專利名稱：井周超聲成像下井儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種石油測井下井儀，特別是涉及一種井周超聲成像下井儀。背景技術：
井周超聲成像下井儀是利用超聲晶體來測量裸眼井或套管井井壁地質特性的測井儀器。目前所采用的超聲晶體都是壓電陶瓷晶體，且該壓電陶瓷晶體是收發合一的，也就是說發射晶體和接收晶體是同一個晶體。當把晶體置于充滿液體的井中， 晶體離井壁距離適中的情況下，給晶體一個觸發激勵時，晶體就可以接收到經井壁反射回的超聲信號。超聲信號的反射時間反映了晶體離井壁的距離，反射幅度反映了井壁的聲阻抗特性。當晶體在電機的驅動下旋轉時，根據奈奎斯特準則控制晶體的發射，就可以得到井壁一周的反射時間和反射幅度。當儀器由電纜拉升時，晶體在井中就做螺旋掃描測量，通過對所測信號的處理，就可以得到井周的反射時間和反射幅度。通過計算機對反射時間和反射幅度進行灰度處理，再結合方位信息顯示就可以得到井壁四周的圖像。圖1中所示的就是超聲波晶體發射和接收反射信號的波形圖，圖1中的傳播時間反映的是晶體離井壁的距離，回波幅度反映了井壁的聲阻抗特性。60年代，Mobil研究公司首先取得了井周超聲成像下井儀這類儀器原理的專利。 Amoco公司對改進儀器獲得的圖像以及Sandia國家實驗室對提高儀器的工作溫度都作出了貢獻。Shell公司增加了自動增益控制線路，它有助于減小由于井壁與入射波不垂直而引起的垂向范圍。Georgi利用實驗室資料闡述了儀器探測裂縫和分辨附近特征的能力。Shell 公司還證明了凹形換能器可以降低工作頻率，并可保持較高的成像分辨率。現代的井周超聲掃描測井儀是以上述技術為基礎的聲波成像儀器。現有井周超聲成像下井儀采集的數據量由于不同廠家的每圈發射次數不同而有所不同，但數據量都較大。數據量的增大就意味著傳輸時間的增加，從而導致測速的降低； 同時，圖像精度的要求也導致測速的降低。以哈利波頓公司生產的CAST-V的圖像模式為例來說明最高測速的問題它每轉動一圈需要上傳407個字的數據，此數據以每幀32個字，每幀50ms的速度上傳，這樣傳輸407個字就需要9塊32字/幀的時間，這樣，一圈數據傳輸的時間為407X50/32/9 = 7&1S，考慮到圖像的精度為0. 3in, PJ 1英尺就需12/0. 3 = 40 圈掃描，40圈掃描的時間為40 X 72ms = 2. 9s，故最高測速為1英尺/2.9秒=21英尺/分鐘=384米/小時。在3800米井深中完成一次測量就需10個小時，在7200米深的井中完成一次測量就需20個小時，這對于測井人員而言是無法忍受的，這也是目前此類儀器的缺
；ο最大測井速度其實是遙測數傳能力、超聲成像儀器所要求的測井精度和超聲成像儀器產生數據速度的綜合體現。為了提高測井速度，首先就需要遙測的速度加快。只有遙測的速度加快了，才能使測井數據快速上傳到地面。但是，一味地提高遙測數傳速度并不能提高測井速度，因為井下儀器產生所要求精度的數據的速度達不到要求。故遙測速度只是超聲成像儀器測速可以提高的先決條件。目前，國內的遙測數傳可以到500Kbps，有的甚至可達1Mbps。這就為提高超聲成像儀器測井速度提供了可能。有了高速遙測，現在的主要問題是提高超聲成像儀器產生符合精度數據的能力。所謂精度，就是徑向精度和垂直精度的統稱。徑向精度與井眼大小、晶體的聲斑大小以及每圈測量的點數有關。垂直精度與晶體聲斑大小和測井速度有關。在井眼大小和聲斑大小以及每圈測量點數(200點/100點)都確定的情況下，通過選擇不同尺寸掃描頭可以保證測量的徑向精度。垂直精度在聲斑大小確定的情況下只與測井速度有關。測井速度過快，相鄰兩圈掃描的重疊率就會小于50%，甚至會沒有重疊。根據奈奎斯特準則可知，其數據分辨率是不可信的。這也是導致測速慢的主要原因。下面以單晶體掃描形式來說明圈數據的提取及測速不能提高的原因。單晶體掃描形式中晶體運行軌跡平面展開圖如圖2所示，圖2中， L是晶體轉動一圈時儀器的垂直移動距離，ν是測速，t是晶體掃描一圈所耗的時間，從下向上依次為第1圈掃描一第2圈掃描一第3圈掃描一第4圈掃描，前3圈掃描之間都有重復的部分，如果此時測速提高1倍，則相鄰2圈掃描之間就不會重復50%，從而導致數據的不可信，測速提高再提高時，相鄰2圈(如第3圈和第4圈)掃描之間就沒有重合部分，數據就更加不可信，所以，現有單晶體掃描是不能提高測速的。(三)、實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種測井速度快、精度高、可靠性好的井周超聲成像下井儀。本實用新型的技術方案一種井周超聲成像下井儀，含有掃描頭和密閉的掃描倉， 掃描倉的外形為柱形(比如為圓柱形)，掃描倉由耐高壓鋼筒制作而成，掃描倉豎直設置，掃描倉的內部設有電機和豎直設置的空心轉軸，電機的軸豎直設置，電機的軸的下端通過聯軸節與空心轉軸的上端固定連接，電機的軸與空心轉軸同軸，空心轉軸的下部從掃描倉的下端伸出，掃描倉的下端設有端蓋，空心轉軸的側壁通過密封軸承固定在端蓋上，空心轉軸的下端與掃描頭密封固定連接，掃描頭的殼體內設有超聲波晶體，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體與殼體之間密封固定連接，超聲波晶體的個數為N，N為大于等于2的自然數；掃描倉內還設有控制電路，控制電路含有N個信號耦合旋轉變壓器、正余弦旋轉變壓器、電機驅動模塊、發射前放模塊、分相器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊，正余弦旋轉變壓器的轉子與電機的軸同軸并與電機的軸的上端固定連接，分相器模塊輸出參考信號給正余弦旋轉變壓器的勵磁繞組，正余弦旋轉變壓器輸出正弦信號和余弦信號給分相器模塊，分相器模塊還處理正余弦旋轉變壓器輸出的正弦信號和余弦信號，分相器模塊通過對正弦信號和余弦信號的處理得到電機的位置參數，并依據此位置參數來控制電機驅動模塊工作，電機驅動模塊再控制電機的轉動，分相器模塊還為數據處理模塊提供圈同步信號和發射開始信號，數據處理模塊提供給分相器模塊控制信號，N個信號耦合旋轉變壓器的轉子均與電機的軸同軸并與電機的軸的下端固定連接，N個信號耦合旋轉變壓器的轉子繞組的N組引線經過空心轉軸的內部空腔進入掃描頭的內部后分別與N個超聲波晶體的信號線電連接，N個信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的N組引線與發射前放模塊連接，發射前放模塊將N個超聲波晶體的發射信號分別提供給N個信號耦合旋轉變壓器，發射前放模塊還從N個信號耦合旋轉變壓器接收回波信號，回波信號經過發射前放模塊的放大/衰減和濾波后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊將超聲波晶體的發射控制信號提供給發射前放模塊，數據傳輸模塊將數據處理模塊中的數據傳送出去。