一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统的制作方法

本发明涉及地应力测量技术领域，具体而言，涉及一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统。

背景技术：

目前，地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参数。因而开展地应力的测量工作在地震机理研究、能源开采、矿山隧道设计、大型水坝坝基建设等方面具有重要的科学和实用意义。

地应力测量最主要的方法是水压致裂法。水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一段岩石裸孔，向封隔段注入高压液体，使孔壁压裂段岩体发生破裂来确定地应力大小和方向的一种方法。该方法理论成熟、操作简便、测量深度大、成本低，目前在全世界范围内得到广泛的应用。

完整的孔壁岩体经过水力压裂后将产生两条对称的、垂直于孔轴的、呈180°平行的诱发裂隙，这一对诱发裂隙的方位角则代表了最大水平主应力的方向。获取最大水平主应力的方向是开展钻孔水压致裂法地应力测量的重要内容。现有的获取最大水平主应力方向的方法主要是印模法，即利用印模胶筒将诱发裂隙的痕迹高压印在其表面的硫化橡胶上，这种方法简单直观，但也有很多缺点，主要有：费时费力，效率低下，每次下钻仅能获取1-2个测试点的方向信息；印在印模胶筒表面的痕迹在提钻过程中很容易被孔壁磨掉；对于应力值较大的钻孔，由于诱发裂隙重新张开的应力也比较大，因此很难清晰地印上将诱发裂隙痕迹。上述几个缺点在钻孔深度较大，钻孔条件复杂的情况下对实验结果影响更加严重。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统，以获取孔壁诱发裂隙的方位角。

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了以下技术方案：

一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，包括：

管体，所述管体具有由侧壁围成的安装腔，且所述侧壁设置有阻水且可供超声波透过的透声窗；

超声成像单元，所述超声成像单元包括至少一个超声探头，所述超声成像单元可活动地安装于所述安装腔，所述超声探头的探测方向朝向所述透声窗；

驱动机构，所述驱动机构安装于所述安装腔，且所述驱动机构与所述超声探头传动连接以驱动所述超声探头沿管体的轴向和/或周向运动。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置还包括中心轴，超声成像单元还包括安装座，所述超声探头安装于所述安装座，所述安装座可活动地套设于所述中心轴的外周，所述驱动机构与所述安装座传动连接；优选地，所述中心轴具有轴向通孔；优选地，所述中心轴由金属材料制成。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述驱动机构包括主动直齿圆柱齿轮、从动直齿圆柱齿轮以及动力装置；所述主动直齿圆柱齿轮与所述动力装置的动力输出部传动连接，所述从动直齿圆柱齿轮与所述中心轴螺纹连接以形成丝杠副，且所述从动直齿圆柱齿轮与所述主动直齿圆柱齿轮啮合；所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和/或轴向固定连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和轴向均固定连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述动力装置为电机；所述安装腔内填充由绝缘硅油；优选地，所述电机为直流无刷电机。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述安装腔还包括一电池安装腔，所述电池安装腔内安装有电池，所述电池与所述超声探头及电机对应电极连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述超声波动态成像装置还包括压力开关，所述压力开关具有压力输入部和电信号输出部，所述压力输入部位于所述管体外，所述电信号输出部位于所述管体内且与所述电机及超声探头对应电极连接，所述压力开关被配置成当压力输入部接收到钻孔内液体的压力达到预设值时启动所述电机及超声探头。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述超声探头包括超声波发射器和接收换能器，所述接收换能器被配置成接收由所述超声波发射器发出且被井壁反射回的超声波信号；优选地，所述接收换能器为压电晶体式的换能器。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述超声探头的数量为2个，所述透声窗沿所述管体的周向设置一周；优选地，所述2个所述超声探头的探测方向均沿所述管体的径向向外且夹角为180°。

