本發(fā)明涉及石油工業(yè)的地質(zhì)、鉆探巖芯和材質(zhì)測試等領(lǐng)域，具體地說，涉及一種超聲波晶片組、超聲波探頭及巖芯超聲波測試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國非常規(guī)油氣資源類型多、分布范圍廣、資源量巨大，有著廣闊的勘探前景。注重和加強(qiáng)對我國非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)研究，能有效的促進(jìn)我國非常規(guī)油氣資源工業(yè)的發(fā)展。

目前針對非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)研究主要通過對某區(qū)域內(nèi)非常規(guī)油氣的巖石進(jìn)行采樣從而獲得測試數(shù)據(jù)。而巖石樣品(以下簡稱“巖芯”)測試數(shù)據(jù)主要來源于超聲波的測試。通過超聲波測試，可獲取巖芯的縱橫波波形，讀出縱橫波時差，進(jìn)而計算所測巖芯的縱橫波速度。再根據(jù)計算出的巖芯縱橫波速度可對區(qū)域內(nèi)巖石特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析，從而為非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)提供支持。

現(xiàn)有技術(shù)中，巖石超聲波測試系統(tǒng)通常采用超聲波探頭測試巖芯的縱、橫波速度。該類超聲波探頭中的兩塊壓電陶瓷晶片通常呈半圓狀。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中晶片組的截面示意圖，圖2為巖芯的示意圖，其中橫波晶片和縱波晶片均為半圓狀，且組合設(shè)置為圓形來與圓柱狀巖芯的端面相配合。這種晶片的結(jié)構(gòu)實際是處于偏芯狀態(tài)，圖1中每個壓電陶瓷晶片均不是與圓柱體巖芯同軸設(shè)置。由于巖芯是天然結(jié)構(gòu)，具有一定的紋理，屬于非均質(zhì)各向異性，在測試時這些紋理會形成一定的折射。而偏芯狀態(tài)測試會導(dǎo)致在轉(zhuǎn)動巖芯測試時產(chǎn)生不同的測試結(jié)果，從而影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

因此，亟需一種能夠避免壓電陶瓷晶片組與巖芯偏芯設(shè)置的超聲波晶片組、超聲波探頭和巖芯超聲波測試系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是克服現(xiàn)有技術(shù)中電陶瓷晶片組與巖芯偏芯設(shè)置導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)缺陷。

因此，針對上述問題，本發(fā)明的實施例首先提供一種超聲波晶片組，包括：

縱波晶片，其為圓柱狀；

橫波晶片，其為圓筒狀，套裝在所述縱波晶片的外表面，所述橫波晶片與所述縱波晶片的中軸線重合；

所述縱波晶片或橫波晶片根據(jù)激勵信號產(chǎn)生機(jī)械振動，從而產(chǎn)生繞中軸線呈軸對稱分布的超聲波場，或者，所述縱波晶片或橫波晶片在繞中軸線呈軸對稱分布的范圍內(nèi)接收超聲波，產(chǎn)生接收信號。

在一個實施例中，所述縱波晶片外表面與所述橫波晶片的內(nèi)表面緊密貼合。

在一個實施例中，所述橫波晶片根據(jù)激勵信號沿中軸線的垂直方向產(chǎn)生剪切振動，發(fā)出繞中軸線均勻分布的超聲橫波；

所述縱波晶片根據(jù)激勵信號沿中軸線方向產(chǎn)生壓縮振動，發(fā)出繞中軸線均勻分布的超聲縱波。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種超聲波探頭，用于對巖芯進(jìn)行超聲波檢測，包括：

如上文所述的超聲波晶片組；

殼體，其具有圓柱形空腔，所述超聲波晶片組設(shè)置在圓柱形空腔內(nèi)。

在一個實施例中，所述殼體頂部設(shè)有開口，所述殼體的側(cè)壁設(shè)有引線孔，所述縱波晶片和橫波晶片靠近殼體開口的表面分別連接引線，所述引線通過引線孔引出至殼體外部。

在一個實施例中，所述殼體的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有引流管，其一端具有設(shè)置在殼體側(cè)壁的側(cè)面軸壓孔，另一端具有設(shè)置在殼體底部的底面軸壓孔。

在一個實施例中，所述殼體頂部設(shè)有內(nèi)螺紋，所述殼體具有旋緊螺栓，其設(shè)有與殼體頂部內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，所述旋緊螺栓壓緊超聲波晶片組，以使超聲波晶片組緊貼殼體的底部。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種巖芯超聲波測試系統(tǒng)，包括：

