CN101122228A - 一种井下前视相控声波成像方法及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下前视相控声波成像方法和装置，该方法包括：1)分别触发各阵元使线阵式换能器形成一个方向的扫描声束；2)各个阵元接收回波信号，上传至地面系统；3)改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个截面的数据采集和上传；地面系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；4)使线阵式换能器绕井中心轴转动一个角度，得到另一个二维截面像；5)得到与各个角度相应的二维截面像，将这些二维截面像整合成三维图像。该成像装置包括：井下电源、下井电缆、遥测电路、中央处理器、时序控制器、存储单元、发射电路、A/D采样电路、阵列换能器、接收电路。本发明具有直观、准确、高效的优点。

Description

一种井下前视相控声波成像方法及成像装置

技术领域

本发明涉及超声成像装置，特别涉及一种适用于井下仪器前方探测成像的超声成像方法及成像装置。

背景技术

随着经济的发展，石油作为战略能源的地位越显重要。石油测井被誉为“石油工业的眼睛”，是利用声、电、核、力、光等物理场并结合微电子和计算机技术在井下高温、高压、狭窄空间及复杂地质条件等恶劣环境下对地层进行各种测试的高科技工程技术，是人们精确了解地下结构和性质的唯一手段。声波测井是最重要的测井方法之一。

在油田实际生产中，油井的套管由于受力、变形和损坏对油气生产造成的损失越来越大。以中石油所属油田为例，截至到2002年底，中石油13个油气田累计套损井数达到18896口，占总井数的14.9％，近几年更有加大的趋势；大修一口井费用为50万元，2004年套损井大修资金达到12.548亿元。可见，对套损井进行准确检测和预测并采取必要防范和补救措施对于保障油井安全、节约能源、提高油气采收率都具有重要意义。

目前，国内外尚缺少有效的评价和预测套损等工程问题的方法和技术。现有的国内外声波测量技术只能对套管进行侧壁检查和成像，如Schlumberger、Baker Atlas等公司以及我国内开发的井下声波电视测量技术仅仅能够评价套管内壁的形状和内径，不具备仪器前方测量能力。现有技术中基于光学原理发展起来的井中摄像技术，虽然能够十分清楚地拍摄到套管的管壁状况和井内遗物等，如射孔的位置、流体的类型等精细图像，但是它需要油井流体主要是透明的，如清水等，对于实际情况下混浊的泥浆，这种方法不再有效。在实际的测量过程中，技术人员往往更需要探测测井仪器前方套管的形变、井内充填物的形状、深度等。这些问题是现有的井下检测仪所不能够解决的，需研究新的声波检测方法和技术以满足油气工程的迫切需要。

因此，鉴于现有技术的不足，技术人员希望有一种能够探测井下仪器前方状况的声波检测仪，更为理想的是能够利用相控技术的前视检测仪。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种井下前视相控声波成像方法及成像装置。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案。

一种井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过一组延时触发指令，分别触发阵列换能器各个阵元使线阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收回波信号，存入存储单元，存储单元中回波数据上传至地面系统，地面系统得到这一扫描方向的成像数据；

3)重复步骤1)-步骤2)，通过改变各阵元延时改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个截面的数据采集和上传；地面系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

4)使线阵式换能器绕井中心轴转动一个角度，重复上述步骤1)-步骤3)得到另一个二维截面像；

5)重复步骤4)，直到使线阵式换能器绕井中心轴转动一周，得到与各个角度相应的一系列二维截面像，将一系列二维截面像整合成三维图像。

进一步地，此技术方案中，步骤3)中的扫描角度、步骤4)中的转动角度步长均为3°。

一种井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过一组延时触发指令，分别触发阵列换能器各个阵元使面阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收并存储回波信号，将回波数据上传至地面系统，地面系统得到这一扫描方向的成像数据；

3)重复步骤1)-步骤2)，通过改变各阵元延时改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个立体空间的数据采集和上传；地面系统收到整个三维空间的扫描成像数据整合完成一幅三维图像；

