一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统，成像装置包括管体、超声成像单元和驱动机构。管体具有由侧壁围成的安装腔，且侧壁设置有阻水且可供超声波透过的透声窗。超声成像单元包括至少一个超声探头，超声成像单元可活动地安装于安装腔，超声探头的探测方向朝向透声窗。驱动机构安装于安装腔，且驱动机构与超声探头传动连接以驱动超声探头沿管体的轴向和/或周向运动。本装置不用电缆，成像数据井下存储，井上读取。相比于传统的胶筒印模法，不仅省时省力，效率大大提高；避免了印在印模胶筒表面的痕迹提钻时被孔壁磨掉的风险；尤其在钻孔深度较大、钻孔条件复杂的情况下也能够获取更为准确的水压诱发裂隙成像数据。

An ultrasonic dynamic imaging device and system for fracture induced fissure induced by underground water pressure

The invention provides a downhole hydraulic fracturing induced crack dynamic ultrasonic imaging device and system, and the imaging device includes a tube body, an ultrasonic imaging unit and a driving mechanism. The tube body has an installation cavity enclosed by the side wall, and the side wall is provided with a transparent window with water resistance and can be transmitted by the ultrasonic wave. The ultrasonic imaging unit includes at least one ultrasonic probe. The ultrasonic imaging unit is movably installed in the installation cavity, and the detection direction of the ultrasonic probe is toward the sound window. The driving mechanism is installed in the installation cavity, and the driving mechanism is connected with the ultrasonic probe to drive the axial and / or circumferential motion of the ultrasonic probe along the tube body. This device does not use cable, the imaging data is stored in the downhole, and Inoue reads it. The rubber stamp compared with traditional methods, not only save time, greatly improving the efficiency; avoid the risk on the rubber surface impression traces of drilling hole wall is worn; especially in the large, in the depth of borehole drilling conditions are complicated and can obtain more accurate pressure induced fracture imaging data.

