冰钻光纤布拉格光栅声学测井仪的制作方法

本发明涉及测井设备领域，具体涉及一种冰钻光纤布拉格光栅声学测井仪。

背景技术：

南极和北极冰盖的科学研究可以用来分析地球气候变化，对于南极和格陵兰冰盖来说，准确测试并监测冰的物理力学特性是非常迫切的。目前南极和格陵兰冰盖钻孔已进行温度、井径、孔斜及地震测井获取地球物理资料，现有测井仪器无法准确测试冰盖中冰的力学特性；现有的力学测试仪器存在外形大、易受电磁干扰、信号传输距离短等问题，仪器内部电子电路复杂，无法在-60℃的超低温深孔中完成冰的物理力学特性测试。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，现有物理力学检测仪器在南极-60℃的超低温环境下无法工作、并存在易受电磁干扰、信号传输距离短的问题。为此，本发明提供了一种超低温冰钻光纤布拉格光栅声学测井仪。本发明采用的技术方案是，一种冰钻光纤布拉格光栅测井仪，所述冰钻光纤布拉格光栅测井仪由连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13组成。

本发明采取的具体技术方案是，一种冰钻光纤布拉格光栅声学测井仪，其特征是，所述冰钻光纤布拉格光栅测井仪由连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13组成；所述连接部件由上接头1、密封接头2和密封接头座3组成；所述连接部件的上接头1通过螺栓连接密封接头座3；所述密封接头座3的中心孔处以螺纹连接密封接头2，所述密封接头座3的下端以螺纹连接外管4的上端；所述密封接头2包括三个连接端子，第一端子为光纤连接端子，用于铠装信号线缆与光纤12的连接，第二端子和第三端子为超声波信号线连接端子，用于铠装信号线缆与超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11的连接；所述超声波发射部件由第一定位板5、第一固定销6、第二固定销7、第一弹簧片8、第一支臂9、超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11组成，所述超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，由地表超声波发生器15控制，发射指定频率和波幅的超声波纵波、横波信号，超声波信号通过第一支臂9传入冰层；所述超声波检测部件由n组超声波传输模块和光纤12组成；第一组超声波传输模块由第二定位板20、第三固定销21、第四固定销22、第二弹簧片23和第二支臂24组成；第二组超声波传输模块由第三定位板30、第五固定销31、第六固定销32、第三簧片33和第三支臂34组成；以此类推；第n组超声传输模块由第n+1定位板10n+10、第2n+1固定销10n+11、第2n+2固定销10n+12、第n+1弹簧片10n+13和第n+1支臂10n+14组成；所述光纤12中含有n个光纤布拉格光栅；第一光纤布拉格光栅25粘贴在第二支臂24内侧，第二光纤布拉格光栅35粘贴在第三支臂34内侧，以此类推，第n光纤布拉格光栅10n+15粘贴在第n+1支臂10n+14内侧；所述外管4呈圆柱形，内壁上设有2(n+1)个定位孔；所述外管4内部设置第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30、第n+1定位板10n+10，所有定位板沿外管延伸且互相平行；第一支臂9通过第一弹簧片8固定在第一定位板5上，第二支臂24通过第二弹簧片23固定在第二定位板20上，第三支臂34通过第三弹簧片33固定在第三定位板30上，以此类推，第n+1支臂10n+14通过第n+1弹簧片10n+13固定在第n+1定位板10n+10上；所述第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30及第n+1定位板10n+10由超声波信号传播惰性材料制成，并设置两个用于固定的凹槽，第一定位板5以螺栓连接第一固定销6和第二固定销7，第一固定销6和第二固定销7下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第二定位板20以螺栓连接第三固定销21和第四固定销22，第三固定销21和第四固定销22下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第三定位板30以螺栓连接第五固定销31和第六固定销32，第五固定销31和第六固定销32下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第n+1定位板10n+10以螺栓连接第2n+1固定销10n+11和第2n+2固定销10n+12，第2n+1固定销10n+11和第2n+2固定销10n+12下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；其中，n＝2～1000。

