CN108533246A - 超声探测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声探测装置，其包括：超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及处理模块，其被配置为基于从多个工作模式中选择的一个工作模式来获得内管信息；所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式。还描述了其他超声探测装置和相应的超声探测方法。
Description
技术领域
本发明通常涉及超声探测技术领域，特别涉及一种超声探测装置和方法。
背景技术
流体输送是现代诸多工业领域中的重要一环。通常，流体通过管道被输送。在一些情况下，为了满足特定的需求，可能利用两个管道形成外管和内管，内管位于外管内部，流体通过该外管和内管之间形成的环形空间来被输送；进一步地，该内管的内部也可用于输送流体。在这种情况下，出于安全考虑，需要及时了解内管的信息。
以地下地层的碳氢化合物的勘探和开采为例，在钻探井孔期间，钻杆被设置在套管或隔水管内，钻井流体通过钻杆内部的空间从地表被输送至地下地层，并通过钻杆与套管或隔水管之间形成的环形空间返回地表。碳氢化合物所在的地下地层与地表之间往往相距甚远，钻杆和套管或隔水管可能长达数千米，故及时获知钻杆在套管或隔水管内的位置，对于防止安全事故的发生具有积极意义。此外，随着地下地层中的流体涌入井孔，在某些情况下，该涌入的流体的压力可高于钻井流体的压力，这可能导致“井涌”的发生。“井涌”可导致潜在的毁灭性的设备失效和伴随而来的对钻井操作者和环境的潜在伤害，是十分严重的安全事故。因此，一旦检测到井涌发生或可能发生，防喷器(blow out preventer，以下简称“BOP”)通常被启用以封井或剪切(shear)钻杆。然而，钻杆的一些部位难以剪切，从而导致BOP防止井涌的作业失败，故及时探测到钻杆的该等难以剪切的部位，也是十分重要的。目前，超声探测装置被利用以了解钻杆(内管)的位置，但基于现有的超声探测装置难以获得理想的探测结果。
因此，期望提供新的和改进的超声探测装置和方法来获得内管信息。
发明内容
在一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测装置，其包括：超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及处理模块，其被配置为基于从多个工作模式中选择的一个工作模式来获得内管信息；所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式；基于所述第一工作模式，所述处理模块在每个时间周期内驱动所述多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，并处理接收自被驱动的超声传感器的数据，以获得所述内管信息；基于所述第二工作模式，所述处理模块在每个时间周期内驱动所述多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，并处理接收自与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器的数据，以获得所述内管信息。
在另一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测装置，其包括：超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及处理模块，其被配置为驱动所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据来获得被发送的超声信号的渡越时间，基于所述渡越时间并利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并基于预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息。
在又一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测装置，其包括：超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及处理模块，其被配置为驱动所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，处理接收自所述多个超声传感器中的复数个超声传感器的数据来获得与所述复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征，并根据所述多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。
在再一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测方法，其包括：基于从多个工作模式中选择的一个工作模式，在每个时间周期内驱动多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；及基于选择的工作模式获得内管信息；其中，所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式；基于所述第一工作模式，接收自被驱动的超声传感器的数据被处理来获得所述内管信息；基于所述第二工作模式，接收自与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器的数据被处理来获得所述内管信息。
在再一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测方法，其包括：驱动多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于该外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据，获得被发送的超声信号的渡越时间；及基于所述渡越时间并利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并基于预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息。
