CN204152507U - 一种声波测井换能器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声波测井换能器，与声波仪配合用于干孔或洞测试，其包括发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器和蓄水箱，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器依次通过电缆连接，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外都分别包裹弹性胶囊，蓄水箱设置在干孔外，蓄水箱与发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊通过水管连接，蓄水箱控制发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊的水量。与现有技术相比，该声波测井换能器在工作状态自提供耦合剂-水，整个声波测井换能器可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，适应现场各种检测条件，工作效率高，因此其应用前景十分广阔。

Description

一种声波测井换能器

技术领域

本发明涉及一种测井换能器，具体说，是涉及一种声波测井换能器，属于工程检测设备。

背景技术

声波测井是地球物理勘探行业常用的测试方法，研究地层声学性质的各种测井方法的总称，主要用来测量地层各种波的传播速度和幅度。由于声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测井就是利用声波测井仪器通过测量井下岩层的这些声学特性，研究井外地层的岩性、物性，估算地层的孔隙度，判断固井质量的测井方法。在工程建筑中，通常将工程地质与岩体力学联系起来解决工程地质检测等问题，而声波参数是了解岩体、混凝土等的岩土力学参数，确定工区现场评价、检查工作质量，确定地层特性、岩层物性的重要手段，声波测井测量的岩体声学参数可直接用于评价岩体质量，因此声波测井在工程勘察、工程检测行业广泛使用。

声波速度测井是利用声波测井仪器，通过测量井下岩层的声波速度，研究井外地层的岩性、物性，估算地层孔隙度的测井方法。声波测井仪器包括井上部分和井下部分，声波速度测井的井下仪器包括三部分：声波测井换能器、电子线路和隔声体，其中声波测井换能器是主体。声波测井换能器是一种将声信号转换成电信号的压电陶瓷换能器，它与声波仪配套使用。一般声波测井换能器基本采用压电晶体换能器进行声波速度和幅度测量，它利用弹性波的波速随岩体裂隙发育而减小，随应力增大而增大的特性，确定洞室因开挖形成的松弛范围、研究洞室围岩节理、裂隙发育的情况。目前已面世的换能器的电缆一般设计成50米～200米等的系列产品，换能器直径φ26mm～φ80mm，换能器的发射主频为10kHz、20kHz、30kHz、40kHz等。换能器的三部分(发射探头；接收探头1；接收探头2)所使用的电缆是用三根完全一样的射频电缆并扎而成。

在测量岩土的结构状况和力学特性时，声波测井换能器需要引入介质作为耦合剂，发射探头发出声波，波动通过耦合剂的耦合传入岩体，再通过耦合剂的耦合传入接收探头，该耦合剂一般为水或油。通常对于湿孔测量，是直接将声波测井换能器放入充满水的被测孔中测量。而对于干孔测量，则必须为声波测井换能器提供耦合剂，提供耦合剂有两种方案：一种方案是声波测井换能器自身不附带耦合剂，而是被检测的孔或洞内蓄积耦合剂(多为水)，另一种方案是声波测井换能器自身附带耦合剂。

在第一种方案中，被检测的孔或洞一般处于水面以上，需要人工给被检测的孔或洞内灌水，然后声波测井换能器置入被检测孔或洞内测量，而在检测过程中都要求测定天然状态下的性能，这种形式的主动灌水会破坏孔在天然状态下的性能，影响检测结果的精度，另外该种形式会浪费大量的水，特别是有的孔或洞渗水严重，存不住水。

第二种方案声波测井换能器自身附带耦合剂，该种方案节约水资源，适用范围广，是现在声波测井换能器制造的趋势，该种方案又分为两种类型：第一种类型是耦合剂始终附着在声波测井换能器外，基本原理是在换能器外包裹柔性不透水材料制成的囊袋或类似物，通过向囊袋中注介质使之膨胀，以实现换能器和孔壁的耦合，例如CN2005200943348提供的数字声波测井仪声系中提到的“在数字声波测井仪器的使用中，发射换能器T1，T2分别包裹在一圆桶状护套内，四个接收换能器R1，R2，R3，R4整体包裹在皮囊内，所述护套和皮套连通，并注满硅油，这样，既保护了囊内的零部件，又使声波信号能很好的向外耦合”，以及CN2006201760065提供的探头连接装置中提及的“声波成像测井仪器中换能器一般安装在平衡油囊中，并加以密封”，在这种类型的声波测井换能器，油或水使声波测井换能器外附着的皮囊/油囊膨胀，实现声波测井换能器与孔壁耦合，会使声波测井换能器的整体直径扩大，只能测量直径较大的孔，另外介质始终附着在声波测井换能器外，增重整个声波测井换能器的重量，携带不方便，且对介质的需求量比较大，现场工作费时费力、波形信号质量不高、工作效率低，测试效果不够理想；第二种类型是耦合剂仅在工作状态附着在声波测井换能器外，在声波测井换能器测量时，在声波测井换能器外的皮囊内注满水，这样在非工作状态不影响声波测井换能器的尺寸，使声波测井换能器适合不小于声波测井换能器直径的所有被检测的洞或孔，扩大声波测井换能器的适用范围，同时减轻整个声波测井换能器的重量，携带方便，并且该种类型的声波测井换能器需要的水少，节约资源。相比较而言，第二种方案中的第二种类型的声波测井换能器较第一类型更适用，更节约资源。

