CN115324563A - 一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了海底孤石体原位探测技术领域的一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器、系统及方法，包括声波发射单元，声波发射单元包括单极子发射换能器和偶极子发射换能器，单极子发射换能器包括多个切向极化并周向分布的压电陶瓷部；偶极子发射换能器包括金属基片和压电陶瓷片，金属基片的两侧依次设置有多个长度渐短的压电陶瓷片；声波接收单元，声波接收单元包括声波接收换能器和接收电路模块，声波接收换能器和接收电路模块轴向交替设置并一体化封装。本发明具有尺寸小和信噪比高的优点，不仅适用于海上风电场孤石体原位探测，还具有很高探测精度。

Description

一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器、系 统及方法

技术领域

本发明涉及海底孤石体原位探测技术领域，具体涉及一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器、系统及方法。

背景技术

原位声波测井方法，是一种在地下钻孔环境中，利用声波发射换能器向钻孔围岩发射声波信号，声波在钻孔中经流体耦合后进入地层中，声波开始在钻孔地层中传播，声波遇到地层以及存在于地层中的复杂地质体时，会发生透射，折射和反射等现象，从而产生各种模式波，这些模式波继续传播扩散，返回到钻孔中并被钻孔中的接收换能器接收，利用在一定空间范围内接收到各种声波模式波的回波信号，通过对这种声波回波信号进行分析处理，就实现对地下钻孔附近一定范围内地质体的特性和赋存状态评估。

海上风电场地质勘查面临的海底孤石体，会给海上风电工程施工带来较大问题，但现有勘察方法和仪器设备，在探测海底孤石体时均存在一定的难度，例如：钻孔取样分析评估方法，是一种非原位的评价技术，在实际取样时会对地层进行扰动破坏，除非正好钻遇孤石体，才能发现这个地质体的存在，但在实际海上风电勘查环境下，无异于大海捞针。基于地震方法的浅剖技术，也属于一种声波技术，其可以对海底地层进行探测评价，但这种勘察技术及设备使用的工作频率较低(声波频率从几十Hz到几百Hz)，低频声波虽然具有足够大的探测范围，但存在分辨率较低的缺点，无法探测到小体积的孤石体。基于电阻率方法的高密度电法，也对地层中的各种复杂地质体具有一定的探测能力，但是其工作原理主要是面对可以导电的结构体，比如裂缝和溶洞等(其内部有水)，但由于海底孤石体不导电，无法利用基于电阻率的探测技术和设备进行探测。

对于市场上基于声波测井方法的探测设备而言，从原理上讲，是可以用作海上风电场的海底孤石体探测的，但在实际现场操作过程中发现，现有的探测设备是不适合海上风电勘探作业的，具体原因如下：

1、受限于单极子发射换能器的功率要求和偶极子发射换能器的频带要求，现有探测设备的井下仪器部分外径很大(大于90mm)，而海上风电场的工程钻孔(也叫井孔)直径较小(海上风电钻孔标准和规范要求)，且原位声波测井方法又要求井下仪器部分与井孔基岩具有一定的间隙，以用于声波与流体的耦合，使得现有探测设备并不能满足海上风电场的工程钻孔的使用要求。

2、现有测井仪器设备的地面系统和绞车系统，是用于石油和天然气勘探的，是为超过2000m的深钻孔使用的，其体积过于庞大，施工过程复杂，费时费力，而海上风电场的勘测环境(勘探船和勘探平台)，空间较小，无法运输、安装和操作这种庞大的设备。

3、现有测井仪器，大多数是为深钻孔的油气资源勘探设计的，主要用于评价较深的基岩地层特性，而不适合用于浅表层的地层探测与评价，在这种地层中，地层较为疏松，声波传播衰减严重，其探测的范围和探测分辨率有限，难以满足海上风电场勘查海底孤石体的探测精度要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，以解决现有声波测井换能器体积大的技术问题。

本发明所采用的技术方案为：一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，所述声波测井换能器包括：

声波发射单元，所述声波发射单元包括单极子发射换能器和偶极子发射换能器，所述单极子发射换能器包括多个切向极化并周向分布的压电陶瓷部；所述偶极子发射换能器包括金属基片和压电陶瓷片，在所述金属基片的两侧依次设置有多个长度渐短的压电陶瓷片；