在再一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种超声探测方法，其包括：驱动多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于该外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；处理接收自所述多个超声传感器中的复数个超声传感器的数据来获得与所述复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征；及根据所述多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。
附图说明
参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：
图1是根据本发明一个实施例的超声探测装置的应用示意图；
图2是根据本发明一个实施例的超声阵列分布在外管上的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的一个超声传感器发送超声信号的示意图；
图4是从超声信号发射源产生的超声信号在超声信号发射源和内管之间的介质分界面上被反射的示意图；
图5是根据本发明一个实施例的在第一工作模式下基于渡越时间确定内管信息的示意图；
图6是根据本发明一个实施例的在第二工作模式下基于渡越时间确定内管信息的示意图；
图7是根据本发明一个实施例的复数个超声探测器向外管内的预确定的区域发送超声信号的示意图；
图8示出了根据本发明一个实施例的超声探测装置的模块示意图；
图9示出了根据本发明一个实施例的多路频道的功率特征曲线的示意图；
图10是根据本发明一个实施例的超声探测方法的示意性流程图；
图11是根据本发明另一个实施例的超声探测方法的示意性流程图；及
图12是根据本发明再一个实施例的超声探测方法的示意性流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。
图1是根据本发明一个实施例的超声探测装置10的应用示意图。图2是根据本发明一个实施例的超声阵列100分布在外管310上的示意图。
超声探测装置10包括超声阵列100以及与超声阵列100通信的处理模块200。超声阵列100包括超声传感器101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111和112(以下简称“超声传感器101～112”)。超声阵列100中的多个超声传感器101～112分布在外管310上；在一些实施例中，超声阵列100的多个超声传感器围绕外管310分布。在一些实施例中，超声阵列100中的每个超声传感器发送的超声信号垂直于外管310的中轴线311。
内管320位于外管310内，流体340通过外管310和内管320形成的环形空间312。在一些实施例中，内管320内也可通过另一流体(图未示)；在一些实施例中，内管320具有难以剪切的部位321。在一些实施例中，超声探测装置10被应用至碳氢化合物，如油气的勘探和开采领域；在一些实施例中，外管310可包括但不限于套管(casing)或隔水管(riser)；内管320可包括但不限于钻杆(drill pipe)，其难以剪切的部位321可包括但不限于钻杆的接头部位；钻井流体(图未示)可通过内管320从地表流向地下地层，且从地下地层返回的钻井流体通过环形空间312流向地表。
处理模块200驱动超声阵列100中的至少一个超声传感器发送超声信号。被发送的超声信号中的至少部分可在穿过流体340后到达内管320并被反射，被反射的超声信号可被超声阵列100中的至少一个超声传感器接收并提供给处理模块200；通过对来自至少一个超声传感器的数据进行处理，并从其中识别出从内管320处反射的超声信号，处理模块200可获得与内管320有关的内管信息。在一些实施例中，内管信息包括但不限于：内管320在外管310内的位置(location)信息、内管的尺寸信息(如直径、半径)等。
在一些实施例中，被处理模块200驱动的至少一个超声传感器与提供被处理模块200处理的数据的至少一个超声传感器可能相同、完全不同或部分相同；例如，处理模块200可能驱动超声传感器102发送超声信号，并对超声传感器102提供的数据进行处理；又例如，处理模块200可能驱动超声传感器102发送超声信号，并对与超声传感器102相邻的超声传感器101和103提供的数据进行处理；再例如，处理模块200可能驱动超声传感器102、103和104发送超声信号，并对超声传感器101和102提供的数据进行处理。
在一些实施例中，处理模块200可工作在多个工作模式中的任一工作模式下，也即，处理模块200可基于从多个工作模式中选择的一个工作模式来获得内管信息。工作模式的选择可由操作人员人工完成，如操作人员根据超声探测装置10的使用环境，人工为处理模块200选择一个工作模式；或者，处理模块200可根据预先设置的程序自行选择工作模式。
处理模块200的多个工作模式可包括第一工作模式和第二工作模式。在一些实施例中，处理模块200的多个工作模式还可包括第三工作模式。
第一工作模式
基于第一工作模式，处理模块200在每个时间周期内驱动超声阵列100中的一个超声传感器发送穿过流体340的超声信号，该超声信号可到达内管320后被反射，并由被驱动以发送该超声信号的超声传感器接收；处理模块200对来自被驱动的超声传感器的数据进行处理，以从该数据中识别出从内管320处反射的超声信号，从而计算得到内管信息。第一工作模式也可称为“单发单收模式”，被处理模块200驱动的超声传感器以及提供被处理模块200处理的数据的超声传感器是相同的。在一些实施例中，处理模块200在不同的时间周期内可选择不同的超声传感器来驱动，也即，处理模块200可以切换被驱动的超声传感器，以获得更准确的内管信息。在一些实施例中，处理模块200对在多个时间周期内分别从多个超声传感器接收到的数据进行处理，获得内管信息。在一些实施例中，处理模块200可在流体340所含杂质341较少的情况下采用第一工作模式进行工作。
