一种井下仪器单元的制作方法

本发明涉及海上风电勘探设计和海上探测测井设备技术领域，尤其涉及一种井下仪器单元。

背景技术：

海上风电勘探设计是海上风电前期工作必备的环节，是海上风电塔基设计建设、建造的基础。海上风电塔基的设计评价主要包括几种技术途径，即常规物探技术、井下测量技术和钻孔取样技术，每种技术有包括不同的实现方法，并形成多种测量和实施仪器产品。

目前用于海上风电塔基探测的井下声波测井仪器，主要是常规的双发双收声波测井仪器和井下管波测井仪器。常规的双发双收声波仪器频率单一，只能实现单极子纵波测量；管波测量仪器只能完成井壁附近特性的测量，对风电塔基钻孔地层的探测和适应能力不够，难以满足风电塔基探测和评价的要求。

海上风电塔基建设，需要了解塔基区域地层力学特性和区域内地质结构体的分布特征。目前，现有仪器面临的主要问题包括，第一，仪器功能单一，现有仪器只能完成单极纵波的测量，获得井壁附近的地层纵波速度，无法对塔基区域的地层和地层中的地质结构体进行全面评价和探测；第二，仪器性能不足，现有的仪器工作频率单一，主频较高、带宽窄，无法获得与地层和地质结构体评价相关多种模式波特性参数测量，如地层纵波、横波和反射波等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种井下仪器单元，包括有大功率单极纵波发射换能器、低频宽带正交偶极发射换能器和宽带接收换能器阵列，一次下井测量即可以获得地层纵波、横波和反射波信息，获得风电塔基建设所需要的各种地层力学特性参数。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种井下仪器单元，包括依次连接的接收声系短节、隔声体短节和发射声系短节，所述接收声系短节、隔声体短节和发射声系短节通过螺栓顺次连接。

所述接收声系短节包括接收套筒、设置在所述接收套筒上的接收电路模块和若干接收换能器，所述接收换能器的引线连接所述接收电路模块。所述接收换能器包括由第一骨架形成的第一腔室以及设置在所述第一腔室中的第一压电振子，所述第一压电振子为矩形或圆片形。

所述发射声系短节包括发射套筒、设置在所述发射套筒上的发射电路模块和若干发射换能器，所述发射换能器的引线与所述发射电路模块连接。所述发射换能器包括由第二骨架形成的第二腔室以及设置在所述第二腔室中的第二压电振子。所述发射换能器包括单极子发射换能器和偶极子发射换能器。所述单极子发射换能器的第二压电振子为压电陶瓷圆管。所述偶极子发射换能器的第二压电振子为矩形片状结构。

所述隔声体短节包括若干隔声体子单元，每个所述隔声体子单元包括外壳和设置在所述外壳内的灌封胶体，所述隔声体子单元之间采用螺栓连接。

所述接收套筒、隔声体和发射套筒之间采用螺栓连接。

本发明还提供了一种用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统，包括上述井下仪器单元、数据采集传输单元、勘探船和地面数据处理单元，利用勘探船将井下仪器单元放入待测井，在所述数据采集传输单元的控制下，所述井下仪器单元完成井孔中各种模式声波(纵波、横波、斯通利波、泄露模式波、反射波等)数据的采集，并上传数据到所述地面数据处理单元，所述地面数据处理单元完成数据的各种管理和算法处理，输出多种处理成果，并提供详细评价报告。

所述数据采集和传输单元包括工控机和示波器，所述工控机内设置采集电路模块，通过控制所述采集电路模块完成数据采集，一方面通过所述示波器实时显示声波波形，另一方面传输至所述地面数据处理单元。所述采集电路模块包括数据采集电路模块、数据传输控制模块和深度编码控制模块，所述工控机发出指令，所述数据采集电路模块采集数据，数据经所述深度编码控制模块编码后带有深度标记，带有深度标记的数据一方面经所述示波器显示，另一方面，传输至所述地面数据处理单元。

所述地面数据处理单元包括总工控机和显示器，所述总工控机内设置有处理软件模块。所述处理软件模块包括数据管理模块和数据处理模块，所述数据管理模块完成接收数据的编辑功能，例如数据格式转换、数据存储、多种数据深度对齐与校正、比例尺设定、图头编辑、数据合并和数据输出格式设定等。所述数据处理模块完成原始声波数据的预处理、数据滤波、各种模式波时差提取、多种相关性处理算法，以及利用算法得到的各种模式波速度、相位和衰减参数，计算确定与地层相关和井旁结构地质体特征参数等。数据经过所述数据采集传输单元采集并传输至所述地面数据处理系统，经过所述总工控机处理之后经所述显示器显示并输出评价报告。