进一步地，步骤3)中的空间扫描角度步长为3°。

一种井下前视相控声波成像装置，如图6所示，包括：

井下电源20和下井电缆21连接并为整个检测仪各部分电路供电；其特征在于，还包括：

与所述井下电缆21连接的遥测电路22；

与所述遥测电路22连接的中央处理器23；

与所述中央处理器23连接的时序控制器24、存储单元26；所述存储单元26与所述遥测电路22连接；

与所述时序控制器24连接的发射电路27、A/D采样电路28；

与所述发射电路27连接的阵列换能器29；

与所述阵列换能器29和所述A/D采样电路28连接的接收电路30；

所述A/D采样电路28与所述存储单元26连接。

进一步地，所述阵列换能器29为面阵式超声换能器。

进一步地，还包括一转动控制电路25与所述中央处理器23连接，该转动控制电路25通过一个转动机构来控制所述阵列换能器29转动，所述阵列换能器29为线阵式超声换能器。

进一步地，所述发射电路、接收电路、所述时序控制电路、A/D采样电路和存储单元的承受温度要大于150摄氏度。

与现有技术相比，本发明的优点在于。

本发明提供的井下探测仪，采用阵列声波换能器(线阵或面阵)，利用相控技术实现测井仪器前方的声波扫描成像，能对前方套管的变形、错断、腐蚀及前方落物进行成像检测。由于具有前视探测能力，能够进行修井作业中的解卡打捞、深部取换等复杂工艺的井况，尤其对于小通径、落物无法判断的疑难井，更加显示本发明的优越性。利用本发明，可直观、准确地了解井下状况，大大提高工作效率，缩短施工周期，减轻劳动强度，大幅度提高修井的成功率，使有些损坏的油井得到修复，实现降低成本的目的。

附图说明

图1为井下前视相控声波检测仪的结构简图；

图2为超声相控线阵扫描原理图；

图3为相控线阵超声发射时的方向控制和聚焦示意图；

图4为本发明一实施例的超声面阵换能器示意图；

图5为本发明一实施例超声面阵换能器扫描示意图，通过给不同阵元加上不同的时延来改变扫描方向的。

图6为本发明井下前视相控声波检测仪电路框图；

图7为本发明一实施例线阵式换能器的发射电路(一个通道)电路图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

如图1所示，整个相控声波成像装置总体上由井下系统和地面系统两部分，两者之间通过测井电缆21进行通讯。井下系统由声系短节、控制短节和通讯短节三部分组成，并由机械骨架对整个井下系统提供支撑和保护作用。声系短节内安置相控声波成像检测仪的核心部件面阵式或线阵式超声换能器(将在实施例2中详述)，如果需要还有附带的开关阵列或机械转动机构，负责声波信号的发射与接收。控制处理短节由超声发射电路、接收电路、时序控制器、中央处理器、A/D采集电路、及存储单元等构成。通讯短节由遥传电路、井下电源和井下电缆组成，完成地面系统与井下系统间命令的接收、解码及井下数据的上传。地面系统由主控计算机和地面通讯系统两部分组成，进行命令的编码下传，解码来自井下的数据，并进行处理、存储、出图。

如图6所示，一种井下前视相控声波成像装置，包括：

井下电源20和下井电缆21连接并为整个检测仪各部分电路供电；与所述井下电缆21连接的遥测电路22；与所述遥测电路22连接的中央处理器23；与所述中央处理器23连接的时序控制器24、存储单元26；所述存储单元26与所述遥测电路22连接；与所述时序控制器24连接的发射电路27、A/D采样电路28；与所述发射电路27连接的阵列换能器29；与所述阵列换能器29和所述A/D采样电路28连接的接收电路30；所述A/D采样电路28与所述存储单元26连接。所述阵列换能器29为面阵式超声换能器。