第一支臂9、第二支臂24、第三支臂34及第n+1支臂10n+14采用不锈钢材料制成。

所述超声波信号传播惰性材料为酚醛塑料。

本发明提供的冰钻光纤布拉格光栅声学测井仪采用光纤布拉格光栅及超声波发射探头作为测井装置，孔内没有电子电路，可在南极-60℃的超低温环境下稳定的工作；采用光纤布拉格光栅检测超声波信号在冰层内的传播，声波信号转变为光信号在光纤内部传输，具有测试精度高、传输距离长、不受电磁干扰的优势；采用超声波发射探头作为声波波源，可精确调整超声波信号的频率及波幅。

附图说明

图1本发明实施例1的冰钻光纤声学测井仪结构示意图。

图2本发明实施例1的冰钻光纤声学测井仪的剖面结构图。

图3本发明实施例1的超声波传输模块结构示意图。

图4本发明实施例2的冰钻光纤声学测井仪的剖面结构图(三组超声波传输模块)。

图5本发明实施例3的冰钻光纤声学测井仪的剖面结构图(四组超声波传输模块)。

图6本发明实施例4的冰钻光纤声学测井仪的剖面结构图(n组超声波传输模块)。

图7本发明测试钻孔孔壁冰的物理力学特性原理图。

各图中所含设备及仪器的附图标记：

1、上接头；2、密封接头；3、密封接头座；4、外管；5、第一定位板；6、第一固定销；7、第二固定销；8、第一弹簧片；9、第一支臂；10、超声波纵波发射探头；11、超声波横波发射探头；12、光纤；13、密封端盖；14、信号解调系统；15、地表超声波发生器；20、第二定位板；21、第三固定销；22、第四固定销；23、第二弹簧片；24、第二支臂；25、第一光纤布拉格光栅；30、第三定位板；31、第五固定销；32、第六固定销；33、第三弹簧片；34、第三支臂；35、第二光纤布拉格光栅；40、第四定位板；41、第七固定销；42、第八固定销；43、第四弹簧片；44、第四支臂；45、第三光纤布拉格光栅；50、第五定位板；51、第九固定销；52、第十固定销；53、第五弹簧片；54、第五支臂；55、第四光纤布拉格光栅；……10n+10、第n+1定位板；10n+11、第2n+1固定销；10n+12、第2n+2固定销；10n+13、第n+1弹簧片；10n+14、第n+1支臂；10n+15、第n光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面以具体实施方式详细说明本发明，但不限于此。

实施例1

如图1、图2和图3所示。

一种冰钻光纤布拉格光栅测井仪，包括连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13。所述连接部件由上接头1、密封接头2和密封接头座3组成；所述连接部件的上接头1通过8个螺栓连接密封接头座3；所述密封接头座3的中心孔处以螺纹连接密封接头2，所述密封接头座3的下端以螺纹连接外管4的上端；所述密封接头2包括三个连接端子，第一端子为光纤连接端子，用于铠装信号线缆与光纤12的连接，第二端子和第三端子为超声波信号线连接端子，用于铠装信号线缆与超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11的连接；所述超声波发射部件由第一定位板5、第一固定销6、第二固定销7、第一弹簧片8、第一支臂9、超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11组成，所述超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，由地表超声波发生器15控制，发射指定频率和波幅的超声波纵波、横波信号，超声波信号通过第一支臂9传入冰层；所述超声波检测部件由两组超声波传输模块和光纤12组成；第一组超声波传输模块由第二定位板20、第三固定销21、第四固定销22、第二弹簧片23和第二支臂24组成；第二组超声波传输模块由第三定位板30、第五固定销31、第六固定销32、第三簧片33和第三支臂34组成；所述光纤12中含有第一光纤布拉格光栅25和第二光纤布拉格光栅35；第一光纤布拉格光栅25和第二光纤布拉格光栅35用于检测冰层不同部位的超声波信号，具体包括超声波信号到达该位置的时间及波幅；所述第一光纤布拉格光栅25粘贴于第二支臂24内侧，第二光纤布拉格光栅35粘贴于第三支臂34内侧；所述外管4呈圆柱形，外壁涂覆树脂材料，用于阻止超声波在外管传播，保证测试精度，内部设置第一定位板5、第二定位板20和第三定位板30，所有定位板沿外管延伸且互相平行；第一支臂9通过第一弹簧片8固定在第一定位板5上，第二支臂24通过第二弹簧片23固定在第二定位板20上，第三支臂34通过第三弹簧片33固定在第三定位板30上，保证支臂外端在孔径不同或孔壁不规则的情况下紧压在孔壁冰层上；所述第一定位板5、第二定位板20和第三定位板30为酚醛塑料，阻止超声波信号向外管4传播，并设置两个用于固定的凹槽；第一定位板5以螺栓连接第一固定销6和第二固定销7，第一固定销6和第二固定销7下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第二定位板20以螺栓连接第三固定销21和第四固定销22，第三固定销21和第四固定销22下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第三定位板30以螺栓连接第五固定销31和第六固定销32，第五固定销31和第六固定销32下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第一支臂9、第二支臂24、第三支臂34用不锈钢材料制成。