圈同步信號是為了提醒數據處理模塊電機已轉動一圈，可以傳輸本圈掃描的數據到數據傳輸模塊，發射開始信號是為了提醒數據處理模塊超聲波晶體已轉動一定角度(如 1. 8度或3. 6度)，需要超聲波晶體再次發射信號，數據處理模塊根據圈同步信號和發射開始信號控制發射前放模塊發射超聲波信號和接收回波信號。由于井下的情況很為復雜，接收到的信號大小差別較大，為了能適應不同的井下情況，在數據采集模塊采用了自動增益控制單元。數據處理模塊把從數據采集模塊采集過來的數據進行處理，得到所需的到達時間和到達幅度。在圈同步信號的同步下，數據處理模塊把得到的N個超聲波晶體的N 個1/N圈數據送到數據傳輸模塊，數據傳輸模塊對數據處理模塊所傳的數據進行擬合，從而得到完整的一圈數據。數據傳輸模塊還對慢道信號進行采集，慢道信號就是數據變化不是很明顯或變化緩慢的量，慢道信號包括方位信息 (inx、iny、magx、magy)fn%^/l%J￡(motor_v)與電機電流(motor_c)。在地面命令的要求下，數據傳輸模塊擬合后的數據通過CAN通信線被傳輸到井下遙測單元，井下遙測單元再將該數據傳輸到地面。掃描倉外還設有泥漿探測倉和固定目標體，泥漿探測倉內設有一個泥漿探測超聲波晶體，泥漿探測超聲波晶體的發射接收面朝向泥漿探測倉的殼體外并正對固定目標體， 泥漿探測超聲波晶體的發射接收面與固定目標體之間有一定的距離(如50mm)，泥漿探測超聲波晶體與泥漿探測倉的殼體之間密封固定連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射前放模塊連接，發射前放模塊為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射前放模塊還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，泥漿探測超聲波晶體的回波信號經過發射前放模塊的放大 /衰減和濾波后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊還將泥漿探測超聲波晶體的發射控制信號提供給發射前放模塊。由于在不同比重的井液泥漿中，超聲波的傳輸速度有較大差異，所以增加了一個泥漿探測倉來測量超聲波在不同井液泥漿中的速度。這樣，只要得到泥漿探測超聲波晶體發射和接收到超聲波之間的時間，通過速度計算公式就可以得到超聲波在此井液泥漿中的傳輸速度。分相器模塊含有分相器、5KHZ振蕩器、第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路，5KHZ振蕩器輸出的參考信號進入正余弦旋轉變壓器的勵磁繞組和分相器中，正余弦旋轉變壓器輸出的正弦信號和余弦信號進入分相器中，分相器的輸出信號依次進入第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路中，電平轉換電路的電機控制輸出信號通過電機驅動模塊中的電平轉換單元A、電平轉換單元B和電平轉換單元C控制電機的運行，電平轉換電路還為數據處理模塊提供圈同步信號和發射開始信號，數據處理模塊輸出的分相控制信號控制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作；發射前放模塊含有發射電路、通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路，N個信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的N組引線和泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射電路連接，發射電路為N個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射電路還接收N個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號，回波信號經發射電路接收后，再依次經過通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路后進入數據采集模塊的自動增益控制單元中，數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路的工作，數據處理模塊輸出的發射控制信號進入發射電路中，數據采集模塊中還含有數據采集單元，自動增益控制單元的輸出信號進入數據采集單元中，數據采集單元的數據總線與數據處理模塊的數據總線連接，數據處理模塊控制自動增益控制單元和數據采集單元的工作，數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。