一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统

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1.本发明涉及地应力测量技术领域，尤其涉及一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统。

背景技术：

2.在对地层进行压裂过程中，地层裂缝分布情况会发生实时变化。而现有技术(印模定向技术，传统超声成像测井等)无法做到实时监测地层压裂效果，且随着深度的增加，现有技术缺陷愈发明显，测量结果的准确度和可靠性受到非常严重的影响。
3.常规的成像测井都是对静态的孔壁表面进行成像，由于裂缝在压力卸载后趋于闭合，以及超声探测分辨率不足等原因，导致诱发裂缝难以被探测到而适用性不强。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于能够实时获取发生裂开过程中裂缝空间方位及其演化过程的动态图像，提出了一种裂缝超声实时成像系统。
5.为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。
6.本发明提出了一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，所述系统包括：信号发射模块、信号接收模块和信号采集处理模块；所述信号发射模块，用于向压裂段发射超声波信号；所述信号接收模块，用于接收裂缝反射的超声波回波信号；所述信号采集处理模块，用于对裂缝反射的超声波信号进行处理；
7.所述信号采集处理模块，包括：增益滤波单元和信号处理单元；其中，
8.所述增益滤波单元，用于对裂缝反射的超声波信号进行放大、滤波处理，并将处理后的超声波信号传输到信号处理单元；
9.所述信号处理单元，用于通过硬件电路获得裂缝反射的超声波的回波幅度和回波到时时间，并传输到后续处理单元进行裂缝超声成像。
10.作为上述技术方案的改进之一，所述信号接收模块包括：至少两个超声换能器探头和模拟开关；
11.所述至少两个超声换能器探头的固有频率不同，用于适配不同井径需求；
12.所述模拟开关，与超声换能器探头一一对应，用于根据井径来选择适配的探头。
13.作为上述技术方案的改进之一，所述信号接收模块还包括至少两个预放匹配单元；每个预放匹配单元分别与一个超声换能器探头电联，用于对相应电联超声换能器探头接收的回波信号进行放大匹配。
14.作为上述技术方案的改进之一，所述信号接收模块还包括压力传感器，用于对压力进行检测，并当压力达到设定阈值时启动或停止信号接收模块接收裂缝反射的超声波回波信号。
15.作为上述技术方案的改进之一，所述增益滤波单元，包括依次电联的第一增益控制电路、带通滤波电路和第二增益控制电路。
16.作为上述技术方案的改进之一，所述信号处理单元，包括：全波采集电路、到时提取电路和峰值检测电路；
17.所述全波采集电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行完整采集；
18.所述到时提取电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行处理获得回波到时时间；
19.所述峰值检测电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行峰值检测，获得回波幅度。
20.作为上述技术方案的改进之一，所述到时提取电路，包括依次电联的：放大滤波子电路、精密整流子电路、检波子电路、微分比较子电路和到时采集子电路；其中，
21.所述放大滤波子电路、精密整流子电路和检波子电路，用于对回波信号依次进行滤波、整流和检波处理，得到回波包络；处理过程中，将回波信号作为探头工作频率载波的调幅信号来处理；
22.所述微分比较子电路，用于对回波包络进行处理获得信号过零点的时间即为回波信号峰值到时时间；
23.所述到时采集子电路，用于提取得到回波到时时间。
24.作为上述技术方案的改进之一，所述到时采集子电路包括计时器，用于测试零点位置时间即回波到时时间。
25.作为上述技术方案的改进之一，所述峰值检测电路，包括依次电联的：程控放大器、精密整流子电路、电荷泄放控制子电路、射随缓冲子电路和a/d采集子电路；其中，
26.所述程控放大器，用于对回波信号进行自动增益处理，使放大的回波信号峰值一直在ad采集子电路的要求范围内；
27.所述精密整流子电路，包括峰值检测器和峰值保持电容；其中，所述峰值检测器，用于对放大后的信号的峰值进行检测；所述峰值保持电容，用于储存检测的信号峰值的电荷；
28.所述电荷泄放控制子电路，用于泄放峰值保持电容上的电荷，以进行下一次峰值检测；
29.所述a/d采集子电路，用于对信号的峰值进模数转换并采集。
30.作为上述技术方案的改进之一，所述信号采集处理模块还包括fpga单元，用于对信号处理单元获得的回波幅度和回波时间进行处理获得裂缝超声成像，并存储；还用于控制电荷泄放控制子电路。
