自動聲波測井儀及方法與流程
2023-12-02 05:30:21 2
本發明涉及工程物探巖層結構檢測技術領域，尤其涉及一種自動聲波測井儀及方法。
背景技術：
地質學是七大自然科學之一，主要是研究地球及其成因和演化發展。實際應用非常廣泛：地震的預測、各類礦產的尋找、勘探，災害性的滑坡，古生物的演化。其中物理勘探簡稱「物探」，是以各種巖石和礦石的密度、磁性、電性、彈性、放射性等物理性質的差異為研究基礎，用不同的物理方法和物探儀器，通過研究和觀測各種地球物理場的變化來探測地層巖性、地質構造等地質條件的。主要的物探方法有重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探、聲波勘探、放射性勘探等。依據工作空間的不同，又可分為地面物探、航空物探、海洋物探、井中物探等。
聲波在不同介質中傳播時，速度、幅度及頻率的變化等聲學特性也不相同。由於巖體的巖性、結構面情況、風化程度、應力狀態、含水情況等地質因素都能直接引起聲(超聲)波波速、振幅和頻率發生變化，因此可通過接收器所接受的聲(超聲)波波速、頻率和振幅了解巖石(體)地質情況並求得巖石(體)某些力學參數(如泊松比、動彈性模量、抗壓強度、彈性抗力係數等)和其他一些工程地質性質指標(如風化係數、裂隙係數、各向異性係數等)。聲波測井(Sonic Logging)是利用巖石的這些聲學性質來研究鑽井的地質剖面，通過研究聲波在井下巖層和介質中的傳播特性，從而了解巖層的地質特性並判斷固井質量的一種測井方法。聲波測井把利用電、磁、聲、熱、核等物理原理製造的各種測井儀器，由測井電纜下入井內，使地面電測儀可沿著井筒連續記錄隨深度變化的各種參數，通過測量得到的聲學數據可用於巖性識別、孔隙度計算、井眼穩定性預測等，來識別地下的巖層，如油、氣、水層、煤層、金屬礦床等；例如聲波可以計算地層孔隙度、巖石力學參數、地應力和地層壓力；聲幅可以研究固井質量,觀察巖壁情況、裂縫和套損；聲波頻率可以研究油井串槽和巖下流體的流動情況，應用十分廣泛。
聲波測井是測量和記錄井剖面上層巖的聲學性質，如巖石的聲速、聲幅等的一種測井方法。聲波測井儀是通過採集聲波在巖層和介質中的傳播特性數據，從而檢測出巖層的地質特性和技術狀況的一種裝置。通過採集不同位置，對所得到的各類介質的聲波參數測試分析，具體包括縱波測試分析、橫波測試分析和三分量測試分析，從而對這一位置的強度、缺陷等進行評估。聲速可以計算地層孔隙度、巖石力學參數、地應力和地層壓力；聲幅可以研究固井質量,觀察巖壁情況、裂縫和套損；聲波頻率可以研究油井串槽和巖下流體的流動情況，測量數據可用於巖性識別、孔隙度計算、井眼穩定性預測等，應用十分廣泛。
聲波測井儀是通過採集聲波在巖層和介質中的傳播特性數據，從而檢測出巖層的地質特性和技術狀況的一種裝置。通過採集不同位置，對所得到的各類介質的聲波參數測試分析，具體包括縱波測試分析、橫波測試分析和三分量測試分析，從而對這一位置的強度、缺陷等進行評估。利用聲波測井儀測量巖層中某點的地質結構，就必須知道此點的具體位置。然而，現有的方法主要是先通過採集巖層中不同點位的聲波信號，然後手動測出這些點位的具體位置，通過對聲波信號的分析，從而得出這些位置的地質結構。此方法操作麻煩，探測裝置每採集一個點位的聲波數據，就需手動的測量此點的位置，以得到具體的位置信息。特別在巖層較深且測量點位密集的情況下，測得的位置不僅存在較大的誤差，而且需花費大量時間和精力。但在實際工作環境中，就算手動測量出探測裝置採集每個點位聲波數據的位置，也由於井四周的地質情況複雜，無法完整且準確地探測數據，故分析時易產生誤差，且需花費大量時間和精力重複測量。因此，使聲波測井儀在採集聲學數據過程中高效率、高精度、高穩定性的研發，使聲波測井儀在採集過程中自動獲取位置，有著極強的現實意義。
