一种非接触式检测岩石声波速度的方法技术

本发明专利技术提供了一种非接触式检测岩石声波速度的方法，属于岩石物理研究领域。所述方法利用激光脉冲发生器产生的激光脉冲轰击被测物体表面，在被测物体中形成超声波，同时在被测物体的另一侧采用激光测振仪激光头检测被测物体表面的振动信号，并将振动信号转化为电信号，然后根据所述电信号绘制成超声波波形，最后根据超声波的初至时间计算出超声波在物体中的传播速度。利用本发明专利技术能够对各种岩芯样品进行激光测振实验，实现了在不损伤岩芯的情况下，获得岩芯声波速度数据，提高的岩芯重复使用率，减少了重复采芯次数；利用本发明专利技术可以计算岩芯任意位置的声波速度值，根据其结果能够建立岩芯速度场，便于研究岩芯的各向异性特征。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于岩石物理研究领域，具体涉及一种非接触式检测岩石声波速度的方 法。
技术介绍
岩石超声波速度测试技术：岩石声波速度是岩体质量评价的重要指标，测量声波 速度的方法基本可以分为三类：共振法、脉冲法和干涉法.目前常用的测试方法是超声脉 冲方法，采用超声-时间方法测试岩石的声波速度.该法主要利用弹性脉冲，即弹性波在 固体介质中的传播时间来计算速度.具体方法见图1，即由发射探头发射一个中心频率为 0. 5MHz的超声脉冲，测量该脉冲透过岩样到达接收探头的纵、横波初至时间，扣除纵横波在 发射探头和接收探头内的传播时间（即零时），获得纵、横波实际透过岩样的传播时间。根 据该时间和岩样长度即可计算出超声波穿过岩样的纵横波速度。 声波在岩石中传播时会产生自然衰减，因此现有的岩石声波速度测试方法对岩芯 的大小和形状都有比较严格的要求.在测试前必须要对岩芯进行切割和加工，并且能够进 行测试的岩芯的大小与超声波的能量有密切关系.这样的测试方法对岩芯造成了不可逆 转的破坏，限制了岩芯的重复使用，而石油行业的钻井岩芯通常取自地下数千米，成本极 高.另外，超声测试是测试加工后的岩芯样品整体的速度值，而自然界的岩石是不均一的 各向异性体，测试结果不能很好的展现岩芯的各向异性特征. 激光测振技术：激光超声波法是利用激光来产生和接收超声波实现材料特性和缺 陷检测的技术。图2是实验室进行激光发射-激光接收的示意图，图2的右侧是一脉冲激 光光源，用它可以在被测物体表面产生超声波信号。图2的左侧是一激光干涉仪用于振动 信号的接收，它将被测物体表面的振动信号（位移或速度）转换为电信号，然后送给计算机 进行分析处理。 激光超声技术以其独有的特点，成为无损检测及实验力学领域的一个新分支，该 技术之所以备受关注，是由于它与传统的超声无损检测技术相比，具有非常突出的优点，使 其在某些场合，应用前景十分广阔。 (1)非接触性 采用压电晶体探头的常规超声波检测，是一种物理接触式方法。探头与试件间的 能量交换要依靠第三种介质一藕合剂来完成。而激光超声的产生是非接触式的，再配以非 接触式的激光干涉仪接收超声波，这种技术是完全非接触式超声波检测技术，取消了使用 藕合剂的必要性。这样的优点是： ①不会产生由于藕合层的变化而引起超声波幅度及频率响应的变化； ②试件不受探头的附加荷载的影响； ③试件不受藕合剂的污染（这对于某些复合材料特别重要）； ④试验的重复性好。 (2).远距离遥测 在激光超声检测系统中，激光器及其光学元件可以远离被测试件几十厘米之远， 需要时可达数十米远。因此，这种技术不仅是一种非接触式，而且是远距离遥测式的检测技 术。尽管电磁声换能器E (MAT)，空气超声换能器以及电容换能器（ESAT)等也具有非接触 式的特点，但这些换能器离开试件的距离不能太大（< 1_)，换能器的换能效率与换能器 和试件表面间的距离关系甚大。从这方面来讲激光超声无损检测技术的应用范围更大。比 如，当试件的温度超过500°C以上，或者更高，没有可靠的超声换能器可以接近试件表面，而 激光超声技术则可遥测。激光束可以透过一透明窗口，进入密封的试件舱，因此可以应用在 有毒、高压、有放射性的恶劣环境之下。 (3).快速全方位扫描 从原理上讲，光学技术具有快速扫描的特点，利用棱镜、反射镜或者电光装置，可 以方便地进行全方位快速扫描。采用全光学型的激光超声测量系统，可以利用这一特点，对 试件进行快速扫描。扫描的上限速度与压电换能器的扫描速度相比高得多，它仅受激光脉 冲的复重频率及数据采样频率的限制。 (4).空间分辨率高 理论上讲，用于产生和探测超声脉冲的激光束可以聚到很小，约μ m量级，因此可 以获得很高的空间分辨率。在实践中，激光超声检测系统将接收激光束聚焦到l〇ym以下 是容易的.显然这样可提高空间分辨率，但对于产生超声波的激光束而言，这样势必导致 试件表面形成等离子体，以致严重损伤试件表面。