一种光纤传输信号的波速阵列测试探头及测试方法

技术领域

本发明涉及钻孔波速测试技术领域，具体涉及一种光纤传输信号的波速阵 列测试探头及测试方法。

背景技术

目前行业内钻孔波速测试方法及系统主要有：单孔法。在一个钻孔内放入 检波器，在不同深度处通常间距1.0m静置并接收地面激振引起的地震波，逐段 测量，从而测得整个钻孔深度内土层波速。跨孔法。在相邻两个钻孔内分别放 入激振器和检波器，在不同深度处激发地震波并接收，获得整个钻孔得土层波 速。

测试系统一般由激振部分、接收探头检波器、触发器、深度计、采集仪等 组成，下面分别简要介绍。激振部分：单孔法常用的有地面锤击、地面爆炸物 冲击，跨孔法常用孔内电磁激振器。近几年出现一种新型的微电子激振法—— 弯曲元，适用于单孔法，但目前实际应用较少。接收探头：钻孔内接收探头直 径一般较大50～80mm，静力触探孔内置接收探头直径较小32～38mm；探头的长 度300～800mm不等。探头内置一枚或一组传感器。地震波传感器目前常用的有 压阻式、电容式，单向或三向分量接收地震波信号，属于直流加速度传感器。 触发器：固定在激发设备上，激发动作时给采集仪发出信号。深度计：由人工 或自动计数设备操作。采集仪：带有电池的微型计算机，内置专用软件进行数 据采集与输出。

目前使用的波速测试方法主要缺点为：测试之前需要完成探，拔出钻杆并 清理孔内障碍物；不能在不取出钻杆时进行测试。由于接收探头内仅有一个传 感器，当探头静止进行接收时，仅能接收一个深度位置的波速值，工作效率较 低。此外，单个传感器不能进行数据校正，单个深度处的波速值有可能不准确。 探头自身不带电池，需要地面设备供电，探头信号输入输出也需要电缆，因此 每个探头至少附带一根直径5～8mm的电缆，外业操作时不甚方便。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开一种光纤传输信号的波速阵列测试探头 及测试方法，能够解决现有设备测试之前必须拔出钻杆并且清理钻孔，工作效 率较低。以及现有探头内仅有一个一组传感器，每次仅能测试一个深度位置的 波速值，且该位置的波速值不能进行复核校正的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种光纤传输信号的波速阵列测试探头，包括钢质探头外壳和钻头，所述 钻头在所述钢制探头外壳的底端部设置，还包括三分量传感器，多个所述三分 量传感器沿所述钢制探头外壳的轴向间隔的分布，还包括相互电连接的微控制 器、数据采集模块和信号转换器，在所述钢质探头外壳内设置有设备仓，所述 微控制器、所述数据采集模块和所述信号转换器位于所述设备仓内设置，还包 括光纤发射系统，所述光纤发射系统位于所述钢质探头外壳的顶部设置，在所 述钢质探头外壳的顶端部，位于所述钢质探头外壳的内周侧壁设置有钻杆接口 螺纹，所述钢质探头外壳通过所述钻杆接口螺纹连接钻杆直至钻机。

优选的技术方案，在所述钢质探头外壳的顶端部，位于所述钢质探头外壳 的内周侧壁设置有钻杆接口螺纹，所述钢质探头外壳通过所述钻杆接口螺纹连 接钻杆直至钻机。

优选的技术方案，所述设备仓具有仓盖，所述仓盖固定连接在所述设备仓 的顶部，在所述钢质探头外壳还设置有电池仓，所述仓盖完全覆盖所述设备仓 和所述电池仓。

优选的技术方案，所述三分量传感器采用MEMS型三分量传感器，在所述 钢质探头外壳设置有传感器槽，所述三分量传感器位于所述传感器槽内设置， 在所述传感器槽设置有封盖，所述封盖固定连接所述钢质探头外壳。

优选的技术方案，所述光纤发射系统包括光纤接口及发射器，所述光纤接 口及发射器电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采集模块和所述信 号转换器。