N為2時，超聲波晶體含有第一超聲波晶體和第二超聲波晶體，信號耦合旋轉變壓器含有第一信號耦合旋轉變壓器和第二信號耦合旋轉變壓器，發射前放模塊含有第一發射前放模塊和第二發射前放模塊，數據采集模塊含有第一數據采集模塊和第二數據采集模塊，數據處理模塊含有第一數據處理模塊和第二數據處理模塊；第一發射前放模塊含有第一發射電路、第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路，第一信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第一發射電路連接，第一發射電路為第一個超聲波晶體提供發射信號，第一發射電路還接收第一個超聲波晶體的回波信號，回波信號經第一發射電路接收后，再依次經過第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路后進入第一數據采集模塊的第一自動增益控制單元中，第一數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路的工作，第一數據處理模塊輸出的發射控制信號進入第一發射電路中，第一數據采集模塊中還含有第一數據采集單元，第一自動增益控制單元的輸出信號進入第一數據采集單元中，第一數據采集單元的數據總線與第一數據處理模塊的數據總線連接，第一數據處理模塊控制第一自動增益控制單元和第一數據采集單元的工作，第一數據處理模塊的分相控制信號控制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作；第二發射前放模塊含有第二發射電路、第三發射電路、第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路，第二信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第二發射電路連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與第三發射電路連接，第二發射電路為第二個超聲波晶體提供發射信號，第二發射電路還接收第二個超聲波晶體的回波信號，第三發射電路為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，第三發射電路還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，第二個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號分別經第二發射電路和第三發射電路接收后，再依次經過第二通道選擇電路、第二放大/ 衰減電路和第二帶通濾波電路后進入第二數據采集模塊的第二自動增益控制單元中，第二數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路的工作，第二數據處理模塊輸出的發射控制信號進入第二發射電路和第三發射電路中，第二數據采集模塊中還含有第二數據采集單元，第二自動增益控制單元的輸出信號進入第二數據采集單元中，第二數據采集單元的數據總線與第二數據處理模塊的數據總線連接，第二數據處理模塊控制第二自動增益控制單元和第二數據采集單元的工作； 第一數據處理模塊和第二數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。電機為三相無刷直流電機；N為2，或為3，或為4。超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體為壓電陶瓷晶體，各超聲波晶體的性能要求基本保持一致，以保證測量數據的可信度。電機安裝在掃描倉內的電機架上，正余弦旋轉變壓器設置在電機的上部，N個信號耦合旋轉變壓器設置在電機的下部；電機的上下兩端都有軸伸出，軸的上端為實心軸，軸的下端為空心軸，實心軸上安裝正余弦旋轉變壓器，空心軸上安裝有信號耦合旋轉變壓器，信號耦合旋轉變壓器的轉子繞組的引線進入空心軸后，再經過空心轉軸的內部空腔進入掃描頭的內部。[0018]掃描頭的殼體為空心柱狀體，超聲波晶體安裝在殼體的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體的尾部朝向殼體內，超聲波晶體與晶體安裝通孔之間密封連接，N個超聲波晶體圍繞殼體的軸線均布在殼體的側壁中，N個超聲波晶體的高度一樣，殼體的下端封閉，殼體的上端中央設有轉軸孔，空心轉軸安裝在轉軸孔中。殼體內設有水平的接線柱板，接線柱板下表面的高度高于超聲波晶體的尾部上邊沿的高度，接線柱板上設有N個接線柱，N個接線柱的中部均穿過接線柱板，接線柱的上端和下端分別位于接線柱板的上面和下面，N個超聲波晶體尾部的信號線分別與N個接線柱的下端電連接；接線柱板設在殼體內側壁的臺階上，接線柱板的上部設有壓塊，壓塊的外側面與殼體的內側面之間密封連接，壓塊的下端內部設有空腔體，接線柱的上端位于該空腔體中，殼體的上部設有瓶蓋形螺套，瓶蓋形螺套的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套與殼體上部的外側面之間通過螺紋連接，瓶蓋形螺套的蓋底壓在壓塊上，轉軸孔設在壓塊上表面的中部，轉軸孔和空腔體之間設有隔板，隔板的中間設有信號線通孔，信號線通孔將轉軸孔和空腔體連通起來，隔板的周邊設有轉軸固定通孔，空心轉軸通過轉軸固定通孔內的螺釘固定在轉軸孔中；壓塊的外側面中部設有外凸緣，外凸緣的下表面與殼體的上端面連接，外凸緣的上表面與瓶蓋形螺套的蓋底連接，外凸緣的下表面與殼體的上端面之間設有定位鍵， 外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間密封連接，外凸緣與瓶蓋形螺套之間通過定位螺釘定位；接線柱板與壓塊通過固定螺釘固定在一起，壓塊的外側面與殼體的內側面之間設有壓塊密封圈，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間設有螺套密封圈，超聲波晶體的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈，超聲波晶體通過晶體螺釘固定在殼體上， 轉軸孔內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈。殼體的底部設有放油螺紋通孔，放油螺紋通孔內設有放油螺釘，放油螺釘與放油螺紋通孔之間密封連接，放油螺釘與放油螺紋通孔之間設有放油密封圈。