一种井壁超声实时成像采集控制系统

1.本发明涉及地应力测量技术领域，涉及一种井壁超声实时成像采集控制系统。


背景技术：

2.在对地层进行压裂过程中，地层裂缝分布情况会发生实时变化。而现有技术(印模定向技术，传统超声成像测井等)无法做到实时监测地层压裂效果，且随着深度的增加，现有技术缺陷愈发明显，测量结果的准确度和可靠性受到非常严重的影响。根据压裂环境的实际需求，基于超声波成像测试原理，研发一种存储式水压致裂诱发裂缝超声实时探测装置。
3.公开号为cn115773103a的中国发明公开了一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，该技术方案是通过压力传感器对压力进行检测，并当压力达到设定阈值时启动或停止信号接收模块接收裂缝反射的超声波回波信号。该技术方案只是解决了在井下作业时对压力致裂诱发裂缝的监测，但实际上，井下情况复杂多变，需要对井壁进行实时测量也是至关重要的。该技术方案的对于井壁周围的检测是有限的，想要实现对井壁周围的全面实时监测需要更多超声实时成像采集控制系统。
4.目前现有的常规仪器多为2个探头，但是工作时只选择一个探头工作，不同井径切换不同探头工作。这就导致一个探头将无法全面实时对井壁进行监测。
5.公开号为cn107830961a的中国发明公开了一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统，使用时，驱动机构可以驱动超声探头在管体内沿管体的轴向和/或周向运动移动，超声探头可以通过收发可穿过透声窗的超声波信号，通过超声成像技术可获取井壁诱发裂隙的情况。但是该装置结构复杂，成像效率低。实际工作也是一个探头，容易受随机噪声影响，信噪比降低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述技术问题，提出一种井壁超声实时成像采集控制系统，对井壁各空间方位及其演化过程进行实时监测。
7.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
8.本发明提出了一种井壁超声实时成像采集控制系统，所述系统包括：上封隔器、压裂段和下封隔器；其特征在于，所述压裂段包括：声系装置；所述声系装置包括：内侧水路管道、n个收发一体超声换能器、灯笼体、换能器固定架、螺旋往复丝杠和透声窗外壳；
9.所述n个换能器固定在换能器固定架上；
10.所述换能器固定架中心开口，环绕嵌套于内侧水路管道与透声窗外壳之间；中心开口外圈开有孔，用于将换能器固定架嵌套于螺旋往复丝杠上；
11.所述换能器固定架和螺旋往复丝杠固定在灯笼体上，灯笼体带动换能器固定架和螺旋往复丝杠进行旋转运动的同时，螺旋往复丝杠带动换能器固定架进行上下往复运动；
12.所述灯笼架包括间歇设置的纵骨，相邻纵骨之间形成空隙；
13.每个换能器的探头发射面均朝向透声窗外壳放置，同时跟随换能器固定架沿相邻纵骨之间形成的空隙进行上下往复运动；
14.所述上封隔器和下封隔器与压裂段的内侧水路管道连通；
15.当所述系统放置井中时，通过内侧水路管道向上封隔器和下封隔器注水，使上封隔器和下封隔器紧抵井壁内侧以固定所述系统位置。
16.作为上述技术方案的改进之一，所述n个换能器均匀环绕在换能器固定架上；每旋转n个换能器完成一周360
°
实时成像信号采集。
17.作为上述技术方案的改进之一，所述压裂段还包括：驱动装置；所述驱动装置包括：电机和行星减速器；
18.电机通过行星减速器将动力传到灯笼体上，灯笼体带动换能器固定架转动，换能器固定架带动螺旋往复丝杠转动；
19.螺旋往复丝杠上均匀设置间歇机构，通过间歇机构控制换能器固定架往复上升或下降。
20.作为上述技术方案的改进之一，所述压裂段还包括：控制装置；所述控制装置包括：电机驱动板；
21.所述电机驱动板，用于控制电机；
22.所述电机驱动板外套有气囊，气囊与声系装置相连，用于使声系装置的内外压力保持一致。
23.作为上述技术方案的改进之一，当所述系统位置固定后，压裂段与井壁内侧之间存在空隙，通过内侧水路管道向压裂段与井壁内侧之间的空隙注水，压裂段与井壁内侧之间充满水后，通过n个换能器绕井周旋转及上下往复运动实现对井壁的全面覆盖监测。
24.作为上述技术方案的改进之一，所述下封隔器内部设置有采集控制电路，用于对各个换能器的数据进行采集、处理和存储。
