CN109594977A - 一种井下声系 - Google Patents
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Abstract
一种井下声系，包括发射声系短节和接收声系短节，所述发射声系短节包括第一声系单元和第二声系单元，所述第一声系单元、第二声系单元和接收声系短节分别通过连结接头连接测量仪器。所述井下声系结构和规格尺寸设计满足海上风电塔基声波远探测成像与评价系统的测量环境，声系采用了弹性体灌封的大功率单极子纵波发射换能器，优化设计了弹性体灌封的低频宽带正交偶极发射换能器，选择了高灵敏度接收换能器和接收控制电路一体化的接收声系，保证了声系发射的大功率、低频和足够的带宽，以及接收声系的高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电勘探设计和海上探测测井设备技术领域，特别涉及一种井下声系。
背景技术
海上风电勘探设计是海上风电前期工作必备的环节，是海上风电塔基建设、建造的基础。海上风电塔基的设计评价主要包括几种技术途径，即常规物探技术，井下测量技术和钻孔取样技术，每种技术又包括不同的实现方法，并形成多种测量和实施仪器产品。其中，井下测量技术是非常重要的技术之一，同样，井下测量技术也包括多种测量方法和测量仪器，例如，井下电阻率测量仪器、井下放射性测量仪器、井眼直径测量仪器和井下声波测量仪器等产品。
井下声波测量仪器是指在海上风电塔基钻井完成以后，将装有传感器或者探头的声系和控制单元的井下声波测量仪器放到井眼中完成测量，仪器通过电缆完成地面系统的供电，遥传控制以及提升或下放等，在仪器实施测井时，声波发射传感器发射声波，声波通过井孔流体的耦合，声波信号在井孔地层中传播，在不同的界面处发生透射、折射和反射等声波能量和模式的转换，然后声波信号被接收传感器接收(地层回波信号)，回波信号通过电缆和网络传输协议上传到地面采集控制系统，地面系统对数据进行管理处理，并计算出地层各种模式波的特征数据(速度和衰减等)，利用相关算法对这些特征数据提取分析，完成对井下地层岩性的特性参数获取，以及井眼附近地质结构体的探测评价。
目前井下发射声系主要采用两种方式，单极子声系和偶极子声系发射，其中单极子声系实现单极子纵波测量的激励，偶极子声系完成弯曲横波测量的激励，接收声系完成纵波、横波等各种模式波的接收。目前，井下声系单元面临的主要问题包括，第一，声系工作频率高且带宽较窄。现有仪器声系发射工作频率较高，单极子在10-15kHz之间，偶极子在1-6kHz之间，工作带宽是通过谐振峰的组合来实现的，发射带宽明显受限，而风电塔基部分的地层，属于非常疏松和高孔隙地层，可能含气，也可能含有多种复杂的结构地质体，发射声系的高频声波信号衰减非常严重，因此，目前的发射声系设计，无法满足塔基区域的地层和地层中的地质结构体进行全面评价和探测。第二，接收声系灵敏度较低，目前的接收声系，局限于井下环境条件的限制，接收声系灵敏度较低，一般在-230dB到-200dB的范围内，因风电塔基地层的疏松特性，接收声波信号非常弱小，低灵敏度的接收声系无法获得与地层和地质结构体评价相关多种模式波的信号。第三，声系规格尺度较大且采用复杂繁琐的硅油密封封装，海上塔基探测的钻孔较小，井眼直径一般在90-150mm的范围内，现有声系直径一般都大于108mm，为耦合和密封要求，一般对声系采用了抽真空的硅油充填办法，封装、安装、维护非常耗时耗力。
发明内容
本发明的目的是提供一种井下声系单元，采用了低频的发射声系，频率低于1kHz，使得低频的声波信号能在疏松的地层中传播衰减更小，采用复合结构的拓展发射带宽设计使得发射声系适于风电塔基各种复杂地层的探测，在低频段对发射传感器进行激励控制，可以使传感器的效率达到最佳。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种井下声系，包括发射声系短节和接收声系短节，所述发射声系短节和接收声系短节分别通过连结接头连接测量仪器。
所述发射声系短节包括第一声系单元和第二声系单元。所述第一声系单元包括第一外壳、设置在所述第一外壳内的第一骨架以及设置在所述第一骨架上的若干单极子发射换能器。所述第一骨架包括第一骨架主体、设置在所述第一骨架主体一端的顶盖以及设置所述顶盖上设置第一接线柱，所述第一骨架主体设有用于泥浆流通的第一通道，所述单极子发射换能器采用弹性体封装在所述第一骨架主体上。所述单极子发射换能器采用圆管型压电元件。所述单极子发射换能器设有两个，也可以设有四个，且并联连接。