采用該井周超聲成像下井儀掃描部件可以在保證精度的情況下提高測井速度，下面以掃描頭中含有兩個超聲波晶體時的例子來說明測井時，電機的轉速維持不變，即電機轉速與單個超聲波晶體時的電機轉速相同以保證測量的徑向精度。兩個晶體的掃描形式中晶體的運行軌跡平面展開圖如圖3所示，兩個晶體的軌跡線如圖4所示。圖4中，A為第一個晶體的軌跡線，B為第二個晶體的軌跡線。圖3中，從下向上依次為第一個晶體的第1圈掃描一第二個晶體的第1圈掃描一第一個晶體的第2圈掃描一第二個晶體的第2圈掃描一第一個晶體的第3圈掃描一第二個晶體的第3圈掃描，Ll 是晶體轉動一圈時儀器的垂直移動距離，Vl是測速，vl=2v，測速Vl比圖2中的測速ν提高了 1倍，t是晶體掃描一圈所耗的時間。對于單個晶體掃描形式而言，前后兩次的掃描不能重復，垂直精度不能保證。但是，由于現在是兩個晶體，其不重復部分可以由另外一個晶體來代替測量。通過對數據的擬合處理，可以得到一圈完整的掃描數據，從而保證了儀器測量的垂直精度。這樣，在測速提高一倍達760米/小時的情況下，采用2個晶體是能夠保證測量精度的。3個晶體和4個晶體的情況與上面2個晶體的情況類似。3個晶體之間相差120°， 4個晶體之間相差90°。3個晶體可以把測速提高3倍達1100米/小時，此時要求遙測速度為300Kbps ；4個晶體可以把測速提高4倍達1520米/小時，此時遙測速度為400Kbps。[0024]本實用新型的有益效果1、本實用新型通過多個超聲波晶體的掃描形式，提高了測井速度(每增加一個超聲波晶體，測井速度就可以提高1倍)，大大縮短了測井時間；并且在測井速度提高的同時，還保證了測井的徑向精度和垂直精度；使用本實用新型測井時，結合方位信息，可以真正及時地得到儀器偏心或井眼橢圓的信息；本實用新型可與常規儀器組合成為快速測井設備。2、本實用新型采用信號耦合旋轉變壓器實現旋轉部分的電信號與其它固定部分的電信號的傳遞，與采用傳統滑環傳遞信號的形式相比，由于信號耦合旋轉變壓器是無觸點連接，沒有機械磨損，因此，本實用新型可靠性好、使用壽命長。本實用新型克服了傳統滑環傳遞信號的形式中由于長期機械磨損而導致接觸不良的缺點。3、本實用新型的掃描頭中，空心轉軸安裝在壓塊上的轉軸孔中，空心轉軸中間空心處的信號線通過接線柱板上的接線柱與超聲波晶體尾部的信號線連接，因此，掃描頭與空心轉軸之間的連接方便可靠。4、本實用新型的掃描頭的殼體、超聲波晶體、壓塊和瓶蓋形螺套之間都采用密封圈連接，防水性強，非常適合井下使用。
圖1為超聲波晶體發射和接收反射信號的波形圖；圖2為單晶體掃描形式中晶體運行軌跡平面展開圖；圖3為兩個晶體的掃描形式中晶體的運行軌跡平面展開圖；圖4為兩個晶體的軌跡線示意圖；圖5為含有兩個超聲波晶體的掃描頭的結構示意圖；圖6為含有三個超聲波晶體的掃描頭的結構示意圖；圖7為含有四個超聲波晶體的掃描頭的結構示意圖；圖8為井周超聲成像下井儀的結構示意圖；圖9為控制電路的原理框圖；圖10為分相器模塊的原理框圖；圖11為電機驅動模塊的原理框圖；圖12為第一發射前放模塊的原理框圖；圖13為第一數據采集模塊的原理框圖；圖14為第一數據處理模塊的原理框圖；圖15為第二發射前放模塊的原理框圖；圖16為第二數據采集模塊的原理框圖；圖17為第二數據處理模塊的原理框圖。
具體實施方式
實施例一參見圖5、圖8 圖17，圖中，井周超聲成像下井儀含有掃描頭40和密閉的掃描倉45，掃描倉45的外形為圓柱形，掃描倉45由耐高壓鋼筒制作而成，掃描倉45豎直設置，掃描倉45的內部設有電機42和豎直設置的空心轉軸46，電機42的軸44豎直設置，電機42的軸44的下端通過聯軸節49與空心轉軸46的上端固定連接，電機42的軸44與空心轉軸46同軸，空心轉軸46的下部從掃描倉45的下端伸出，掃描倉45的下端設有端蓋47，空心轉軸46的側壁通過密封軸承48固定在端蓋47上，空心轉軸46的下端與掃描頭40密封固定連接，掃描頭40的殼體1內設有兩個超聲波晶體2，超聲波晶體2的發射接收面朝向殼體1外，超聲波晶體2與殼體1之間密封固定連接；掃描倉 45內還設有控制電路，控制電路含有兩個信號耦合旋轉變壓器43、正余弦旋轉變壓器41、 電機驅動模塊、發射前放模塊、分相器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊， 正余弦旋轉變壓器41的轉子與電機42的軸44同軸并與電機42的軸44的上端固定連接， 分相器模塊輸出參考信號給正余弦旋轉變壓器41的勵磁繞組，正余弦旋轉變壓器41輸出正弦信號和余弦信號給分相器模塊，分相器模塊還處理正余弦旋轉變壓器41輸出的正弦信號和余弦信號，分相器模塊通過對正弦信號和余弦信號的處理得到電機42的位置參數， 并依據此位置參數來控制電機驅動模塊工作，電機驅動模塊再控制電機42的轉動，分相器模塊還為數據處理模塊提供圈同步信號和發射開始信號，數據處理模塊提供給分相器模塊控制信號，兩個信號耦合旋轉變壓器43的轉子均與電機42的軸44同軸并與電機42的軸 44的下端固定連接，兩個信號耦合旋轉變壓器43的轉子繞組的兩組引線經過空心轉軸46 的內部空腔進入掃描頭40的內部后分別與兩個超聲波晶體2的信號線9電連接，兩個信號耦合旋轉變壓器43的定子繞組的兩組引線與發射前放模塊連接，發射前放模塊將兩個超聲波晶體2的發射信號分別提供給兩個信號耦合旋轉變壓器43，發射前放模塊還從兩個信號耦合旋轉變壓器43接收回波信號，回波信號經過發射前放模塊的放大/衰減和濾波后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊將超聲波晶體2的發射控制信號提供給發射前放模塊，數據傳輸模塊將數據處理模塊中的數據傳送出去。