图4为包含4*4阵元的超声面阵换能器29的示意图，其中圆圈表示阵元位置，该面阵总体尺寸为50mm*50mm，各阵元的中心频率为500kHz。图5所示为面阵换能器的扫描示意图，面阵换能器通过给不同阵元加上不同的时延来改变扫描方向的，其中上部分表示面阵，下部分两个锥状部分示意性地表示两个不同方向的波束扫描位置。本实施例中面阵为4*4阵元，当然，面阵式超声换能器也可以采用5*5阵元的结构，并能获得更窄的主瓣宽度和更小的傍瓣影响。

超声脉冲的发射是由压电换能器完成的，它的能量取自高压脉冲发射电路27所提供的高压脉冲。其性能和所用电子开关的电气特性有很大关系，而电子开关的开通时刻由时序控制器24决定。

接收电路30是从接收超声信号的换能器到回波信号形成的部分，这些电路按位置先后可以分为三部分。第一部分是电气匹配电路，它们为超声收、发电路公用。第二部分为隔离级。第三部分是接收预放电路。本实施例采用收发共用的换能器。由于高灵敏的接收电路必须和大功率的超声发射电路相连接，为避免接收电路被高压发射脉冲击毁，在超声接收电路前端必须加入隔离级，使得大幅度的发射脉冲不能通过，而允许较小的回波信号几乎无衰减地通过，使隔离级对整机灵敏度没有明显影响。接收预放电路要完成两方面的功能：首先它要完成阻抗的变换。由于隔离级总是工作在非线性状态，它的输出阻抗也是非线性的，为使后续主放大器工作在恒定的阻抗条件下，必须加入这一阻抗变换电路。预放电路的第二个功能是获得一定的增益，具体的增益大小由整机的灵敏度和增益分配决定。

由于井下环境条件恶劣，在元器件的选择上均采用军品或航天用品，如中央处理器23采用ATMEL公司的AT89C52，A/D采用TI公司的THS1206M，而时序控制器23采用大规模复杂可编程逻辑器件(CPLD)来完成，具体采用Lattice公司的ispMACH4128ZC。存储单元26采用FIFO IDT7206来完成。

机械骨架部分，采用现有技术的机械骨架，这对于本领域技术人员是可以胜任的。

应用于上述装置的井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过一组延时触发指令，分别触发阵列换能器各个阵元使面阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收回波信号，存入存储单元，存储单元中回波数据上传至地面系统，地面系统通过软件波束形成等处理技术得到这一扫描方向的成像数据；

3)重复步骤1)-步骤2)，通过改变各阵元延时改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个立体空间的数据采集和上传；地面系统收到整个三维空间的扫描成像数据整合完成一幅三维图像；

为达到最终成像分辨率为5mm的目标，步骤3)中的空间扫描角度步长为3°。

实施例2

在实施例1中，采用面阵式换能器，利用相控技术直接形成三维声束，这样可直接得到测井仪下方的三维立体图像。本实施例中采用线阵式超声换能器，运用相控扫描原理得到换能器阵列正下方的二维截面像，再通过机械转动机构控制线阵式超声换能器绕井轴旋转，得到一系列的对应不同偏转角的二维截面像，叠加处理得到三维立体像。这种方案的优点在于阵元个数相对较少，处理电路及波束形成相对容易，成像分辨率较高。

如图6所示，在实施例1的基础上，采用线阵换能器的井下前视相控声波成像装置还包括一转动控制电路25与中央处理器23连接，该转动控制电路25通过一个转动机构来控制线阵式阵列换能器29转动。线阵式阵列换能器29的阵列长度为3cm，宽度为1cm，阵元数为16，相邻阵元的中心距为1.8mm，换能器的中心频率为1MHz，是在整块压电晶片(PZT5)上采用已知技术进行等间距切割而成。16阵元在自发自收状态下要求良好的一致性，和较高的灵敏度，同时相互之间绝缘良好。同时根据实际测试指标，换能器的中心频率可能调整为500kHz，因此阵列换能器的参数均要作相应调整，同时为增加阵列宽度方向的分辨率，在阵列的宽度方向上应考虑聚焦措施。