所述第二声系单元包括第二外壳、设置在所述第二外壳内的第二骨架以及设置在所述第二骨架上的若干偶极子发射换能器，所述第二骨架设置将若干所述偶极子发射换能器隔开的骨架接板，所述偶极子发射换能器通过弹性体封装在所述第二骨架上，所述第二骨架包括所述第二骨架主体、设置在所述第二骨架主体两端的密度块以及设置在一端所述密度块上的第二连接柱。所述偶极子发射换能器采用三叠片结构的压电元件，所述三叠片结构包括金属基片和设置在所述金属基片两侧的压电陶瓷片，所述金属基片的两面均有刻槽。所述偶极子发射换能器包括偶极子发射长片换能器和偶极子发射短片换能器。所述偶极子发射换能器设有八个，四个偶极子发射长片换能器和四个偶极子发射短片换能器，在平面内，X、Y方向上各设置两个偶极子发射长片换能器和偶极子发射短片换能器，正交设置。
所述接收声系短节包括接收声系外壳、设置在所述接收声系外壳内的接收声系骨架以及设置在所述接收声系骨架上的接收电路模块和若干接收换能器，所述接收换能器和接收电路模块通过弹性体封装在所述接收声系骨架内。所述接收换能器采用五叠片结构，所述五叠片结构包括三层金属基片和两层压电陶瓷片，两层金属基片之间设置一层压电陶瓷片。所述接收声系骨架设有贯穿所述接收声系骨架的泥浆通道。所述接收声系骨架上设有接收声系接线柱。所述接收换能器设有32个，设置为八站，每站四个，正交方式安装组合。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述井下声系采用了低频的发射声系，频率低于1kHz，使得低频的声波信号能在疏松的地层中传播衰减更小，采用复合结构的拓展发射带宽设计使得发射声系适于风电塔基各种复杂地层的探测，在低频段对发射传感器进行激励控制，可以使传感器的效率达到最佳。所述井下声系采用了高灵敏度的接收声系设计，接收声系的灵敏度与压电材料关系很大，在仪器工作温度范围内，具备高接收效率的压电陶瓷材料，进一步提高了接收灵敏度，为了实现远探测声波信号的有效性并减少电路控制方面的信号衰减，将接收控制电路与接收传感器集成为一个模块单元，这样，接收声系短节就更有利于接收小弱信号，可保证在低速的海底地层中获得横波信息，最重要的是，可以获得井旁大范围内的地质体反射波信息。所述井下声系是专门为海上风电塔基声波远探测成像与评价的仪器产品而设计的，发射和接收声系规格尺度更小，同时，对发射和接收声系进行了全新的耦合密封设计，发射和接收声系选择采用弹性体(例如橡胶和聚氨酯等)封装，在解决了耦合和密封的基础上，使得声系更便于安装和维护，故障率下降，同时，针对风电塔基勘测钻孔较小的情形，设计和尺度更小的发射和接收声系，在保证探测有效性的条件下，满足风电塔基探测的海上作业工况需求。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：
图1是本发明一具体实施例的井下声系的结构示意图；
图2是本发明一具体实施例的井下声系的第一声系单元的结构示意图；
图3是本发明一具体实施例的井下声系的第二声系单元的结构示意图；
图4是本发明一具体实施例的井下声系的接收声系短节的结构示意图。
图中所示：1-第一声系单元、2-第一外壳、3-泥浆、4-第一骨架主体、5-弹性体、6-圆管型压电元件、7-第一通道、8-顶盖、9-第一接线柱、10-连结接头、11-第二声系单元、12-第二外壳、13-第二骨架主体、14-骨架接板、15-密度块、16-偶极子发射长片换能器、17-偶极子发射短片换能器、18-金属基片、20-压电陶瓷片、21-刻槽、22-第二连接柱、23-接收声系短节、24-接收声系外壳、25-接收声系骨架主体、26-接收换能器、27-接收电路模块、28-接收换能器基片、29-接收压电陶瓷片、30-环氧树脂、31-接收电路板、32-接收声系接线柱、33-第二通道。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
