CN109581508B - 一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统；包括：平面活塞换能器(01)、换能器密封固定座(02)、半透明聚苯丙烯透声窗(03)、超声聚焦模块(04)、超声聚焦模块固定座(05)、电机与磁开关固定座(06)、磁芯固定座(07)、TMR磁开关底座(08)及双极步进电机(09)，其中所述换能器密封固定座(02)直接固定于下外管(37)的下部，所述平面活塞换能器(01)固定于换能器密封固定座(02)内部；所述换能器密封固定座(02)固定安装于半透明聚苯丙烯透声窗(03)下端内部；所述磁芯固定座(07)和TMR磁开关底座(08)的外端设有电机与磁开关固定座(06)。
Description
技术领域
本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统。
背景技术
超声成像测井技术是通过对井壁回波信号进行处理分析，以获取井壁360°方位的表面特征信息。在石油勘探领域中为了寻找油气藏，需要了解目的层的倾角、方位、密度等特征和其分布。超声成像测井方法可以获取钻孔中裂隙分布特征、泥浆声速等参数，为油气资源勘探和开发提供技术支撑。在铀矿勘探领域，铀矿体走向、岩体、裂隙走向等是需要获取的重要信息，但目前判断方法主要是通过密集打钻的方式，成本高、效率低。并且，对于矿体和裂隙尺寸较小的地区，仅通过岩芯往往难以追踪到其走向，而采用超声成像测井技术可以直接观测钻孔中岩体和裂隙走向，进行原位测量，减少打钻了数量，节约成本，提高野外工作效率。另外，在铀矿地浸开采中，超声成像测井可有效检测UPVC套管是否存在破损，可有效的为铀矿地浸开采过程提供监测数据和技术支撑。
超声成像测井技术工作原理是利用超声换能器发射微秒级矩形脉冲声波信号，穿过井液达到井壁后产生回波信号，并被超声换能器接收。由于井壁不同岩性、不同井壁特征时其回波信号的的强弱和回波到达时间不同。利用回波信号的峰值电压和时间参数，可以反映出地层信息。基于该成像测井原理，需要超声换能器向井壁360°发射并接收声波信号。传统方式一般采用超声换能器的辐射面与井壁垂直，并且在测量工作时，需要通过电机带动超声换能器旋转并同时向井壁360°发射超声声波信号。因此，传统方式存在两方面问题：(1)由于换能器辐射面与井壁垂直，难以实现小口径探管，目前一般约60mm，这对于目前铀矿勘探领域小口径钻孔的成像测井具有一定的局限性；(2)超声换能器是成像测井仪的关键部件，长时间工作中一直处于旋转运动状态，对于辐射断面辐射产生声波信号的稳定性及换能器的使用寿命均有一定的影响。
发明内容
本发明的目的，针对现有技术不足，提供一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统。
本发明的技术方案是：
一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，包括：平面活塞换能器01、换能器密封固定座02、半透明聚苯丙烯透声窗03、超声聚焦模块04、超声聚焦模块固定座05、电机与磁开关固定座06、磁芯固定座07、TMR磁开关底座08及双极步进电机09，其中所述换能器密封固定座02直接固定于下外管37的下部，所述平面活塞换能器01固定于换能器密封固定座02内部；所述换能器密封固定座02固定安装于半透明聚苯丙烯透声窗03下端内部；所述双极步进电机09设于半透明聚苯丙烯透声窗03上端，所述双极步进电机09下端伸入半透明聚苯丙烯透声窗03上端内部，与设于半透明聚苯丙烯透声窗03内部的超声聚焦模块固定座05相连接，所述超声聚焦模块固定座05上设有超声聚焦模块04，所述超声聚焦模块04下端与换能器密封固定座02上端相连接；所述双极步进电机09上端设有磁芯固定座07，所述磁芯固定座07上端设有TMR磁开关底座08；所述磁芯固定座07和TMR磁开关底座08的外端设有电机与磁开关固定座06。
所述换能器密封固定座2包括换能器走线槽10、120°换能器固定螺孔11、换能器密封O型圈槽12、换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽13及注油槽14，其中所述换能器走线槽10与注油槽14设于换能器密封固定座02内壁，所述换能器密封固定座02外壁上设有换能器密封O型圈槽12，所述换能器密封O型圈槽12上部的换能器密封固定座2外壁上设有换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽13；所述换能器密封固定座2外壁上，位于换能器密封O型圈槽12上下端各设有三组120°换能器固定螺孔11。
所述半透明聚苯丙烯透声窗03包括半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15、半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16、换能器调节固定台17、半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18及半透明聚苯丙烯透声窗透声面19；其中所述半透明聚苯丙烯透声窗03最下端均布有三组半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15，所述半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15上侧设有半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16，所述半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16上侧设有换能器调节固定台17，所述换能器调节固定台17上设有半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18，所述半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18上端为半透明聚苯丙烯透声窗透声面19。