声波接收单元，所述声波接收单元包括声波接收换能器和接收电路模块，所述声波接收换能器和接收电路模块轴向交替设置并一体化封装；

隔声体单元，所述隔声体单元的顶端与声波接收单元连接，底端与声波发射单元连接。

优选的，所述单极子发射换能器还包括引出电极部，所述引出电极部和压电陶瓷部沿圆周方向依次交替设置并导电连接。

优选的，所述金属基片的两侧对称设有2～4个压电陶瓷片。

优选的，所述声波接收换能器和接收电路模块通过绝缘的环氧树脂一体化封装在声波接收单元的安装骨架内。

优选的，所述声波测井换能器包括数据传输单元，所述数据传输单元与声波接收单元顶端连接，用于获取所述接收电路模块就近数字化的数字电信号并输出。

本发明的第二目的在于提供一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，包括上述的声波测井换能器，还包括：

升降机构，所述升降机构包括可轴向移动的电缆线，所述电缆线的底端与声波测井换能器连接，用于带动声波测井换能器在井孔内上升或下降；

数据采集控制模块，所述数据采集控制模块与电缆线电连接，用于控制声波测井换能器向井孔基岩发射声波信号、接收回波信号和输出数字电信号；

数据处理成像模块，所述数据处理成像模块与数据采集控制模块电连接，用于对数字电信号进行降噪处理和偏移成像处理。

优选的，所述升降机构还包括电动绞车，所述电动绞车采用撬体结构，并与电缆线顶端连接，以便于升降机构的吊装和运输。

优选的，所述数据处理成像模块包括依次设置的数据校正单元、数据解编单元、数据处理单元、时差提取单元、成像前处理单元、偏移成像单元、成像后处理单元和图像输出单元；所述数据校正单元用于对数字电信号中深度参数进行校正，所述数据解编单元用于对数字电信号进行编辑，所述数据处理单元用于对数字电信号进行滤波除杂并还原波形数据，所述时差提取单元用于在波形数据中获取各模式波的时差曲线；所述成像前处理单元用于对时差曲线进行波形整形，所述偏移成像单元用于生产孤石体图像，所述成像后处理单元用于消除孤石体图形中的数字噪声，所述图像输出单元用于输出孤石体图像。

优选的，所述声波测井系统的周向分辨率大于等于22.5°。

本发明的第三目的在于提供一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井方法，所述声波测井方法包括上述的声波测井系统，所述声波测井方法包括如下步骤：

S10：利用电缆线使声波测井换能器上升至检测点，顺次按照单极子模式、偶极子模式和多极子模式，控制单极子发射换能器和偶极子发射换能器向井孔基岩发射声波信号，并利用声波接收换能器接收回波信号并转化为模拟电信号；

S20：先利用接收电路模块将所述模拟电信号就近数字化为数字电信号，再通过电缆线将所述数字电信号输送至数据采集控制模块；

S30：利用数据处理成像模块对数字电信号进行降噪处理，然后再进行偏移成像处理并输出孤石体图像。

本发明的有益效果：

1、本发明采用拼接式压电陶瓷管和谐振组合扩频相结合的方式，先将单极子声波换能器的压电陶瓷部和引出电极部沿圆周方向交替设置电连接成拼接式压电陶瓷管，不仅可以释放压电陶瓷管的内部应力，还可通过引出电极部提高拼接式压电陶瓷管的结构强度，使得拼接式压电陶瓷管可加载高压刺激，进而提高单极子声波换能器的发射功率，实现单极子的径向尺寸的减小，间接减小了声波测井换能器的径向尺寸；在偶极子换能器的金属基片两侧顺序设置多个长度渐短的压电陶瓷片，可通过对各个压电陶瓷片给予电场刺激使金属基片发生不同程度弯曲振动，进而产生不同频率的谐振峰，并通过不同频率的谐振峰的组合扩宽频带，减少了偶极子换能器使用数量，间接减小了声波测井换能器的径向尺寸。

2、本发明采用就近数字化的方式，将声波接收单元的声波接收换能器和接收电路模块沿轴向交替设置并连接，缩短了模拟信号在声波接收换能器和数字信号采样模块之间的传输距离，实现了声波信号的就近数字化，有效降低外界环境对信号传输过程中的影响并提高信号传输的信噪比，有助于提高探测精度。