31.本发明与现有技术相比优点在于：
32.(1)没有线缆传输，电池供电，采用井下存储模式，待系统到地面读取数据；
33.(2)采用压力触发成像扫描工作机制，采集电路识别压力信号开始或结束扫描工作，这样不仅可以确保在裂隙受压张开、裂隙宽度最大时启动扫描，以使裂隙扫描效果最佳，而且可以节省成像装置电能和存储空间；
34.(3)传统超声成像直接将全波列数据上传，本设计不仅将全波列数据存储起来便于后期上位机信号处理，而且通过电路设计实现回波幅度和到时的提取，可直接成像，耗用时间短，具有很高的灵敏度和抗干扰性，精度较高。数据量小，节省了存储空间。
附图说明
35.图1压裂缝动态演化同步探测装置信号调理与采集模块；
36.图2到时提取电路框图；
37.图3为回波到时采集图例；
38.图4为整流与检波电路图；
39.图5为微分电路；
40.图6为回波包络与微分后波形比较图；
41.图7为幅度保持硬件电路实现框图；
42.图8为峰值保持电路具体电路设计图；
43.图9为峰值保持电容的峰值保持状态图；
44.图10为峰值保持电容的放电状态图；
45.图11幅度保持电路框图。
具体实施方式
46.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
47.采集控制电路是整个电路系统的核心。仪器到达一定深度后，采集控制电路通过处理压力传感器信号启动电机转动，然后对电机转动产生的齿牙信号进行角度检测，后启动发射控制模块激励换能器，同时对井壁反射波信号经匹配放大、滤波、增益后进行采集。
48.实施例
49.如图1所示，即为本发明的压裂缝动态演化同步探测装置信号调理与采集模块结构图。为了适应不同的测量条件，增益放大控制采用程控自适应增益的方式。
50.回波幅度和回波时间可以在硬件电路中通过峰值检测电路和首波检测电路实现。
51.(1)回波到时提取设计电路
52.图2为到时提取硬件电路实现框图，回波信号可以看成是探头工作频率载波的调幅信号来处理，在检波之后得到回波包络，经过微分电路之后信号过零点的时间即为回波信号峰值到达时间，用一个高精度的计时器测试零点位置即可提取到回波信号到时时间。
53.回波信号可以看成是一定频率载波的调幅信号来处理，在检波之后得到回波包络，经过微分电路之后可以得到峰值到达的时间。
54.在大多数情况下回波信号如图3所示，虽然在有时候包络幅度和频率都会有一些变化，但并不影响后续电路对它的处理。
55.如图4所示，为整流与检波电路图；如图5所示，为微分电路图。
56.如图6所示，为回波包络与微分后波形比较图。在回波检波和微分之后的对比图中可以看到回波峰值到达的时间与微分之后信号过零点的时间相同。
57.(2)回波幅度提取设计电路
58.图7为幅度保持硬件电路实现框图，放大后的信号被送入精密整流电路，检测出信号的峰值后，存储在峰值保持电容上。程控放大器通过主控芯片控制程控增益芯片实现自动增益，使得回波信号放大一直在ad采集范围内。经过射随后送a/d采集，采集到的峰值不受ad芯片的采样速率影响。用硬件电路获得幅度和到时，具有速度快精度高的特点。所以同时将全波列数据存储后上传至上位机通过算法处理得到。如图8所示，经过模拟开关的信号
另一路进入一个由积分电路构成的峰值保持功能模块,其中ic941是为实现积分补偿。
59.如果门槛比较器的结果是信号符合当前门槛电压的要求，当输入信号大于零电容c941开始充电,由于二极管d941，d942的作用当信号小于零时c941电压值将会保持。这时可以采集峰值保持电容的电压，如图9所示。
60.在信号采集结束后要对保持电容进行清除，模拟开关在fpga控制下闭合，对保持电容电压清除，如图10所示。
61.回波幅度的大小受井壁结构的影响，而回波到时则反映了探头到井壁的距离。回波幅度成像图的颜深浅可以反映井壁高低反射特征，裂缝属于低反射区，回波幅度成像图可以识别岩层和裂缝的方位。
62.本采集控制电路系统为了确保仪器有效工作时间，一方面要采用低功耗设计，而且利用压力触发确保压裂开始时超声成像才启动工作，减少无效工作时间，此外，根据仪器正常工作的平均功耗以及设计压裂所需要的时长，调整电池组的个数，以保证在所需要的工作时段内，仪器有稳定的电源供应。本发明系统能够获取地应力测量过程中裂缝空间方位及其演化过程的动态图像，同时能极大提高探测效率。
63.如图11所示，为本实施例根据压裂环境的实际需求，基于超声波成像测试原理，研发一种存储式水压致裂诱发裂缝超声实时探测装置。其中，压裂段为超声扫描声系结构，采集控制电路骨架则放置在无需走水的下封隔器内部，将整个测试过程数据采集并存储下来，实现压裂过程中压裂缝的实时成像。
64.从上述对本发明的具体描述可以看出，本技术系统在获取回波幅度和回波时间时，通过在硬件电路中通过峰值检测电路和首波检测电路实现，耗用时间短，且精度较高。