一對如上文所述的超聲波探頭，包括發(fā)送探頭和接收探頭，發(fā)送探頭和接收探頭內(nèi)設(shè)的超聲波晶片組的中心軸與被測巖芯的中心軸重合；

信號切換器，其通過引線分別連接橫波晶片或縱波晶片，根據(jù)切換信號選擇 接通橫波晶片或縱波晶片，向發(fā)送探頭內(nèi)部的橫波晶片或縱波晶片提供激勵信號；

數(shù)據(jù)處理器，其用于將接收探頭內(nèi)部的橫波晶片或縱波晶片產(chǎn)生的接收信號進(jìn)行處理，生成測試信號。

在一個實施例中，所述巖芯超聲波測試系統(tǒng)還包括：

壓力倉，所述發(fā)送探頭、接收探頭和被測巖芯設(shè)置在壓力倉內(nèi)部，所述壓力倉用于向被測巖芯施加軸壓、圍壓和孔壓。

在一個實施例中，所述巖芯超聲波測試系統(tǒng)還包括：

前置放大器，其一端連接接收探頭內(nèi)部的橫波晶片或縱波晶片，另一端連接數(shù)據(jù)處理器，用于對接收信號進(jìn)行功率放大處理。

本發(fā)明的實施例通過將橫波晶片的中軸線設(shè)置為與縱波晶片的中軸線重合，使得超聲波晶片組可產(chǎn)生沿中軸線方向均勻分布的超聲波信號。

一方面保證巖芯接收到超聲波信號更均勻，從而可獲得更客觀、準(zhǔn)確的巖芯超聲波測試結(jié)果。

另一方面，現(xiàn)有技術(shù)中由于巖芯紋理會影響超聲波信號的傳輸效果，當(dāng)被測巖芯發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，在極端情況下可能出現(xiàn)檢測不到超聲波信號的問題。本發(fā)明的實施例的超聲波測試系統(tǒng)將超聲波晶片組的中軸線設(shè)置為與巖芯的中軸線重合，即使被測巖芯發(fā)生旋轉(zhuǎn)，超聲波信號仍可均勻傳輸至巖芯，可有效檢測到符合要求的超聲波檢測信號。

此外，使超聲波晶片組與巖芯同軸設(shè)置，被測巖芯能均勻接收到超聲波測試信號，可將超聲波晶片組的直徑設(shè)置為較小的數(shù)值。相應(yīng)地，被測巖芯的直徑可設(shè)置為較小。由于巖芯越大，進(jìn)行超聲波測試的成本也越高，因此本發(fā)明的實施例還可減少測試成本。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中晶片組的橫截面示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中巖芯的示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例一提供的超聲波晶片組的橫截面示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例一提供的橫波晶片的工作狀態(tài)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例一提供的縱波晶片的工作狀態(tài)示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例二提供的超聲波探頭的橫截面示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例三提供的非常規(guī)巖芯超聲波測試系統(tǒng)的框架圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中超聲波晶片組是由兩片半圓形晶片拼接組成的圓形結(jié)構(gòu)。其中，橫波晶片和縱波晶片的中軸線偏離巖芯中軸線設(shè)置(以下簡稱為“偏芯設(shè)置”)。由于巖芯存在紋理，采用這種偏芯設(shè)置的超聲波晶片組進(jìn)行超聲波測試時，巖芯內(nèi)部不同部分接收并傳輸超聲波信號的效率不同，因而可能導(dǎo)致巖芯超聲波測試的結(jié)果不客觀、準(zhǔn)確，甚至可能檢測不到超聲波信號。例如，在巖芯某個部分傳輸超聲波信號的效率很高時，可以檢測到超聲波信號；在巖芯某個部分傳輸超聲波信號的效率很低時，可能檢測不到超聲波信號。

此外，在巖芯發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況下，由于旋轉(zhuǎn)前后巖芯紋理相對于晶片組的分布位置發(fā)生改變，對同一巖芯進(jìn)行兩次超聲波測試后，前后兩次的測試結(jié)果可能不同。

另外，由于晶片表面積越大，測試接收到的超聲波信號強(qiáng)度也相應(yīng)增大，因此若需獲得強(qiáng)度足夠大的超聲波信號，則必須提供表面積合適的晶片?，F(xiàn)有技術(shù)中常用50mm的探頭來獲得符合強(qiáng)度要求的超聲波信號。針對38mm直徑和25mm直徑的巖芯，以現(xiàn)有技術(shù)中橫波晶片和縱波晶片偏芯設(shè)置的方式也可分別制造出直徑為38mm和25mm的超聲波晶片組。但這兩類超聲波晶片組可能因為晶片組表面積減小且?guī)r芯存在紋理，而導(dǎo)致最終檢測不到超聲波信號。