25.作为上述技术方案的改进之一，内侧水路管道与透声窗外壳之间通过注油阀注满硅油。
26.作为上述技术方案的改进之一，所述系统还包括：信号采集与处理电路舱和电池舱，内部设置有信号采集与处理电路和电源，用于对各个换能器的数据进出处理，以及对所述系统进行供电。
27.本发明与现有技术相比优点在于：
28.1、井壁声学采集系统能够获取地应力测量过程中裂缝空间方位及其演化过程的动态图像，同时能极大提高探测效率；
29.2、超声实时成像装置的压裂段为超声扫描声系结构，采集控制电路骨架则放置在无需走水的下封隔器内部，将整个测试过程数据采集并存储下来，实现压裂过程中压裂缝的实时成像。
附图说明
30.图1是井壁超声实时成像采集控制系统的结构图；
31.图2是压裂段示意图；
32.图3是井壁超声实时成像采集控制实际安装示意图；
33.图4是换能器固定架装置图；
34.图5(a)、图5(b)和图5(c)分别是灯笼体的左视图、正视图和右视图；
35.图6是电路系统中探头信号处理流程图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
37.如图1所示，是井壁超声实时成像采集控制系统的结构图；如图2所示，是压裂段示意图；本压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统的声系部分结构：以压裂段中心杆为轴心，部署螺旋往复丝杠，带动8个环阵超声换能器上下循环做360
°
周期扫描运动。电机和电机驱动板与声系部分连接，带动声系部分旋转，同时外面扎橡胶来实现压力平衡功能。
38.工作流程：在一定压力条件下，电路系统驱动电机工作。8个环阵超声换能器在电机的带动下，以螺旋往复方式扫描压裂段井壁，同时，电路系统将压裂过程采集数据存储下来，待设备提升到地面后读取扫描压裂段井壁数据并经成像处理软件回放，根据波列的到时和幅度按井周360
°
方位显示成像，实现压裂过程中压裂缝的实时成像。图3是井壁超声实时成像采集控制实际安装示意图；图4是换能器固定架装置图；图6是电路系统中探头信号处理流程图。
39.8个超声换能器在同一平面上均匀分布，相邻换能器之间角度为45
°
。电路系统中探头信号处理流程图如图6所示：
40.本发明实施例的装置优点：
41.(1)采用8个超声探头优点：一是减少随机噪声干扰，通过8组数据平均提高信噪比，提高了成像分辨率。二是每旋转45
°
，就可以形成一周360
°
实时成像效果图，提高了成像实时性。
42.(2)可以将水压致裂过程和超声探测过程协同进行，获得诱发裂缝形成、扩展、闭合全过程动态图像的装置，真正实现实时成像。
43.超声换能器和旋转机械结构布设在高压水路与透声窗腔体外壁之间，充满硅油的环状空间内，这就不需要考虑换能器与旋转机械结构高压密封的问题。电机驱动的机械结构要实现换能器绕井周旋转的同时上下往复运动，电机通过行星减速器将动力传到灯笼体上，如图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，分别是灯笼体的左视图、正视图和右视图；灯笼体将动力传到换能器固定架上，换能器固定架带动探头座与往复丝杠副转动，探头转动一圈，带动往复丝杠上的间歇机构控制螺旋上升或下降。这个环形结构的声系装置与电路骨架外壳的压力平衡装置(气囊)相连，可以使环形结构的内外压力保持一致。在有些气井环境，井下的高压气体会进入透声圆管内，在仪器出井外部压力减小时，环形空间中的压力会因气体的存在，与外部不能平衡，损坏透声圆管。为了避免这种破坏，采用排气阀泄去环形空间中的气体。声系结构中的旋转部分与固定部分的电气连接使用了滑环，在高压油的环境下滑环的触点需要特殊处理。高压油与承压电路舱之间会有很大的压力差，它们之间的电气连接这里使用单芯密封塞组件。注油阀是用来对内腔体进行注油或排油。电路舱用来放置必要的电路板及相关的电器部件。探头在空间上的运动轨迹是往复的螺旋线，由于探头旋转速
度快，使得螺旋线排列非常致密，在一定程度上可认为是在做圆周扫描。
[0044]“透声窗”的薄层是为解决超声成像探测装置在压裂段中的耐压问题，设计中增加了材料为软性橡胶的压力平衡装置，透声腔体与压力平衡装置内注入硅油且相互联通，这样当外部压力升高时，腔体内压力也同步增加，通过内外压力平衡到达抗高压目的。同时对透声窗声学特性及其厚度必须进行合理设计，使得由井壁反射回来的信号能有较高的信噪比且容易识别。