进一步地，在本发明的可选实施例中，还包括容线联动组件和滑环，所述滑环套设于所述中心轴的外周且固定于所述壳体内，所述容线联动组件整体上呈中空的细长结构，其内部具有容置电导线的容置腔；所述容线联动组件在径向上呈刚性且在轴向上长度可变；所述容线联动组件的一端与所述滑环轴向固定且周向滑动连接，所述容线联动组件的另一端与所述安装座固定连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述滑环具有围绕所述中心轴的环形凹槽，所述环形凹槽内固定有正极环和负极环，所述正极环与所述负极环之间有间隔且彼此绝缘设置；所述容线联动组件的与所述容线联动组件的连接的端部设置有正极滑块和负极滑块；所述正极滑块与所述正极环在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接；所述负极滑块与所述负极环在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述环形凹槽的开口处设置有轴向限位部，所述容线联动组件的与所述容线联动组件的连接的端部基本呈t字型，该端部具有沿径向向外的环形凸缘，所述环形凹槽与所述轴向限位部共同限定该环形凸缘的自由度，以使该凸缘在轴向固定且周向可活动。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述环形凹槽的开口宽度与所述容线联动组件的径向尺寸相适配，以限定所述容线联动组件与所述滑环在径向上基本固定。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述正极环与电池的正极对应电极连接，所述负极环与所述电池的负极对应电极连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述容线联动组件的容置腔内容置有与所述电机及所述超声探头对应电极连接的正电导线及负电导线，正电导线与正极滑块对应电极连接，负电导线与负极滑块对应电极连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，所述容线联动组件包括第一线管和第二线管，所述第一线管与所述滑环连接且所述环形凸缘位于所述第一线管的一端部，且所述第一线管的另一端部可滑动地容置于所述第二线管的管腔，所述第二线管与所述安装座固定连接。

本发明还提供了一种水压致裂诱发裂隙超声波成像系统，包括上述任一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，还包括超声波信号处理电路，所述超声波信号处理电路被配置成将超声波信号转化为诱发裂痕的图像信息。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的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。相比于传统的印模法，不仅省时省力，效率高；避免了采用传统印模法时，印在印模胶筒表面的痕迹在提钻过程中被孔壁磨掉的风险；即使在钻孔深度较大、钻孔条件复杂的情况下能够获取更为准确的数据。而且，超声探头可以在不影响井壁诱发裂隙的前提下，朝多个方向移动，以获取更多测试点的方向信息，每次下钻能获取的测试点的方向信息可拓展至无限个(采用印模法通常仅为1-2个)。

进一步地，本装置不采用电缆线连接井上采集仪与井下声波探头，成像数据井下实时存储，井上读取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的带钻孔压力调节装置的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置的示意图；

图3是图2的局部放大图；

图4本发明实施例提供的钻孔压力调节装置的示意图。

图标：s1-上接头；s2-电池安装腔；s4-滑环；s41-正极滑块；s42-负极滑块；s43-轴向限位部；s5-容线联动组件；s51-第一线管；s511-正极环；s512-负极环；s513-环形凸缘；s52-第二线管；s6-超声探头；s7-管体；s71-透声窗；s8-主动直齿圆柱齿轮；s9-从动直齿圆柱齿轮；s10-动力装置；s11-压力平衡活塞；s12-注油阀；s13-泄油阀；s14-压力开关；s15-中心轴；s16-下接头；s17-压力腔；s18-传动件。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种带钻孔压力调节装置的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其包括井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置和钻孔压力调节装置。井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置和钻孔压力调节装置分别见图2和图4所示。图2和图4分别是图1的左右两部分。在本实施例中，井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置和钻孔压力调节装置共用一个管体s7和一个中心轴s15。在其他实施中，井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置也可以和其他结构的钻孔压力调节装置结合。钻孔压力调节装置结合也可以和其他结构的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置结合。

下面结合图2和图3先对本实施例提供的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置进行描述。

一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，包括管体s7、超声成像单元以及驱动机构。

其中，管体s7的两端分别设置有上接头s1和下接头s16。管体s7具有由侧壁围成的腔体，其中腔体的左侧部分我们定义它为安装腔(靠近上接头s1)，右侧部分我们定义它为压力平衡腔(靠近下接头s16)。

围成安装腔的侧壁有一部分是透声窗s71，该透声窗s71阻水且可供超声波透过。可选聚四氟乙烯作为制备透声窗s71的材料。本实施例中，透声窗s71是沿管体s7周向设置的圆环形结构。

超声成像单元包括至少一个超声探头s6，超声成像单元可活动地安装于安装腔，超声探头s6的探测方向朝向透声窗s71。

进一步地，在本发明的可选实施例中，超声探头s6包括超声波发射器和接收换能器，接收换能器被配置成接收由超声波发射器发出且被井壁反射回的超声波信号；优选地，接收换能器为压电晶体式的换能器。