掃描倉45外還設有泥漿探測倉和固定目標體，泥漿探測倉內設有一個泥漿探測超聲波晶體，泥漿探測超聲波晶體的發射接收面朝向泥漿探測倉的殼體外并正對固定目標體，泥漿探測超聲波晶體的發射接收面與固定目標體之間有一定的距離(可為50mm)，泥漿探測超聲波晶體與泥漿探測倉的殼體之間密封固定連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射前放模塊連接，發射前放模塊為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射前放模塊還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，泥漿探測超聲波晶體的回波信號經過發射前放模塊的放大/衰減和濾波后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊還將泥漿探測超聲波晶體的發射控制信號提供給發射前放模塊。分相器模塊含有分相器、5KHZ振蕩器、第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路，5KHZ振蕩器輸出的參考信號REraK進入正余弦旋轉變壓器41的勵磁繞組和分相器中，正余弦旋轉變壓器41輸出的正弦信號SIN和余弦信號COS進入分相器中，分相器的輸出信號依次進入第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路中，電平轉換電路的電機控制輸出信號A+、B+、C+、A-、B-、C-通過電機驅動模塊中的電平轉換單元A、電平轉換單元B和電平轉換單元C控制電機42的運行，電平轉換電路還為數據處理模塊提供圈同步信號REF和發射開始信號START，數據處理模塊輸出的分相控制信號控制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作。超聲波晶體2含有第一超聲波晶體和第二超聲波晶體，信號耦合旋轉變壓器43 含有第一信號耦合旋轉變壓器和第二信號耦合旋轉變壓器，發射前放模塊含有第一發射前放模塊和第二發射前放模塊，數據采集模塊含有第一數據采集模塊和第二數據采集模塊， 數據處理模塊含有第一數據處理模塊和第二數據處理模塊；第一發射前放模塊含有第一發射電路、第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路，第一信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第一發射電路連接，第一發射電路為第一個超聲波晶體提供發射信號，第一發射電路還接收第一個超聲波晶體的回波信號，回波信號經第一發射電路接收后，再依次經過第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路后進入第一數據采集模塊的第一自動增益控制單元中，第一數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號 AOU All、A21、A31、YIZHIl控制第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路的工作，第一數據處理模塊輸出的發射控制信號scarukl進入第一發射電路中，第一數據采集模塊中還含有第一數據采集單元，第一自動增益控制單元的輸出信號進入第一數據采集單元中，第一數據采集單元的數據總線DOl D71與第一數據處理模塊的數據總線連接，第一數據處理模塊控制第一自動增益控制單元和第一數據采集單元的工作，第一數據處理模塊的分相控制信號R2、RU R0、制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作；第二發射前放模塊含有第二發射電路、第三發射電路、第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路，第二信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第二發射電路連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與第三發射電路連接，第二發射電路為第二個超聲波晶體提供發射信號，第二發射電路還接收第二個超聲波晶體的回波信號，第三發射電路為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，第三發射電路還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，第二個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號分別經第二發射電路和第三發射電路接收后，再依次經過第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路后進入第二數據采集模塊的第二自動增益控制單元中，第二數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號A02、A12、A22、A32、YIZHI2控制第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路的工作，第二數據處理模塊輸出的發射控制信號SCan_k2、mud_k進入第二發射電路和第三發射電路中，第二數據采集模塊中還含有第二數據采集單元，第二自動增益控制單元的輸出信號進入第二數據采集單元中，第二數據采集單元的數據總線D02 D72與第二數據處理模塊的數據總線連接，第二數據處理模塊控制第二自動增益控制單元和第二數據采集單元的工作；第一數據處理模塊和第二數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。電機42為三相無刷直流電機。超聲波晶體2和泥漿探測超聲波晶體為壓電陶瓷晶體，各超聲波晶體2的性能要求基本保持一致，以保證測量數據的可信度。電機42安裝在掃描倉45內的電機架50上，正余弦旋轉變壓器41設置在電機42 的上部，信號耦合旋轉變壓器43設置在電機42的下部；電機42的上下兩端都有軸44伸出， 軸44的上端為實心軸，軸44的下端為空心軸，實心軸上安裝正余弦旋轉變壓器41，空心軸上安裝有信號耦合旋轉變壓器43，信號耦合旋轉變壓器43的轉子繞組的引線進入空心軸后，再經過空心轉軸46的內部空腔進入掃描頭40的內部。