附图说明

图1为本发明的用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器的结构示意图；

图2为单极子发射换能器的结构示意图；

图3为单极子发射换能器的假话方向示意图；

图4为偶极子发射换能器的结构示意图；

图5为偶极子发射换能器的立体示意图；

图6为声波接收单元的结构示意图；

图7为数据处理成像模块结构示意图；

图8为本发明的用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统的结构示意图。

图中附图标记说明：

100、声波测井换能器；

110、声波发射单元；111、单极子发射换能器；112、压电陶瓷部；113、引出电极部；114、偶极子发射换能器；115、金属基片；116、压电陶瓷片；117、发射电路模块；

120、声波接收单元；121、声波接收换能器；122、接收电路模块；123、环氧树脂；

130、隔声体单元；

140、数据传输单元；

200、升降机构；

210、电缆线；220、电动绞车；

300、数据采集控制模块；

400、数据处理成像模块；

410、数据校正单元；420、数据解编单元；430、数据处理单元；440、时差提取单元；450、成像前处理单元；460、偏移成像单元；470、成像后处理单元；480、图像输出单元；

500、海洋水体；

600、海底沉淀物；

700、井孔基岩；

710、孤石体；

800、井孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

发明人发现：对于单极子发射换能器而言，一般都采用高圆管式发射器，但整体式压电陶瓷管存在内部应力，施加高电压激励时容易破碎，致使其难以获得更高的发射功率，只能通过增加径向尺寸和轴向尺寸的方式，来提高圆管式发射器的发射功率，使得声波测井换能器的径向尺寸超过90mm。

对于偶极子发射换能器而言，一般都采用三叠片弯曲振动器结构，但受单一振动模态工作的限制，普遍存在频宽较窄的问题。而为了拓宽偶极子发射换能器的频宽，可以增加偶极子发射换能器上三叠片弯曲振动器的数量，并通过不同谐振峰的组合获得合适的频宽，但三叠片弯曲振动器数量的增多，就需要更多的安装位置，导致安装骨架径向尺寸急剧增加，从而使得声波测井换能器的径向尺寸远超过90mm。

对于声波接收单元而言，接收电路模块设置在多个轴向设置的声波接收换能器的上方，使得各个声波接收换能器与接收电路模块的距离大小不一，而声波接收换能器输出的模拟电信号向接收电路模块的传输过程中，传输距离越远越容易受到外接环境的影响，使得噪声增加，并降低信号的信噪比，影响探测精度。

实施例，如图1-图5所示，一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，该声波测井换能器100包括沿轴线方向，从上到下依次连接的声波接收单元120、隔声体单元130和声波发射单元110；其中：

声波发射单元110包括用于向井孔基岩700发射声波信号的单极子发射换能器111和偶极子发射换能器114；其中，单极子发射换能器111包括拼接式压电陶瓷管，该拼接式压电陶瓷管同轴固定在安装骨架(未示出)内，并位于偶极子发射换能器114上方；偶极子发射换能器114包括四个三叠片弯曲振动器，四个三叠片弯曲振动器沿圆周方向均匀分布，并固定连接于安装骨架的安装槽内。拼接式压电陶瓷管包括多个周向分布并连接的压电陶瓷部112，且每个压电陶瓷部112的极化方向为切向，也就是圆周方向。三叠片弯曲振动器包括一个金属基片115和多个压电陶瓷片116，在金属基片115的两侧依次设置有多个长度渐短的压电陶瓷片116，且压电陶瓷片116的极化方向为金属基片115的厚度方向。

声波接收单元120包括声波接收换能器121和接收电路模块122，声波接收换能器121用于接收回波信号并输出模拟电信号，声波接收换能器121和接收电路模块122轴向交替设置，且声波接收换能器121和接收电路模块122一一对应电连接并一体化封装于安装骨架上圆周均布的多个轴向安装孔中，接收电路模块122用于将声波接收换能器121输出的模拟电信号就近转化为数字电信号。