被驱动的超声传感器接收到的信号不仅包含从内管320处反射的超声信号，还包括大量的干扰信号。为了从来自超声传感器的数据中更好地识别出反射自内管320的超声信号，处理模块200需要对来自超声传感器的数据进行处理，减少干扰信号的影响。
干扰信号的来源多种多样。请参阅图1和图3，图3示出了超声阵列100中的超声传感器102发送超声信号420的示意图。在第一模式下，干扰信号的一个来源可为被流体340中的杂质341散射的超声信号。在一些实施例中，流体340为从地下地层返回地表的钻井流体，该返回的钻井流体中可包含诸如油气水三相混合物、在钻井过程中被砍碎或挖碎的物料(包括被碾碎或砍剁的岩石)等杂质。超声信号420在穿过流体340时，被流体340中的杂质341散射。被散射的超声信号可能被超声传感器102接收，形成干扰。
为了减少来自被散射的超声信号的干扰，处理模块200对来自超声传感器102的数据执行散射干扰消除算法。在一些实施例中，该散射干扰消除算法通过增强数据中波形相似的信号，或减弱数据中波形不相似的信号，来减少被杂质341散射的超声信号带来的干扰。在一些实施例中，处理模块200根据超声传感器102发送超声信号420的时间间隔来提取多段数据段，并对在该多段数据段中相似的信号进行增强，或对在该多段数据段中不相似的信号进行减弱。在一些实施例中，该散射干扰消除算法包括但不限于平均算法。在一些实施例中，处理模块200根据以下公式执行散射干扰消除算法：
F＝f(t+Δt)+f(t)；
其中，t表示时刻，Δt表示超声传感器102发送的两个超声信号420之间的时间间隔，f(t)表示与时刻t对应的数据，f(t+Δt)表示与时刻t+Δt对应的数据。
随着流体340的流动，对超声信号420产生散射的杂质341也在不断变化，因此，杂质341产生的被散射的超声信号之间缺乏相似性；而超声传感器102发送的多个超声信号420之间是相同或相似的，达到内管320并被反射且被超声传感器102接收的多个超声信号之间通常也是相似的。因此，通过增强超声传感器102提供的数据中的相似信号的强度或减弱不相似信号的强度，能够减少散射的超声信号带来的干扰。
干扰信号的另一个来源可为在内管320和外管310之间回响(如在内管320和外管310之间来回反射)的超声信号。请继续参阅图1和图3。超声信号420到达内管320后，其至少部分被反射，产生超声信号421；超声信号421到达外管310后，其部分被超声传感器102接收，部分在外管310处被反射并返回内管320，返回的超声信号可又一次在内管320处被反射后到达外管310并被超声传感器102接收，以此类推，从超声传感器102发出的超声信号420可在内管320和外管310之间来回反射，并反复被超声传感器102接收。很明显地，仅首次从内管320处反射的超声信号为期望被识别的超声信号，第二次以及后续从内管320处反射的超声信号均为干扰信号。
处理模块200利用预先建立的回响模型处理接收自超声传感器102的数据，该回响模型包括在内管320和外管310之间回响的超声信号的特征。在一些实施例中，处理模块200利用回响模型对接收自超声传感器102的数据中的回响的超声信号进行抵消，以减少来自回响的超声信号的干扰。
在一些实施例中，该回响的超声信号的特征包括但不限于：在内管320和外管310之间回响的超声信号的波形特征；在一些实施例中，该回响模型可以时变函数形式表示。在一些实施例中，回响模型可通过人工定义来被预先建立；在一些实施例中，可从超声传感器102在较为理想的情况下(如环形空间312中未通过流体340，或所通过的流体340所含杂质341很少的情况下)接收到的数据中提取回响的超声信号的特征，并基于被提取出的特征建立回响模型。在一些实施例中，在第一工作模式下，处理模块200可从来自超声传感器102的数据中提取被识别出的超声信号421的特征，用以更新已建立的回响模型。
干扰信号的再一个来源可为从超声传感器102中的超声信号发射源产生的超声信号420在穿过超声信号发射源和内管320之间的介质分界面时被反射的超声信号。请参阅图4，超声信号420穿过超声传感器102的外壳，到达超声传感器102与外管310之间的介质分界面132，并在该介质分界面132上被部分反射，产生超声信号425。未在介质分界面132上被反射的超声信号420穿过外管310，到达外管310与流体340之间的介质分界面314，并在该介质分界面314上被部分反射，产生超声信号426。超声信号426的一部分穿过介质分界面132到达超声传感器102，另一部分在介质分界面132上被反射后又在介质分界面314上被再次反射，产生超声信号427。未在介质分界面314上被反射的超声信号420穿过流体340，到达内管320，并在内管320处被反射，产生超声信号421。
需要说明的是，因超声信号420穿过介质分界面132和314而产生的被反射的超声信号并不局限于图4所示的超声信号425、426和427，如超声信号可在介质分界面132和介质分界面314之间来回反射并产生大量的被反射的超声信号，但为简洁起见，图4中仅示出了功率较强从而可能构成干扰的超声信号425、426和427。此外，为了更清楚地表示超声信号的反射路径，图4所示的超声信号420倾斜于外管310的中轴线311(请参见图1)，但在实际应用中，从超声阵列100的超声传感器发送的超声信号可垂直于中轴线311。
在一些实施例中，与利用回响模型来减少回响的超声信号的干扰相类似的，处理模块200可利用预先建立的反射模型处理接收自超声传感器102的数据，该反射模型包括从介质分界面132和314反射的超声信号的特征。在一些实施例中，处理模块200利用反射模型对接收自超声传感器102的数据中的反射自介质分界面132和314的超声信号进行抵消，以减少该等超声信号的干扰。
在一些实施例中，该从介质分界面132和314反射的超声信号的特征包括但不限于：从介质分界面132和314反射的超声信号的波形特征；在一些实施例中，该反射模型可以函数形式表示。在一些实施例中，反射模型可通过人工定义来被预先建立；在一些实施例中，可从超声传感器102在较为理想的情况下(如外管310内未设置内管320且无流体通过外管310)接收到的数据中提取从介质分界面132和314反射的超声信号的特征，并基于被提取出的特征预先建立反射模型。