优选的技术方案，在所述设备仓设置有电缆线孔，所述电缆线孔用于所述 三分量传感器的线缆穿过并电连接所述设备仓内的所述微控制器、所述数据采 集模块和所述信号转换器。

优选的技术方案，在所述钢质探头外壳的内周侧壁还设置有电缆线槽，所 述电缆线槽沿所述钢质探头外壳的轴向延伸，所述电缆线槽用于所述三分量传 感器的线缆穿过。

另外，本发明还公开一种光纤传输信号的波速阵列测试方法，包括以下步 骤

S1：使用前打开仓盖，给锂电池充满电；

S2：在测试探头的下部安装钻头，在测试探头的顶部连接具有内置光纤的 钻杆，钻杆顶部与钻机动力轴连接；

S3：开始钻孔，在钻具达到需要测试深度时停止钻进，或在当该钻孔钻探 过程完毕后将探头放至预定深度；

S4：解除钻机连接并固定钻杆位置，将光纤接收器与钻杆顶端连接并接至 地面记录微机；

S5：开始测试，地面微机发出准备测试信号，测试探头通过光纤接收指令 并进行功能自检，确认设备就绪后发出信号给地面微机；

S6：地面微机接收就绪信号，给测试探头及激振记录仪发出时间同步信号， 并向人工显示可以激振；

S7：人工操作激发地面震动，地面微机给测试探头发出激振时点信息，地 震波传递至地下，测试探头接收震动纵波并记录信息；

S8：测试探头逐个对相同深度的一对传感器信号进行检核并分析差异，不 满足差异规则要求时向地面微机发出警示信息，地面微机可看到数据异常情况， 如数据无异常则向地面微机发出正常信号并传输正常数据；

S9：地面人员如决定重新测试，重复步骤S5-S8，地面人员如决定不需重新 测试，在地面微机确认本深度测试结束，地面微机分别记录深度、测试次数、 测试数据、检核信息等数据；

S10：摘除钻杆顶部的光纤接收器，连接钻机以继续钻进，或者解除钻杆固 定装置并将钻杆继续下放，测试下一个深度的岩土波速。

本发明公开一种光纤传输信号的波速阵列测试探头及测试方法，具有以下 优点：

在本申请中通过设置传感器与钻具合二为一的组装方式，能够在钻进成孔 过程中即可进行测试，从而使得工作效率具备较高的水平。同时探头内布置阵 列传感器，可实现一次测试多个深度位置波速，使得每个深度处的数据可进行 复核校正，从而具备高效而准确的特性。另外，还采用光纤对外传输数据，使 得探头无需外接电缆，具备使用方便的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。

图1是本发明实施例的系统框图；

图2是本发明实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例在主视方向的剖视图及A、B、C、D、E位置的截面图；

图4是本发明实施例在侧视方向的剖视图及B1位置的截面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实 施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，在本发明实施例中根据现有小型钻具结构尺寸，将所 需的装置集成到钻具中，形成新的探头系统。本发明主要构成如图1所示，关 键部件包括2×3布置的三分量传感器、微控制器与数据采集模块、信号转换器、 光纤发射系统以及可充电式锂电池。本系统通过钻杆内光纤连接至地面接收装 置，并通过微机记录输出测试信息。

主要结构示意图见图2，包括钢质探头外壳、三分量传感器、微控制器、数 据采集模块、信号转换器、光纤发射系统、电池及数据线。本探头下部连接钻 头，可进行岩土钻进；上部连接内置光纤钻杆，直至地面钻进设备和数据接收 装置。

各部件功能如下：

外壳1容纳与保护各个部件，作为钻具承担向下钻进的轴向压力和扭力， 内部孔洞允许钻孔泥浆通过；底部连接钻头，顶部向上连接钻杆直至钻机。外 壳外径25mm，普通段壁厚4mm，变截面设计，在靠近顶部段内部空间缩小， 外侧对称分隔出两个仓室5和6。具体尺寸见图3中截面。外壳采用45号钢材 加工制作。

钻杆接口螺纹2，标称口径17mm，分别与钻杆、钻头匹配。

仓盖3，柱面形状，厚度2mm，四条边设计为折角，设置防水胶条，压紧 后密封效果好。四角采用短螺丝固定在外壳上。仓盖面积完全覆盖设备仓口5、 电池仓口6。两侧舱盖打开后，设备仓口5、电池仓口6均可完整露出，方便进 行操作。

