CN111948293B - 用于岩屑的超声波测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种用于岩屑的超声波测量系统，测量系统包括超声波测量装置、能与超声波测量装置信号连接的超声波采集装置和能与超声波采集装置连接的计算机，其中，超声波测量装置具有底座、设置在底座上的支撑架和设置在支撑架上的超声波探头元，而超声波探头元能发射和接收可选择性的横波与纵波，超声波采集装置用于驱动超声波探头元工作并发射超声波信号和收集反射波信号，计算机用于显示和处理超声波采集装置的数据，该测量系统利用岩屑进行测量，不受井筒限制，可以实时方便的进行测量。

Description

用于岩屑的超声波测量系统
技术领域
本发明涉及石油天然气开发过程中的监测装置技术领域，具体涉及一种用于岩屑的超声波测量系统。
背景技术
岩石力学参数是井眼稳定性分析、水力压裂设计、钻头选型和钻井参数优选、油井出砂分析、油层物性参数应力校正等多种工作的基础数据。声波是岩石力学参数计算、地层压力评价的重要参数，对油气勘探、钻井工程、储层改造均是一项十分宝贵的资料，但声波测井的及时性不强，受井径影响因素大，在特殊工艺井、高温高压井中常常难以测量。
由此，设计一种能实时进行测量的用于岩屑的超声波测量系统是亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种用于岩屑的超声波测量系统。该用于岩屑的超声波测量系统利用岩屑进行测量，不受井筒限制。同时，该超声波测量系统自身体积小巧，便于携带以及便于实时进行测量。另外，该超声波测量系统测量速度快，能很好的测量岩屑的纵波和横波，有助于获取岩石的参数。
根据本发明，提出了一种用于岩屑的超声波测量系统，包括：
超声波测量装置，其具有：
底座、
设置在底座上的支撑架，
设置在支撑架上的超声波探头元，超声波探头元能发射和接收可选择性
的横波与纵波，
能与超声波测量装置信号连接的超声波采集装置，其用于驱动超声波探头元工作并发射超声波信号和收集反射波信号，
能与超声波采集装置连接的计算机，用于显示和处理超声波采集装置的数据。
在一个实施例中，支撑架具有：
与底板连接的竖向设置的支撑柱，
与支撑柱连接的横向延伸的支撑板，超声波探头元设置在支撑板上，
其中，支撑板的一端能间隙式套接在支撑柱上以使得所述支撑板能沿着支撑柱的上下方向移动并固定。
在一个实施例中，在底座上设置用于盛放样品的安装槽，安装槽与超声波探头元相对式设置，并在安装槽的槽底设置低声阻抗垫层。
在一个实施例中，还包括能设置在超声波探头元下方的并与样品耦合连接的延时块。
在一个实施例中，在支撑板上设置呈矩阵式排列的多个超声波探头元，在横向上，超声波探头元频率相同，而在纵向上，超声波探头元的频率不同。
在一个实施例中，在底座上设置有用于限定岩屑的岩屑模具，岩屑模具上具有容纳岩屑的并与超声波探头元位置对应的通孔，填入的岩屑颗粒通过胶黏的方式设置在通孔内。
在一个实施例中，通孔的直径大于或等于超声波探头元的直径。
在一个实施例中，还包括岩屑筛选组件，其包括两个上下间隔式设置的筛网，位于上侧的筛网的孔眼直径为1.5mm，而位于下侧的筛网的孔眼直径为1mm。
在一个实施例中，通孔的直径为2mm。
在一个实施例中，还包括用于打磨胶黏后的岩屑和岩屑模具的打磨组件，打磨组件具有限定岩屑模具的定子和能相对于定子运动的打磨转子。
与现有技术相比，本发明至少具有下列优点中的一个，该用于岩屑的超声波测量系统利用岩屑为样品，其不受井筒的直径以及井筒内的环境等限定，能方便实时进行测量。同时，岩屑的获取非常容易，运行进行大量的测量。并且该测量系统本身体积小巧，便于携带。另外，该超声波测量系统测量速度快，能很好的测量岩屑的纵波和横波，有助于获取岩石的参数。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于岩屑的超声波测量系统；
图2显示了根据本发明的一个实施例超声波测量装置部分图；
图3显示了根据本发明的一个实施例支撑板；
图4显示了根据本发明的一个实施例超声波测量装置部分图；
图5显示了根据本发明的一个实施例的岩屑模具；
图6显示了根据本发明的一个实施例的岩屑筛选组件；
图7显示了根据本发明的一个实施例的打磨组件；
图8显示了根据本发明的一个实施例的超声波数据采集装置的电路框图；
图9显示了根据本发明的一个实施例的超声波探头阵元的电路框图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明的用于岩屑的超声波测量系统。如图1所示，用于岩屑的超声波测量系统包括超声波测量装置12、超声波采集装置11和计算机10。并且，超声波测量装置12包括底座110、支撑架111、超声波探头元108。支撑架111包括横波探头接口104和纵波探头接口105。底座110设置在底座110上。超声波探头元108设置在支撑架111上，用于发射或接收横波，也可以发射或接收纵波。而超声波采集装置11能与超声波测量装置12信号连接，用于驱动超声波探头元108工作并发射超声波信号和收集反射波信号。计算机10能与超声波采集装置11连接，用于显示和处理超声波采集装置11的数据。