在一些实施例中，考虑到超声信号425和426的信号强度通常远高于超声信号421，且在超声信号425和426到达超声传感器102时，通常超声信号421尚未到达超声传感器102，因此，可直接基于数据中的信号强度识别出超声信号425和426，并将对应超声信号425和426的数据段丢弃，不予处理。
处理模块200对数据进行处理以减少干扰信号后，可基于超声信号421的特征(该超声信号421的特征可以预先建立)，从处理后的数据中识别出超声信号421，进而，处理模块200可以获得发送自超声传感器的超声信号的渡越时间。在第一工作模式下，该渡越时间包括从超声信号自超声传感器发出起至该超声信号被内管320反射并被该超声传感器接收到为止的时间跨度。结合超声信号在流体340中的传播速度，处理模块200可以基于该渡越时间计算得到内管320的一部分与超声传感器之间的距离，以获得内管信息。在一些实施例中，超声信号在外管310中的传播速度以及超声信号所穿过的外管310的管壁厚度也可被考虑以计算得到内管320的一部分与超声传感器之间的距离。
请参阅图5，图5示出了根据本发明一个实施例的在第一工作模式下基于渡越时间确定内管信息的示意图。处理模块200在一个时间周期内驱动超声传感器102发送超声信号，接收来自超声传感器102的数据并从其中识别出从内管320反射的超声信号，以得到超声信号的渡越时间；接着，结合超声信号在流体340中的传播速度，处理模块200得到内管320的一部分402与超声传感器102之间的距离d，由于超声传感器102发送超声信号的路径是已知的，通过距离d即可确定该部分402在外管310中的位置。类似地，处理模块200在多个时间周期内分别驱动超声传感器101、103、104、105、106、107、108、109、110、111和112发送超声信号，从而确定内管320的多个部分401、403、404、405、406、407、408、409、410、411和412在外管310内的位置，并进而更准确地确定内管信息，如内管320在外管310内的位置、内管320的尺寸信息等。需要说明的是，在一些实施例中，超声阵列100中可仅有部分超声传感器被驱动来确定内管信息，如处理模块200仅驱动超声传感器102、106、110来获得402、406、410的位置，从而得到内管320在外管310内的位置和尺寸信息。
超声信号在流体340中的传播速度可以预先设置。然而，在一些情况下，流体340的成分复杂且容易变化，超声信号在流体340中的传播速度可能随着流体340的成分的改变而改变，因此，尽管可以预测超声信号在流体340中的传播速度范围，但通常难以预先准确地确定超声信号在流体340中的传播速度。在一些实施例中，处理模块200采用以下方式来更准确地确定超声信号在流体340中的传播速度。
作为一个示例，预定义的超声信号的传播速度范围表示为S1≤s≤S2，其中s表示超声信号在流体340内的传播速度，S1表示传播速度的下限阈值，S2表示传播速度的上限阈值。
处理模块200在下限阈值S1和上限阈值S2之间采样，获得采样集合[s1，s2，…，sn](在一些实施例中，预定义的超声信号的传播速度范围也可直接表示为集合[s1，s2，…，sn])，并结合已获得的超声信号的渡越时间(如分别由多个超声传感器发送的多个超声信号的渡越时间)，获得一系列内管信息[i1，i2，…，in]；其中，内管信息in表示为集合[dn，ln]，dn表示内管320的尺寸信息，ln表示内管320在外管310内的位置信息。
内管320的尺寸信息通常已知，且可被预先定义。处理模块200可从一系列内管信息[i1，i2，…，in]中识别出与预定义的内管320的尺寸信息匹配的内管信息。
在一些实施例中，处理模块200仅从一系列内管信息[i1，i2，…，in]中匹配得到内管信息的一个可能的结果，则该匹配得到的内管信息即为期望的内管信息，且与该匹配得到的内管信息对应的传播速度即为超声信号在流体340中的传播速度。例如，处理模块200仅从[i1，i2，…，in]中识别出内管信息i2包含的尺寸信息d2与预定义的尺寸信息匹配，则内管信息i2即为期望的内管信息，且用以计算内管信息i2的传播速度s2为超声信号在流体340中的传播速度。
在一些实施例中，处理模块200可能从一系列内管信息[i1，i2，…，in]中匹配得到内管信息的多个可能的结果，则处理模块200利用内管320在外管310的纵轴方向上的移动距离信息，从所述多个可能的结果中识别出期望的内管信息。例如，内管320为钻杆，该钻杆的尺寸信息中包括两个直径D1和D2，分别用于指示钻杆的接头部位的直径以及钻杆的其他部位的直径；处理模块200从[i1，i2，…，in]中识别出内管信息i2包含的尺寸信息d2与直径D1匹配，内管信息i5包含的尺寸信息d5与直径D2匹配；由于钻杆的结构是已知的，钻杆在立管或隔水管的纵轴方向上的移动距离可在一定程度上被用以判断超声信号当前探测的部位应当为钻杆的接头部位还是其他部位，因此，处理模块200利用钻杆在立管或隔水管的纵轴方向上的移动距离信息，从D1和D2中选择期望的内管直径(即超声信号当前应当探测到的内管直径)，则包含该期望的内管直径的内管信息即为期望的内管信息，且用以计算该期望的内管信息的传播速度为超声信号在流体340中的传播速度。在一些实施例中，钻杆在立管或隔水管的纵轴方向上的移动距离可利用机械钻速(rate of penetration)来估计。
第二工作模式
请参阅图1和图3，基于第二工作模式，处理模块200在每个时间周期内驱动超声阵列100中的一个超声传感器发送穿过流体340的超声信号，该超声信号可到达内管320后被反射，并由与被驱动以发送该超声信号的超声传感器相邻的超声传感器接收；处理模块200对相邻的超声传感器接收到的数据进行处理，以从该数据中识别出从内管320处反射的超声信号，从而计算得到内管信息。第二工作模式也可称为“单发邻收模式”，被处理模块200驱动的超声传感器与提供被处理模块200处理的数据的超声传感器相邻。在一些实施例中，处理模块200在不同的时间周期内可选择不同的超声传感器来驱动，也即，处理模块200可以切换被驱动的超声传感器，以获得更准确的内管信息；在第二模式下切换被驱动的超声传感器的方式可与在第一工作模式下切换被驱动的超声传感器的方式相类似，在此不再赘述。在一些实施例中，处理模块200可在流体340所含杂质341较多的情况下采用第二工作模式进行工作。