[0045]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种井壁超声实时成像采集控制系统，所述系统包括：上封隔器、压裂段和下封隔器；其特征在于，所述压裂段包括：声系装置；所述声系装置包括：内侧水路管道、n个收发一体超声换能器、灯笼体、换能器固定架、螺旋往复丝杠和透声窗外壳；所述n个换能器固定在换能器固定架上；所述换能器固定架中心开口，环绕嵌套于内侧水路管道与透声窗外壳之间；中心开口外圈开有孔，用于将换能器固定架嵌套于螺旋往复丝杠上；所述换能器固定架和螺旋往复丝杠固定在灯笼体上，灯笼体带动换能器固定架和螺旋往复丝杠进行旋转运动的同时，螺旋往复丝杠带动换能器固定架进行上下往复运动；所述灯笼架包括间歇设置的纵骨，相邻纵骨之间形成空隙；每个换能器的探头发射面均朝向透声窗外壳放置，同时跟随换能器固定架沿相邻纵骨之间形成的空隙进行上下往复运动；所述上封隔器和下封隔器与压裂段的内侧水路管道连通；当所述系统放置井中时，通过内侧水路管道向上封隔器和下封隔器注水，使上封隔器和下封隔器紧抵井壁内侧以固定所述系统位置。2.根据权利要求1所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述n个换能器均匀环绕在换能器固定架上；每旋转n个换能器完成一周360
°
实时成像信号采集。3.根据权利要求1所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述压裂段还包括：驱动装置；所述驱动装置包括：电机和行星减速器；电机通过行星减速器将动力传到灯笼体上，灯笼体带动换能器固定架转动，换能器固定架带动螺旋往复丝杠转动；螺旋往复丝杠上均匀设置间歇机构，通过间歇机构控制换能器固定架往复上升或下降。4.根据权利要求3所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述压裂段还包括：控制装置；所述控制装置包括：电机驱动板；所述电机驱动板，用于控制电机；所述电机驱动板外套有气囊，气囊与声系装置相连，用于使声系装置的内外压力保持一致。5.根据权利要求1所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，当所述系统位置固定后，压裂段与井壁内侧之间存在空隙，通过内侧水路管道向压裂段与井壁内侧之间的空隙注水，压裂段与井壁内侧之间充满水后，通过n个换能器绕井周旋转及上下往复运动实现对井壁的全面覆盖监测。6.根据权利要求5所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述下封隔器内部设置有采集控制电路，用于对各个换能器的数据进行采集、处理和存储。7.根据权利要求1所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，内侧水路管道与透声窗外壳之间通过注油阀注满硅油。8.根据权利要求1-7之一所述的井壁超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述系统还包括：信号采集与处理电路舱和电池舱，内部设置有信号采集与处理电路和电源，用于对各个换能器的数据进出处理，以及对所述系统进行供电。

技术总结
本发明涉及地应力测量技术领域，涉及一种井壁超声实时成像采集控制系统。本发明系统包括：上封隔器、压裂段和下封隔器；压裂段的声系装置包括：内侧水路管道、N个换能器、换能器固定架、螺旋往复丝杠、灯笼体和透声窗外壳；N个换能器固定在换能器固定架上，每个换能器的探头发射面均朝向透声窗外壳放置；换能器固定架嵌套于内侧水路管道与透声窗外壳之间的螺旋往复丝杠上；螺旋往复丝杠带动换能器固定架的N个换能器绕井周旋转的同时带动每个换能器上下往复运动；上封隔器和下封隔器与压裂段的内侧水路管道连通；通过内侧水路管道向上封隔器和下封隔器注水，使上封隔器和下封隔器紧抵井壁内侧以固定所述系统位置。壁内侧以固定所述系统位置。壁内侧以固定所述系统位置。


技术研发人员：马卫卫 贺洪斌 曹雪砷 邱萌 江灿 陈浩
受保护的技术使用者：中国科学院声学研究所
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/20