所述超声聚焦模块04包括纵向聚焦凹面20、聚焦模块固定螺孔21、底部动平衡开孔22、侧面动平衡设计23及横向聚焦凹面24；其中所述超声聚焦模块04下端面设有两个聚焦模块固定螺孔21，两个聚焦模块固定螺孔21之间设有一个底部动平衡开孔22；所述超声聚焦模块04侧面设有侧面动平衡设计23；所述所述超声聚焦模块04斜面上设有纵向聚焦凹面20，所述纵向聚焦凹面20两侧设有两组横向聚焦凹面24。
所述超声聚焦模块固定座05包括电机旋转轴安装固定孔25、聚焦模块固定螺孔26及超声声束通道开孔27；其中所述超声声束通道开孔27设于超声聚焦模块固定座05座体上，所述电机旋转轴安装固定孔25设于超声聚焦模块固定座05座体下端；所述聚焦模块固定螺孔26设于超声聚焦模块固定座05下端内部。
电机与磁开关固定座06上设有电机排线槽28、电机固定螺孔29及TMR磁开关底座固定椭圆形开孔30。
所述磁芯固定座07上设有磁芯底座与电机旋转轴120°固定螺孔31、磁芯安装槽32及磁芯底座与电机旋转轴连接开孔33。
所述TMR磁开关底座08上设有TMR磁开关安装开孔34和两个TMR磁开关底座固定螺孔35。
本发明的有益效果是：
1.与传统的声学扫描系统相比，本发明的同轴折射工作方式可以实现直径40mm左右的声学扫描系统，对于目前较大口径成像测井仪具有技术突破，同时为成像测井技术在铀矿勘探领域小口径钻孔的应用奠定基础；
2.本发明适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，避免了成像测井仪关键部件超声换能器旋转测量带来的系列问题，可以有效保护超声换能器，增加仪器的稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统总成示意图；
图2为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统总成剖面图；
图3为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的换能器密封固定座示意图；
图4为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的换能器密封固定座剖面图；
图5为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的半透明聚苯丙烯透声窗示意图；
图6为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的半透明聚苯丙烯透声窗剖面图；
图7为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的超声聚焦模块示意图；
图8为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的超声聚焦模块固定座示意图；
图9为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的电机与磁开关固定座示意图；
图10为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的磁芯固定座示意图；
图11为本发明的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统的TMR磁开关固定座示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，包括：平面活塞换能器01、换能器密封固定座02、半透明聚苯丙烯透声窗03、超声聚焦模块04、超声聚焦模块固定座05、电机与磁开关固定座06、磁芯固定座07、TMR磁开关底座08及双极步进电机09，其中所述换能器密封固定座02直接固定于下外管37的下部，所述平面活塞换能器01固定于换能器密封固定座02内部；所述换能器密封固定座02固定安装于半透明聚苯丙烯透声窗03下端内部；所述双极步进电机09设于半透明聚苯丙烯透声窗03上端，所述双极步进电机09下端伸入半透明聚苯丙烯透声窗03上端内部，与设于半透明聚苯丙烯透声窗03内部的超声聚焦模块固定座05相连接，所述超声聚焦模块固定座05上设有超声聚焦模块04，所述超声聚焦模块04下端与换能器密封固定座02上端相连接；所述双极步进电机09上端设有磁芯固定座07，所述磁芯固定座07上端设有TMR磁开关底座08；所述磁芯固定座07和TMR磁开关底座08的外端设有电机与磁开关固定座06。
所述换能器密封固定座2包括换能器走线槽10、120°换能器固定螺孔11、换能器密封O型圈槽12、换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽13及注油槽14，其中所述换能器走线槽10与注油槽14设于换能器密封固定座02内壁，所述换能器密封固定座02外壁上设有换能器密封O型圈槽12，所述换能器密封O型圈槽12上部的换能器密封固定座2外壁上设有换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽13；所述换能器密封固定座2外壁上，位于换能器密封O型圈槽12上下端各设有三组120°换能器固定螺孔11。