与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器接收到的信号不仅包含从内管320处反射的超声信号，还包括大量的干扰信号。为了从来自相邻的超声传感器的数据中更好地识别出反射自内管320的超声信号，处理模块200需要对来自超声传感器的数据进行处理，减少干扰信号的影响。
与第一工作模式相类似的，处理模块200对在第二工作模式下接收到的数据进行处理，以减少干扰信号的影响。
在第二工作模式下产生的干扰信号可包括被流体340中的杂质341散射的超声信号。在第二工作模式下减少该散射的超声信号的干扰的方式与在第一工作模式下减少该散射的超声信号的干扰的方式相同或相似，在此不再赘述。
在第二工作模式下产生的干扰信号还可来自串扰超声信号，该串扰超声信号通过外管310的管壁传播并被与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器接收到。如图3所示，超声传感器102发送的超声信号可产生沿外管310的管壁传播的串扰超声信号422，该串扰超声信号422可被与超声传感器102相邻的超声传感器101和103接收。
处理模块200利用串扰模型处理在第二工作模式下接收到的数据，该串扰模型包括被与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器接收到的串扰超声信号的特征。在一些实施例中，该串扰超声信号的特征包括但不限于串扰超声信号的波形等。在一些实施例中，串扰模型包括多个子串扰模型，该多个子串扰模型分别与超声阵列100中的多个超声传感器对应，且每个子串扰模型包括其对应的超声传感器接收到的串扰超声信号的特征。例如，串扰模型包括分别与超声传感器101～112对应的12个子串扰模型；以与超声传感器101对应的子串扰模型为例，该子串扰模型包括超声传感器101在超声传感器102或112发送超声信号时接收到的串扰超声信号的特征。
与在第一工作模式下相类似的，在第二工作模式下，处理模块200对数据进行处理以减少干扰信号后，可基于超声信号421的特征，从处理后的数据中识别出超声信号421，进而，处理模块200可以获得超声信号的渡越时间。在第二工作模式下，该渡越时间包括从超声信号自超声传感器发出起始至该超声信号被内管320反射并分别被两个相邻的超声传感器接收到为止的两个时间跨度，例如，超声信号自超声传感器102发出起始并被相邻的超声传感器101接收到为止的第一时间跨度以及超声信号自超声传感器102发出起始并被相邻的超声传感器103接收到为止的第二时间跨度。结合超声信号在流体340中的传播速度，可以基于该渡越时间计算得到内管320的一部分在外管310内的位置，以获得内管信息。在一些实施例中，超声信号在外管310中的传播速度以及超声信号所穿过的外管310的管壁厚度也可被考虑以计算得到内管320的一部分与超声传感器之间的距离。
请参阅图6，图6示出了根据本发明一个实施例的在第二工作模式下基于渡越时间确定内管信息的示意图。
处理模块200获得超声信号从超声传感器102发出起始至超声信号从内管320反射并被超声传感器101接收到为止的第一渡越时间为T1，且超声信号在流体340中的传播速度被预设为S，则处理模块200根据T1*S可以计算得到轨迹P1；并且，处理模块200获得超声信号从超声传感器102发出起始至超声信号从内管320反射并被超声传感器103接收到为止的第二渡越时间为T2，则处理模块200根据T2*S可以计算得到轨迹P2；轨迹P1和P2的交点位置即为内管320的一部分502在外管310内的位置。
类似地，通过在多个时间周期内分别驱动超声传感器101、103、104、105、106、107、108、109、110、111和112发送超声信号，并接收来自相应的相邻传感器的数据，处理模块200可以计算得到内管320的其他多个部分501、503、504、505、506、507、508、509、510、511和512在外管310内的位置，从而获得内管信息，如内管320在外管310中的位置、内管320的尺寸信息等。
与在第一工作模式下相类似的，在第二工作模式下，当处理模块200未能获得超声信号在流体340中的准确传播速度时，处理模块200可利用预定义的超声信号的传播速度范围计算一系列内管信息，并基于预定义的内管320的尺寸信息，从该一系列内管信息中识别出期望的内管信息，并获得准确的传播速度。需要说明的是，本领域技术人员能够理解，该计算准确的传播速度的方式可应用至各种利用渡越时间的方案，而不受工作模式的限制。
第三工作模式
请参阅图1和图7，图7示出了根据本发明一个实施例的多个超声探测器向外管内的预确定的区域发送超声信号的示意图。基于第三工作模式，处理模块200在每个时间周期内驱动超声阵列100中的复数个超声传感器向外管310内的预确定的区域发送超声信号，被发送的超声信号经内管320反射后，被超声阵列100中的至少一个超声传感器接收；处理模块200对来自该至少一个超声传感器到的数据进行处理，以从该数据中识别出从内管320处反射的超声信号，从而计算得到内管信息。第三工作模式可在流体340中含有大量杂质341，超声信号的传播受到很大干扰的情况下被使用。
在第三工作模式中，发送超声信号的复数个超声传感器可与向处理模块200处理的数据的至少一个超声传感器相同、部分相同或不同。以图7所示实施例为例，超声传感器102、103、104向外管310内的预确定的区域330发送超声信号，超声信号到达内管320后被反射；处理模块200可处理来自超声传感器102、103、104中的至少一者的数据，或处理来自超声传感器102、103、104中的至少一者以及超声传感器101、105、106、107、108、109、110、111和112中的至少一者的数据，或处理来自超声传感器101、105、106、107、108、109、110、111和112中的至少一者的数据，以从数据中识别反射自内管320的超声信号，从而获得内管信息。在一些实施例中，超声传感器102、103、104在不同的时刻发送超声信号，以使被发送的超声信号在同一时间到达预确定的区域330。