65.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，所述系统包括：信号发射模块、信号接收模块和信号采集处理模块；所述信号发射模块，用于向压裂段发射超声波信号；所述信号接收模块，用于接收裂缝反射的超声波回波信号；所述信号采集处理模块，用于对裂缝反射的超声波信号进行处理；其特征在于，所述信号采集处理模块，包括：增益滤波单元和信号处理单元；其中，所述增益滤波单元，用于对裂缝反射的超声波信号进行放大、滤波处理，并将处理后的超声波信号传输到信号处理单元；所述信号处理单元，用于通过硬件电路获得裂缝反射的超声波的回波幅度和回波到时时间，并传输到后续处理单元进行裂缝超声成像。2.根据权利要求1所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述信号接收模块包括：至少两个超声换能器探头和模拟开关；所述至少两个超声换能器探头的固有频率不同，用于适配不同井径需求；所述模拟开关，与超声换能器探头一一对应，用于根据井径来选择适配的探头。3.根据权利要求2所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述信号接收模块还包括至少两个预放匹配单元；每个预放匹配单元分别与一个超声换能器探头电联，用于对相应电联超声换能器探头接收的回波信号进行放大匹配。4.根据权利要求2所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述信号接收模块还包括压力传感器，用于对压力进行检测，并当压力达到设定阈值时启动或停止信号接收模块接收裂缝反射的超声波回波信号。5.根据权利要求1所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述增益滤波单元，包括依次电联的第一增益控制电路、带通滤波电路和第二增益控制电路。6.根据权利要求1所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述信号处理单元，包括：全波采集电路、到时提取电路和峰值检测电路；所述全波采集电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行完整采集；所述到时提取电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行处理获得回波到时时间；所述峰值检测电路，用于对增益滤波单元输出的信号进行峰值检测，获得回波幅度。7.根据权利要求6所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述到时提取电路，包括依次电联的：放大滤波子电路、精密整流子电路、检波子电路、微分比较子电路和到时采集子电路；其中，所述放大滤波子电路、精密整流子电路和检波子电路，用于对回波信号依次进行滤波、整流和检波处理，得到回波包络；处理过程中，将回波信号作为探头工作频率载波的调幅信号来处理；所述微分比较子电路，用于对回波包络进行处理获得信号过零点的时间即为回波信号峰值到时时间；所述到时采集子电路，用于提取得到回波到时时间。8.根据权利要求7所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述到时采集子电路包括计时器，用于测试零点位置时间即回波到时时间。9.根据权利要求6所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在
于，所述峰值检测电路，包括依次电联的：程控放大器、精密整流子电路、电荷泄放控制子电路、射随缓冲子电路和a/d采集子电路；其中，所述程控放大器，用于对回波信号进行自动增益处理，使放大的回波信号峰值一直在ad采集子电路的要求范围内；所述精密整流子电路，包括峰值检测器和峰值保持电容；其中，所述峰值检测器，用于对放大后的信号的峰值进行检测；所述峰值保持电容，用于储存检测的信号峰值的电荷；所述电荷泄放控制子电路，用于泄放峰值保持电容上的电荷，以进行下一次峰值检测；所述a/d采集子电路，用于对信号的峰值进模数转换并采集。10.根据权利要求9所述的压力致裂诱发裂缝的超声实时成像采集控制系统，其特征在于，所述信号采集处理模块还包括fpga单元，用于对信号处理单元获得的回波幅度和回波时间进行处理获得裂缝超声成像，并存储；还用于控制电荷泄放控制子电路。

技术总结

本发明涉及一种压力致裂诱发裂缝超声实时成像采集控制系统，所述系统包括：信号发射模块、信号接收模块和信号采集处理模块；所述信号发射模块，用于向压裂段发射超声波信号；所述信号接收模块，用于接收裂缝反射的超声波回波信号；所述信号采集处理模块，用于对裂缝反射的超声波信号进行处理；所述信号采集处理模块，包括：增益滤波单元和信号处理单元；其中，所述增益滤波单元，用于对裂缝反射的超声波信号进行放大、滤波处理，并将处理后的超声波信号传输到信号处理单元；所述信号处理单元，用于通过硬件电路获得裂缝反射的超声波的回波幅度和回波到时时间，并传输到后续处理单元进行裂缝超声成像。元进行裂缝超声成像。元进行裂缝超声成像。