所述半透明聚苯丙烯透声窗03包括半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15、半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16、换能器调节固定台17、半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18及半透明聚苯丙烯透声窗透声面19；其中所述半透明聚苯丙烯透声窗03最下端均布有三组半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15，所述半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔15上侧设有半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16，所述半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽16上侧设有换能器调节固定台17，所述换能器调节固定台17上设有半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18，所述半透明聚苯丙烯透声窗走线孔18上端为半透明聚苯丙烯透声窗透声面19。
所述超声聚焦模块04包括纵向聚焦凹面20、聚焦模块固定螺孔21、底部动平衡开孔22、侧面动平衡设计23及横向聚焦凹面24；其中所述超声聚焦模块04下端面设有两个聚焦模块固定螺孔21，两个聚焦模块固定螺孔21之间设有一个底部动平衡开孔22；所述超声聚焦模块04侧面设有侧面动平衡设计23；所述所述超声聚焦模块04斜面上设有纵向聚焦凹面20，所述纵向聚焦凹面20两侧设有两组横向聚焦凹面24。
所述超声聚焦模块固定座05包括电机旋转轴安装固定孔25、聚焦模块固定螺孔26及超声声束通道开孔27；其中所述超声声束通道开孔27设于超声聚焦模块固定座05座体上，所述电机旋转轴安装固定孔25设于超声聚焦模块固定座05座体下端；所述聚焦模块固定螺孔26设于超声聚焦模块固定座05下端内部。
电机与磁开关固定座06上设有电机排线槽28、电机固定螺孔29及TMR磁开关底座固定椭圆形开孔30。
所述磁芯固定座07上设有磁芯底座与电机旋转轴120°固定螺孔31、磁芯安装槽32及磁芯底座与电机旋转轴连接开孔33。
所述TMR磁开关底座08上设有TMR磁开关安装开孔34和两个TMR磁开关底座固定螺孔35。
实施例
本发明提出的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统具体实施为：
第一步01与02的固定安装：利用11将01通过螺柱顶丝固定于02，01信号线通过10引出，02与外管之间利用12密封，02与03之间利用13密封连接，利用14实施换能器安装空间内的注油。
第二步02与03的固定安装：02与03之间利用13密封连接后，利用17实现位置调节固定，03利用16与外管密封连接，01的信号线经18引出，01发射与接收的超声声束通过19后到达井液井壁。03内腔充满绝缘矿物油，用于保证超声换能器辐射端的声波耦合效果和透声窗内外压力平衡而不破损。
第三步04与05的固定安装：首先通过螺柱将21和26固定，然后利用25将05固定于09即可。04中的22和23是聚焦模块动平衡设计，为了满足聚焦模块在旋转工作时中心轴稳定，减轻步进电机负载；04中的24、25是超声聚焦凹面，实现纵向、横向的超声声束聚焦发射和接收；05中的27是直径20mm的对称开孔，超声声波经聚焦模块折射后通过该开孔而到达待测量井壁，井壁的反射声波信号同样经由该开孔到达聚焦模块。
第四步为06、07和08集成安装：首先将06通过31固定于09旋转轴的一端，然后将09按照28开槽方向装入06并利用29固定；然后，TMR磁开关安装于34后将08通过35与30螺柱顶丝固定，并利用椭圆形位置调节孔来调整08距离07的位置，以获取较为理想TMR开关信号。
最后将06集成了05、07、08和09装入03的上端，并通过06与外管的装配调节其位置，使05的中心与03的19中心一致。至此，本发明涉及的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统整体总装完成，其结构示意图如图1所示，剖面示意图如图2所示。
本发明一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统工作原理：本发明设计的同轴折射声学扫描系统接收到系统启动信号后，电机带动超声聚焦模块及磁芯开始按照设定转速旋转，当磁芯旋转经过TMR磁开关时，触发TMR磁开关信号并反馈给系统，系统随机启动设定的沿井周的扫描激励(即启动换能器的激励)。换能器发出超声声波信号首先沿声学扫描系统轴向到达超声聚焦模块，超声聚焦模块具有水平和纵向双方向聚焦作用，声波信号聚焦后折射穿过聚苯丙烯透声窗从而到达井壁。超声声波信号通过井壁反射后又会到达超声聚焦模块，聚焦模块将反射回的声波信号聚焦后折射到平面活塞换能器，换能器利用接收到的回波信号可反映出与原始信号不同的幅值和时间参数，从而实现井周井壁成像。
本发明提出的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，通过关键部件声学聚焦模块实现换能器纵向声波信号的同轴折向井周井壁，并且能够接收井周井壁的反射回波信号，实现了纵向同轴扫描声学系统。相对于传统大直径、换能器横向安装或者其他方式的声学扫描系统，本发明提出的系统可用于小口径钻孔的井周井壁成像测井，符合当前小口径铀矿钻孔成像测井需求和发展趋势。
本发明提出的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统外管直径缩小至40mm，相对于目前传统约60mm左右的外管直径，有较大提高。