隔声体单元130的顶端与声波接收单元120连接，底端与声波发射单元110连接。

本申请采用拼接式压电陶瓷管和谐振组合扩频相结合的方式，先将多个切向极化的压电陶瓷部112沿周向设置并连接成压电陶瓷管，然后将压电陶瓷管的两端与安装骨架同轴连接形成单极子声波换能器111，由于压电陶瓷管采用拼接式结构，相较于整体式压电陶瓷管，可以释放压电陶瓷管的内部应力，使得压电陶瓷管可以加载高电压激励，并向井孔基岩700发射高功率的声波信号。也就是说，在相同发射功率前提下，拼接式压电陶瓷管可以具有更小的径向尺寸，间接使声波测井换能器100具有更小的径向尺寸。本申请在金属基片115两侧顺序固定连接有多个厚度方向极化且长度渐短的压电陶瓷片116，形成了具有不同频率谐振峰的三叠片弯曲振动器，将偶数个三叠片弯曲振动器对称安装在安装骨架上，可以形成偶极子发射换能器114，对该三叠片弯曲振动器的不同压电陶瓷片116给予电场刺激，可使三叠片弯曲振动器发生不同程度的弯曲振动，并产生不同频率的谐振峰，再通过不同频率的谐振峰的组合扩宽频带，可以减少偶极子发射换能器114的三叠片弯曲振动器在安装骨架上的安装数量，有利于安装骨架径向尺寸的减小，间接减小声波测井换能器100的径向尺寸。

其中，声波测井换能器100的工作参数为：径向尺寸不大于75mm，声波发射和声波接收的工作频带范围为：0.5kHz～30kHz的单极纵波激励信号，1kHz～6kHz的偶极横波激励信号，海底孤石体710的最小探测距离为20m，孤石体710最小可探测尺度为0.5m。

在一具体实施例中，如图2、图3所示，单极子发射换能器111还包括引出电极部113，且引出电极部113和压电陶瓷部112沿圆周方向依次交替设置，并通过导电胶粘接固定连接形成拼接式压电陶瓷管，在该拼接式压电陶瓷管的两端面和内外表面均包覆有绝缘的环氧树脂层，以提高拼接式压电陶瓷管的结构强度。如此设置，是因为：对于切向极化的拼接式压电陶瓷管而言，在使用时，需要在将组成拼接式压电陶瓷管的每个压电陶瓷部112切向两端的外表面、内表面分别与阳极引线、阴极引线电连接，进而导致单极子发射换能器111结构复杂，并影响密封效果。本实施例将引出电极部113沿圆周方向与压电陶瓷部112交替设置，并通过导电胶粘接呈拼接式压电陶瓷管，可使引出电极部113的内侧面成为拼接式压电陶瓷管的一部分，通过阳极引线和阴极引线与引出电极部133内表面的交替连接，可以简化单极子发射换能器111的结构；同时引出电极部113还可以提高拼接式压电陶瓷管的整体结构强度，以防止压电陶瓷管的破碎，使得单极子发射换能器111在满足发射功率的前提下，可以具有更小的径向尺寸。

在一具体实施例中，如图4、图5所示，在金属基片115的两侧对称设有2～4个压电陶瓷片116，越靠近金属基片115，压电陶瓷片116的长度越长，且金属基片115与压电陶瓷片116之间、压电陶瓷片116与压电陶瓷片116之间均通过绝缘的环氧树脂粘接固定连接。如此设置，是因为：在金属基片115的两侧镜像对称设置压电陶瓷片116，在给予电场刺激时，可通过金属基片115一侧的压电陶瓷片116的伸长，另一侧压电陶瓷片116的缩短，驱使金属基片115发生弯曲振动。同时由于三叠片弯曲振动器的两端固定连接在安装骨架的安装槽内，压电陶瓷片116的厚度方向接与安装骨架的径向相同，所以金属基片115两侧的压电陶瓷片116的数量越多，三叠片弯曲振动器的厚度越后，安装骨架上安装槽的槽深越深，为了相邻两个三叠片弯曲振动器的振动之间不会相互干涉，就需要增大安装骨架的径向尺寸。发明人发现，当金属基片115一侧的压电陶瓷片116的数量不多于4个时，可以直接使用现有安装四个三叠片弯曲振动器的安装骨架，同时满足偶极子发射换能器114的径向尺寸小于90mm。

在一具体实施例中，如图5所示，声波接收换能器121和接收电路模块122通过绝缘的环氧树脂123一体化封装于安装骨架上圆周分布的轴向安装孔中。如此设置，是因为：为了准确接收到回波信号，需要在安装骨架圆周上的4个方向或8个方向上设置声波接收换能器121；在现有技术中，为了便于声波信号的耦合，需要先将多个声波接收换能器121沿轴向等间隔的设置在充满硅油的橡胶皮囊中，然后再安装在安装骨架的轴向安装孔中并密封，如此，不仅存在硅油泄漏的风险，还会导致安装骨架径向尺寸的增加。在本实施例中，通过环氧树脂将交替轴向设置的声波接收换能器121和接收电路模块122直接封装于安装骨架的轴向安装孔中，不仅杜绝了硅油泄漏的风险，还可以减小安装骨架的径向尺寸，有助于减小声波测井换能器100的径向尺寸。