为实现第二种类型的声波测井换能器——耦合剂仅在工作状态附着在声波测井换能器外，现有技术提出了一种技术方案——CN002260778提供的干孔及有水孔双用声波测试探头，该声波测试探头中声波发射器和声波接收器外包覆有弹性胶囊水套，在胶囊水套下部联有向其提供压力水的水槽；水槽内设置有膨胀气囊，与压缩空气源相连，但是该声波测试探头存在以下问题：1、水槽设置在声波接收器下方，增加了换能器的重量，不便于测量；2、采用压缩空气源对气囊充气，通过气囊的膨胀使水槽内的水克服自身重力由下向上进入声波发射器和声波接收器外包覆的弹性胶囊水套内，这样需要耗费极大的气力才能使水进入弹性胶囊内；3、压缩空气对气囊充气不是很安全，很有可能会使气囊爆破。从上看，现有技术提出的技术方案存在缺陷，不适合适用。

另外，目前市场上的大多声波测井换能器的耦合剂在非垂直状态会向外渗出，故大多只能在竖直方向上下移动，因此只适用于测量竖向垂直的孔或洞，而在实际检测过程中，被检测孔的方向不一定是垂直的，也可能是横着的或者是斜的，这样市场上的大多声波测井换能器就不适用，对检测产生一定的局限性。

综上所述，现在亟需一种可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件，同时扩大适用范围，减轻重量，携带方便的声波测井换能器。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种声波测井换能器，该声波测井换能器自提供水，不受场地限制，且仅在处于工作状态时，水附着在换能器外周，需要的用水量少，节约资源，减轻重量，携带方便。本发明的另一目的是提供一种声波测井换能器，该声波测井换能器可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种声波测井换能器，与声波仪配合用于干孔测试，其包括：发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器和蓄水箱，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器依次通过电缆连接，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外都分别包裹弹性胶囊，蓄水箱设置在干孔外，蓄水箱与发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊通过水管连接，蓄水箱控制发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊的水量。

优选地，蓄水箱包括水箱和水泵，水泵与水箱连通，通过水泵控制发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊的水量。

更优选地，蓄水箱进一步包括注水按钮和抽水按钮，注水按钮和抽水按钮分别控制水泵向弹性胶囊注水和抽水，当声波测井换能器工作状态时，注水按钮启动水泵，向发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊注水，使弹性胶囊膨胀；当声波测井换能器非工作状态时，抽水按钮启动水泵，将发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊内的水抽回水箱。

更优选地，蓄水箱进一步包括水压控制器，水压控制器设置在水箱上，水压控制器感知弹性胶囊内的水量。

优选地，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器都为采用平面硬胶包裹而成的柱体，柱体内包括电缆、压电陶瓷环和水管。

更优选地，电缆和水管在发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器内组成一体，依次连接发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器。

更优选地，声波仪包括声波仪接口F、声波仪接口S1和声波仪接口S2，发射换能器通过电缆与声波仪接口F连接，第一接收换能器通过电缆与声波仪接口S1连接，第二接收换能器通过电缆与声波仪接口S2连接。

优选地，蓄水箱与发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊通过一根水管连通，水管在分别在发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器的对应位置设有开口与相对应弹性胶囊连通，保证发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊在注水时同时注满，同时节约材料，便于控制。

优选地，每个弹性胶囊相对外界密封且只与水管上对应的开口连通，防止弹性胶囊内的水溢出，这样声波测井换能器可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件。

更优选地，每个弹性胶囊采用具有弹性且耐磨材料制成，当弹性胶囊内注水受水压膨胀时，与被测孔或洞的内壁接触；当弹性胶囊内抽水时，弹性胶囊收缩，紧贴发射换能器、第一接收换能器或第二接收换能器的外壁。