而本發(fā)明的實施例通過將橫波晶片和縱波晶片的中軸線設(shè)置成與巖芯中軸線重合，可克服以上技術(shù)缺陷。

實施例一

圖3是本發(fā)明實施例提供的超聲波晶片組的橫截面示意圖。如圖3所示，超聲波晶片組300包括橫波晶片310和縱波晶片320。

其中，橫波晶片310和縱波晶片320均為壓電陶瓷晶片?？v波晶片320位于超聲波晶片組300的中心，呈圓柱狀。橫波晶片310呈圓筒狀，與縱波晶片320的中軸線重合。橫波晶片310套裝在縱波晶片320的外表面?？v波晶片外表面與橫波晶片的內(nèi)表面緊密貼合，以最大限度利用晶片的安裝面積，來獲得較好的超聲波形。橫波晶片310與縱波晶片320的中軸線重合，使橫波晶片310和縱波晶片320在單獨作為一個完整晶片產(chǎn)生超聲波信號時，幾乎不受另一個完整晶片的信號干擾，從而穩(wěn)定地輸出較強(qiáng)的沿中軸線呈軸對稱均勻分布的超聲波信號。因此，超聲波信號可均勻輻射至被測巖芯各部分，從而避免偏芯設(shè)置導(dǎo)致超聲波信號過度削弱的問題。這樣以來，即使晶片組的直徑較小，檢測到的超聲波信號強(qiáng)度分布均勻，且信號強(qiáng)度仍滿足測試要求，超聲波測試結(jié)果也會更加客觀、準(zhǔn)確。

橫波晶片310和縱波晶片320的一端分別設(shè)置一根引線(圖中未示出)。外設(shè)的信號切換裝置通過引線連接橫波晶片310或縱波晶片320，在進(jìn)行橫波測試或者縱波測試時，信號切換裝置選擇連通測試所需的橫波晶片310或縱波晶片320。

橫波晶片310或縱波晶片320根據(jù)激勵信號產(chǎn)生機(jī)械振動，從而產(chǎn)生繞中軸線呈軸對稱分布的超聲波場，或者，橫波晶片310或縱波晶片320在繞中軸線呈軸對稱分布的范圍內(nèi)接收超聲波，產(chǎn)生接收信號。在本發(fā)明的一個具體實施例中，以高壓脈沖信號作為激勵信號。

需要說明的是，由于波的衍射作用，橫波極化的超聲波晶片會產(chǎn)生一些縱波成分。因為橫波極化的橫波信號信噪比大，在具體的測試中可以忽略縱波信號的干擾，因此本實施例在闡述晶片組產(chǎn)生超聲波原理部分將會忽略該部分。

圖4是橫波晶片310的工作狀態(tài)示意圖。此處僅以a點為例闡述橫波晶片310的工作原理。如圖所示，信號切換裝置通過引線選擇連通橫波晶片310，激勵信號發(fā)生器向橫波晶片310施加激勵信號。橫波晶片310中的a點在激勵信號的作用下沿中軸線的垂直方向發(fā)生剪切振動。橫波晶片310中的a點的振動方向與超聲波的傳播方向垂直，因而發(fā)出繞中軸線均勻分布的超聲橫波。

圖5是縱波晶片320的工作狀態(tài)示意圖。此處僅以b點為例闡述縱波晶片320 的工作原理。如圖所示，信號切換裝置通過引線選擇連通縱波晶片320，激勵信號發(fā)生器向縱波晶片320上施加激勵信號，縱波晶片320中的b點在激勵信號的作用下沿中軸線方向發(fā)生壓縮振動?？v波晶片320中的b點的振動方向與超聲波的傳播方向平行，因而發(fā)出繞中軸線均勻分布的超聲縱波。

由于現(xiàn)有技術(shù)采用偏芯設(shè)置，在對直徑較大(直徑50mm)的巖芯進(jìn)行超聲波測試時，可能導(dǎo)致接收的超聲波信號強(qiáng)度過低，因而更無法針對直徑較小(直徑25mm和38mm)的巖芯進(jìn)行超聲波測試。在本實施例的超聲波晶片組中，以前述結(jié)構(gòu)設(shè)置的橫波晶片和縱波晶片由于可產(chǎn)生沿巖芯軸方向上均勻分布的超聲波信號，進(jìn)而可獲得較強(qiáng)的對巖芯的超聲波測試信號，因而可用于對直徑為50mm、38mm和25mm的巖芯的超聲波測試，更加實用。