在一具体实施例中，如图1所示，该声波测井换能器100包括数据传输单元140和发射电路模块117，该数据传输单元140设置在声波接收单元120的顶端，并与声波接收单元120电连接，用于获取接收电路模块122就近数字化的数字电信号并输出；该发射电路模块117固定连接在偶极子发射换能器114下方，用于控制单极子发射换能器111和偶极子发射换能器114向井孔基岩700发射声波信号。

在一具体实施例中，隔声体单元130采取了软连接设计，通过刻槽和材料填充的方式在安装骨架上设置隔声体单元130，例如：添加各种弹性材料可以减小纵波直达波(延迟直达波时间和加大直达波衰减)，通过柔性连接，减小弯曲波的直达波(柔性结构阻断剪切模式的声波传播。

实施例、如图6所示，一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，包括上述的声波测井换能器100和升降机构200、数据采集控制模块300、数据处理成像模块400；其中，升降机构200包括可在井孔800中轴向移动的电缆线210，该电缆线210的底端与声波测井换能器100连接，用于带动声波测井换能器100在井孔800内上升或下降，以在不同深度进行孤石体710进行探测；数据采集控制模块300设置在海面上的勘探平台上，数据采集控制模块300与电缆线210的顶端电连接，数据采集控制模块300通过电缆线210向声波测井换能器100发送控制指令，并控制声波测井换能器100向井孔基岩700发射声波信号、接收回波信号、就近数字化和输出数字电信号；数据处理成像模块400设置在海面上的勘探平台上，并与数据采集控制模块300电连接，用于对数据采集控制模块300获取的数字电信号进行降噪处理、偏移成像处理并输出孤石体图像。

本申请先通过升降机构200的电缆线210对声波测井换能器100的拖拽作用，使声波测井换能器100向上移动至检测点，再通过数据采集控制模块300控制声波测井换能器100向井孔基岩700中发射声波信号，并采用就近数字化的方式将回波信号转化的模拟电信号输出为数字电信号，以减小信号传输过程中受到的干扰，最后通过数据处理成像模块400对获取的数字电信号进行降噪处理滤除杂波，并通过偏移成像技术生成孤石体图像，完成孤石体710的准确探测。

在一具体实施例中，升降机构200还包括一电动绞车220，该电动绞车220整体采用撬体结构，以便于电动绞车220的起吊和运输，电缆线210的顶端与电动绞车220连接，以通过电动绞车220的转动，拖动电缆线210在井孔800中沿轴向移动。

具体的，电动绞车220由电动机、机架总成、减速装置、配电柜和操作控制及显示装置组成，并可配备标准7芯测井电缆线，其主要用于完成声波测井换能器100的下放和提升，电动绞车220采用一体化简易橇体结构，方便海上风电场勘查现场的整体吊装，可用于空间比较狭小的海上风电勘查(勘探平台或勘探船)作业现场。其中，电动机为动力源，机架总成用于安装电缆线210，减速装置用于控制电缆线210的下放和提升速度。

其中，升降机构200的工作参数为：重量应小于2000kg，可负载1000米电缆，最大提速10m/min，电动绞车220的体积范围为长*宽*高：1600mm*1500mm*1200mm。

在一具体实施例中，数据采集控制模块300经过一体化设计，可放置在地面(勘探船或者勘探平台上)，操作使用快捷。数据采集控制模块300包括工控计算机模块、数据采集硬件模块和数据采集软件模块。其中，工控计算机模块主要完成声波测井换能器100的控制；数据采集硬件模块包括地面采集控制电路和井下数据通信控制电路；数据采集软件模块用于完成现场数据采集，包括多种发射换能器的供电激励，按一定深度间隔分布的四个方向的接收阵列换能器的信号采集，以及数据的存储和传输。

在对钻孔现场数据进行采集的过程中，针对接收换能器器阵列容易受到钻孔结构(直径较小，容易破碎倒塌)、钻孔流体(泥浆等复杂井孔流体性质)和周围地层属性及结构(浅表层较为疏松，钻孔附近可能存在孤石等地质体)的影响，在进行声波到时提取面临的困难，本实施例采用基于多模式声波(纵波，X-Y横波和斯通利波等)首波到时的采集方式，对各个模式波分别处理，同时在现场可结合人机(数据采集过程进行人工干预和调整设置)互动干预，来提取各个模式波的到时，可有效滤除现场原位采集数据中的干扰噪声信号，最大程度提高有用信号。