掃描頭40的殼體1為空心柱狀體，超聲波晶體2安裝在殼體1的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體2的發射接收面朝向殼體1外，超聲波晶體2的尾部朝向殼體1內， 超聲波晶體2與晶體安裝通孔之間密封連接，兩個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，兩個超聲波晶體2的高度一樣，殼體1的下端封閉，殼體1的上端中央設有轉軸孔對，空心轉軸46安裝在轉軸孔M中。[0054]殼體1內設有水平的接線柱板3，接線柱板3下表面的高度高于超聲波晶體2的尾部上邊沿的高度，接線柱板3上設有兩個接線柱4，兩個接線柱4的中部均穿過接線柱板 3，接線柱4的上端和下端分別位于接線柱板3的上面和下面，兩個超聲波晶體2尾部的信號線9分別與兩個接線柱4的下端電連接；接線柱板3設在殼體1內側壁的臺階上，接線柱板3的上部設有壓塊5，壓塊5的外側面與殼體1的內側面之間密封連接，壓塊5的下端內部設有空腔體23，接線柱4的上端位于該空腔體23中，殼體1的上部設有瓶蓋形螺套6，瓶蓋形螺套6的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套6與殼體1上部的外側面之間通過螺紋連接，瓶蓋形螺套6的蓋底壓在壓塊5上，轉軸孔M設在壓塊5上表面的中部，轉軸孔M和空腔體 23之間設有隔板21，隔板21的中間設有信號線通孔22，信號線通孔22將轉軸孔M和空腔體23連通起來，隔板21的周邊設有轉軸固定通孔，空心轉軸46通過轉軸固定通孔內的螺釘18固定在轉軸孔M中；壓塊5的外側面中部設有外凸緣沈，外凸緣沈的下表面與殼體1的上端面連接，外凸緣沈的上表面與瓶蓋形螺套6的蓋底連接，外凸緣沈的下表面與殼體1的上端面之間設有定位鍵17，外凸緣沈的外側面與瓶蓋形螺套6的內側面之間密封連接，外凸緣26與瓶蓋形螺套6之間通過定位螺釘20定位；接線柱板3與壓塊5通過固定螺釘15固定在一起，壓塊5的外側面與殼體1的內側面之間設有壓塊密封圈16，外凸緣沈的外側面與瓶蓋形螺套6的內側面之間設有螺套密封圈27，超聲波晶體2的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈14，超聲波晶體2通過晶體螺釘13固定在殼體1上，轉軸孔M 內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈19。殼體1的底部設有放油螺紋通孔11，放油螺紋通孔11內設有放油螺釘10，放油螺釘10與放油螺紋通孔11之間密封連接，放油螺釘10與放油螺紋通孔11之間設有放油密封圈12。實施例二 參見圖6、圖8 圖9，圖中編號與實施例一相同的，代表的意義相同，其工作過程也基本相同，相同之處不重述，不同之處是掃描頭40的殼體1內設有三個超聲波晶體2，三個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，三個超聲波晶體2的
高度一樣。發射前放模塊含有發射電路、通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路，三個信號耦合旋轉變壓器43的定子繞組的三組引線和泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射電路連接，發射電路為三個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射電路還接收三個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號，回波信號經發射電路接收后，再依次經過通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路后進入數據采集模塊的自動增益控制單元中，數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路的工作，數據處理模塊輸出的發射控制信號進入發射電路中，數據采集模塊中還含有數據采集單元，自動增益控制單元的輸出信號進入數據采集單元中，數據采集單元的數據總線與數據處理模塊的數據總線連接，數據處理模塊控制自動增益控制單元和數據采集單元的工作，數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。實施例三參見圖7、圖8 圖9，圖中編號與實施例二相同的，代表的意義相同，其工作過程也基本相同，相同之處不重述，不同之處是掃描頭40的殼體1內設有四個超聲波晶體2，四個超聲波晶體2圍繞殼體1的軸線均布在殼體1的側壁中，四個超聲波晶體2的高度一樣；信號耦合旋轉變壓器43的個數也為4個。
權利要求1.一種井周超聲成像下井儀，含有掃描頭和密閉的掃描倉，掃描倉的外形為柱形，掃描倉豎直設置，其特征是掃描倉的內部設有電機和豎直設置的空心轉軸，電機的軸豎直設置，電機的軸的下端通過聯軸節與空心轉軸的上端固定連接，電機的軸與空心轉軸同軸，空心轉軸的下部從掃描倉的下端伸出，掃描倉的下端設有端蓋，空心轉軸的側壁通過密封軸承固定在端蓋上，空心轉軸的下端與掃描頭密封固定連接，掃描頭的殼體內設有超聲波晶體，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體與殼體之間密封固定連接，超聲波晶體的個數為N，N為大于等于2的自然數；掃描倉內還設有控制電路，控制電路含有N個信號耦合旋轉變壓器、正余弦旋轉變壓器、電機驅動模塊、發射前放模塊、分相器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊，正余弦旋轉變壓器的轉子與電機的軸同軸并與電機的軸的上端固定連接，分相器模塊輸出參考信號給正余弦旋轉變壓器的勵磁繞組，正余弦旋轉變壓器輸出正弦信號和余弦信號給分相器模塊，分相器模塊控制電機驅動模塊工作， 