在一個優(yōu)選的示例中，針對直徑為25mm的巖芯，可設(shè)置超聲波晶片組中橫波晶片310的直徑為17mm，孔徑為10.2mm；縱波晶片320的直徑為10mm。針對直徑為38mm和50mm的巖芯，也可具體設(shè)置橫波晶片和縱波晶片的尺寸參數(shù)，此處不再贅述。

此外，由于超聲波晶片組的尺寸減小，用于測試的巖芯的直徑也可相應(yīng)減小。巖芯直徑越小，測試所需成本越低，因而采用本發(fā)明實施例的超聲波晶片組對巖芯進(jìn)行超聲波測試時，可有效降低超聲波測試的成本。

實施例二

如圖6所示，本實施例提供一種超聲波探頭。超聲波探頭600用于對巖芯進(jìn)行超聲波檢測，包括殼體610、超聲波晶片組300和旋緊螺栓620。由于超聲波探頭要承受一定的溫度和壓力，為避免超聲晶片損壞，本實施例采用不銹鋼材質(zhì)的殼體保護(hù)超聲波晶片。

其中，殼體610具有圓柱形空腔。殼體610底部為圓形，頂部直徑不小于底部直徑。本圖中僅以殼體610頂部直徑等于底部直徑，即殼體610為圓柱體為例進(jìn)行闡述。

在一個具體的示例中，殼體底部設(shè)置為直徑25mm的圓面。根據(jù)被測巖芯直徑的不同，殼體底部也可分別設(shè)置為38mm和50mm的圓面。

殼體610頂部設(shè)有開口，超聲波晶片組300設(shè)置在殼體610的圓柱形空腔內(nèi)。殼體610側(cè)壁設(shè)有引線孔611、側(cè)面軸壓孔612和引流管613，殼體610的底部 設(shè)有底面軸壓孔614。

超聲波晶片組300靠近殼體610頂部開口的表面引出兩條引線分別連接橫波晶片310和縱波晶片320，所述兩條引線通過引線孔611引出，連接至殼體610外部的激勵信號發(fā)生器和信號切換器。在引線孔611處采用密封螺栓進(jìn)行密封(圖中未示出)。

引流管613設(shè)置在殼體610的側(cè)壁內(nèi)，其一端具有設(shè)置在殼體610側(cè)壁的側(cè)面軸壓孔612，另一端具有設(shè)置在殼體底部的底面軸壓孔614。在進(jìn)行軸壓測試時，通過側(cè)面軸壓孔612、引流管613和底面軸壓孔614注入液壓油，向被測巖芯施加軸向壓力。這樣設(shè)置，可有效利用殼體的側(cè)壁，保持殼體其他結(jié)構(gòu)的形狀不變，避免因在其他結(jié)構(gòu)上設(shè)置引流管而影響超聲波測試的檢測效果。

殼體610頂部設(shè)有內(nèi)螺紋，旋緊螺栓620設(shè)有與殼體610的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。旋緊螺栓620可用于壓緊超聲波晶片組300，以使超聲波晶片組300緊貼殼體610的底部，從而使超聲波信號傳遞的效率更高。

旋緊螺栓620的軸心位置設(shè)有引線孔621，連接橫波晶片310和縱波晶片320的兩條引線穿過引線孔621引出。在使用中，為橫波晶片310和縱波晶片320連接好引線后，使用聚氨酯將橫波晶片310和縱波晶片320整體澆鑄為圓柱體，再由旋緊螺栓620壓緊。

實施例三

本實施例提供一種巖芯超聲波測試系統(tǒng)，如圖7所示。

巖芯超聲波測試系統(tǒng)700包括兩個相同的超聲波探頭600、巖芯200、信號切換器710、壓力倉720、激勵信號發(fā)生器730、前置放大器740和數(shù)據(jù)處理器750。