超声波发射器和接收换能器可以是一一对应设置，也可以一个超声波发射器对应至少两个接收换能器。例如将一个超声波发射器设置在中间，而多个接收换能器沿周向间隔设置，即可探测井壁多个方位的信息。

进一步地，在本发明的可选实施例中，超声探头s6的数量为2个。优选地，2个超声探头s6的探测方向均沿管体s7的径向向外且夹角为180°。

驱动机构安装于安装腔，且驱动机构与超声探头s6传动连接以驱动超声探头s6沿管体s7的轴向和/或周向运动。

也即是说，驱动机构可以被配置成驱动超声探头s6仅沿管体s7的轴向运动，也可以被配置成驱动超声探头s6仅沿管体s7的周向运动，还可以被配置成驱动超声探头s6沿管体s7的轴向和周向都能够运动。在本实施例中，驱动机构可以被配置成驱动超声探头s6沿管体s7的轴向和周向都能够运动。这样可以获取更多方位的井壁信息。

进一步地，可以在在安装腔内安装电磁罗盘以记录超声探头s6的方位，以便于获知监测到的裂隙的方位。

进一步地，在本发明的可选实施例中，井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置还包括中心轴s15，超声成像单元还包括安装座，超声探头s6安装于安装座，安装座可活动地套设于中心轴s15的外周，驱动机构与安装座传动连接。优选地，中心轴s15具有轴向通孔。进一步地，在本实施例中，中心轴s15由金属材料制成。相比于柔性管，中心轴s15属于刚性管，不仅承压能力更好，而且可以作为安装座的导向结构。

进一步地，在本发明的可选实施例中，驱动机构包括主动直齿圆柱齿轮s8、从动直齿圆柱齿轮s9以及动力装置s10；主动直齿圆柱齿轮s8与动力装置s10的动力输出部传动连接，从动直齿圆柱齿轮s9与中心轴s15螺纹连接以形成丝杠副，且从动直齿圆柱齿轮s9与主动直齿圆柱齿轮s8啮合；从动直齿圆柱齿轮s9与安装座在周向和/或轴向固定连接。从动直齿圆柱齿轮s9与安装座的连接可以与关于与期望的超声探头s6的运动方式相对应。在本实施例中，从动直齿圆柱齿轮s9与安装座在周向和轴向均固定连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，超声波动态成像装置还包括压力开关s14，压力开关s14具有压力输入部和电信号输出部，压力输入部位于管体s7外，电信号输出部位于管体s7内且与电机及超声探头对应电极连接，压力开关s14被配置成当压力输入部接收到钻孔内液体的压力达到预设值时启动电机及超声探头。

采用这种压力开关s14时，如果预设的压力值与压裂启动时的压力对应设置，压裂和成像功能在同一时间完成，实现一定孔段长度诱发裂隙的成像。

进一步，超声波成像的时间也是可以预设的，可以在启动后的一预设时间内执行，然后自动终止。

进一步地，在本发明的可选实施例中，动力装置s10为电机；安装腔内填充由绝缘硅油。优选地，本实施例中，电机为直流无刷电机。电机浸渍于绝缘硅油中。

进一步地，在实施例中，安装腔还包括一电池安装腔s2，电池安装腔s2内安装有电池，电池与超声探头s6及电机对应电极连接。

进一步地，在本发明的可选实施例中，还可以包括容线联动组件s5和滑环s4，滑环s4套设于中心轴s15的外周且固定于管体s7内，容线联动组件s5整体上呈中空的细长结构，其内部具有容置电导线的容置腔；容线联动组件s5在径向上呈刚性且在轴向上长度可变；容线联动组件s5的一端与滑环s4轴向固定且周向滑动连接，容线联动组件s5的另一端与安装座固定连接。

进一步地，滑环s4具有围绕中心轴s15的环形凹槽，环形凹槽内固定有正极环s511和负极环s512，正极环s511与负极环s512之间有间隔且彼此绝缘设置；容线联动组件s5的与容线联动组件s5的连接的端部设置有正极滑块s41和负极滑块s42；正极滑块s41与正极环s511在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接；负极滑块s42与负极环s512在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接。