与第一工作模式和第二工作模式相类似的，处理模块200对在第三工作模式下接收到的数据进行处理，以减少干扰信号的影响。
在第二工作模式下产生的干扰信号可包括：被流体340中的杂质341散射的超声信号、串扰超声信号、在内管320和外管320之间回响的超声信号等等。在第三工作模式下消除该等干扰信号的方式与在第一或第二工作模式下消除该等干扰信号的方式相同或相似，在此不再赘述。
在一些实施例中，处理模块200可仅利用在一个工作模式下得到的数据获得内管信息；在一些实施例中，处理模块200交替地工作在多个工作模式下，以综合在多个工作模式下得到的数据获得内管信息。例如，处理模块200在第一时间周期内工作在第一工作模式下，驱动超声传感器102发送超声信号并接收来自超声传感器102的数据，并对该数据进行处理以减少干扰信号的影响，并从处理后的数据中识别出反弹自内管320的超声信号；在第二时间周期内，处理模块200工作在第二工作模式下，驱动超声传感器102发送超声信号并接收来自超声传感器101和103的数据，并对该数据进行处理以减少干扰信号的影响，并从处理后的数据中识别出反弹自内管320的超声信号；在第三时间周期内，处理模块200工作在第一工作模式下，驱动超声传感器103发送超声信号并接收来自超声传感器103的数据，并对该数据进行处理以减少干扰信号的影响，并从处理后的数据中识别出反弹自内管320的超声信号；在第四时间周期内，处理模块200工作在第一工作模式下，驱动超声传感器104发送超声信号并接收来自超声传感器103和105的数据，并对该数据进行处理以减少干扰信号的影响，并从处理后的数据中识别出反弹自内管320的超声信号；以此类推，处理模块200交替地工作在第一工作模式和第二工作模式下，并综合在第一工作模式和第二工作模式下获得的数据来确定内管信息。
利用多个工作模式，超声探测装置10可在复杂的工作环境下较为准确地测量内管信息，这在多种工作环境下都是有利的。以地下地层的碳氢化合物的勘探和开采为例，准确地确定钻杆(内管)在立管或隔水管(外管)内的位置对于勘探和开采的安全十分重要，且准确地确定钻杆的尺寸(如直径或半径等)，有助于确定钻杆上难以剪切的部分321(如接头部分)在立管或隔水管的纵轴方向上的位置，从而减少BOP的作业失败。
请参阅图1、图2和图8。图8示出了根据本发明一个实施例的超声探测装置10的模块示意图。在一些实施例中，处理模块200包括与超声阵列100中的多个超声传感器101～112分别耦合的多个预处理单元2101～2112(为简洁起见，图8中仅示出了预处理单元2101、2102和2112)、接收预处理单元2101～2112输出的数据并进行处理以获得内管信息的处理单元230、受处理单元230控制以驱动超声阵列100发送超声信号的驱动单元220。预处理单元2101～2112中的每个预处理单元用以对与其耦合的超声传感器的输出进行预处理，如采样、滤波、放大等。每个预处理单元以及与其耦合的超声传感器形成用于传输一路信号的频道。
处理单元230驱动超声阵列100中的多个超声传感器101～112中的至少一个超声传感器发送穿过流体340的超声信号，并处理接收自该多个超声传感器101～112中的复数个超声传感器(即超声传感器101～112中两个以上的超声传感器)的数据来获得与该复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征，并根据该多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。在一些实施例中，处理单元230通过对多路频道中的每路频道的功率特征进行比较并从其中识别出功率特征异常的频道，来确定各路频道的健康状况。在一些实施例中，处理单元230将来自每路频道的数据归一化以获得每路频道的功率特征。
在一些实施例中，处理单元230还可根据该多路频道中每路频道的功率特征来确定内管320的粗略位置信息。例如，通常与距离内管320较近的超声传感器对应的频道的信号功率较强，故通过多路频道中每路频道的功率特征，可粗略判断内管320相对超声传感器的多个粗略距离。
作为一个示例，处理单元230处理接收自超声传感器101、103、105、107、109、111的数据，并进行归一化处理后获得如图9所示的功率特征的曲线。曲线601指示超声传感器101所对应的频道(即超声传感器101和预处理单元2101形成的频道)的功率特征；曲线603指示超声传感器103所对应的频道的功率特征；曲线605指示超声传感器105所对应的频道的功率特征；曲线607指示超声传感器107所对应的频道的功率特征；曲线609指示超声传感器109所对应的频道的功率特征；曲线611指示超声传感器111所对应的频道的功率特征。
处理单元230对时段A内的各路频道的功率特征进行比较，确定时段A内各路频道的功率特征接近；对时段B内的各路频道的功率特征进行比较，确定时段B内曲线611对应的频道的功率相比其他频道的功率较低；对时段C内的各路频道的功率特征进行比较，确定时段C内曲线601对应的频道的功率相比其他频道的功率显著较高；并且，根据曲线601、603、605、607、609和611，处理单元230确定自时段B结束起曲线601所对应频道的功率相比其他曲线所对应频道的功率显著较高。最终，处理单元230诊断各频道工作基本正常，并判断内管320距离超声传感器101过近。
在一些实施例中，若在时段A内存在功率相比其他频道显著较低，或在时段A内存在功率低于一预定阈值的频道，则处理单元230诊断该频道异常。诊断出异常频道后，处理单元230可屏蔽来自异常频道的数据，不予处理。
通过诊断频道的健康状况，能够及时发现异常频道，并防止来自异常频道的数据带来的影响。
请参阅图1-7和图10。图10示出了根据本发明一个实施例的超声探测方法700的示意性流程图。超声探测方法700包括步骤710和步骤720。
在步骤710中，处理模块200基于从多个工作模式中选择的一个工作模式，在每个时间周期内，超声阵列100的多个超声传感器101～112中的一个超声传感器被驱动以发送穿过流体340的超声信号，流体340通过由外管310和位于外管310内的内管320形成的环形空间312。多个超声传感器101～112附着在外管310上。在一些实施例中，在不同的时间周期内被驱动的超声传感器可能不同。