如图2、4所示，支撑架111具有与底板110连接的竖向设置的支撑柱113和与支撑柱113连接的横向延伸的支撑板114。其中，超声波探头元108设置在支撑板114上。具体地，支撑板114的一端能间隙式套接在支撑柱上以使得支撑板114能相对于支撑柱113上下移动并固定。也就是说，支撑板114能由支撑柱113上取下，以进行更换或者维修等操作。这种设置也可以使得将横波超声波探头元108设置在一个支撑板114上，而将纵波超声波探头元108设置在另一个支撑板114上。通过更换支撑板114的方式换横波或纵波超声波探头元108。这种方式简单，易于操作。同时，上述设置还能使得支撑板114在支撑柱113的高度方向移动，以调节超声波探头元108距离待测试样的位置，以优化测量结果。
在所述底座110上设置安装槽303，如图2所示。安装槽303与超声波探头元108相对式设置。在安装槽303的槽底设置低声阻抗垫层302。优选地，低声阻抗垫层302由低声阻抗环氧树脂材料制成。该低声阻抗垫层302与岩屑样品的声阻抗差别很大，样品放到安装槽303内后，两者之间的接触面形成了超声波反射界面，超声波在遇到低声阻抗垫层302后反射回来，并被超声波探头108接收到。
还包括延时件301，以延长超声波传播时间，避开超声波测量盲区。在测量过程中，在延时件301与相应的超声波探头108之间可以涂抹蜂蜜类的耦合剂。该延时块108的下端面与待测岩屑样品紧密耦合，二者之间可以涂抹蜂蜜类的耦合剂。
如图3所示，在支撑板114上设置呈矩阵式排列的多个超声波探头元108。在横向(图中Y方向)上，超声波探头元108的频率相同，而在纵向(图中X方向)上，超声波探头元108的频率不同。在测量过程中，位于横向上的频率相同的超声波探头元108同时工作，从而实现超声波的重复测量。通过将纵向的超声波探头元108构造为频率不同，则能实现超声波的多频测量。这种设置方式能优化测量结果，同时提高测量效率。
在底座110的安装槽303内设置有用于限定岩屑的岩屑模具109。岩屑模具109上具有容纳岩屑的并与超声波探头元108位置对应的通孔202，如图5所示。填入的岩屑颗粒通过胶黏的方式设置在通孔202内。优选地，通孔202的直径大于或等于超声波探头元108的直径，这样超声波探头元108能够方便地测到通孔202内岩屑的声波速度。
在一个实施例中，测量系统还包括岩屑筛选组件20，如图6所示。岩屑筛选组件20包括两个上下间隔式设置的筛网21、22。位于上侧的筛网21的孔眼直径为1.5mm，而位于下侧的筛网22的孔眼直径为1mm。在筛选岩屑时，把大孔径筛网21放置在小孔径筛网22的上面，两个筛网21、22之间距离大于10mm。把现场收集到的岩屑放置在大孔径筛网21的上面，使得直径小于1.5mm的岩屑颗粒会掉入到小孔径筛网22的上面，直径小于1mm的岩屑颗粒又会掉入到小孔径筛网22的下面。取出小孔径筛网22上面的岩屑颗粒，这些岩屑颗粒的直径被限制在1mm至1.5mm之间。
在一个实施例中，岩屑模具109为复合材料制成的立方体模具。例如，厚度为5mm，长度和宽度不大于支架底座110的安装槽303的长度和宽度。岩屑模具109内部可以构造例如18个通孔202，以与图3中示出的超声波探头元108对应。而通孔202的直径为2mm。在测量前，将岩屑模具109放置在一个平面上，把筛选的颗粒尺寸1mm至1.5mm的岩屑放置在岩屑模具109的通孔202内，然后向通孔202内注入环氧树脂胶，待环氧树脂胶凝固后，岩屑颗粒就固定在通孔202内。
测量系统还包括打磨组件24，如图7所述。该打磨组件24具有定子203和转子204。定子203和转子204之间的空间用于放置岩屑模具109，定子203周边有卡环。岩屑模具109被卡环卡住，卡环的高度为1mm。当转子204高速旋转时，岩屑模具109被迅速磨削。当岩屑模具109的一个端面磨平后，可以换另一个端面继续磨平，直至转子204磨到卡环为止。
如图1所示，超声波采集装置11提供纵波测量接口104和横波测量接口105，以分别与纵波超声波探头元108和横波超声波探头元108连接。超声波采集装置11还具有与计算机10连接的网口101、电源口102和电源开关103。
在图8中显示了超声波数据采集装置11的电路框图。如图8所示，超声波数据采集装置11具有中央控制电路(CPU)402、数据采集电路403、高压模块404、驱动电路405、超声波阻抗匹配电路406、超声波限幅处理电路407、以太网接口401和超声波探头元108。中央控制电路402控制驱动电路405的通断和脉宽宽度、数据采集电路403的重复采样时间和数据读取、以太网401数据的发送和接收。高压模块404通过升压变压器把12V的电压信号升到50V至400V，数据采集电路403的采样速率达到400MHz，超声波阻抗匹配电路406通过电感、电容和变压器等器件使得超声波探头元108在谐振频率处的阻尼为零，从而产生最大的声压信号。超声波限幅处理电路407由可编程增益放大器(PGA)实现，对接收到的声波信号根据其幅度大小选择不同的放大倍数，从而使得接收到的声波信号适合数据采集电路403采集。