技術實現要素：
本發明提供一種自動聲波測井儀及方法，實現了測量分析裝置和採樣裝置一體化和測量過程的自動化。
為達上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：
一種自動聲波測井儀，包括：
聲波測井換能器、編碼器無線測位裝置、聲波數據傳輸電纜、工控計算機和聲波數據採集卡；
其中，所述聲波測井換能器與所述聲波數據傳輸電纜的一端連接，用於根據採樣位移間隔自動採集聲波數據，並發送給所述工控計算機；
所述聲波數據傳輸電纜，用於控制所述聲波測井換能器在巖層中的移動及聲波數據傳輸；
所述編碼器無線測位裝置用於實時測量所述聲波測井換能器的位移值，並發送給所述工控計算機；
所述聲波數據採集卡用於控制所述聲波測井換能器按照所述採樣位移間隔自動採集所述聲波數據；
所述工控計算機用於根據接收到的所述位移值，設置採樣位移間隔，並發送給所述聲波數據採集卡；對所述聲波數據進行分析處理。
上述自動聲波測井儀中，所述編碼器無線測位裝置包括：高精度增量式編碼器、計數模塊、無線通信模塊及電源模塊；
所述電源模塊用於為所述編碼器和所述計數模塊提供電能；所述高精度增量式編碼器用於產生兩相相位差為90°的方波脈衝，並將所述方波脈衝傳送給所述計數模塊；所述計數模塊用於根據所述方波脈衝獲得計數值；所述無線通信模塊用於將所述計數值發送給所述工控計算機；
相應的，所述工控計算機用於根據所述計數值獲得所述位移值。
上述自動聲波測井儀中，還包括：三腳架；用於固定所述編碼器無線測位裝置；
所述三腳架上設置有滑輪，所述滑輪與所述編碼器無線測位裝置相接，所述滑輪隨著所述聲波數據傳輸電纜的移動而轉動，帶動所述編碼器無線測位裝置轉動，實時測量所述聲波測井換能器的位移值。
上述自動聲波測井儀中，所述編碼器無線測位裝置通過無線串口將所述位移值發送給所述工控計算機。
上述自動聲波測井儀中，所述工控計算機具體用於根據所述聲波數據，通過聲波參數測試分析對巖層的強度和缺陷進行檢測評估。
上述自動聲波測井儀中，所述聲波測井換能器為TH－1FnS型一發多收串式聲波測井換能器，包括一個聲波發射端和多個聲波接收端；所述聲波發射端用於發射聲波信號，所述聲波接收端用於接收井旁地層界面反射回井中的聲波信號和沿井壁地層傳播的滑行波信號，並將採集到到所述聲波數據發送給所述工控計算機。
上述自動聲波測井儀中，所述聲波數據採集卡包括可編程門電路FPGA和硬體電路。
上述自動聲波測井儀中，所述聲波數據傳輸電纜包括一根發射線纜和兩根接收線纜。
一種自動聲波測井方法，包括：
編碼器無線測位裝置實時測量聲波測井換能器的位移值，並發送給工控計算機；
所述工控計算機根據所述位移值，設置採樣位移間隔，將所述採樣位移間隔發送給聲波數據採集卡；
所述聲波數據採集卡向所述聲波測井換能器發送所述採樣位移間隔；
所述聲波測井換能器在所述聲波數據傳輸電纜的控制下在巖層中移動，並根據所述採樣位移間隔自動採集聲波數據，並發送給所述工控計算機；
所述工控計算機根據所述聲波數據，分析巖層的強度和缺陷。