井下声波测量仪器是指在海上风电塔基钻井完成以后，将装有传感器或者探头的井下声系和控制单元的井下声波测量仪器放到井眼中完成测量，仪器通过电缆完成地面系统的供电，遥传控制以及提升或下放等，在仪器实施测井时，声波发射传感器发射声波，声波通过井孔流体的耦合，声波信号在井孔地层中传播，在不同的界面处发生透射、折射和反射等声波能量和模式的转换，然后声波信号被接收传感器接收(地层回波信号)，回波信号通过电缆和网络传输协议上传到地面采集控制系统，地面系统对数据进行管理处理，并计算出地层各种模式波的特征数据(速度和衰减等)，利用相关算法对这些特征数据提取分析，完成对井下地层岩性的特性参数获取，以及井眼附近地质结构体的探测评价。
请参见图1，一种井下声系，包括发射声系短节、接收声系短节，所述发射声系短节和接收声系短节分别通过接头连接测量仪器，所述发射声系短节和接收声系短节通过电缆连接设置在所述测量仪器上的电源。
请参见图2，所述发射声系短节包括第一声系单元1和第二声系单元11。所述第一声系单元包括第一外壳2和设置在所述第一外壳2内的第一骨架，单极子发射换能器设置在所述第一骨架上，所述第一骨架通过接触一端的公共轴心螺纹扣连接所述第一外壳2。所述第一骨架包括第一骨架主体4、设置在所述第一骨架主体4一端的顶盖8以及设置在所述顶盖8上的第一接线柱9，所述第一声系单元1通过所述第一接线柱9与所述电缆连接从而连接电源。所述第一骨架设有用于流通泥浆3的第一通道7，所述单极子发射换能器采用弹性体5封装在所述第一骨架主体4上，所述弹性体5可以采用橡胶或者聚氨酯。所述单极子发射换能器设有两个，也可以设有四个，且并联连接。所述单极子发射换能器采用圆管型压电元件6，选择大功率圆管结构换能器，工作频率为10kHz～30kHz。
请参见图3，所述第二声系单元11包括第二外壳12、设置在所述第二外壳12内的第二骨架以及设置在所述第二骨架上的若干偶极子发射换能器，所述第二骨架上设置将若干所述偶极子发射换能器隔开的骨架接板14。所述第二骨架包括第二骨架主体13、分别设置在所述第二骨架主体13两端的密度块15、以及设置在一端所述密度块15上的第二连接柱22，所述第二声系单元11通过所述第二接线柱22与所述电缆连接从而连接电源。所述偶极子发射换能器采用三叠片结构的压电元件，所述三叠片结构由金属基片18和分别设置在所述金属基片18两个面的压电陶瓷片20组成，利用环氧树脂将三个片粘接在一起，所述金属基片18可以选择材料铝、铜或者金属合金，所述金属基片18的两面均有刻槽21，刻槽21结构拓展了换能器的带宽。通过选择所述金属基片18的尺寸，控制工作频率，所述偶极子发射换能器包括偶极子发射长片换能器16和偶极子发射短片换能器17。所述偶极子发射换能器设有八个，四个偶极子发射长片换能器16和四个偶极子发射短片换能器17，正交设置，具体的，在X和Y方向上各设置两个偶极子发射长片换能器16和偶极子发射短片换能器17，对于偶极子发射短节，其含有32只发射换能器，作为一个预期设计的发射整体，与单极子发射短节不同，其两端设置有密度块，该密度块采用密度远大于其金属骨架的合金材料，这种两端高密度设置将偶极发射换能器限定在一个相对封闭的声学系统内，保证偶极子系统不受外部系统的干扰。所述偶极子发射换能器通过弹性体5封装在所述第二骨架主体13上，保证密封、耦合以及较小的承压缓冲，所述弹性体5可以采用橡胶或者聚氨酯，环氧树脂依据换能器的耐温性能进行选择。
请参见图4，所述接收声系短节23包括接收声系外壳24、设置在所述接收声系外壳24内的接收声系骨架以及设置在所述接收声系骨架上的接收电路模块27和若干接收换能器26，所述接收电路模块27对每个所述接收换能器26接收到的信号进行前置放大、自动增益控制和滤波等实时处理，极为有效地提高所述接收换能器26的接收灵敏度，并减小传输中的干扰和信号衰减。所述接收声系骨架包括接收声系骨架主体25和设置在所述接收声系骨架主体25上的接收声系接线柱32，所述接收声系短节23通过所述接收声系接线柱32与所述电缆连接从而连接电源。所述接收换能器26和接收电路模块27通过弹性体5封装设置在所述接收声系骨架主体25上，首先，采用防水的环氧树脂灌封所述接收声系电路模块27，然后，采用弹性体5将所述接收换能器26和接收声系电路模块27封装在所述接收声系骨架主体25上，所述接收声系骨架主体25设置有用于泥浆3通过的第二通道33。所述接收换能器26采用五叠片结构，所述五叠片结构包括三层接收换能器基片28和两层接收压电陶瓷片29，所述接收换能器基片28和接收压电陶瓷片29交替设置，并粘接在一起，所述接收换能器基片28作为换能器的极性控制，所述接收压电陶瓷片29位于中间层，所述接收压电陶瓷片29的厚度决定了换能器的谐振性能。所述接收换能器26设有32个，设置为八站，每站四个，正交方式安装组合。