其中，数据采集控制模块的主要工作参数为，标准110V-220V供电，采用CAN总线完成数据传输，可选择深度中断和时间中断两种方式来采集数据(深度中断，即每提升一个深度，完成一次数据采集；时间中断：每隔一段时间，完成一次数据采集)，系统可适于海上潮湿等环境，工作温度-20℃-50℃，数据采集传输速率可达500kb/s，箱体尺寸范围为：长*宽*高：500mm*400mm*200mm。

在一具体实施例中，如图7所示，数据处理成像模块400包括依次设置的数据校正单元410、数据解编单元420、数据处理单元430、时差提取单元440、成像前处理单元450、偏移成像单元460、成像后处理单元470和图像输出单元480；其中，数据校正单元410用于对数字电信号中深度参数进行校正，数据解编单元420用于对数字电信号进行编辑，数据处理单元430用于对数字电信号进行滤波除杂并还原出波形数据，时差提取单元440用于在波形数据中获取各模式波的时差曲线；成像前处理单元450用于对时差曲线进行波形整形，偏移成像单元460用于生产孤石体图像，成像后处理单元470用于消除孤石体图形中的数字噪声，图像输出单元480用于输出孤石体图像。

如此设置，是因为：海上风电场勘查时，需要克服三个问题，第一是孤石体710分布具随机性、不确定性和不均匀性，形状特征复杂多变，导致偶极子远探测设备所探测的反射波信号具有多解性；第二是孤石体700基本分布在相对较为松软的围岩地层中，声波在该类松软地层中的传播衰减非常严重，因此接收到的信号相较弱；第三是海洋环境下各种干扰声源信号多而复杂，获得有效的声学信号较为困难。本申请通过从微弱信号中提取有效偶极声源反射信号着手，通过采用各种信号处理技术，进一步提高信噪比，获得高质量的有用信号，同时结合声波正演和反演技术手段，来模拟和评价地层结构和孤石体的空间形态特征，可实现海上风电场勘查中的快速现场数据解译。

具体的：数据校正单元410用于完成数据的深度校正。

数据解编单元420用于解编深度校正后的数据文件格式，并保存为该软件底层的通用数据格式，便于后续数据处理和图件绘制。

数据处理单元430用于对解编后的原始波列数据进行预处理，结合增益和延迟曲线还原出真实的波形数据，智能匹配常规测井曲线，并自动将其导入预处理后的阵列数据曲线组，用于后续处理和解释。

时差提取单元440利用FFT或FIR对波形数据进行带通滤波处理，消除零频偏移，同时剔除低频端和高频端的干扰信号，利用优化的慢度-时间相关法(STC方法)快速计算出慢度-时间相关系数矩阵；借助智能梯形窗搜索函数，准确提取地层的纵波、横波和斯通利波的时差，并给出相应的到时曲线，利用线性预测方法评估时差曲线的计算精度，并给出误差曲线，用于评价时差曲线可靠性。

成像前处理单元450用于对时差曲线进行波形整形，达到消除干扰、提高精度的目的。比如利用最小二乘进行波形整形，达到减少波形振荡周期和积攒反射波能量的目的，利用自适应滤波算法滤除直达波并增强反射波，利用逆衰减滤波技术进一步对反射波进行幅度补偿。

偏移成像单元460利用偏移成像技术生产孤石体图像。具体为：借鉴地震成像原理，定制测井模式的成像处理方法，包括波场分离、中值滤波、共中心点叠加等反射波提取增强功能，以及叠前偏移、叠后偏移、近平偏移等偏移成像功能，成像过程聚焦测井仪器辐射区域，沿井孔轨迹逐点扫描成像，提高处理速度、增强成像效果。

成像后处理单元470利用图像处理技术消除数字噪声，进一步压制直达波残余噪声，凸显有效反射体，处理方法包括去直留斜和f-k域滤波功能。

和图像输出单元480用于孤石体图像的实时显示。

其中，数据处理成像模块400的工作参数为：操作系统Windows8及以上，硬件处理器2.5GHz以上，内存8G以上，磁盘空间20GB，时差提取处理速度不低于1000米/分钟，成像处理速度不低于500米/分钟。