图9显示了超声波探头阵元108驱动电路框图。如图9所示，中央控制电路402控制驱动电路405的脉冲宽度、放大倍数和电路的通断等功能，同时控制多路选择电路410的通道，以选择不同的超声波探头元108工作，例如选择频率为f1的超声波探头阵元1、阵元2和阵元3同时工作，从而实现超声波的重复测量，又如选择频率为f6的超声波探头阵元16、阵元17和阵元18同时工作，从而实现超声波的多频测量，其中阵元1、阵元2和阵元3是3个频率相同的超声波探头元108，阵元16、阵元17和阵元18是3个频率相同的超声波探头元108。
下面根据图1-9详细描述利用超声波测量系统进行测量的方法。
第一，进行岩屑加工处理，包括现场收集岩屑，利用岩屑筛选组件20对岩屑颗粒筛选，挑选出直径为1mm至1.5mm的岩屑颗粒。
第二，准备岩屑模具109，把筛选出的岩屑颗粒放入到岩屑模具109的通孔202内，往通孔202内注入环氧树脂胶，可以使用高温固化或者常温固化的方式使通孔202内的环氧树脂胶凝固。
第三，利用打磨组件24对岩屑模具109打磨，磨平岩屑模具109的两个端面，使两个端面平行，磨平后的岩屑模具109厚度为1mm，最终变成可测的岩屑样品。
第四，连接岩屑超声波测量系统，包括计算机10、超声波采集装置11和超声波探头装置12之间的接口等连接。
第五，通过计算机10设置超声波采集装置11的激发频率，重复采样周期，发射阻尼和接收阻尼。
第六，采用超声波反射法测量岩屑的纵波速度和横波速度(使用不同的超声波探头元108)，把岩屑模具109放置在超声波探头108的下方，进行超声波多频测量和重复测量，通过多频测量获取不同频率的声波速度，通过重复测量获取多次声波测量结果，求取声波测量的平均值。
第七，通过超声波采集装置11采集声波波形，采集的数据通过以太网接口401传回计算机10。
第八，计算机10对采集的声波数据进行处理，绘制出声波波形，提取出声波时差，根据声波时差计算出岩屑的纵波速度和横波速度。再根据纵波速度和横波速度计算出岩石的杨氏模量、泊松比和可钻性级值。
以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化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书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于岩屑的超声波测量系统，其特征在于，包括：
超声波测量装置，其具有：
底座；
设置在所述底座上的支撑架，所述支撑架具有与所述底座连接的竖向设置的支撑柱，以及与所述支撑柱连接的横向延伸的支撑板，其中，所述支撑板的一端能间隙式套接在所述支撑柱上，以使得所述支撑板能沿着支撑柱的上、下方向移动并固定；和
设置在所述支撑板上的超声波探头元，所述超声波探头元能发射和接收可选择性的横波与纵波，
能与所述超声波测量装置信号连接的超声波采集装置，其用于驱动所述超声波探头元工作并发射超声波信号和收集反射波信号，以及
能与所述超声波采集装置连接的计算机，用于显示和处理所述超声波采集装置的数据，
其中，在所述支撑板上设置呈矩阵式排列的多个所述超声波探头元，在横向上，所述超声波探头元频率相同，而在纵向上，所述超声波探头元的频率不同，
在所述底座上设置安装槽，所述安装槽与所述超声波探头元相对式设置，并在所述安装槽的槽底设置低声阻抗垫层，
在所述安装槽内设置有用于限定岩屑的岩屑模具，所述岩屑模具上具有容纳岩屑的并与所述超声波探头元位置对应的通孔，填入的所述岩屑颗粒通过胶黏的方式设置在所述通孔内，
所述用于岩屑的超声波测量系统还包括用于打磨胶黏后的岩屑和所述岩屑模具的打磨组件，所述打磨组件具有限定所述岩屑模具的定子和能相对于所述定子运动的打磨转子。
2.根据权利要求1所述的用于岩屑的超声波测量系统，其特征在于，还包括能设置在所述超声波探头元下方的并与样品耦合连接的延时块。
3.根据权利要求1或2所述的用于岩屑的超声波测量系统，其特征在于，所述通孔的直径大于或等于所述超声波探头元的直径。
4.根据权利要求1或2所述的用于岩屑的超声波测量系统，其特征在于，还包括岩屑筛选组件，其包括两个上下间隔式设置的筛网，位于上侧的所述筛网的孔眼直径为1.5mm，而位于下侧的所述筛网的孔眼直径为1mm。
5.根据权利要求4所述的用于岩屑的超声波测量系统，其特征在于，所述通孔的直径为2mm。
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