本發明提供的自動聲波測井儀及方法，通過應用編碼器無線測位裝置，使聲波測井換能器在移動過程中，能夠自動跟蹤記錄位移值，並根據設置好的位移間隔，自動進行採樣，保存採集到的聲波信號，通過對聲波信號的分析，實現對巖層的強度和缺陷的檢測評估，從而實現了測量分析裝置和採樣裝置一體化和測量過程的自動化。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的自動聲波測井儀的結構示意圖；
圖2為本發明實施例提供的自動聲波測井儀中的編碼器無線測位裝置的結構示意圖；
圖3a和圖3b為本發明實施例中編碼器輸出脈衝信號示意圖；
圖4為本發明實施例中信號脈衝選通模塊的電路原理圖；
圖5為本發明實施例中無線串口部分電路示意圖；
圖6為MCU計數算法的流程圖；
圖7位本發明實施例提供的自動聲波測井方法的流程示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
圖1為本發明實施例提供的自動聲波測井儀的結構示意圖。如圖1所示，本實施例提供的自動聲波測井儀具體可以包括：
聲波測井換能器2、編碼器無線測位裝置3、聲波數據傳輸電纜1、工控計算機5和聲波數據採集卡4。
其中，所述聲波測井換能器2與所述聲波數據傳輸電纜1的一端連接，用於根據採樣位移間隔自動採集聲波數據，並發送給所述工控計算機5；所述聲波數據傳輸電纜1，用於控制所述聲波測井換能器2在巖層中的移動及聲波數據的傳輸；所述編碼器無線測位裝置3用於實時測量所述聲波測井換能器2的位移值，並發送給所述工控計算機5；所述聲波數據採集卡4用於控制所述聲波測井換能器2按照所述採樣位移間隔自動採集所述聲波數據；所述工控計算機5用於根據接收到的所述位移值，設置採樣位移間隔，並發送給所述聲波數據採集卡4；對所述聲波數據進行分析處理。
進一步地，所述自動聲波測井儀還可以包括：三腳架；用於固定所述編碼器無線測位裝置3；所述三腳架上設置有滑輪，所述滑輪與所述編碼器無線測位裝置3相接，所述滑輪隨著所述聲波數據傳輸電纜1的移動而轉動，帶動所述編碼器無線測位裝置3轉動，實時測量實施聲波測井換能器2的位移值。所述編碼器無線測位裝置3通過無線串口將所述位移值發送給所述工控計算機5。所述工控計算機5具體用於根據所述聲波數據，通過聲波參數測試分析對巖層的強度和缺陷進行檢測評估。
具體的，所述聲波測井換能器2可以發送和接受聲波信號，通過聲波數據傳輸電纜1與聲波數據採集卡4相連。所述採集卡把聲波換能器傳來的聲波數據進行一定處理，並傳輸給上位機工控計算機5進行分析處理。所述編碼器無線測位裝置3，可以實時記錄聲波換能器的位置。
本實施例中，所述聲波測井換能器2為TH－1FnS型一發多收串式聲波測井換能器2，包括一個聲波發射端和多個聲波接收端；所述聲波發射端用於發射聲波信號，所述聲波接收端用於接收井旁地層界面反射回井中的聲波信號和沿井壁地層傳播的滑行波信號，並將採集到的所述聲波數據發送給所述工控計算機5。
實際應用中，所述聲波數據傳輸電纜1包括一根發射線纜和兩根接收線纜，柔韌性好，且傳輸損耗和反射損耗小，可以承載不小於所述聲波數據傳輸電纜1及聲波測井換能器2自重的3倍。
所述聲波數據採集卡4包括可編程門電路FPGA和硬體電路。
進一步地，如圖2所示，所述編碼器無線測位裝置3包括：高精度增量式編碼器、計數模塊、無線通信模塊及電源模塊；所述電源模塊用於為所述編碼器和所述計數模塊提供電能；所述高精度增量式編碼器用於產生兩相相位差為90°的方波脈衝，並將所述方波脈衝傳送給所述計數模塊；所述計數模塊用於根據所述方波脈衝獲得計數值；所述無線通信模塊用於將所述計數值發送給所述工控計算機5；相應的，所述工控計算機5用於根據所述計數值獲得所述位移值。