所述勘探船包括电缆、吊装单元和液压单元，所述电缆既是井下仪器单元的吊装工具，也是数据传输的载体，所述地面数据处理单元、数据采集传输单元和井下仪器单元之间通过所述电缆进行数据传输，所述吊装单元包括滑轮和井口居中控制装置等，所述液压单元控制所述吊装单元完成仪器的提升和下放。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述井下仪器单元，包括顺次连接的接收声系短节、隔声体短节和发射声系短节；所述接收声系短节包括接收套筒、设置在所述接收套筒上的接收电路模块和若干接收换能器；所述发射声系短节包括发射套筒、设置在所述发射套筒上的发射电路模块和若干发射换能器。所述井下仪器单元功能齐备，包括有大功率单极纵波发射换能器、低频宽带正交偶极发射换能器和宽带接收换能器阵列，单极子传感器进行了大功率发射设计，可以获得塔基地层纵波的信息，偶极子发射换能器采用了低频和宽带设计，可以保证在低速的海底地层中获得横波信息，一次下井测量即可以获得地层纵波、横波和反射波信息，可以获得风电塔基建设所需要的各种地层力学特性参数。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1是本发明一具体实施例的用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统的结构示意图；

图2是本发明一具体实施例的发射换能器的结构示意图；

图3是图1中a处的细节图；

图4是本发明一具体实施例的接收换能器的结构示意图；

图5是图1中b处的细节图。

图中所示：1-井下仪器单元、11-接收套筒、12-接收电路模块、13-接收换能器、131-第一压电振子、14-发射套筒、15-发射电路模块、16-发射换能器、161-第二压电振子、17-隔声体子单元、171-外壳、2-数据采集传输单元、21-工控机、22-示波器、211-数据采集电路模块、212-数据传输控制模块、213-深度编码控制模块、3-勘探船、31-吊装结构、32-液压结构、4-地面数据处理单元、41-总工控机、42-显示器、43-处理软件模块、5-电缆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，一种用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统，包括井下仪器单元1、数据采集传输单元2、勘探船3和地面数据处理单元4，利用海上的勘探船3将井下仪器单元1放入待测井，在所述数据采集传输单元2的控制下，所述井下仪器单元1完成井孔中各种模式声波(纵波、横波、斯通利波、泄露模式波、反射波等)数据的采集，并上传数据到所述地面数据处理单元4，所述地面数据处理单元4完成数据的各种管理和算法处理，输出多种处理结果，并提供风电塔基的详细评价报告。所述地面数据处理单元4、数据采集传输单元2和井下仪器单元1之间通过电缆5进行数据的传输。

所述井下仪器单元1包括依次连接的接收声系短节、隔声体短节和发射声系短节，所述接收声系短节、隔声体短节和发射声系短节通过螺栓顺次连接。

结合参见图4，所述接收声系短节包括接收套筒11、设置在所述接收套筒11上的接收电路模块12和若干接收换能器13，所述接收换能器13的引线连接所述接收电路模块12，本实施例中，所述接收换能器13设有8只。所述接收换能器13包括由第一骨架形成的第一腔室以及设置在所述第一腔室中的第一压电振子131，所述第一压电振子131为矩形或圆片形，每个所述接收换能器13中设置4个所述第一压电振子131，并且正交方式组合。设置所述接收套筒11密封处理，采用填充硅油或者橡胶灌封的方式。所述接收换能器13完成单极纵波和弯曲波等所有模式波的接收，依据所述接收换能器13带宽特征，完成32道接收控制电路。

结合参见图2，所述发射声系短节包括发射套筒14、设置在所述发射套筒14上的发射电路模块15和若干发射换能器16，所述发射换能器16的引线连接所述发射电路模块15。所述发射换能器16包括由第二骨架形成的第二腔室以及设置在所述第二腔室中的第二压电振子161，设置所述发射套筒14密封，采用填充硅油或者橡胶灌封的方式。本实施例中，所述发射换能器16包括单极子发射换能器和偶极子发射换能器。所述单极子发射换能器选择符合仪器规格尺寸的大功率圆管结构换能器，所述第二压电振子161采用压电陶瓷圆管。本实施例中，所述发射换能器16设置2个，并联连接，工作频率控制在10khz～30khz，然后根据换能器阻抗特性，完成一道单极发射控制的匹配电路。所述偶极子发射换能器选择符合仪器结构的三叠片弯曲振动换能器，本实施例中设置8只，所述第二压电振子161为矩形片状结构，所述第二压电振子161为长片形成偶极子长片发射换能器，所述第二压电振子161为短片形成偶极子短片发射换能器，设置四个所述偶极子长片发射换能器和四个所述偶极子短片发射换能器，正交方式组合，频率控制在0.5khz～6khz，依据换能器带宽和阻抗特性，完成偶极发射控制的匹配电路。

结合参见图3，为避免声波发射信号通过仪器外壳直接传播到接收换能器，井下仪器单元必须研制隔声体短节，该结构要同时兼顾单极纵波和偶极弯曲波信号直达波的隔声处理，一般的，采用柔性和开槽结构方式。本实施例中，所述隔声体短节包括若干隔声体子单元17，每个所述隔声体子单元17包括外壳171和设置在所述外壳内的灌封胶体，所述隔声体子单元17之间采用螺栓连接。