优选的，声波测井系统的周向分辨率大于等于22.5°，也就是沿井孔800圆周方向上，在同一检测点至少输出16个孤石体图像，用以提高探测率。

实施例、一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井方法，该声波测井方法使用的是上述声波测井系统，该声波测井方法包括如下步骤：

S10：利用电缆线210使声波测井换能器100上升至检测点，顺次按照单极子模式、偶极子模式和多极子模式，控制单极子发射换能器111和偶极子发射换能器114向井孔基岩700发射声波信号，并利用声波接收换能器121接收回波信号并转化为模拟电信号。

具体为：通过电动绞车220驱动电缆线210带着声波测井换能器100下降至井孔800底部，然后按照时间中断或深度中断的方式，使声波测井换能器100依次上升至各个检测点；在检测点进行检测时，需要先后按照按单极子模式、偶极子模式和多极子模式，控制单极子发射换能器111和偶极子发射换能器114向井孔基岩700发射声波信号，并利用声波接收换能器121接收各种模式波的回波信号并转化为模拟电信号。

S20：先利用接收电路模块122将模拟电信号就近数字化为数字电信号，并输送至数据传输单元140中，再通过电缆线210将数字电信号输送至数据采集控制模块300中进行存储。

S30：通过数据处理成像模块400先对数据采集控制模块300内的数字电信号进行降噪处理，再利用偏移成像技术生成孤石体图像，然后输出。

本发明的声波测井系统的使用过程如下：

在海上风电场勘查现场，依托海上勘探平台或勘探船钻井井架，利用电动绞车220将声波测井换能器100下放到钻孔底部，利用电缆线210将声波测井换能器100提升至检测点，开始具体的探测，声波测井换能器100利用高压激励的形式，通过内嵌的多极子声波发射换能器，在充液的勘探钻孔中向周围地层发射低频宽带声波信号，声波信号在钻孔地层中滑行传播，其最终被安装在井轴方向上，按一定深度间隔分布，四个方向分布的接收阵列换能器接收，整个探测过程由数据采集控制模块300在时序上进行各种模式波数据的控制(时序采集顺序为单极子模式，偶极子模式，组合模式)，然后利用电动绞车220的电缆线210，将数据上传到数据处理成像模块400，完成海上风电场海底地层中的孤石体探测。

在本申请中，声波发射单元110将数据采集控制模块300提供的电能量通过单极子发射换能器111和偶极子发射换能器114转换为向钻孔围岩辐射的、预先设置好的低频和宽带的声波机械传播能量，并通过钻孔内流体的耦合进入地层中传播；隔声体单元130采用多种可选的隔声方式去除和减小激励声波信号通过外壳传播的直达波信号；声波接收单元120采用一体化声波接收器(即将声波接收换能器121和接收电路模块122一体化封装，可提高接收灵敏度)方式，将钻孔地层中声波传播的机械能量，通过声波接收换能器121转换为多方位设置的电信号(包含有距离钻孔一定范围的孤石体声波反射信号)；数据传输单元140利用定义好的数据传输协议(如CAN总线协议)，将声波接收单元120获取的数字电信号，通过电动绞车220的电缆线210传输到数据处理成像模块400，完成快速在线显示和存储等。

相较于现有技术，本申请至少具有以下有益技术效果：

本申请的声波测井系统能够在海上风电场工程地质勘查中，从海底较为疏松的浅表地层中获取原位非扰动的、高质量、多维度、高信噪比声波数据，且系统的各个组件针对海上风电场环境进行了专门设计，现场操作快捷，省时省力，并可以实现海上风电场基础地质勘查中各种结构体的探测，尤其是实现海底孤石体的精准探测与评估。

本申请针对海上风电场勘查中的孤石体探测要求，进行了基于海上风电场现场条件的整体性设计，针对声波测井换能器100、升降机构200、数据采集控制模块300和数据处理成像模块400进行了一系列模块化、小型化和针对性设计，形成了完整的专门针对海上风电场工程勘测中海底孤石体的原位声波探测设备，其可便捷地用于海上风电场勘查现场，省时省力，方便快捷，精准有效。其中，声波测井换能器100采用小直径设计，以便适合现有海上工程钻孔的小井孔，并保证声波测井换能器100的提升等操作也更为轻便；电动绞车220采用小体积设计，结构紧凑，重量轻且功能齐备；数据采集控制模块300采用小型化设计，同时兼备快速现场采集和快速数据传输功能；数据处理成像模块400具有数据处理快速且准确的特点，可适应海上风电场海底孤石体探测的实际要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，其特征在于，所述声波测井换能器(100)包括：

