一種非接觸式檢測巖石聲波速度的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，屬于巖石物理研究領(lǐng)域。所述方法利用激光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的激光脈沖轟擊被測物體表面，在被測物體中形成超聲波，同時(shí)在被測物體的另一側(cè)采用激光測振儀激光頭檢測被測物體表面的振動(dòng)信號，并將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后根據(jù)所述電信號繪制成超聲波波形，最后根據(jù)超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中的傳播速度。利用本發(fā)明能夠?qū)Ω鞣N巖芯樣品進(jìn)行激光測振實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在不損傷巖芯的情況下，獲得巖芯聲波速度數(shù)據(jù)，提高的巖芯重復(fù)使用率，減少了重復(fù)采芯次數(shù)；利用本發(fā)明可以計(jì)算巖芯任意位置的聲波速度值，根據(jù)其結(jié)果能夠建立巖芯速度場，便于研究巖芯的各向異性特征。
【專利說明】一種非接觸式檢測巖石聲波速度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖石物理研究領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式檢測巖石聲波速度的方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 巖石超聲波速度測試技術(shù)：巖石聲波速度是巖體質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，測量聲波 速度的方法基本可以分為三類：共振法、脈沖法和干涉法.目前常用的測試方法是超聲脈 沖方法，采用超聲-時(shí)間方法測試巖石的聲波速度.該法主要利用彈性脈沖，即彈性波在 固體介質(zhì)中的傳播時(shí)間來計(jì)算速度.具體方法見圖1，即由發(fā)射探頭發(fā)射一個(gè)中心頻率為 0. 5MHz的超聲脈沖，測量該脈沖透過巖樣到達(dá)接收探頭的縱、橫波初至?xí)r間，扣除縱橫波在 發(fā)射探頭和接收探頭內(nèi)的傳播時(shí)間（即零時(shí)），獲得縱、橫波實(shí)際透過巖樣的傳播時(shí)間。根 據(jù)該時(shí)間和巖樣長度即可計(jì)算出超聲波穿過巖樣的縱橫波速度。
[0003] 聲波在巖石中傳播時(shí)會產(chǎn)生自然衰減，因此現(xiàn)有的巖石聲波速度測試方法對巖芯 的大小和形狀都有比較嚴(yán)格的要求.在測試前必須要對巖芯進(jìn)行切割和加工，并且能夠進(jìn) 行測試的巖芯的大小與超聲波的能量有密切關(guān)系.這樣的測試方法對巖芯造成了不可逆 轉(zhuǎn)的破壞，限制了巖芯的重復(fù)使用，而石油行業(yè)的鉆井巖芯通常取自地下數(shù)千米，成本極 高.另外，超聲測試是測試加工后的巖芯樣品整體的速度值，而自然界的巖石是不均一的 各向異性體，測試結(jié)果不能很好的展現(xiàn)巖芯的各向異性特征.