較為優選的，所述高精度編碼器型號為歐姆龍E6B2-CWZ5B，一圈的脈衝數為600，PNP集電極開路輸出，輸出的脈衝為電壓方波脈衝，精度高，抗抖、抗幹擾能力強；所述計數模塊為基於STC89C52單片機(以下簡稱MCU)及外圍電路組成的微處理模塊；STC89C52包含T0、T1、T2三個計數器，T0、T1分別用來計算編碼器相位差為90°的A、B兩路脈衝數目，對兩路相差90°的編碼信號A和編碼信號B使用外部觸發計數時鐘的上升沿進行計數，並用兩個與非門和一個D觸發器設計的外圍電路判斷選通A、B兩路脈衝，當編碼器正轉，T0加計數；反轉時，T1加計數，把兩個計數值相減即得到編碼器的實際脈衝數。計數器T2用於設置相應波特率用於串口數據傳輸。所述無線通信模塊為E50-TTL-100,是一款100mW的無線傳輸模塊，工作在148-173.5MHz頻段，使用串口進行數據收發，降低了無線應用模塊的門檻。
較為優選的，所示工控計算計可以為Windows XP作業系統，包括上位機信號處理軟體及觸屏人機互動界面，主要用Labview虛擬一起編程實現。
編碼器可由9v直流供電電源直接供電；正常供電後，當聲波測井換能器2連接的聲波數據傳輸電纜1拉動三腳架上的滑輪轉動時，固定在滑輪上的高精度編碼器產生A、B兩相相位相差90°的方波脈衝，並把脈衝傳送給計數模塊的信號脈衝選通模塊對信號進行放大，然後通過硬體電路對A、B脈衝信號進行選通，使編碼器正傳時，把編碼器A路信號傳給低功耗MCU的計數器T0進行計數，使脈衝信號每遇到一個上升沿計數器就加1；當編碼器反轉時，把編碼器B路信號傳給計數器T1進行計數。通過C語言程序設計，計算：COUNT＝T0-T1，得到的COUNT就是編碼器實際轉動的脈衝數。然後MCU整合信息以後，利用自帶的計數器T2，設置相應的通信協議，把得到的計數值，通過無線串口模塊，傳給工控計算機5，工控計算機5根據滑輪的周長和編碼器一圈的脈衝數目，進行一定換算，從而得到了自動聲波測井儀的實時位移。具體換算公式為：其中，S為位移，V為計數值，C為滑輪的周長，T為編碼器轉動一圈的脈衝數目。
本實施例編碼器無線測位裝置3中的編碼器輸出脈衝信號如圖3a和圖3b所示。當編碼器轉動時，會產生A、B、C方波電壓脈衝。正轉時，A相信號超前B相信號90°；反轉時，B相信號超前A相信號90°。其中信號C為參考零位的脈衝信號，編碼器碼盤每旋轉一周，只發出一個標誌脈衝信號。標誌脈衝信號通常用來指示機械位置或對積累量清零。
為了能夠準確的得到編碼器轉動的脈衝數，必須知道編碼器的轉動方向，並實現編碼器正傳時，加計數；反轉時，減計數。本實施例通過使用一個D觸發器和兩個與非門組成的硬體電路來實現編碼器轉動方向的判斷。具體電路原理圖如圖3所示。當編碼器順時針旋轉時，A相輸出波形超前B相輸出波形90°，D觸發器輸出Q(波形B1)為低電平、(波形A1)為高電平，下面與非門打開，選通輸出波形A(即與非門輸出脈衝A2)；此時，上面與非門關閉，其輸出為高電平(波形B2)。當編碼器逆時針旋轉時，通道A輸出波形比通道B輸出波形延遲90°，D觸發器輸出(波形A1)為低電平，Q(波形B1)為高電平，下面與非門關閉，其輸出為高電平(波形A2)；此時，上面與非門打開，選通輸出波形B(即與非門輸出脈衝B2)。通過此電路模塊，使編碼器在轉動的過程中，A、B兩相脈衝始終只有一路選通輸出到MCU進行計數。選通輸出脈衝A2與MCU中的計數器T0相連、B2與計數器T1相連。所以在編碼器正傳時，T0計數A2的脈衝個數，T1無計數(此時B2無脈衝)；在編碼器反轉時，T1計數B2的脈衝個數，T0無計數(此時A2無脈衝)。把T0的計數值與T1的計數值相減，即得到了編碼器實際轉動的脈衝數目，並實現了正轉加、反轉減的目的，所述MCU計數採用C語言編寫的代碼，其算法流程圖如圖6所示。