超声脉冲的发射是由压电换能器完成的，它的能量取自高压脉冲发射电路27所提供的高压脉冲。其性能和所用电子开关的电气特性有很大关系，而电子开关的开通时刻由时序控制单元决定。图7为线阵式换能器的发射电路(一个通道)的电路图，其中其中EL为超声换能器的一个阵元，V_H为范围在数十到几百伏内的电压，R为限流电阻，C₁为隔直流电容器，L₁为调谐电感，R₁和V₁组成电子开关，按照图7所示完成一个线阵式换能器的发射电路是本领域技术人员能够胜任的。

该装置其它构成同实施例1。

井下遥测电路22完成命令的接收与测井数据的上传；中央处理器22完成地面下传命令的解释执行，根据遥传命令控制信号的发射、接收、数据采样等工作。时序控制器24在中央处理器23的命令下产生阵列换能器各阵元的延时信息及各种数据采样、处理存储时序。存储单元26负责暂存测量数据并在中央处理单元命令下将之送到遥测电路上传。井下电源20的转换单元负责将电缆下传的直流电变换成多组电源为井下各部分电路供电。

下面结合附图阐述超声相控线阵扫描原理：

如图2所示，如果在各阵元间同时加上激励脉冲，它们所发射的超声波将发生干涉，形成的合成波束的方向垂直于换能器的表面，如同单个振子所发射的波束一样，如图2(a)所示。

如果激励脉冲在到达各阵元之前，依次延迟一个固定的很小的时间间隔τ，则各阵元上所产生的声脉冲也获得相应的延迟。此时，整个换能器所发射的超声波的合成波束方向与法线之间就有一个偏向角θ，如图2(b)所示。

随着发射延迟时间τ值的改变，偏向角θ也将随着改变。如果使左右两边的激励脉冲互易，则合成波束的方向移至法线的另外一侧。如果对各阵元的激励脉冲的延迟时间进行控制，就可以使发射的超声波束方向在一定的角度范围内变化。如此可在保持阵列换能器静止的状态下完成对换能器斜下方一个扇面的扫描。通过使阵列换能器沿井轴旋转，完成对阵列换能器斜下方套损井的全方位扫描成像。

激励脉冲的延迟时间τ与波束偏离法线方向的角度θ之间的关系可由图2求出，即

$\mathrm{\τ}=\frac{d}{c}\sin \mathrm{\θ}$

式中c为超声在泥浆中的传播速度，d为相邻阵元的中心间距，θ为合成波束的偏向角。

相对于相控阵的中心，当阵元数是偶数时，各个阵元上所加激励脉冲应有的延迟量为

${\mathrm{\τ}}_n=(n+0.5)\frac{d}{c}\sin \mathrm{\θ}+t_0$

式中：n＝±1，±2，…，±N/2是各阵元的计数值。为避免可能出现的负延迟值，上式中加入了一个足够大的延迟量t₀。

在相控阵落鱼声波探视仪中，通过切换各阵元的发射激励脉冲的延迟时间τ，可以使发射的超声束在±θ_max范围内作扇形扫描。在我们实际操作中，将按等Δθ方式作顺序扫描。

根据互易原理，相控接收时的方向控制也是用延迟来达到的，只是这里延迟的是各阵元所接收的回波信号。各阵元所接收的回波信号经延迟后叠加起来，就可以获得某方向上目标的反射回波。各阵元的延迟时间值和发射是相同。

为了获得良好的图像分辨率(主要是横向分辨率)，相控阵发射和接收时还需要施行电子聚焦。电子聚焦的方法也是利用各阵元的延迟控制。

在某一特定的方位角θ上，若需要在距离为F处形成焦点，如图3所示。

当N是偶数时，各阵元的延迟时间可由下式计算：

${\mathrm{\τ}}_n=\frac{F}{c}\{1-{[1+{\left(\frac{(n+0.5)d}{F}\right)}^2-2\×\frac{(n+0.5)d}{F}\sin \mathrm{\θ}]}^{1/2}\}+t_0$