实施例2

如图4所示。

一种冰钻光纤布拉格光栅测井仪，包括连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13。所述连接部件由上接头1、密封接头2和密封接头座3组成；所述连接部件的上接头1通过8个螺栓连接密封接头座3；所述密封接头座3的中心孔处以螺纹连接密封接头2，所述密封接头座3的下端以螺纹连接外管4的上端；所述密封接头2包括三个连接端子，第一端子为光纤连接端子，用于铠装信号线缆与光纤12的连接，第二端子和第三端子为超声波信号线连接端子，用于铠装信号线缆与超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11的连接；所述超声波发射部件由第一定位板5、第一固定销6、第二固定销7、第一弹簧片8、第一支臂9、超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11组成，所述超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，由地表超声波发生器15控制，发射指定频率和波幅的超声波纵波、横波信号，超声波信号通过第一支臂9传入冰层；所述超声波检测部件由三组超声波传输模块和光纤12组成；第一组超声波传输模块由第二定位板20、第三固定销21、第四固定销22、第二弹簧片23和第二支臂24组成；第二组超声波传输模块由第三定位板30、第五固定销31、第六固定销32、第三簧片33和第三支臂34组成；第三组超声波传输模块由第四定位板40、第七固定销41、第八固定销42、第四簧片43和第四支臂44组成；所述光纤12中含有第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35和第三光纤布拉格光栅45；第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35和第三光纤布拉格光栅45用于检测冰层不同部位的超声波信号，具体包括超声波信号到达该位置的时间及波幅；所述第一光纤布拉格光栅25粘贴于第二支臂24内侧，第二光纤布拉格光栅35粘贴于第三支臂34内侧，第三光纤布拉格光栅45粘贴于第四支臂44内侧；所述外管4呈圆柱形，外壁涂覆树脂材料，用于阻止超声波在外管传播，保证测试精度，内部设置第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30和第四定位板40，所有定位板沿外管延伸且互相平行；第一支臂9通过第一弹簧片8固定在第一定位板5上，第二支臂24通过第二弹簧片23固定在第二定位板20上，第三支臂34通过第三弹簧片33固定在第三定位板30上，第四支臂44通过第四弹簧片43固定在第四定位板40上，保证支臂外端在孔径不同或孔壁不规则的情况下紧压在孔壁冰层上；所述第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30和第四定位板40为酚醛塑料，阻止超声波信号向外管4传播，并设置两个用于固定的凹槽；第一定位板5以螺栓连接第一固定销6和第二固定销7，第一固定销6和第二固定销7下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第二定位板20以螺栓连接第三固定销21和第四固定销22，第三固定销21和第四固定销22下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第三定位板30以螺栓连接第五固定销31和第六固定销32，第五固定销31和第六固定销32下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第四定位板40以螺栓连接第七固定销41和第八固定销42，第七固定销41和第八固定销42下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第一支臂9、第二支臂24、第三支臂34、第四支臂44用不锈钢材料制成。