電機驅動模塊再控制電機的轉動，分相器模塊還為數據處理模塊提供圈同步信號和發射開始信號，數據處理模塊提供給分相器模塊控制信號，N個信號耦合旋轉變壓器的轉子均與電機的軸同軸并與電機的軸的下端固定連接，N個信號耦合旋轉變壓器的轉子繞組的N組引線經過空心轉軸的內部空腔進入掃描頭的內部后分別與N個超聲波晶體的信號線電連接， N個信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的N組引線與發射前放模塊連接，發射前放模塊將N個超聲波晶體的發射信號分別提供給N個信號耦合旋轉變壓器，發射前放模塊還從N個信號耦合旋轉變壓器接收回波信號，回波信號經過發射前放模塊后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊將超聲波晶體的發射控制信號提供給發射前放模塊， 數據傳輸模塊將數據處理模塊中的數據傳送出去。
2.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述掃描倉外還設有泥漿探測倉和固定目標體，泥漿探測倉內設有一個泥漿探測超聲波晶體，泥漿探測超聲波晶體的發射接收面朝向泥漿探測倉的殼體外并正對固定目標體，泥漿探測超聲波晶體的發射接收面與固定目標體之間有一定的距離，泥漿探測超聲波晶體與泥漿探測倉的殼體之間密封固定連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射前放模塊連接，發射前放模塊為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射前放模塊還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，泥漿探測超聲波晶體的回波信號經過發射前放模塊后傳送給數據采集模塊，數據采集模塊對發射前放模塊輸出的信號進行接收和存儲，然后根據數據處理模塊的需要為數據處理模塊提供數據，數據處理模塊還將泥漿探測超聲波晶體的發射控制信號提供給發射前放模塊。
3.根據權利要求2所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述分相器模塊含有分相器、5KHZ振蕩器、第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路，5KHZ振蕩器輸出的參考信號進入正余弦旋轉變壓器的勵磁繞組和分相器中，正余弦旋轉變壓器輸出的正弦信號和余弦信號進入分相器中，分相器的輸出信號依次進入第一鎖存器、驅動及發射控制單元、第二鎖存器和電平轉換電路中，電平轉換電路的電機控制輸出信號通過電機驅動模塊中的電平轉換單元A、電平轉換單元B和電平轉換單元C控制電機的運行，電平轉換電路還為數據處理模塊提供圈同步信號和發射開始信號，數據處理模塊輸出的分相控制信號控制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作；發射前放模塊含有發射電路、 通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路，N個信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的N組引線和泥漿探測超聲波晶體的信號線與發射電路連接，發射電路為N個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，發射電路還接收N個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號，回波信號經發射電路接收后，再依次經過通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路后進入數據采集模塊的自動增益控制單元中，數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制通道選擇電路、放大/衰減電路和帶通濾波電路的工作，數據處理模塊輸出的發射控制信號進入發射電路中，數據采集模塊中還含有數據采集單元，自動增益控制單元的輸出信號進入數據采集單元中，數據采集單元的數據總線與數據處理模塊的數據總線連接，數據處理模塊控制自動增益控制單元和數據采集單元的工作，數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。
4.根據權利要求3所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述N為2，超聲波晶體含有第一超聲波晶體和第二超聲波晶體，信號耦合旋轉變壓器含有第一信號耦合旋轉變壓器和第二信號耦合旋轉變壓器，發射前放模塊含有第一發射前放模塊和第二發射前放模塊， 數據采集模塊含有第一數據采集模塊和第二數據采集模塊，數據處理模塊含有第一數據處理模塊和第二數據處理模塊；第一發射前放模塊含有第一發射電路、第一通道選擇電路、 第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路，第一信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第一發射電路連接，第一發射電路為第一個超聲波晶體提供發射信號，第一發射電路還接收第一個超聲波晶體的回波信號，回波信號經第一發射電路接收后，再依次經過第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路后進入第一數據采集模塊的第一自動增益控制單元中，第一數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制第一通道選擇電路、第一放大/衰減電路和第一帶通濾波電路的工作，第一數據處理模塊輸出的發射控制信號進入第一發射電路中，第一數據采集模塊中還含有第一數據采集單元，第一自動增益控制單元的輸出信號進入第一數據采集單元中，第一數據采集單元的數據總線與第一數據處理模塊的數據總線連接，第一數據處理模塊控制第一自動增益控制單元和第一數據采集單元的工作，第一數據處理模塊的分相控制信號控制第一鎖存器、第二鎖存器和電平轉換電路的工作；第二發射前放模塊含有第二發射電路、第三發射電路、第二通道選擇電路、第二放大 /衰減電路和第二帶通濾波電路，第二信號耦合旋轉變壓器的定子繞組的引線與第二發射電路連接，泥漿探測超聲波晶體的信號線與第三發射電路連接，第二發射電路為第二個超聲波晶體提供發射信號，第二發射電路還接收第二個超聲波晶體的回波信號，第三發射電路為泥漿探測超聲波晶體提供發射信號，第三發射電路還接收泥漿探測超聲波晶體的回波信號，第二個超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體的回波信號分別經第二發射電路和第三發射電路接收后，再依次經過第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路后進入第二數據采集模塊的第二自動增益控制單元中，第二數據處理模塊輸出的回波控制輸出信號控制第二通道選擇電路、第二放大/衰減電路和第二帶通濾波電路的工作，第二數據處理模塊輸出的發射控制信號進入第二發射電路和第三發射電路中，第二數據采集模塊中還含有第二數據采集單元，第二自動增益控制單元的輸出信號進入第二數據采集單元中，第二數據采集單元的數據總線與第二數據處理模塊的數據總線連接，第二數據處理模塊控制第二自動增益控制單元和第二數據采集單元的工作；第一數據處理模塊和第二數據處理模塊的通訊端口與數據傳輸模塊的通訊端口連接。
5.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述電機為三相無刷直流電機；所述N為2，或為3，或為4。
6.根據權利要求2所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述超聲波晶體和泥漿探測超聲波晶體為壓電陶瓷晶體。
7.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述電機安裝在掃描倉內的電機架上，正余弦旋轉變壓器設置在電機的上部，N個信號耦合旋轉變壓器設置在電機的下部；電機的上下兩端都有軸伸出，軸的上端為實心軸，軸的下端為空心軸，實心軸上安裝正余弦旋轉變壓器，空心軸上安裝有信號耦合旋轉變壓器，信號耦合旋轉變壓器的轉子繞組的引線進入空心軸后，再經過空心轉軸的內部空腔進入掃描頭的內部。
8.根據權利要求1所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述掃描頭的殼體為空心柱狀體，超聲波晶體安裝在殼體的側壁上的晶體安裝通孔中，超聲波晶體的發射接收面朝向殼體外，超聲波晶體的尾部朝向殼體內，超聲波晶體與晶體安裝通孔之間密封連接，N個超聲波晶體圍繞殼體的軸線均布在殼體的側壁中，N個超聲波晶體的高度一樣，殼體的下端封閉，殼體的上端中央設有轉軸孔。
9.根據權利要求8所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述殼體內設有水平的接線柱板，接線柱板下表面的高度高于超聲波晶體的尾部上邊沿的高度，接線柱板上設有N 個接線柱，N個接線柱的中部均穿過接線柱板，接線柱的上端和下端分別位于接線柱板的上面和下面，N個超聲波晶體尾部的信號線分別與N個接線柱的下端電連接；接線柱板設在殼體內側壁的臺階上，接線柱板的上部設有壓塊，壓塊的外側面與殼體的內側面之間密封連接，壓塊的下端內部設有空腔體，接線柱的上端位于該空腔體中，殼體的上部設有瓶蓋形螺套，瓶蓋形螺套的蓋底中部為空心，瓶蓋形螺套與殼體上部的外側面之間通過螺紋連接， 瓶蓋形螺套的蓋底壓在壓塊上，轉軸孔設在壓塊上表面的中部，轉軸孔和空腔體之間設有隔板，隔板的中間設有信號線通孔，信號線通孔將轉軸孔和空腔體連通起來，隔板的周邊設有轉軸固定通孔；壓塊的外側面中部設有外凸緣，外凸緣的下表面與殼體的上端面連接， 外凸緣的上表面與瓶蓋形螺套的蓋底連接，外凸緣的下表面與殼體的上端面之間設有定位鍵，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間密封連接，外凸緣與瓶蓋形螺套之間通過定位螺釘定位；接線柱板與壓塊通過固定螺釘固定在一起，壓塊的外側面與殼體的內側面之間設有壓塊密封圈，外凸緣的外側面與瓶蓋形螺套的內側面之間設有螺套密封圈，超聲波晶體的側面與晶體安裝通孔之間設有晶體密封圈，超聲波晶體通過晶體螺釘固定在殼體上，轉軸孔內側面上的環形凹槽內設有轉軸孔密封圈。
10.根據權利要求8所述的井周超聲成像下井儀，其特征是所述殼體的底部設有放油螺紋通孔，放油螺紋通孔內設有放油螺釘，放油螺釘與放油螺紋通孔之間密封連接，放油螺釘與放油螺紋通孔之間設有放油密封圈。
專利摘要本實用新型涉及一種井周超聲成像下井儀；井周超聲成像下井儀含有掃描頭和密閉的掃描倉，掃描倉的內部設有電機和空心轉軸，電機的軸的下端與空心轉軸的上端固定連接，空心轉軸的下部從掃描倉的下端伸出與掃描頭密封固定連接，掃描頭內設有N個超聲波晶體，掃描倉內的控制電路含有N個信號耦合旋轉變壓器、正余弦旋轉變壓器、電機驅動模塊、發射前放模塊、分相器模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模塊，正余弦旋轉變壓器的轉子與電機的軸的上端固定連接，N個信號耦合旋轉變壓器的轉子均與電機的軸的下端固定連接；本實用新型提供了一種測井速度快、精度高、可靠性好的井周超聲成像下井儀。
文檔編號E21B47/18GK202300381SQ20112042962
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者喬喜梅, 周祥熹, 張博, 成思, 王武營, 郭振華 申請人:中國電子科技集團公司第二十二研究所