所述接收套筒11、隔声体子单元17的外壳171和发射套筒14之间采用螺栓连接。

所述井下仪器单元通过设置所述接收声系短节和发射声系短节，完成声学测量。所述井下仪器单元还加装钻孔井径测量单元，在完成声学测量的同时，提供井孔直径的测量，这一点对于海上风电塔基的探测评价也是非常重要的。同时，还加装钻孔自然伽马测量单元，提供自然伽马的测量，自然伽马的测量，可以用于评价海底地层的岩性组成和含量。另外的，还加装深度测量单元，提供井孔深度的测量，深度测量可以用于确定海底各种地层的深度范围。

结合参见图5，所述数据采集传输单元2包括工控机21和示波器22，所述工控机21设置采集电路模块和数据传输模块，通过控制所述采集电路模块完成各种模式波的数据采集，采集的数据一方面通过所述示波器22实时显示声波波形，另一方面通过所述数据传输模块传输至所述地面数据处理单元4。所述采集电路模块包括数据采集电路模块211、数据传输控制模块212和深度编码控制模块213，所述工控机21发出指令，所述数据采集电路模块211采集数据，数据通过所述数据传输控制模块212传输至所述深度编码控制模块213编码后带有深度标记，带有深度标记的数据，一方面经所述示波器22显示，另一方面经所述数据传输模块传输至所述地面数据处理单元4。所述数据传输模块，在近距离范围内传输时采用网线方式，在远距离范围传输采用数据压缩方式传输，如曼彻斯特编码。遇到钻孔比较深的情况，为保证在上传过程中数据的衰减，一般采用数据压缩方式传输。所述数据采集传输单元采用多种模式波信号的采集模式，例如，时差模式、全波列单极模式、正交偶极模式、低频偶极反射波模式等，尽可能地采集多种数据集，以完成海上风电塔基的探测评价需要。

所述地面数据处理单元包括总工控机41和显示器42。所述总工控机41设置有处理软件模块43，所述处理软件模块43包括数据管理模块和数据处理模块，所述数据管理模块完成接收数据的编辑功能，例如数据格式转换、数据存储、多种数据深度对齐与校正、比例尺设定、图头编辑、数据合并和数据输出格式设定等。所述数据处理模块完成原始声波数据的预处理、数据滤波、各种模式波时差提取、多种相关性处理算法，以及利用算法得到的各种模式波速度、相位和衰减参数，计算确定与地层相关和井旁结构地质体特征参数等。原始数据经过所述数据采集传输单元初步处理之后，传输至所述地面数据处理单元4，经过所述总工控机41再次处理之后经所述显示器42显示并输出评价报告。在现场作业时，所述数据采集传输单元2和地面数据处理单元4硬件一体化，全部在总工控机41运行，完成数据的现场快速处理。

所述勘探船3控制所述井下仪器单元1在待测井中的位置，所述吊装结构31包括滑轮和井口居中控制装置等，完成井下仪器单元1的提升和下放，所述液压结构32包括液压控制和控制平台，完成电缆5的运动控制，以及包括提升速度、下放速度、电缆张力测量等相关测井参数的设置。电缆5同时作为井下仪器单元1的吊装工具，所述液压结构32控制吊装结构31，通过滑轮和井口居中控制结构控制所述井下仪器单元1的提升或者下放，控制在待测井中的位置。

所述电缆5既是井下仪器单元的吊装工具，也是数据传输的载体，因此选择多芯铠装电缆，并进行海水耐腐蚀处理。

所述用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统保证了海上风电塔基声波远探测成像与评价实施的完整性，利用所述系统，仅通过一次性井下测量，即可完成风电塔基评价的各种需求。所述系统特点和优势明显，产品系统的结构和规格尺寸设计可完全满足海上风电塔基钻孔的测量环境，包括：采用了大功率单极子纵波发射换能器，搭建了低频正交偶极发射换能器，布设了多站四方位高灵敏度接收阵列，选择了便携式地面采集和处理硬件，优化发展了一套风电塔基声学远探测数据处理算法。

所述用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统功能齐备，井下仪器单元设计包括有大功率单极纵波发射换能器、低频宽带正交偶极发射换能器和宽带接收换能器阵列，一次下井测量即可以获得地层纵波、横波和反射波信息，这些信息的综合利用，可以获得风电塔基建设所需要的各种地层力学特性参数。同时，所述用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统性能优良，单极子发射换能器进行了大功率发射设计，可以获得塔基地层纵波的信息，偶极子发射换能器采用了低频和宽带设计，可以保证在低速的海底地层中获得横波信息，最重要的是，利用这些模式波信息可以评价井旁大范围内的地质体分布特征信息。进一步的，所述用于海上风电塔基探测的声波远探测成像与评价系统是专门为塔基建设评价而设计的，对各个作业单元均进行了针对性的设计，设计了地面数据处理单元、勘探船、数据采集传输单元以及井下仪器单元四个作业单元，形成了一个完整而独立的测量系统，可以一次性地完成风电塔基建设地层特性参数的测量及结构地质体的综合评价。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。