实施例3

如图5所示。

一种冰钻光纤布拉格光栅测井仪，包括连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13。所述连接部件由上接头1、密封接头2和密封接头座3组成；所述连接部件的上接头1通过8个螺栓连接密封接头座3；所述密封接头座3的中心孔处以螺纹连接密封接头2，所述密封接头座3的下端以螺纹连接外管4的上端；所述密封接头2包括三个连接端子，第一端子为光纤连接端子，用于铠装信号线缆与光纤12的连接，第二端子和第三端子为超声波信号线连接端子，用于铠装信号线缆与超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11的连接；所述超声波发射部件由第一定位板5、第一固定销6、第二固定销7、第一弹簧片8、第一支臂9、超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11组成，所述超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，由地表超声波发生器15控制，发射指定频率和波幅的超声波纵波、横波信号，超声波信号通过第一支臂9传入冰层；所述超声波检测部件由四组超声波传输模块和光纤12组成；第一组超声波传输模块由第二定位板20、第三固定销21、第四固定销22、第二弹簧片23和第二支臂24组成；第二组超声波传输模块由第三定位板30、第五固定销31、第六固定销32、第三簧片33和第三支臂34组成；第三组超声波传输模块由第四定位板40、第七固定销41、第八固定销42、第四簧片43和第四支臂44组成；第四组超声波传输模块由第五定位板50、第九固定销51、第十固定销52、第五簧片53和第五支臂54组成；所述光纤12中含有第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35、第三光纤布拉格光栅45和第四光纤布拉格光栅55；第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35、第三光纤布拉格光栅45和第四光纤布拉格光栅55用于检测冰层不同部位的超声波信号，具体包括超声波信号到达该位置的时间及波幅；所述第一光纤布拉格光栅25粘贴于第二支臂24内侧，第二光纤布拉格光栅35粘贴于第三支臂34内侧，第三光纤布拉格光栅45粘贴于第四支臂44内侧，第四光纤布拉格光栅55粘贴于第五支臂54内侧；所述外管4呈圆柱形，外壁涂覆树脂材料，用于阻止超声波在外管传播，保证测试精度，内部设置第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30、第四定位板40和第五定位板50，所有定位板沿外管延伸且互相平行；第一支臂9通过第一弹簧片8固定在第一定位板5上，第二支臂24通过第二弹簧片23固定在第二定位板20上，第三支臂34通过第三弹簧片33固定在第三定位板30上，第四支臂44通过第四弹簧片43固定在第四定位板40上，第五支臂54通过第五弹簧片53固定在第五定位板50上，保证支臂外端在孔径不同或孔壁不规则的情况下紧压在孔壁冰层上；所述第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30、第四定位板40和第五定位板50为酚醛塑料，阻止超声波信号向外管4传播，并设置两个用于固定的凹槽；第一定位板5以螺栓连接第一固定销6和第二固定销7，第一固定销6和第二固定销7下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第二定位板20以螺栓连接第三固定销21和第四固定销22，第三固定销21和第四固定销22下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第三定位板30以螺栓连接第五固定销31和第六固定销32，第五固定销31和第六固定销32下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第四定位板40以螺栓连接第七固定销41和第八固定销42，第七固定销41和第八固定销42下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第五定位板50以螺栓连接第九固定销51和第十固定销52，第九固定销51和第十固定销52下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第一支臂9、第二支臂24、第三支臂34、第四支臂44和第五支臂54用不锈钢材料制成。