声波发射单元(110)，所述声波发射单元(110)包括单极子发射换能器(111)和偶极子发射换能器(114)，所述单极子发射换能器(111)包括多个切向极化并周向分布的压电陶瓷部(112)；所述偶极子发射换能器(114)包括金属基片(115)和压电陶瓷片(116)，在所述金属基片(115)的两侧依次设置有多个长度渐短的压电陶瓷片(116)；

声波接收单元(120)，所述声波接收单元(120)包括声波接收换能器(121)和接收电路模块(122)，所述声波接收换能器(121)和接收电路模块(122)轴向交替设置并一体化封装；

隔声体单元(130)，所述隔声体单元(130)的顶端与声波接收单元(120)连接，底端与声波发射单元(110)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，其特征在于，所述单极子发射换能器(111)还包括引出电极部(113)，所述引出电极部(113)和压电陶瓷部(112)沿圆周方向依次交替设置并导电连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，其特征在于，所述金属基片(115)的两侧对称设有2～4个压电陶瓷片(116)。

4.根据权利要求1所述的一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，其特征在于，所述声波接收换能器(121)和接收电路模块(122)通过绝缘的环氧树脂(123)一体化封装在声波接收单元(120)的安装骨架内。

5.根据权利要求1所述的一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井换能器，其特征在于，所述声波测井换能器(100)包括数据传输单元(140)，所述数据传输单元(140)与声波接收单元(120)顶端连接，用于获取所述接收电路模块(122)就近数字化的数字电信号并输出。

6.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，包括权利要求1-5任意一项所述的声波测井换能器(100)，其特征在于，还包括：

升降机构(200)，所述升降机构(200)包括可轴向移动的电缆线(210)，所述电缆线(210)的底端与声波测井换能器(100)连接，用于带动声波测井换能器(100)在井孔(800)内上升或下降；

数据采集控制模块(300)，所述数据采集控制模块(300)与电缆线(210)电连接，用于控制声波测井换能器(100)向井孔基岩(700)发射声波信号、接收回波信号和输出数字电信号；

数据处理成像模块(400)，所述数据处理成像模块(400)与数据采集控制模块(300)电连接，用于对数字电信号进行降噪处理和偏移成像处理。

7.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，其特征在于，所述升降机构(200)还包括电动绞车(220)，所述电动绞车(220)采用撬体结构，并与电缆线(210)顶端连接，以便于升降机构的吊装和运输。

8.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，其特征在于，所述数据处理成像模块(400)包括依次设置的数据校正单元(410)、数据解编单元(420)、数据处理单元(430)、时差提取单元(440)、成像前处理单元(450)、偏移成像单元(460)、成像后处理单元(470)和图像输出单元(480)；所述数据校正单元(410)用于对数字电信号中深度参数进行校正，所述数据解编单元(420)用于对数字电信号进行编辑，所述数据处理单元(430)用于对数字电信号进行滤波除杂并还原波形数据，所述时差提取单元(440)用于在波形数据中获取各模式波的时差曲线；所述成像前处理单元(450)用于对时差曲线进行波形整形，所述偏移成像单元(460)用于生产孤石体图像，所述成像后处理单元(470)用于消除孤石体图形中的数字噪声，所述图像输出单元(480)用于输出孤石体图像。

9.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井系统，其特征在于，所述声波测井系统的周向分辨率大于等于22.5°。

10.一种用于海上风电场孤石体原位探测的声波测井方法，所述声波测井方法包括权利要求6-9任意一项所述的声波测井系统，其特征在于，所述声波测井方法包括如下步骤：

S10：利用电缆线使声波测井换能器(100)上升至检测点，顺次按照单极子模式、偶极子模式和多极子模式，控制单极子发射换能器(111)和偶极子发射换能器(114)向井孔基岩(700)发射声波信号，并利用声波接收换能器(121)接收回波信号并转化为模拟电信号；S20：先利用接收电路模块(122)将所述模拟电信号就近数字化为数字电信号，再通过电缆线(210)将所述数字电信号输送至数据采集控制模块(300)；

S30：利用数据处理成像模块(400)对数字电信号进行降噪处理，然后再进行偏移成像处理并输出孤石体图像。

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