[0004] 激光測振技術(shù)：激光超聲波法是利用激光來產(chǎn)生和接收超聲波實(shí)現(xiàn)材料特性和缺 陷檢測的技術(shù)。圖2是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行激光發(fā)射-激光接收的示意圖，圖2的右側(cè)是一脈沖激 光光源，用它可以在被測物體表面產(chǎn)生超聲波信號。圖2的左側(cè)是一激光干涉儀用于振動(dòng) 信號的接收，它將被測物體表面的振動(dòng)信號（位移或速度）轉(zhuǎn)換為電信號，然后送給計(jì)算機(jī) 進(jìn)行分析處理。
[0005] 激光超聲技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn)，成為無損檢測及實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)新分支，該 技術(shù)之所以備受關(guān)注，是由于它與傳統(tǒng)的超聲無損檢測技術(shù)相比，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，使 其在某些場合，應(yīng)用前景十分廣闊。
[0006] (1)非接觸性
[0007] 采用壓電晶體探頭的常規(guī)超聲波檢測，是一種物理接觸式方法。探頭與試件間的 能量交換要依靠第三種介質(zhì)一藕合劑來完成。而激光超聲的產(chǎn)生是非接觸式的，再配以非 接觸式的激光干涉儀接收超聲波，這種技術(shù)是完全非接觸式超聲波檢測技術(shù)，取消了使用 藕合劑的必要性。這樣的優(yōu)點(diǎn)是：
[0008] ①不會產(chǎn)生由于藕合層的變化而引起超聲波幅度及頻率響應(yīng)的變化；
[0009] ②試件不受探頭的附加荷載的影響；
[0010] ③試件不受藕合劑的污染（這對于某些復(fù)合材料特別重要）；
[0011] ④試驗(yàn)的重復(fù)性好。
[0012] (2).遠(yuǎn)距離遙測
[0013] 在激光超聲檢測系統(tǒng)中，激光器及其光學(xué)元件可以遠(yuǎn)離被測試件幾十厘米之遠(yuǎn)， 需要時(shí)可達(dá)數(shù)十米遠(yuǎn)。因此，這種技術(shù)不僅是一種非接觸式，而且是遠(yuǎn)距離遙測式的檢測技 術(shù)。盡管電磁聲換能器E (MAT)，空氣超聲換能器以及電容換能器（ESAT)等也具有非接觸 式的特點(diǎn)，但這些換能器離開試件的距離不能太大（< 1_)，換能器的換能效率與換能器 和試件表面間的距離關(guān)系甚大。從這方面來講激光超聲無損檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍更大。比 如，當(dāng)試件的溫度超過500°C以上，或者更高，沒有可靠的超聲換能器可以接近試件表面，而 激光超聲技術(shù)則可遙測。激光束可以透過一透明窗口，進(jìn)入密封的試件艙，因此可以應(yīng)用在 有毒、高壓、有放射性的惡劣環(huán)境之下。
[0014] (3).快速全方位掃描
[0015] 從原理上講，光學(xué)技術(shù)具有快速掃描的特點(diǎn)，利用棱鏡、反射鏡或者電光裝置，可 以方便地進(jìn)行全方位快速掃描。采用全光學(xué)型的激光超聲測量系統(tǒng)，可以利用這一特點(diǎn)，對 試件進(jìn)行快速掃描。掃描的上限速度與壓電換能器的掃描速度相比高得多，它僅受激光脈 沖的復(fù)重頻率及數(shù)據(jù)采樣頻率的限制。
[0016] (4).空間分辨率高
[0017] 理論上講，用于產(chǎn)生和探測超聲脈沖的激光束可以聚到很小，約μ m量級，因此可 以獲得很高的空間分辨率。在實(shí)踐中，激光超聲檢測系統(tǒng)將接收激光束聚焦到l〇ym以下 是容易的.顯然這樣可提高空間分辨率，但對于產(chǎn)生超聲波的激光束而言，這樣勢必導(dǎo)致 試件表面形成等離子體，以致嚴(yán)重?fù)p傷試件表面。一般來講，幾百μ m的超聲源較為常用， 與壓電晶體探頭相比，這樣的空間分辨率已經(jīng)很高了。高的空間分辨率，對于缺陷的精確定 位和尺寸量度是相當(dāng)有利的。同時(shí)，由于該技術(shù)可以近似做到點(diǎn)測量，激光激發(fā)的超聲源非 常接近點(diǎn)源，與得到理論解的假設(shè)條件相一致。因此，可以用來驗(yàn)證理論解。
[0018] (5).對檢測部位的空間位置要求不高
[0019] 常規(guī)的超聲換能器，由于其體積較大，對被檢構(gòu)件的被檢位置有一定要求，如要求 被檢位置的曲率半徑不能太小。對于一些難以接近部位，或沒有足夠空間的位置（如拐角） 就無法檢測。由于激光超聲技術(shù)具有遠(yuǎn)距離遙測的特點(diǎn)，加之激光束可小到μ m級，因此它 可以檢測大曲率的曲面，還可以通過光導(dǎo)纖維將激光誘導(dǎo)到難以接近的區(qū)域。這為形狀較 為復(fù)雜的構(gòu)件提供了一種檢測手段。
