入所述半波整流后的交流电信号时，当所述电磁线圈中电流通过时，所述硅钢片框架在所述电磁线圈电流作用下产生成磁性，吸引所述振动头，所述振动头向所述硅钢片框架方向运动并压缩所述弹性部件，当所述电磁线圈中没有电流通过时磁性消失，所述振动头在所述弹性部件的作用下向远离所述硅钢片框架方向运动；

所述振动头在所述周期变化的磁场和所述弹性部件的相互作用下周期性往复水平振动，所述水平振动通过井液耦合激振井壁产生横波沿地层向下传播。

8.如权利要求6所述的横波测井方法，其特征在于，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接；

所述波速测试仪根据所述横波信号计算地层横波波速，包括：

获取横波信号在阵列式检波器组的首尾两个检波器之间的传播时间，并根据两个检波器之间距离，通过波速计算公式计算得到地层横波波速。

9.如权利要求6所述的横波测井方法，其特征在于，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接；

所述波速测试仪根据所述横波信号计算地层横波波速，包括：

获取横波信号在任意两个检波器之间的传播时间，并根据两个检波器之间距离，通过波速计算公式计算得到横波波速；

依照所述波速计算公式，计算每两个检波器之间的横波波速，然后对每两个检波器之间的横波波速取算术平均值，得到最终的地层横波波速。

10.如权利要求6所述的横波测井方法，其特征在于，所述阵列式检波器组包括按照第二预设间距设置的多个首尾通过隔声材料固定连接的检波器，每个检波器均与所述波速测试仪电连接，所述第二预设间距为等间隔设置；

所述波速测试仪根据所述横波信号计算地层横波波速，包括：

获取每个检波器的横波信号的振幅与时间曲线图；

将每个检波器的横波信号的振幅与时间曲线图叠放到同一坐标系中；

根据多个振幅与时间曲线图的波峰连线的斜率，得到地层横波波速。