这样设置，使得正极滑块s41与正极环s511始终处于对应电极连接状态，也使得负极滑块s42与负极环s512始终处于对应电极连接状态。正极环s511、负极环s512、正极滑块s41和负极滑块s42均由导电材料制成，例如金属，进一步地，可以是铜。进一步地，环形凹槽的开口处设置有轴向限位部s43，容线联动组件s5的与容线联动组件s5的连接的端部基本呈t字型，该端部具有沿径向向外的环形凸缘s513，环形凹槽与轴向限位部s43共同限定该环形凸缘s513的自由度，以使该凸缘在轴向固定且周向可活动。

进一步地，环形凹槽的开口宽度与容线联动组件s5的径向尺寸相适配，以限定容线联动组件s5与滑环s4在径向上基本固定。环形凹槽的开口宽度是指环形凹槽的开口沿中心轴s15的径向的宽度。

当超声探头s6绕着中心轴s15转动时，容线联动组件s5也绕着中心轴s15转动。并且容线联动组件s5在环形凹槽的限位作用下，与滑环s4在轴向上保持相对位置固定，且容线联动组件s5可以周向上相对于滑环s4滑动。

进一步地，正极环s511与电池的正极对应电极连接，负极环s512与电池的负极对应电极连接。

进一步地，容线联动组件s5的容置腔内容置有与电机及超声探头s6对应电极连接的正电导线及负电导线，正电导线与正极滑块s41对应电极连接，负电导线与负极滑块s42对应电极连接。

进一步地，容线联动组件s5包括第一线管s51和第二线管s52，第一线管s51与滑环s4连接且环形凸缘s513位于第一线管s51的一端部，且第一线管s51的另一端部可滑动地容置于第二线管s52的管腔，第二线管s52与安装座固定连接。

当超声探头s6沿中心轴s15的轴向移动时，容线联动组件s5可伸缩，第一线管s51位于第二线管s52的管腔内部分的长度也会变化。

本实施例还提供了一种超声波成像系统，包括上述任一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，还包括超声波信号处理电路，超声波信号处理电路被配置成将超声波信号转化为诱发裂隙的图像信息。

可以设置发射电路激励超声波发射器工作，接收换能器采集的信号可以数字化处理，对应的接收与采集电路可实现高精度的数字化信号，接收与采集电路要实现：前置放大、滤波、自动增益调节、adc采集等。具体数据化处理及涉及的电路属于现有技术，在此不再赘述。

透声窗s71采用聚四氟乙烯制作时，由于聚四氟乙烯材料承压能力不足。设置钻孔压力调节装置的目的主要是为了平衡安装腔与管体s7外部的压力，避免透声窗s71被压力损坏。

下面结合图4，对本实施例提供钻孔压力调节装置进行介绍。

钻孔压力调节装置主要包括压力平衡活塞s11、传动件s18、注油阀s12以及泄油阀s13。钻孔压力调节装置与井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置共用一个管体s7和中心轴s15，中心轴s15设置于管体s7内且与管体s7同轴。

压力平衡活塞s11将腔体分隔成彼此独立的安装腔和压力调节腔。

下接头s16安装于管体s7的端部，下接头s16与管体s7及中心轴s15轴向动密封，下接头s16与中心轴s15围成一独立的压力腔s17。传动件s18的两端分别与压力平衡活塞s11及下接头s16抵靠。进一步地，传动件s18为弹性件。进一步地，本实施例中传动件s18为弹簧。

注油阀s12的出油口与压力腔s17连通，注油阀s12被配置成接收控制信号并可向压力腔s17注入压力油，以使下接头s16远离压力平衡活塞s11。

泄油阀s13的进油口与压力腔s17连通，泄油阀s13被配置成接收控制信号并可排出压力腔s17内的压力油，以使下接头s16靠近压力平衡活塞s11。

进一步地，钻孔压力调节装置还包括压力传感器，压力传感器被配置成监测管体s7外的压力和安装腔的压力并输出控制信号。

例如，管外压力大于安装腔内的压力时，泄油阀s13排出压力腔s17内的压力油以使下接头s16靠近压力平衡活塞s11，传动件s18推动压力平衡活塞s11向左运动，安装腔内的压力增大。管外压力小于安装腔内的压力时，注油阀s12向压力腔s17注入压力油，下接头s16远离压力平衡活塞s11，平衡活塞向右运动，安装腔内的压力减小。以此使安装腔内的压力与管外压力基本一致。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。