[0020] 但是，通常巖石超聲波速度的測試需要根據(jù)測試設(shè)備的要求，先將巖芯樣品切割 規(guī)則的形狀（方形、圓柱形等），才能進(jìn)行速度測試.測試得到的速度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性收到聲 波探頭與巖芯樣品耦合程度、巖芯樣品本身對超聲波的衰減能力等因素的影響.這樣的測 試方法，破壞了鉆井取得巖芯的完整，也將大量的人力和時(shí)間耗費(fèi)在巖芯樣品加工上。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種非接觸式檢測巖石 聲波速度的方法，利用多普勒激光測振技術(shù)，通過激光檢測超聲波穿過巖石后在巖石表面 產(chǎn)生高頻振動(dòng)的方法，捕捉超聲波波形，計(jì)算得到巖芯的速度，避免了破壞巖芯，實(shí)現(xiàn)重復(fù) 使用巖芯樣品，能夠縮減鉆井取芯的數(shù)量，節(jié)約取芯費(fèi)用和巖芯加工的人力、物力消耗.另 夕卜，本發(fā)明提供的方法能夠計(jì)算巖石任何位置的速度值，能更好的實(shí)現(xiàn)巖芯各向異性特征 的分析。
[0022] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0023] -種非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，所述方法利用激光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的激 光脈沖轟擊被測物體表面，在被測物體中形成超聲波，同時(shí)在被測物體的另一側(cè)采用激光 測振儀激光頭檢測被測物體表面的振動(dòng)信號，并將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后根據(jù)所述 電信號繪制成超聲波波形，最后根據(jù)超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中的傳播速 度。
[0024] 所述將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0025] 將激光測振儀激光頭檢測到的振動(dòng)信號經(jīng)過激光測振儀控制器、譯碼器和A/D轉(zhuǎn) 換器的處理得到電信號。
[0026] 所述方法將被測物體安裝在機(jī)械載物臺上，在所述機(jī)械載物臺上安裝有電極，能 夠根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
[0027] 所述激光脈沖發(fā)生器和A/D轉(zhuǎn)換器是安裝在所述機(jī)械載物臺上的。
[0028] 所述超聲波波形是振幅-時(shí)間曲線，時(shí)間為橫坐標(biāo)，振幅為縱坐標(biāo)。
[0029] 所述根據(jù)超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中的傳播速度是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0030] 在所述振幅-時(shí)間曲線上拾取超聲波初至?xí)r刻T，然后將初至?xí)r刻T作為時(shí)間代入 公式：速度=長度/時(shí)間計(jì)算出超聲波穿透被測物體的速度；
[0031] 所述長度是通過安裝在激光脈沖發(fā)生器和激光測振儀激光頭上的激光測距儀測 量得到的。
[0032] 所述拾取超聲波初至?xí)r刻T是這樣實(shí)現(xiàn)的：在振幅-時(shí)間曲線圖中找到第一個(gè)波 峰或波谷與時(shí)間軸的交叉點(diǎn)，其時(shí)間值即為超聲波的初至?xí)r刻T。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0034] 利用本發(fā)明能夠?qū)Ω鞣N巖芯樣品進(jìn)行激光測振實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在不損傷巖芯的情況 下，獲得巖芯聲波速度數(shù)據(jù)，提高的巖芯重復(fù)使用率，減少了重復(fù)采芯次數(shù)；
[0035] 利用本發(fā)明可以計(jì)算巖芯任意位置的聲波速度值，根據(jù)其結(jié)果能夠建立巖芯速度 場，便于研究巖芯的各向異性特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是超聲波速度測量原理示意圖。
[0037] 圖2是激光測振原理圖。
[0038] 圖3是本發(fā)明方法的原理圖。