优选地，每个弹性胶囊分别采用一钢圈固定在发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外。

本发明另一目的在于提供一种声波测井换能器，在测量非垂直孔时，该声波测井换能器与一顶杆配合使用，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器定位在顶杆上，通过顶杆将换能器的发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器置入钻孔或洞内，使声波测井换能器处于待检测位置，提高检测质量。

更优选地，多截顶杆组合使用。

更优选地，每截顶杆长度为1.5米。

更优选地，顶杆采用PVB管制成。

与现有技术相比，本发明提供一种声波测井换能器，具有以下优点：

1、该声波测井换能器自提供耦合剂—水，不受施工场地限制；

2、发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器之间都用电缆连接，可以弯曲，方便携带；

3、仅在工作状态时，声波测井换能器外的弹性胶囊注满水，在非工作状态，声波测井换能器外的弹性胶囊不存水，适合不小于声波测井换能器直径的所有被检测的洞或孔，同时减轻重量，携带方便；

4、整个测量过程需要的用水量少，仅为500ml，减少浪费，节约资源；

5、该声波测井换能器外的弹性胶囊相对外界封闭，整个声波测井换能器可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件；

6、该声波测井换能器与顶杆配合使用，确保声波测井换能器置入被测孔或洞内的合适待测位置，提高检测质量。

综上述，本发明提供声波测井换能器在工作状态自提供耦合剂-水，整个声波测井换能器可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件，结构简单操作方便，自动化程度高，节省人力物力，成本低，工作效率高，换能器的实用性、安全性、可维修性好，同时使用声波测井换能器，在声波测试中，除了可以更加精确地判读波形起跳点获得声波波速数据外，还可以获得声波波幅、频谱等方面的数据，因此其应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明提供的声波测井换能器的优选实施方式示意图；

图2为本发明提供的声波测井换能器的优选实施方式示意图；

图3为本发明提供的声波测井换能器的剖视图A-A；

图4为本发明提供的声波测井换能器的优选实施方式使用示意图。

具体实施方式

下面结合实施方式及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

如图1至图4所示，为本发明提供的一种声波测井换能器的优选实施方式。该声波测井换能器10与声波仪20配合使用，该声波测井换能器10自提供耦合剂—水，主要应用于地球物理勘探、工程检测(松动圈)等领域测量干孔或洞，可适用任何钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件。如图1至图3所示，声波测井换能器10包括发射换能器11、第一接收换能器12、第二接收换能器13和蓄水箱14，发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13依次通过电缆101连接，蓄水箱14设置在孔或洞外，通过蓄水箱14向发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13提供水，使发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13发射的声波通过水传播。

图3为本发明提供的声波测井换能器的剖视图A-A。如图3所示，发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13都为采用平面硬胶包裹而成的柱体，柱体内包括电缆101、压电陶瓷环103和水管102，压电陶瓷环103将接收的声波信号转换为电信号，发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13通过电缆101连接，水管102与蓄水箱14连通。电缆101和水管102在发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13内组成一体，依次连接发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13。声波仪20包括声波仪接口F 21、声波仪接口S122和声波仪接口S223，发射换能器11通过电缆101与声波仪接口F 21连接，第一接收换能器12通过电缆101与声波仪接口S122连接，第二接收换能器13通过电缆101与声波仪接口S223连接。声波仪20接收发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13传递的电信号，分析孔或洞内的空隙情况。

发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外都分别包裹弹性胶囊15，蓄水箱14通过水管102与弹性胶囊15连通，通过蓄水箱14控制弹性胶囊15内的水量，为发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13提供耦合剂-水。蓄水箱14包括水箱141、水泵142、注水按钮143和抽水按钮144，水泵142与水箱141连通，注水按钮143和抽水按钮144分别控制水泵142向弹性胶囊15注水和抽水，当声波测井换能器10处于工作状态时，注水按钮143启动水泵142，向发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15注水，使弹性胶囊15膨胀；当声波测井换能器10处于非工作状态时，抽水按钮144启动水泵142，将发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15内的水抽回水箱141内。蓄水箱14进一步包括水压控制器，水压控制器设置在水箱上，感知弹性胶囊15内的水量。

蓄水箱14与发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15通过一根水管102连通，水管102分别在发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13的对应位置设有开口与相对应弹性胶囊15连通，保证发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15在注水时同时注满，同时节约材料，便于控制。

每个弹性胶囊15相对外界密封且只与水管102上对应的开口连通，防止弹性胶囊15内的水溢出，这样声波测井换能器10可以任意倾斜，不受施工供水、钻孔方位及角度的影响，能适应现场各种检测条件。每个弹性胶囊15采用具有弹性且耐磨材料制成，当弹性胶囊15内注水受水压膨胀时，弹性胶囊15的外表面与被测孔或洞的内壁接触；当弹性胶囊15内抽水时，弹性胶囊15收缩，紧贴发射换能器11、第一接收换能器12或第二接收换能器13的外壁。三个弹性胶囊15分别采用一钢圈固定在发射换能器11、第一接收换能器12或第二接收换能器13外。