一般来讲，几百μ m的超声源较为常用， 与压电晶体探头相比，这样的空间分辨率已经很高了。高的空间分辨率，对于缺陷的精确定 位和尺寸量度是相当有利的。同时，由于该技术可以近似做到点测量，激光激发的超声源非 常接近点源，与得到理论解的假设条件相一致。因此，可以用来验证理论解。 (5).对检测部位的空间位置要求不高 常规的超声换能器，由于其体积较大，对被检构件的被检位置有一定要求，如要求 被检位置的曲率半径不能太小。对于一些难以接近部位，或没有足够空间的位置（如拐角） 就无法检测。由于激光超声技术具有远距离遥测的特点，加之激光束可小到μ m级，因此它 可以检测大曲率的曲面，还可以通过光导纤维将激光诱导到难以接近的区域。这为形状较 为复杂的构件提供了一种检测手段。 但是，通常岩石超声波速度的测试需要根据测试设备的要求，先将岩芯样品切割 规则的形状（方形、圆柱形等），才能进行速度测试.测试得到的速度数据的准确性收到声 波探头与岩芯样品耦合程度、岩芯样品本身对超声波的衰减能力等因素的影响.这样的测 试方法，破坏了钻井取得岩芯的完整，也将大量的人力和时间耗费在岩芯样品加工上。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种非接触式检测岩石 声波速度的方法，利用多普勒激光测振技术，通过激光检测超声波穿过岩石后在岩石表面 产生高频振动的方法，捕捉超声波波形，计算得到岩芯的速度，避免了破坏岩芯，实现重复 使用岩芯样品，能够缩减钻井取芯的数量，节约取芯费用和岩芯加工的人力、物力消耗.另 夕卜，本专利技术提供的方法能够计算岩石任何位置的速度值，能更好的实现岩芯各向异性特征 的分析。 本专利技术是通过以下技术方案实现的： -种非接触式检测岩石声波速度的方法，所述方法利用激光脉冲发生器产生的激 光脉冲轰击被测物体表面，在被测物体中形成超声波，同时在被测物体的另一侧采用激光 测振仪激光头检测被测物体表面的振动信号，并将振动信号转化为电信号，然后根据所述 电信号绘制成超声波波形，最后根据超声波的初至时间计算出超声波在物体中的传播速 度。 所述将振动信号转化为电信号是这样实现的： 将激光测振仪激光头检测到的振动信号经过激光测振仪控制器、译码器和A/D转 换器的处理得到电信号。 所述方法将被测物体安装在机械载物台上，在所述机械载物台上安装有电极，能 够根据计算机的控制进行旋转。 所述激光脉冲发生器和A/D转换器是安装在所述机械载物台上的。 所述超声波波形是振幅-时间曲线，时间为横坐标，振幅为纵坐标。 所述根据超声波的初至时间计算出超声波在物体中的传播速度是这样实现的： 在所述振幅-时间曲线上拾取超声波初至时刻T，然后将初至时刻T作为时间代入 公式：速度=长度/时间计算出超声波穿透被测物体的速度； 所述长度是通过安装在激光脉冲发生器和激光测振仪激光头上的激光测距仪测 量得到的。 所述拾取超声波初至时刻T是这样实现的：在振幅-时间曲线图中找到第一个波 峰或波谷与时间轴的交叉点，其时间值即为超声波的初至时刻T。 与现有技术相比，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式检测岩石声波速度的方法，其特征在于：所述方法利用激光脉冲发生器产生的激光脉冲轰击被测物体表面，在被测物体中形成超声波，同时在被测物体的另一侧采用激光测振仪激光头检测被测物体表面的振动信号，并将振动信号转化为电信号，然后根据所述电信号绘制成超声波波形，最后根据超声波的初至时间计算出超声波在物体中的传播速度。

【技术特征摘要】
1. 一种非接触式检测岩石声波速度的方法，其特征在于：所述方法利用激光脉冲发生 器产生的激光脉冲轰击被测物体表面，在被测物体中形成超声波，同时在被测物体的另一 侧采用激光测振仪激光头检测被测物体表面的振动信号，并将振动信号转化为电信号，然 后根据所述电信号绘制成超声波波形，最后根据超声波的初至时间计算出超声波在物体中 的传播速度。2. 根据权利要求1所述的非接触式检测岩石声波速度的方法，其特征在于：所述将振 动信号转化为电信号是这样实现的： 将激光测振仪激光头检测到的振动信号经过激光测振仪控制器、译码器和A/D转换器 的处理得到电信号。3. 根据权利要求2所述的非接触式检测岩石声波速度的方法，其特征在于：所述方法 将被测物体安装在机械载物台上，在所述机械载物台上安装有电极，能够根据计算机的控 制进行旋转。4. 根据权利要求3所述的非接触式检测岩石声波速度的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周枫，马中高，赵群，周中彪，奚相，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11