圖5中的串口通信模塊使用的是E50-TTL-100型無線串口。部分電路圖如圖4所示，TXD、RXD分別與MCU的RXD、TXD相連。把MCU得到的計數值通過無線串口傳輸給工控計算機5。無線串口是成對存在的，在工控計算機5上也必須連接一個相同的E50-TTL-100型無線串口，用於與無線測位裝置通信。使用的無線串口模塊也是使用9v直流供電電源供電，通用性好，直接使用計數模塊的電源供電，無需格外提供電源。
具體的，M0、M1控制無線串口的四種工作方式，以下表格為M0、M1輸入狀態和對應模塊的簡介：
把M0、M1接地，選擇0一般模式。使用配套的無線串口設置軟體，把收發雙方配置成透傳(即發送的數據就是原有數據，不會添加協議頭)，並把雙方空速、地址、信道設置成一至。由於所用MCU使用的是11.0592MHz的晶振，設置的波特率為115200，因此，為保證通信正常無誤碼，無線串口雙方波特率也設置為115200。把對應的另一個E50-TTL-100型無線串口，連接到USB轉UART的接口轉換模塊E15-USB-T2後，直接插在工控計算機5的USB接口上，裝上驅動，就能實現無線收發。
本實施例的技術方案，通過應用編碼器無線測位裝置，使聲波測井換能器在移動過程中，能夠自動跟蹤記錄位移值，並根據設置好的位移間隔，自動進行採樣，保存採集到的聲波信號，通過對聲波信號的分析，實現對巖層的強度和缺陷的檢測評估，從而實現了測量分析裝置和採樣裝置一體化和測量過程的自動化。
本發明實施例還提供自動聲波測井方法，該方法可以包括：
編碼器無線測位裝置實時測量聲波測井換能器的位移值，並發送給工控計算機；所述工控計算機根據所述位移值，設置採樣位移間隔，將所述採樣位移間隔發送給聲波數據採集卡；所述聲波數據採集卡向所述聲波測井換能器發送所述採樣位移間隔；所述聲波測井換能器在所述聲波數據傳輸電纜的控制下在巖層中移動，並根據所述採樣位移間隔自動採集聲波數據，並發送給所述工控計算機；所述工控計算機根據所述聲波數據，分析巖層的強度和缺陷。
具體的，如圖7所示，給儀器正常供電後，人工拉動聲波數據傳輸電纜，使聲波測井換能器在巖層中向下緩慢移動，通過聲波數據傳輸電纜的牽引，使固定在三腳架上的滑輪隨之轉動，而滑輪與編碼器無線測位裝置緊密相接，實時的測量出聲波測井換能器的位移值，並把編碼器無線測位裝置所測得的位移值通過無線串口傳給工控計算機，工控計算機依據實時位移值，設置採樣位移間隔，傳送命令給聲波數據採集卡，使聲波數據採集卡控制聲波測井換能器按設定的採樣位移間隔自動採樣，並把採集到的聲波數據及時傳回工控計算機進行處理，通過聲波參數測試分析，從而對巖層的強度、缺陷等進行檢測評估，整個測量操作僅需一人拉動電纜即可完成，無需額外動作，操作簡單方便。
本實施例的自動聲波測井方法，可由上述自動聲波測井儀執行，其實現原理和技術效果類似，此處不再贅述。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。