所述第一外壳2、第二外壳12和接收声系外壳24上均设置有连结接头10，通过所述连结接头10与测量仪器的其它部件连接。
所述单极子发射换能器激发单极纵波信号，所述偶极子发射换能器激发弯曲横波信号，声波信号在钻孔底层中传播，最后被接收换能器26接收。所述井下声系专门为海上风电塔基声波远探测成像与评价的仪器产品而研发的，首先，所述井下声系采用了低频的发射声系，频率低于1kHz，使得低频的声波信号能在疏松的地层中传播衰减更小，采用复合结构，所述第一声系单元采用单极子发射换能器用于单极纵波信号的声源激励，所述第二声系单元采用偶极子发射换能器用于偶极横波信号的声源激励，拓展发射带宽设计使得发射声系适于风电塔基各种复杂地层的探测，在低频段对发射传感器进行激励控制，可以使传感器的效率达到最佳。然后，所述井下声系采用了高灵敏度的接收声系设计，采用具备较高接收效率的压电陶瓷材料提高接收声系的灵敏度，具备较高接收效率的压电陶瓷材料。为了实现远探测声波信号的有效性并减少电路控制方面的信号衰减，将接收控制电路与接收传感器集成为一个模块单元，这样，接收声系短节就更有利于接收小弱信号，可保证在低速的海底地层中获得横波信息，最重要的是，可以获得井旁大范围内的地质体反射波信息。最后，所述井下声系是专门为海上风电塔基声波远探测成像与评价的仪器产品而设计的，发射和接收声系规格尺度更小，同时，对发射和接收声系进行了全新的耦合密封设计，发射和接收声系选择采用弹性体(例如橡胶和聚氨酯等)封装，在解决了耦合和密封的基础上，使得声系更便于安装和维护，故障率下降，同时，针对风电塔基勘测钻孔较小的情形，设计和尺度更小的发射和接收声系，在保证探测有效性的条件下，满足风电塔基探测的海上作业工况需求。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (10)
1.一种井下声系，其特征在于，包括发射声系短节和接收声系短节，所述发射声系短节包括第一声系单元和第二声系单元，所述第一声系单元、第二声系单元和接收声系短节分别通过连结接头连接测量仪器。
2.根据权利要求1所述的井下声系，其特征在于，所述第一声系单元包括第一外壳、设置在所述第一外壳内的第一骨架以及设置在所述第一骨架上的若干单极子发射换能器，每个所述单极子发射换能器采用圆管型压电元件，所述第一骨架设有用于流通泥浆的第一通道。
3.根据权利要求2所述的井下声系，其特征在于，所述第一骨架包括第一骨架主体、设置在所述第一骨架主体一端的顶盖以及设置在所述顶盖上的第一接线柱，所述单极子发射换能器通过弹性体封装在所述第一骨架主体上。
4.根据权利要求1所述的井下声系，其特征在于，所述第二声系单元包括第二外壳、设置在所述第二外壳内的第二骨架以及设置在所述第二骨架上的若干偶极子发射换能器，所述第二骨架上设置将若干所述偶极子发射换能器隔开的骨架接板。
5.根据权利要求4所述的井下声系，其特征在于，所述第二骨架包括第二骨架主体、分别设置在所述第二骨架两端的密度块以及设置在一端所述密度块上的第二连接柱。
6.根据权利要求4所述的井下声系，其特征在于，所述偶极子发射换能器设有八个，包括四个偶极子发射长片换能器和四个偶极子发射短片换能器，且正交设置，所述偶极子发射换能器采用三叠片结构的压电元件，所述三叠片结构由金属基片和分别设置在所述金属基片两个面的压电陶瓷片组成。
7.根据权利要求1所述的井下声系，其特征在于，所述接收声系短节包括接收声系外壳、设置在所述接收声系外壳内的接收声系骨架以及设置在所述接收声系骨架上的接收电路模块和若干接收换能器，所述接收声系骨架设置有用于泥浆通过的第二通道。
8.根据权利要求7所述的井下声系，其特征在于，所述接收声系骨架包括接收声系骨架主体和设置在所述接收声系骨架主体上的接收声系接线柱，所述接收换能器和接收电路模块通过弹性体封装设置在所述接收声系骨架主体上。
9.根据权利要求7所述的井下声系，其特征在于，所述接收换能器设有32个，设置为八站，每站四个，正交设置。
10.根据权利要求7所述的井下声系，其特征在于，所述接收换能器采用五叠片结构，所述五叠片结构包括三层金属基片和两层压电陶瓷片，所述金属基片和压电陶瓷片交替设置。
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