由于发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13之间通过电缆101连接，电缆101为软材料，因此为了便于将声波测井换能器10置入被测孔或洞内时，特别是非垂直的被测孔或洞时，如图4所示，声波测井换能器10与一顶杆30配合，声波测井换能器10的发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13定位在顶杆30上，通过顶杆30将声波测井换能器10置入被测孔或洞内的合适待测位置，提高检测质量。多截顶杆30可组合使用，每截顶杆的长度为1.5m，因此记录顶杆30的数量就可知声波测井换能器10置入被测孔或洞内的具体位置。

使用该声波测井换能器10测量孔或洞的过程为：确定被测孔或洞的直径不小于声波测井换能器10，第二接收换能器13、第一接收换能器12和发射换能器11通过电缆101连接都定位在顶杆30上，依据合理被测位置的距离洞口的深度，多截顶杆30连接在一起将第二接收换能器13、第一接收换能器12和发射换能器11依次置入被测孔或洞内，发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13分别与声波仪20的声波仪接口F 21、声波仪接口S122和声波仪接口S223一一对应通过电缆连接，启动蓄水箱14中的注水按钮143，注水按钮143启动水泵142，从水箱141向发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15注水，使弹性胶囊15膨胀，弹性胶囊15的外表面与被测孔或洞的内壁接触，声波仪20接收发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13传递的电信号，分析孔或洞内的空隙情况，此时测量被测孔或洞；当测量结束时，启动蓄水箱14中的抽水按钮144，抽水按钮144启动水泵142，将发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13外的弹性胶囊15内的水抽回水箱141内，通过顶杆30将发射换能器11、第一接收换能器12和第二接收换能器13依次从被测孔或洞内取出。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种声波测井换能器，与声波仪配合用于干孔或洞测试，其特征在于，包括：发射换能器、第一接收换能器、第二接收换能器和蓄水箱，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器依次通过电缆连接，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外都分别包裹弹性胶囊，蓄水箱设置在干孔外，蓄水箱与发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊通过水管连接，蓄水箱控制发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊的水量。

2.根据权利要求1所述的声波测井换能器，其特征在于：蓄水箱包括水箱和水泵，水泵与水箱连通，通过水泵控制发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外弹性胶囊的水量。

3.根据权利要求2所述的声波测井换能器，其特征在于：蓄水箱进一步包括注水按钮和抽水按钮，注水按钮和抽水按钮分别控制水泵向弹性胶囊注水和抽水。

4.根据权利要求3所述的声波测井换能器，其特征在于：蓄水箱进一步包括水压控制器，水压控制器设置在水箱上，水压控制器感知弹性胶囊内的水量。

5.根据权利要求1所述的声波测井换能器，其特征在于：蓄水箱与发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器外的弹性胶囊通过一根水管连通，水管分别在发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器的对应位置设有开口与相对应弹性胶囊连通。

6.根据权利要求5所述的声波测井换能器，其特征在于：每个弹性胶囊相对外界密封且只与水管上对应的开口连通。

7.根据权利要求5所述的声波测井换能器，其特征在于：每个弹性胶囊采用具有弹性且耐磨材料制成。

8.根据权利要求1所述的声波测井换能器，其特征在于：在测量非垂直孔时，声波测井换能器与一顶杆配合使用，发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器定位在顶杆上，通过顶杆将换能器的发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器置入被测孔或洞内。

9.根据权利要求8所述的声波测井换能器，其特征在于：多截顶杆组合使用。

10.根据权利要求8所述的声波测井换能器，其特征在于：每截顶杆长度为1.5米。

11.根据权利要求8所述的声波测井换能器，其特征在于：顶杆采用PVB管制成。

12.根据权利要求1所述的声波测井换能器，其特征在于：发射换能器、第一接收换 能器和第二接收换能器都为采用平面硬胶包裹而成的柱体，柱体内包括电缆、压电陶瓷环和水管。

13.根据权利要求12所述的声波测井换能器，其特征在于：电缆和水管在发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器内组成一体，依次连接发射换能器、第一接收换能器和第二接收换能器。

14.根据权利要求13所述的声波测井换能器，其特征在于：声波仪包括声波仪接口F、声波仪接口S1和声波仪接口S2，发射换能器通过电缆与声波仪接口F连接，第一接收换能器通过电缆与声波仪接口S1连接，第二接收换能器通过电缆与声波仪接口S2连接。