其中，兩個相同的超聲波探頭600以上下對稱的方式緊貼巖芯200，兩個超聲波探頭的殼體底部均與巖芯表面接觸。在圖7的示例中，在巖芯上方的超聲波探頭為發(fā)射探頭，在巖芯下方的超聲波探頭為接收探頭。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在測試中超聲波探頭600內(nèi)設(shè)的晶片組300的中軸線與巖芯200的中軸線重合，巖芯200接收的超聲波沿中軸線均勻分布。當(dāng)巖芯200發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，并不會因為巖芯中紋理相對晶片組300的位置發(fā)生改變而導(dǎo)致接收的超聲波強(qiáng)度改變，從而避免現(xiàn)有技術(shù)中對同一巖芯進(jìn)行兩次超聲波測試后，前后兩 次的測試結(jié)果不同的技術(shù)缺陷。

兩個超聲波探頭600和巖芯200均設(shè)置在壓力倉720內(nèi)部。壓力倉720用于向被測巖芯施加軸壓、圍壓和孔壓。在進(jìn)行測試時，通過三軸試驗機(jī)向壓力倉720內(nèi)施加軸向壓力、圍壓和孔壓，并設(shè)置測試溫度，利用超聲橫波、超聲縱波在不同應(yīng)力條件下的傳播特性測試巖芯的動態(tài)彈性參數(shù)。

信號切換器710分別與兩個超聲波探頭600中的四根引線連接，信號切換器710根據(jù)外部輸入的切換信號選擇連通橫波晶片310或者縱波晶片320，激勵信號發(fā)生器730向橫波晶片310或者縱波晶片320施加激勵信號，從而產(chǎn)生超聲橫波或者超聲縱波。

超聲橫波和超聲縱波通過巖芯200后可通過接收探頭600的晶片組接收，從而轉(zhuǎn)換成電信號。由于該電信號比較微弱，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。為獲得更強(qiáng)的電信號，可將該電信號經(jīng)過前置放大器740進(jìn)行信號放大，再傳輸至數(shù)據(jù)處理器750，將該電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。如此以來，采集到的數(shù)字信號可通過數(shù)據(jù)處理計算機(jī)進(jìn)行處理運算、存儲等工作，計算被測巖芯的動態(tài)彈性參數(shù)。

本實施例的巖芯超聲波測試系統(tǒng)采用超聲波測試方式，可多次對巖芯進(jìn)行測試而不損壞巖芯。

本實施例的巖芯超聲波測試系統(tǒng)通過設(shè)置橫波晶片和縱波晶片的中軸線與巖芯的中軸線重合，可產(chǎn)生沿巖芯中軸線均勻分布的超聲波信號，使得用于超聲波探頭的超聲波晶片組可對巖芯各部分進(jìn)行全面的檢測，因而獲得更全面、準(zhǔn)確的測試結(jié)果。不會存在現(xiàn)有技術(shù)中因為橫波晶片和縱波晶片的中軸線偏離巖芯中軸線設(shè)置產(chǎn)生的測試結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。

另外，即使巖芯某個部分存在紋理，巖芯的其他部分也可正常傳輸超聲波信號，可保證超聲波測試中接收到符合要求的超聲波信號。因而本發(fā)明實施例的超聲波測試系統(tǒng)不僅可用于對直徑較大(50mm)的巖芯進(jìn)行超聲波測試，也可用于對直徑更小(如25mm、38mm)的巖芯進(jìn)行超聲波測試。

由于巖芯越大，超聲波測試的成本越高，因此本發(fā)明實施例的超聲波晶片組在用于測試直徑分別為25mm和38mm的巖芯時，可減少測試成本。

本發(fā)明實施例的巖石超聲波測試系統(tǒng)可用中心頻率為1MHz或500KHz的超聲波測試單軸加載、三軸加載以及控制巖石樣品的孔隙壓力、溫度等條件下巖樣的縱波速度(P波)和一個同軸面振動方向相互垂直的橫波(S波)的速度，并 由此獲得巖樣的動態(tài)彈性參數(shù)(楊氏模量、泊松比、拉梅常數(shù)、體積模量、剪切模量等)。在測試過程中，超聲波探頭與巖芯處在同一溫壓環(huán)境中，可保證測試結(jié)果十分準(zhǔn)確。

經(jīng)驗證，在測試直徑為25mm的巖芯時，該系統(tǒng)中超聲波探頭可承受的最高溫度為150℃，最大軸向加載力為90MPa，最大圍壓為90MPa，孔隙流體壓力(簡稱孔壓)為70MPa。因此，本發(fā)明實施例的巖芯超聲波采集系統(tǒng)符合實際測試要求。

雖然本發(fā)明所公開的實施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實施方式，并非用以限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明所公開的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細(xì)節(jié)上作任何的修改與變化，但本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，仍須以所附的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。