在步骤720中，处理模块200基于选择的工作模式获得内管信息。其中，所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式；基于所述第一工作模式，处理模块200接收自被驱动的超声传感器的数据被处理来获得内管信息；基于所述第二工作模式，处理模块200接收自与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器的数据被处理来获得内管信息。
在一些实施例中，所述多个工作模式还包括第三工作模式。基于第三工作模式，在步骤710中，处理模块200在每个时间周期内驱动多个超声传感器101～112中的复数个超声传感器向外管310内的预确定的区域发送超声信号，在步骤720中，处理模块200处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据，以获得内管信息。
在一些实施例中，步骤720包括以下步骤：处理模块200利用回响模型处理在第一工作模式下接收到的数据，所述回响模型包括在所述内管和所述外管之间回响的超声信号的特征。在一些实施例中，超声探测方法700还包括以下步骤：处理模块200处理在第一工作模式下接收到的数据来获得在内管320和外管310之间回响的超声信号的特征，并利用在内管320和外管310之间回响的超声信号的特征来更新所述回响模型。
在一些实施例中，步骤720包括以下步骤：处理模块200利用串扰模型处理在第二工作模式下接收到的数据，所述串扰模型包括被所述相邻的超声传感器接收的串扰超声信号的特征。
在一些实施例中，步骤720包括以下步骤：处理模块200对在所述多个工作模式中的每个工作模式下接收到的数据执行散射干扰消除算法。
在一些实施例中，步骤720包括以下步骤：在所述多个工作模式中的每个工作模式下，处理模块200处理接收到的数据以获得被发送的超声信号的渡越时间，并基于所述渡越时间获得所述内管信息。在一些实施例中，步骤720包括以下步骤：在所述多个工作模式中的每个工作模式下，处理模块200基于所述渡越时间，利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并且，基于预定义的内管的尺寸信息，从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息，并获得与期望的内管信息对应的超声信号的传播速度。
请参阅图1-7和图11。图11是根据本发明另一个实施例的超声探测方法800的示意性流程图。超声探测方法800包括步骤810、步骤820和步骤830。
在步骤810中，处理模块200驱动超声阵列100的多个超声传感器101～112中的至少一个超声传感器发送穿过流体340的超声信号，流体340通过由外管310和位于该外管310内的内管320形成的环形空间312，超声阵列100的多个超声传感器101～112附着在外管310上。
在步骤820中，处理模块200处理接收自多个超声传感器101～112中的至少一个超声传感器的数据，获得被发送的超声信号的渡越时间。
在步骤830中，处理模块200基于渡越时间并利用预定义的超声信号的速度范围来计算一系列内管信息，并基于预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息。在一些实施例中，当基于预定义的内管的尺寸信息获得所述内管信息的多个可能的结果时，处理模块200利用内管320在外管310的纵轴方向上的移动距离信息，从所述多个可能的结果中识别出期望的内管信息。在一些实施例中，处理模块200获得与期望的内管信息对应的超声信号的传播速度，并将该获得的超声信号的传播速度设置为超声信号在流体340中的传播速度。
请参阅图1-10和图12。图12是根据本发明再一个实施例的超声探测方法900的示意性流程图。超声探测方法900包括步骤910、步骤920和步骤930。
在步骤910中，处理模块200驱动超声阵列100的多个超声传感器101～112中的至少一个超声传感器发送穿过流体340的超声信号，流体340通过由外管310和位于该外管310内的内管320形成的环形空间312，超声阵列100的多个超声传感器101～112附着在外管310上。
在步骤920中，处理模块200处理接收自多个超声传感器101～112中的复数个超声传感器的数据来获得与该复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征。
在步骤930中，处理模块200根据多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。在一些实施例中，处理单元230通过对多路频道中的每路频道的功率特征进行比较并从其中识别出功率特征异常的频道，来确定各路频道的健康状况。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (16)
1.一种超声探测装置，其特征在于，其包括：
超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及
处理模块，其被配置为基于从多个工作模式中选择的一个工作模式来获得内管信息；所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式；基于所述第一工作模式，所述处理模块在每个时间周期内驱动所述多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，并处理接收自被驱动的超声传感器的数据，以获得所述内管信息；基于所述第二工作模式，所述处理模块在每个时间周期内驱动所述多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，并处理接收自与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器的数据，以获得所述内管信息。
2.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述多个工作模式还包括第三工作模式；基于该第三工作模式，所述处理模块在每个时间周期内驱动所述多个超声传感器中的复数个超声传感器向所述外管内的预确定的区域发送超声信号，并处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据，以获得所述内管信息。