上式计算的延迟时间已经包括方向控制和电子聚焦所需的总延迟量。

为抑制阵列换能器的旁瓣可以采用变迹技术，也即在发射子阵的各个阵元采用幅度加权的发射，本领域技术人员是清楚的，这里不再详述。

结合上述装置的井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过一组延时触发指令，分别触发阵列换能器各个阵元使线阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收回波信号，存入存储单元，存储单元中回波数据上传至地面系统；

3)重复步骤1)-步骤2)，改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个截面的数据采集和上传；地面系统收到整个二维截面的扫描数据完成一幅二维截面像；

4)使线阵式换能器绕井中心轴转动一个角度，重复上述步骤1)-步骤3)得到另一个二维截面像；

5)重复步骤4)，直到使线阵式换能器绕井中心轴转动一周，得到与各个角度相应的一系列二维截面像，将一系列二维截面像整合成三维图像。

为达到最终成像分辨率为5mm的目标，步骤3)中的扫描角度、步骤4)中的转动角度步长均定为3°。而相邻阵元间的延时由扫描偏转角决定，在偏转角为3°时，延时为0.068us；在偏转角为60°时，延时为1.126us。

最后应说明的是，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。

Claims (8)

1.一种井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过延时触发，分别触发阵列换能器的各阵元使线阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收回波信号，存入存储单元，存储单元中回波数据上传至地面系统，地面系统得到这一扫描方向的成像数据；

3)重复步骤1)一步骤2)，通过改变各阵元延时改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个截面的数据采集和上传；地面系统收到整个二维截面的扫描成像数据完成一幅二维截面像；

4)使线阵式换能器绕井中心轴转动一个角度，重复上述步骤1)-步骤3)得到另一个二维截面像；

5)重复步骤4)，直到使线阵式换能器绕井中心轴转动一周，得到与各个角度相应的二维截面像，将这些二维截面像整合成三维图像。

2.根据权利要求1所述井下前视相控声波成像方法，其特征在于，步骤3)中的扫描角度和步骤4)中的转动角度步长均为3°。

3.一种井下前视相控声波成像方法，包括如下步骤：

1)通过延时触发指令，分别触发阵列换能器的各阵元使面阵式换能器形成一个方向的扫描声束；

2)各个阵元接收回波信号，并存储回波信号，将回波数据上传至地面系统，地面系统得到这一扫描方向的成像数据；

3)重复步骤1)-步骤2)，通过改变各阵元延时改变扫描声束的方向，直至完成线阵式换能器下方整个立体空间的数据采集和上传；地面系统收到整个三维空间的扫描成像数据整合完成一幅三维图像。

4.根据权利要求3所述井下前视相控声波成像方法，其特征在于，步骤3)中的空间扫描角度步长为3°。

5.一种井下前视相控声波成像装置，包括：

井下电源(20)和下井电缆(21)连接；其特征在于，还包括：

与所述井下电缆(21)连接的遥测电路(22)；

与所述遥测电路(22)连接的中央处理器(23)；

与所述中央处理器(23)连接的时序控制器(24)、存储单元(26)；所述存储单元(26)与所述遥测电路(22)连接；

与所述时序控制器(24)连接的发射电路(27)、A/D采样电路(28)；

与所述发射电路(27)连接的阵列换能器(29)；

与所述阵列换能器(29)和所述A/D采样电路(28)连接的接收电路(30)；

所述A/D采样电路(28)与所述存储单元(26)连接。

6.根据权利要求5所述井下前视相控声波成像装置，其特征在于，所述阵列换能器(29)为面阵式超声换能器。

7.根据权利要求5所述井下前视相控声波成像装置，其特征在于，还包括一转动控制电路(25)与所述中央处理器(23)连接，该转动控制电路(25)通过一个转动机构来控制所述阵列换能器(29)转动，所述阵列换能器(29)为线阵式超声换能器。

8.根据权利要求5、6或7任一项所述井下前视相控声波成像装置，其特征在于，所述发射电路、所述接收电路、所述时序控制电路、所述A/D采样电路和所述存储单元的承受温度大于150摄氏度。

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