[0039] 圖4是實(shí)施例中的振幅-時(shí)間曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0041] 如圖3所示，本發(fā)明通過激光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生激光脈沖，轟擊被測物體表面，在固 體中形成彈性波-超聲波。同時(shí)在被測物另一側(cè)采用激光測振儀激光頭測試被測物表面的 振動(dòng)，將振動(dòng)信號通過信號轉(zhuǎn)換器（指圖3中的測振儀控制器、譯碼器和高速A/D轉(zhuǎn)換器）， 將記錄下的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。研究人員通過計(jì)算機(jī)將電信號繪制 成超聲波波形（信號轉(zhuǎn)換器接收到的電信號通過計(jì)算機(jī)中的控制軟件，按照信號強(qiáng)度-時(shí) 間繪制成正弦波曲線，即為超聲波傳播的波形，也就是振幅-時(shí)間曲線，該過程由計(jì)算機(jī)自 動(dòng)完成。）。超聲波在空氣中的傳播距離通過安裝在激光脈沖發(fā)生器和激光測振儀激光頭 上的激光測距儀測量得到（在激光脈沖發(fā)生器和激光測振儀激光頭上均安裝一個(gè)激光測 距儀，由激光測距儀分別測出脈沖發(fā)射器和激光頭到樣品的距離，兩者之和即為超聲波在 空氣中的傳播距離），然后根據(jù)超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中的傳播速度。
[0042] 圖3中整套裝置是對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行局部改造得到的，改造的部分包括加裝了激光 測距儀、機(jī)械載物臺。其中，圖3中的機(jī)械載物臺主要是用來固定試件，并且能夠按照一定 的速度和角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對試件的多方位的連續(xù)檢測。在所述機(jī)械載物臺中安裝 了電機(jī)，在計(jì)算機(jī)中可以通過操作軟件，對載物臺實(shí)現(xiàn)操控。激光脈中發(fā)射器和A/D轉(zhuǎn)換器 是安裝在載物臺上的。
[0043] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如下：
[0044] D50-12號巖芯是米自鄂爾多斯某鉆井的一塊巖芯樣本，該井是一口高聲波高電阻 特征的高產(chǎn)氣井.在整段巖芯上鉆取了直徑25cm，長5cm的圓柱體樣品，采用超聲波-時(shí)間 方法測試對D50-12樣品進(jìn)行了速度測試，得到的縱波速度4640m/s，橫波速度2565m/s.
[0045] 對該樣品進(jìn)行了本發(fā)明所述的激光測振實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)采集到的超聲波波形利用下 面所述的速度=長度/時(shí)間公式計(jì)算出了巖芯的超聲波速度，得到的縱、橫波速度分別為 4640m/s和2565m/s (橫波和縱波的振動(dòng)方式是不同的，其傳播速度也相差很大，有專業(yè)知 識的人員在超聲波波形圖上能夠區(qū)分出兩種不同的波），兩種方法得到的速度數(shù)據(jù)是相互 匹配的，這也就證明本方法的準(zhǔn)確性。
[0046] 實(shí)驗(yàn)采用的設(shè)備為Polytec PSV-400-M2型多普勒激光測振儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如 下：
[0047] 1.振動(dòng)速度范圍：
[0048] 最大：+/-10米/秒，共11檔速度量程
[0049] VD-03型模擬式解碼器10,100,1000mm/s/V三檔速度量程
[0050] VD-07型數(shù)字式解碼器七檔速度量程
[0051] 2.頻率范圍：0-1ΜΗζ
[0052] 3.掃描點(diǎn)數(shù)：1到512X512點(diǎn)
[0053] 4. FFT :6400線，掃描過程中，所有點(diǎn)的振動(dòng)以頻譜方式逐點(diǎn)存儲
[0054] 5.激光功率：lmW，激光自動(dòng)聚焦
[0055] 6.測量距離：0· 53米到大于50米（視目標(biāo)反射特性而定）
[0056] 7.最小振動(dòng)分辨率：0· 1 μ m/s (每Hz帶寬上）
[0057] 下面以20號點(diǎn)（后面的3809個(gè)點(diǎn)是指在該點(diǎn)采集到的3809個(gè)振動(dòng)信號）。為例 子，計(jì)算超聲波在該點(diǎn)的傳播速度。數(shù)據(jù)采集以〇. 2微秒為間隔，共采集3809個(gè)點(diǎn)（如表 1所示），繪制成振幅-時(shí)間曲線（如圖4所示）。
[0058] 超聲波速度的計(jì)算