【技术实现步骤摘要】
一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统
本专利技术涉及地应力测量
，具体而言，涉及一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统。
技术介绍
目前，地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参数。因而开展地应力的测量工作在地震机理研究、能源开采、矿山隧道设计、大型水坝坝基建设等方面具有重要的科学和实用意义。地应力测量最主要的方法是水压致裂法。水压致裂法地应力测量是通过在钻孔中封隔一段岩石裸孔，向封隔段注入高压液体，使孔壁压裂段岩体发生破裂来确定地应力大小和方向的一种方法。该方法理论成熟、操作简便、测量深度大、成本低，目前在全世界范围内得到广泛的应用。完整的孔壁岩体经过水力压裂后将产生两条对称的、垂直于孔轴的、呈180°平行的诱发裂隙，这一对诱发裂隙的方位角则代表了最大水平主应力的方向。获取最大水平主应力的方向是开展钻孔水压致裂法地应力测量的重要内容。现有的获取最大水平主应力方向的方法主要是印模法，即利用印模胶筒将诱发裂隙的痕迹高压印在其表面的硫化橡胶上，这种方法简单直观，但也有很多缺点，主要有：费时费力，效率低下，每次下钻仅能获取1-2个测试点的方向信息；印在印模胶筒表面的痕迹在提钻过程中很容易被孔壁磨掉；对于应力值较大的钻孔，由于诱发裂隙重新张开的应力也比较大，因此很难清晰地印上将诱发裂隙痕迹。上述几个缺点在钻孔深度较大，钻孔条件复杂的情况下对实验结果影响更加严重。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统，以获取孔壁诱发裂隙的方位角。为了解决上述技术问题中的至少一个，本专利技术提供了以下技术方案：一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，包括：管体，所述管体具有由侧壁围成的安装腔，且所述侧壁设置有阻水且可供超声波透过的透声窗；超声成像单元，所述超声成像单元包括至少一个超声探头，所述超声成像单元可活动地安装于所述安装腔，所述超声探头的探测方向朝向所述透声窗；驱动机构，所述驱动机构安装于所述安装腔，且所述驱动机构与所述超声探头传动连接以驱动所述超声探头沿管体的轴向和/或周向运动。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置还包括中心轴，超声成像单元还包括安装座，所述超声探头安装于所述安装座，所述安装座可活动地套设于所述中心轴的外周，所述驱动机构与所述安装座传动连接；优选地，所述中心轴具有轴向通孔；优选地，所述中心轴由金属材料制成。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述驱动机构包括主动直齿圆柱齿轮、从动直齿圆柱齿轮以及动力装置；所述主动直齿圆柱齿轮与所述动力装置的动力输出部传动连接，所述从动直齿圆柱齿轮与所述中心轴螺纹连接以形成丝杠副，且所述从动直齿圆柱齿轮与所述主动直齿圆柱齿轮啮合；所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和/或轴向固定连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和轴向均固定连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述动力装置为电机；所述安装腔内填充由绝缘硅油；优选地，所述电机为直流无刷电机。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述安装腔还包括一电池安装腔，所述电池安装腔内安装有电池，所述电池与所述超声探头及电机对应电极连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述超声波动态成像装置还包括压力开关，所述压力开关具有压力输入部和电信号输出部，所述压力输入部位于所述管体外，所述电信号输出部位于所述管体内且与所述电机及超声探头对应电极连接，所述压力开关被配置成当压力输入部接收到钻孔内液体的压力达到预设值时启动所述电机及超声探头。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述超声探头包括超声波发射器和接收换能器，所述接收换能器被配置成接收由所述超声波发射器发出且被井壁反射回的超声波信号；优选地，所述接收换能器为压电晶体式的换能器。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述超声探头的数量为2个，所述透声窗沿所述管体的周向设置一周；优选地，所述2个所述超声探头的探测方向均沿所述管体的径向向外且夹角为180°。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，还包括容线联动组件和滑环，所述滑环套设于所述中心轴的外周且固定于所述壳体内，所述容线联动组件整体上呈中空的细长结构，其内部具有容置电导线的容置腔；所述容线联动组件在径向上呈刚性且在轴向上长度可变；所述容线联动组件的一端与所述滑环轴向固定且周向滑动连接，所述容线联动组件的另一端与所述安装座固定连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述滑环具有围绕所述中心轴的环形凹槽，所述环形凹槽内固定有正极环和负极环，所述正极环与所述负极环之间有间隔且彼此绝缘设置；所述容线联动组件的与所述容线联动组件的连接的端部设置有正极滑块和负极滑块；所述正极滑块与所述正极环在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接；所述负极滑块与所述负极环在轴向和径向上相对位置固定且在周向上可滑动地连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述环形凹槽的开口处设置有轴向限位部，所述容线联动组件的与所述容线联动组件的连接的端部基本呈T字型，该端部具有沿径向向外的环形凸缘，所述环形凹槽与所述轴向限位部共同限定该环形凸缘的自由度，以使该凸缘在轴向固定且周向可活动。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述环形凹槽的开口宽度与所述容线联动组件的径向尺寸相适配，以限定所述容线联动组件与所述滑环在径向上基本固定。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述正极环与电池的正极对应电极连接，所述负极环与所述电池的负极对应电极连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述容线联动组件的容置腔内容置有与所述电机及所述超声探头对应电极连接的正电导线及负电导线，正电导线与正极滑块对应电极连接，负电导线与负极滑块对应电极连接。进一步地，在本专利技术的可选实施例中，所述容线联动组件包括第一线管和第二线管，所述第一线管与所述滑环连接且所述环形凸缘位于所述第一线管的一端部，且所述第一线管的另一端部可滑动地容置于所述第二线管的管腔，所述第二线管与所述安装座固定连接。本专利技术还提供了一种水压致裂诱发裂隙超声波成像系统，包括上述任一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，还包括超声波信号处理电路，所述超声波信号处理电路被配置成将超声波信号转化为诱发裂痕的图像信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过上述设计得到的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置及系统，使用时，驱动机构可以驱动超声探头在管体内沿管体的轴向和/或周向运动移动，超声探头可以通过收发可穿过透声窗的超声波信号，通过超声成像技术可获取井壁诱发裂隙的情况。相比于传统的印模法，不仅省时省力，效率高；避免了采用传统印模法时，印在印模胶筒表面的痕迹在提钻过程中被孔壁磨掉的风险；即使在钻孔深度较大、钻孔条件复杂的情况下能够获取更为准确的数据。而且，超声探头可以在不影响井壁诱发裂隙的前提下，朝多个方向移动，以获取更多测试点的方向信息，每次下钻能获取的测试点的方向信息可拓展至无限个(采用印模法通常仅为1-2个)。进一步地，本装置不采用电缆线连接井上采集仪与井下声波探头，成像数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，包括：管体，所述管体具有由侧壁围成的安装腔，且所述侧壁设置有阻水且可供超声波透过的透声窗；超声成像单元，所述超声成像单元包括至少一个超声探头，所述超声成像单元可活动地安装于所述安装腔，所述超声探头的探测方向朝向所述透声窗；驱动机构，所述驱动机构安装于所述安装腔，且所述驱动机构与所述超声探头传动连接以驱动所述超声探头沿管体的轴向和/或周向运动。

【技术特征摘要】
1.一种井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，包括：管体，所述管体具有由侧壁围成的安装腔，且所述侧壁设置有阻水且可供超声波透过的透声窗；超声成像单元，所述超声成像单元包括至少一个超声探头，所述超声成像单元可活动地安装于所述安装腔，所述超声探头的探测方向朝向所述透声窗；驱动机构，所述驱动机构安装于所述安装腔，且所述驱动机构与所述超声探头传动连接以驱动所述超声探头沿管体的轴向和/或周向运动。2.根据权利要求1所述的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，所述超声波动态成像装置还包括中心轴，超声成像单元还包括安装座，所述超声探头安装于所述安装座，所述安装座可活动地套设于所述中心轴的外周，所述驱动机构与所述安装座传动连接；优选地，所述中心轴具有轴向通孔；优选地，所述中心轴由金属材料制成。3.根据权利要求2所述的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，所述驱动机构包括主动直齿圆柱齿轮、从动直齿圆柱齿轮以及动力装置；所述主动直齿圆柱齿轮与所述动力装置的动力输出部传动连接，所述从动直齿圆柱齿轮与所述中心轴螺纹连接以形成丝杠副，且所述从动直齿圆柱齿轮与所述主动直齿圆柱齿轮啮合；所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和/或轴向固定连接。4.根据权利要求3所述的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，所述从动直齿圆柱齿轮与所述安装座在周向和轴向均固定连接。5.根据权利要求3所述的井下水压致裂诱发裂隙超声波动态成像装置，其特征在于，所述动力装置为电机；所述安...

【专利技术属性】
技术研发人员：张重远，贺洪斌，陈群策，陈浩，孙东生，
申请(专利权)人：中国地质科学院地质力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11