实施例4

如图6所示。

一种冰钻光纤布拉格光栅测井仪，包括连接部件、超声波发射部件、超声波检测部件、外管4和密封端盖13。所述连接部件由上接头1、密封接头2和密封接头座3组成；所述连接部件的上接头1通过8个螺栓连接密封接头座3；所述密封接头座3的中心孔处以螺纹连接密封接头2，所述密封接头座3的下端以螺纹连接外管4的上端；所述密封接头2包括三个连接端子，第一端子为光纤连接端子，用于铠装信号线缆与光纤12的连接，第二端子和第三端子为超声波信号线连接端子，用于铠装信号线缆与超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11的连接；所述超声波发射部件由第一定位板5、第一固定销6、第二固定销7、第一弹簧片8、第一支臂9、超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11组成，所述超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，由地表超声波发生器15控制，发射指定频率和波幅的超声波纵波、横波信号，超声波信号通过第一支臂9传入冰层；所述超声波检测部件由n组超声波传输模块和光纤12组成；第一组超声波传输模块由第二定位板20、第三固定销21、第四固定销22、第二弹簧片23和第二支臂24组成；第二组超声波传输模块由第三定位板30、第五固定销31、第六固定销32、第三簧片33和第三支臂34组成；以此类推；第n组超声传输模块由第n+1定位板10n+10、第2n+1固定销10n+11、第2n+2固定销10n+12、第n+1弹簧片10n+13、第n+1支臂10n+14组成；所述光纤12中含有第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35和第n光纤布拉格光栅10n+15；第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35和第n光纤布拉格光栅10n+15用于检测冰层不同部位的超声波信号，具体包括超声波信号到达该位置的时间及波幅；所述第一光纤布拉格光栅25粘贴于第二支臂24内侧，第二光纤布拉格光栅35粘贴于第三支臂34内侧，以此类推，第n光纤布拉格光栅10n+15粘贴于第n+1支臂10n+14内侧；所述外管4呈圆柱形，外壁涂覆树脂材料，用于阻止超声波在外管传播，保证测试精度，内部设置第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30和第n+1定位板10n+10，所有定位板沿外管延伸且互相平行；第一支臂9通过第一弹簧片8固定在第一定位板5上，第二支臂24通过第二弹簧片23固定在第二定位板20上，第三支臂34通过第三弹簧片33固定在第三定位板30上，以此类推，第n+1支臂10n+14通过第n+1弹簧片10n+13固定在第n+1定位板10n+10上，保证支臂外端在孔径不同或孔壁不规则的情况下紧压在孔壁冰层上；所述第一定位板5、第二定位板20、第三定位板30和第n+1定位板10n+10为酚醛塑料，阻止超声波信号向外管4传播，并设置两个用于固定的凹槽；第一定位板5以螺栓连接第一固定销6和第二固定销7，第一固定销6和第二固定销7下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第二定位板20以螺栓连接第三固定销21和第四固定销22，第三固定销21和第四固定销22下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；第三定位板30以螺栓连接第五固定销31和第六固定销32，第五固定销31和第六固定销32下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；以此类推；第n+1定位板10n+10以螺栓连接第2n+1固定销10n+11和第2n+2固定销10n+12，第2n+1固定销10n+11和第2n+2固定销10n+12下端为柱状，插入外管4相应位置的定位孔中；其中，n＝2～1000；第一支臂9、第二支臂24、第三支臂34、第n+1支臂10n+14用不锈钢材料制成。

实施例5

如图7所示。

光纤12内含有第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35、第三光纤布拉格光栅45和第四光纤布拉格光栅55等4组不同中心波长的光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅25呈垂直的两轴状粘贴在第二支臂24，第二光纤布拉格光栅35呈垂直的两轴状粘贴在第三支臂34，第三光纤布拉格光栅45呈垂直的两轴状粘贴在第四支臂44，第四光纤布拉格光栅55呈垂直的两轴状粘贴在第五支臂54；超声波纵波发射探头10、超声波横波发射探头11固定在第一支臂9上，所述支臂紧压在孔壁冰层上。启动超声波发生器15，发出指令给超声波纵波发射探头10和超声波横波发射探头11，向冰层发出指定频率及波幅的超声波脉冲；由探测第一光纤布拉格光栅25、第二光纤布拉格光栅35、第三光纤布拉格光栅45、第四光纤布拉格光栅55接收到包含待测冰层物理力学信息的信号，信号通过铠装线缆传递给信号解调系统14解调并输入计算机处理获得孔壁冰层的物理力学信息。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。