传感器4采用MEMS型三分量传感器，数字式或模拟式，此类型传感器具有 体积小、精度高、功耗低的特点，对空间任意方向传来的地震波均能良好感应。 选用的传感器外形尺寸以不超过传感器槽内部空间为限，本次选用3×3×1mm。 传感器4置于传感器槽4-1内，通过封盖4-2密封在槽内。传感器槽的内部尺 寸为5×5×1.2mm。封盖4-2的材质为钢，采用耐候胶与外壳固定。传感器的布 置分上、中、下三组；每组2枚，对称布置在外壳中传感器槽内；组与组间距 离300mm；所有传感器中心点处于同一平面。

设备仓5由外壳变截面扩展而来，内部最大平面尺寸43×17mm，内部空间 高度1.7～6.0mm。内置微控制器、数据采集模块、信号转换器等部件。设备仓 顶部空间转换连接至光纤接口及发射器5-1，该部分部件外形为圆柱体，下部设 光纤发射器，上部为大直径光纤接头，光纤直径5～7mm。采用塑料光纤，接头 表面经抛光、耐磨处理，符合光纤连接规范。

电池仓6由外壳变截面扩展而来，内部最大平面尺寸42×17mm，内部空间 高度1.7～6.0mm。内置可充电式锂离子电池。

电缆线孔分两种，一种是穿过外壳的7-1，另一种是沟通电池仓与钻具内空 间的7-2。电缆线孔7-1横断面为圆形，内部直径0.8mm；电缆线孔7-2横断面 为月牙形见截面D。电缆线槽7-3宽度1.6mm，最大深度0.45mm，自电池仓电 缆线孔7-2引出，沿钻具外壳1内壁布置，分别连接中部与下部两对传感器。线 孔7-2与电缆线槽7-3敷设线缆之后，采用胶水充填饱满；该胶水具有硬度高、 耐磨、防水、绝缘的特性。

传输电缆线采用导线标称直径0.045mm外径约0.061mm的高质量漆包线， 具有耐潮湿耐弯折的特点。传输电缆以设备仓5为中心，分别连接上部两个传 感器，并通过其线孔连接电池，并向下穿过7-2线孔分别连接中部和下部两组传 感器。

工作方法：

(1)使用前打开仓盖，给锂电池充满电。

(2)在本设备下部安装钻头(合金或金刚石)，在顶部连接具有内置光纤 的钻杆(与本设备光纤输出端匹配)；钻杆顶部与钻机动力轴连接。

(3)开始钻孔。钻进过程中，钻具达到需要测试深度时，停止钻进；或当 该钻孔钻探完毕后，将探头放至预定深度。

(4)解除钻机连接，固定钻杆位置，将光纤接收器与钻杆顶端连接，并接 至地面记录微机。

(5)开始测试。地面微机发出准备测试信号，本设备通过光纤接收指令， 进行功能自检，确认设备就绪后，发出信号给地面微机。

(6)地面微机接收就绪信号，给本设备及激振记录仪(固定在重锤等激发 设备上)发出时间同步信号，并显示可以激振。

(7)人工操作激发地面震动，地面微机给本设备发出激振时点信息；地震 波传递至地下，本设备接收震动纵波，记录信息。

(8)本设备逐个对相同深度的一对传感器信号进行检核，分析两者差异； 不满足差异规则要求时，向地面微机发出警示信息，地面微机可看到数据异常 情况。如数据无异常，向地面微机发出正常信号，并传输正常数据。

(9)地面人员如决定重新测试，重复步骤(5)～(8)。如不需重新测试， 在地面微机确认本深度测试结束，地面微机分别记录深度、测试次数、测试数 据、检核信息等数据。

(10)摘除钻杆顶部的光纤接收器，连接钻机，继续钻进；或者解除钻杆 固定装置，将钻杆继续下放，测试下一个深度的岩土波速。需要说明的是，在 本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另 一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任 何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而 且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或 者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的 要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的 相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述 实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的精神和范围。