本发明提出的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统并不限于以上所述的实施例，本领域的技术人员根据本发明的技术方案而得出的其他实施方式，满足同向反符合修正特征的处理方式，同样属于本发明的技术创新范畴。
Claims (8)
1.一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：包括：平面活塞换能器(01)、换能器密封固定座(02)、半透明聚苯丙烯透声窗(03)、超声聚焦模块(04)、超声聚焦模块固定座(05)、电机与磁开关固定座(06)、磁芯固定座(07)、TMR磁开关底座(08)及双极步进电机(09)，其中所述换能器密封固定座(02)直接固定于下外管(37)的下部，所述平面活塞换能器(01)固定于换能器密封固定座(02)内部；所述换能器密封固定座(02)固定安装于半透明聚苯丙烯透声窗(03)下端内部；所述双极步进电机(09)设于半透明聚苯丙烯透声窗(03)上端，所述双极步进电机(09)下端伸入半透明聚苯丙烯透声窗(03)上端内部，与设于半透明聚苯丙烯透声窗(03)内部的超声聚焦模块固定座(05)相连接，所述超声聚焦模块固定座(05)上设有超声聚焦模块(04)，所述超声聚焦模块(04)下端与换能器密封固定座(02)上端相连接；所述双极步进电机(09)上端设有磁芯固定座(07)，所述磁芯固定座(07)上端设有TMR磁开关底座(08)；所述磁芯固定座(07)和TMR磁开关底座(08)的外端设有电机与磁开关固定座(06)。
2.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述换能器密封固定座(02)包括换能器走线槽(10)、120°换能器固定螺孔(11)、换能器密封O型圈槽(12)、换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽(13)及注油槽(14)，其中所述换能器走线槽(10)与注油槽(14)设于换能器密封固定座(02)内壁，所述换能器密封固定座(02)外壁上设有换能器密封O型圈槽(12)，所述换能器密封O型圈槽(12)上部的换能器密封固定座(2)外壁上设有换能器密封固定座与半透明聚苯丙烯透声窗连接密封O型圈槽(13)；所述换能器密封固定座(2)外壁上，位于换能器密封O型圈槽(12)上下端各设有三组120°换能器固定螺孔(11)。
3.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述半透明聚苯丙烯透声窗(03)包括半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔(15)、半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽(16)、换能器调节固定台(17)、半透明聚苯丙烯透声窗走线孔(18)及半透明聚苯丙烯透声窗透声面(19)；其中所述半透明聚苯丙烯透声窗(03)最下端均布有三组半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔(15)，所述半透明聚苯丙烯透声窗120°固定螺孔(15)上侧设有半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽(16)，所述半透明聚苯丙烯透声窗密封O型圈槽(16)上侧设有换能器调节固定台(17)，所述换能器调节固定台(17)上设有半透明聚苯丙烯透声窗走线孔(18)，所述半透明聚苯丙烯透声窗走线孔(18)上端为半透明聚苯丙烯透声窗透声面(19)。
4.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述超声聚焦模块(04)包括纵向聚焦凹面(20)、聚焦模块固定螺孔(21)、底部动平衡开孔(22)、侧面动平衡设计(23)及横向聚焦凹面(24)；其中所述超声聚焦模块(04)下端面设有两个聚焦模块固定螺孔(21)，两个聚焦模块固定螺孔(21)之间设有一个底部动平衡开孔(22)；所述超声聚焦模块(04)侧面设有侧面动平衡设计(23)；所述超声聚焦模块(04)斜面上设有纵向聚焦凹面(20)，所述纵向聚焦凹面(20)两侧设有两组横向聚焦凹面(24)。
5.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述超声聚焦模块固定座(05)包括电机旋转轴安装固定孔(25)、聚焦模块固定螺孔(26)及超声声束通道开孔(27)；其中所述超声声束通道开孔(27)设于超声聚焦模块固定座(05)座体上，所述电机旋转轴安装固定孔(25)设于超声聚焦模块固定座(05)座体下端；所述聚焦模块固定螺孔(26)设于超声聚焦模块固定座(05)下端内部。
6.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：电机与磁开关固定座(06)上设有电机排线槽(28)、电机固定螺孔(29)及TMR磁开关底座固定椭圆形开孔(30)。
7.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述磁芯固定座(07)上设有磁芯底座与电机旋转轴120°固定螺孔(31)、磁芯安装槽(32)及磁芯底座与电机旋转轴连接开孔(33)。
8.如权利要求1所述的一种适用于小口径成像测井仪的声学扫描系统，其特征在于：所述TMR磁开关底座(08)上设有TMR磁开关安装开孔(34)和两个TMR磁开关底座固定螺孔(35)。
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