[0059] 從圖4中拾取超聲波初至?xí)r刻T，具體的方法為：在圖中找到第一個(gè)波峰（波谷） 與時(shí)間軸的交叉點(diǎn)，其時(shí)間值即為超聲波的初至?xí)r刻T。該實(shí)例中，T的值為15. 9微秒。
[0060] 得到T后，根據(jù)公式：速度=長度/時(shí)間，計(jì)算出超聲波穿透樣品的時(shí)間，實(shí)例中的 速度（V)為
[0061] V = 0. 054m/0. 0000159s = 3396. 2m/s
[0062] 試件的長度是采用激光測距儀測量得到的。
[0063] 本發(fā)明是一種新的巖芯超聲波速度計(jì)算方法.該方法利用激光測振技術(shù)掃描巖 芯，采集超聲波穿過巖芯后的波形數(shù)據(jù)，在波形曲線上拾取聲波初至?xí)r刻，計(jì)算得到超聲波 在巖芯中的傳播速度。相對于現(xiàn)有的巖芯超聲波速度測試方法，本發(fā)明無需對巖芯進(jìn)行破 壞性處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對樣品任意位置的超聲波速度測試，檢測點(diǎn)的尺度能夠達(dá)到微米級，檢 測結(jié)果能夠從多角度和更小尺度來反映巖石的各向異性。
[0064] 上述技術(shù)方案只是本發(fā)明的一種實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員而言，在本 發(fā)明公開了應(yīng)用方法和原理的基礎(chǔ)上，很容易做出各種類型的改進(jìn)或變形，而不僅限于本 發(fā)明上述【具體實(shí)施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是優(yōu)選的，而并不具有限制 性的意義。
[0065]

【權(quán)利要求】
1. 一種非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述方法利用激光脈沖發(fā)生 器產(chǎn)生的激光脈沖轟擊被測物體表面，在被測物體中形成超聲波，同時(shí)在被測物體的另一 側(cè)采用激光測振儀激光頭檢測被測物體表面的振動(dòng)信號，并將振動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號，然 后根據(jù)所述電信號繪制成超聲波波形，最后根據(jù)超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中 的傳播速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述將振 動(dòng)信號轉(zhuǎn)化為電信號是這樣實(shí)現(xiàn)的： 將激光測振儀激光頭檢測到的振動(dòng)信號經(jīng)過激光測振儀控制器、譯碼器和A/D轉(zhuǎn)換器 的處理得到電信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述方法 將被測物體安裝在機(jī)械載物臺上，在所述機(jī)械載物臺上安裝有電極，能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)的控 制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述激光 脈沖發(fā)生器和A/D轉(zhuǎn)換器是安裝在所述機(jī)械載物臺上的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述超聲 波波形是振幅-時(shí)間曲線，時(shí)間為橫坐標(biāo)，振幅為縱坐標(biāo)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述根據(jù) 超聲波的初至?xí)r間計(jì)算出超聲波在物體中的傳播速度是這樣實(shí)現(xiàn)的： 在所述振幅-時(shí)間曲線上拾取超聲波初至?xí)r刻T，然后將初至?xí)r刻T作為時(shí)間代入公 式：速度=長度/時(shí)間計(jì)算出超聲波穿透被測物體的速度； 所述長度是通過安裝在激光脈沖發(fā)生器和激光測振儀激光頭上的激光測距儀測量得 到的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸式檢測巖石聲波速度的方法，其特征在于：所述拾取 超聲波初至?xí)r刻T是這樣實(shí)現(xiàn)的：在振幅-時(shí)間曲線圖中找到第一個(gè)波峰或波谷與時(shí)間軸 的交叉點(diǎn)，其時(shí)間值即為超聲波的初至?xí)r刻T。
【文檔編號】G01N29/07GK104251883SQ201310269103
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】周楓, 馬中高, 趙群, 周中彪, 奚相 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院