3.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块利用回响模型处理在第一工作模式下接收到的数据，所述回响模型包括在所述内管和所述外管之间回响的超声信号的特征。
4.如权利要求3所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块处理在第一工作模式下接收到的数据来获得在所述内管和所述外管之间回响的超声信号的特征，并利用在所述内管和所述外管之间回响的超声信号的特征来更新所述回响模型。
5.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块利用串扰模型处理在第二工作模式下接收到的数据，所述串扰模型包括被所述相邻的超声传感器接收的串扰超声信号的特征。
6.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块对在所述多个工作模式中的每个工作模式下接收到的数据执行散射干扰消除算法。
7.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，在所述多个工作模式中的每个工作模式下，所述处理模块处理接收到的数据以获得被发送的超声信号的渡越时间，并基于所述渡越时间获得所述内管信息。
8.如权利要求7所述的超声探测装置，其特征在于，在所述多个工作模式中的每个工作模式下，所述处理模块基于所述渡越时间，利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并且，基于预定义的内管的尺寸信息，从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息，并获得与所述期望的内管信息对应的超声信号的传播速度。
9.如权利要求1所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块处理接收到的数据来获得与所述多个超声传感器中的复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征，并根据所述多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。
10.一种超声探测装置，其特征在于，其包括：
超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及
处理模块，其被配置为驱动所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据来获得被发送的超声信号的渡越时间，基于所述渡越时间并利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并基于预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息。
11.如权利要求10所述的超声探测装置，其特征在于，当基于所述预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出所述内管信息的多个可能的结果时，所述处理模块利用所述内管在所述外管的纵轴方向上的移动距离信息，从所述多个可能的结果中识别出所述期望的内管信息。
12.如权利要求10所述的超声探测装置，其特征在于，所述处理模块获得与所述期望的内管信息对应的传播速度，并将获得的传播速度设置为所述超声信号在所述流体中的传播速度。
13.一种超声探测装置，其特征在于，其包括：
超声阵列，其包括附着在外管上的多个超声传感器，所述外管和位于该外管内的内管形成用于通过流体的环形空间；及
处理模块，其被配置为驱动所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过所述流体的超声信号，处理接收自所述多个超声传感器中的复数个超声传感器的数据来获得与所述复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征，并根据所述多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。
14.一种超声探测方法，其特征在于，其包括：
基于从多个工作模式中选择的一个工作模式，在每个时间周期内驱动多个超声传感器中的一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；及
基于选择的工作模式获得内管信息；其中，所述多个工作模式包括第一工作模式和第二工作模式；基于所述第一工作模式，处理接收自被驱动的超声传感器的数据来获得所述内管信息；基于所述第二工作模式，处理接收自与被驱动的超声传感器相邻的超声传感器的数据来获得所述内管信息。
15.一种超声探测方法，其特征在于，其包括：
驱动多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于该外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；
处理接收自所述多个超声传感器中的至少一个超声传感器的数据，获得被发送的超声信号的渡越时间；及
基于所述渡越时间并利用预定义的超声信号的传播速度范围来计算一系列内管信息，并基于预定义的内管的尺寸信息从所述一系列内管信息中识别出期望的内管信息。
16.一种超声探测方法，其特征在于，其包括：
驱动多个超声传感器中的至少一个超声传感器发送穿过流体的超声信号，所述流体通过由外管和位于该外管内的内管形成的环形空间，所述多个超声传感器附着在所述外管上；
处理接收自所述多个超声传感器中的复数个超声传感器的数据来获得与所述复数个超声传感器分别对应的多路频道中的每路频道的功率特征；及
根据所述多路频道中每路频道的功率特征来确定该多路频道中每路频道的健康状况。
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