CN115680618A - 一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置 - Google Patents

一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置 Download PDF

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CN115680618A CN202110860996.3A CN202110860996A CN115680618A CN 115680618 A CN115680618 A CN 115680618A CN 202110860996 A CN202110860996 A CN 202110860996A CN 115680618 A CN115680618 A CN 115680618A
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Abstract

本发明提供了一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置，属于油气井套管的检测技术领域。该方法利用不同频率的声波信号对油气井套管进行检测并采集声波数据，然后利用声波数据获得油气井套管的套管内壁轮廓、套管内部结构和套管外壁轮廓，实现油气井套管的全方位结构的可视化。利用本发明能够快速、精准和同步地实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化，方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实现、使用方便，提高了油气井套管检测的劳动效率，增加了检测结果的直观性，节约了测量成本，能起到节本增效的作用。本发明方法是油气井套管检测中的新方法和新一代技术，具有广阔的应用前景。

Description

一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置
技术领域
本发明属于油气井套管的检测技术领域，具体涉及一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置。
背景技术
目前油气井套管的可视化主要是通过井径仪测量油气井套管的轮廓特征，然后通过数据拟合实现油气井套管内壁井径的重构，其缺点是数据量少，测量精度低，同时，无法对油气井套管的内部结构和套管外壁轮廓进行测量，而油气井套管的内部结构和套管外壁轮廓的特征对油气井套管的检测尤为重要。为此，提出一种能够同步实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化方法具有重要意义。
中国公开文献“多频声波探测技术在城镇燃气PE管定位探测中的应用”(城市燃气,2020年9月)中提到的多频声波探测技术主要是用于城镇燃气PE管的定位探测；中国公开文献“油气井套损可视化检测技术研究”(西安石油大学,2020年6月)中提到的油气井套损可视化检测技术，采用的是彩色全帧率网络视频技术；中国公开文献“基于数学形态学的油气井套损检测方法研究”(西安石油大学,2010年6月)中提到的油气井套损检测方法，采用的是井下CCD摄像机直接对井筒和套管内壁进行摄像扫描。
由此可知，目前的声波测井技术和方法难以同步实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化，同时，在声波进行轮廓测量和结构探伤方面其精度也有待改进。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置，同步实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化，并精准地实现油气井套管内外轮廓的测量和油气井套管内部结构的无损检测。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一个方面，提供了一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法，所述方法利用不同频率的声波信号对油气井套管进行检测并采集声波数据，然后利用声波数据获得油气井套管的套管内壁轮廓、套管内部结构和套管外壁轮廓，实现油气井套管的全方位结构的可视化。
本发明的进一步改进在于，所述方法包括：
步骤1，阵列式多频声波数据采集和处理：进行阵列式多频声波数据采集、去噪和声波传递参数计算；
步骤2：套管轮廓特征重构：进行套管轮廓特征数据提取、优化和拟合；
步骤3：套管损伤结构可视化：进行套管损伤结构数据提取、增强和图像映射。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1中的阵列式多频声波数据采集的操作包括：
步骤1.1.1、在测井探头的上部设置N个在圆周上均布的多频声波换能器，将N个多频声波换能器的中心所在的圆称为上环，上环处的N个多频声波换能器均设置有发射电路和接收电路；在测井探头的下部设置N个在圆周上均布的多频声波换能器，将N个多频声波换能器的中心所在的圆称为下环，下环处的N个多频声波换能器均设置有接收电路；将测井探头下入到套管的内腔中；
步骤1.1.2、在上环处的N个多频声波换能器发射完声波信号后，上环处的N个多频声波换能器和下环处的N个多频声波换能器实时采集波形信号；上环处的第i个多频声波换能器接收到的波形信号为Fi，下环处的第i个多频声波换能器接收到的波形信号为Si；上环处的N个多频声波换能器发射的声波信号包括：高频信号、中频信号和低频信号。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1中的去噪的操作包括：
1.2.1、对N组Fi数据和N组Si数据进行中值滤波处理；Fi数据经过中值滤波处理后变成FFi数据，Si数据经过中值滤波处理后变成SSi数据；
1.2.2、对FFi数据进行小波包分解，从FFi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号Hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号Mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号Li；
1.2.3、对SSi数据进行小波包分解，从SSi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号li。
本发明的进一步改进在于，所述步骤1中的声波传递参数计算的操作包括：
1.3.1、从上环处的多频声波换能器采集的高频信号Hi中提取首次回波信号所对应的时间T1i；从上环处的多频声波换能器采集的低频信号Li中提取首次回波信号所对应的时间T2i；
1.3.2、从下环处的多频声波换能器采集的高频信号hi中提取首次回波信号所对应的时间t1i；从下环处的多频声波换能器采集的低频信号li中提取首次回波信号所对应的时间t2i；
1.3.3、利用下式计算出第i个多频声波换能器发射的声波信号在测井探头与套管内壁之间的传播声速Ci：
Ci＝L/(t1i^2-T1i*t1i)^(1/2)
其中，L为上环与下环之间的垂直距离。
本发明的进一步改进在于，所述步骤2中的套管轮廓特征数据提取的操作包括：
2.1.1、提取N个多频声波换能器的T1i，构成阵列lL，则高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL＝lL/2；
2.1.2、提取N个多频声波换能器的T2i，构成阵列wL，则低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL＝wL/2-LL。
本发明的进一步改进在于，所述步骤2中的优化的操作包括：
2.2.1、对高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL进行优化处理：
若LL[i+1]-LL[i]≥Al；
则LL[i+1]＝LL[i]；
若LL[i+1]-LL[i]＜Al；
则LL[i+1]＝LL[i+1]；
i∈[1，N-1]；Al为内轮廓修正权值；
将修正后的矩阵LL重新命名为内轮廓单向时间优化矩阵L；
2.2.2、对低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL进行优化处理：
若WL[i+1]-WL[i]≥Aw；
则WL[i+1]＝WL[i]；
若WL[i+1]-WL[i]＜Aw；
则WL[i+1]＝WL[i+1]；
i∈[1，N-1]；Aw为外轮廓修正权值；
将修正后的矩阵WL重新命名为外轮廓单向时间优化矩阵W。
本发明的进一步改进在于，所述步骤2中的拟合的操作包括：
2.3.1、以上环的圆心作为直角坐标原点，建立平面直角坐标系；以坐标原点指向地理正北方向作为y轴正方向；以坐标原点指向地理正东方向作为x轴正方向；
2.3.2、建立套筒内轮廓横坐标矩阵Lx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Ly：
Lx[i]＝L[i]*Ci*sin(ai)；
Ly[i]＝L[i]*Ci*cos(ai)；
其中，ai表示第i个多频声波换能器与y轴的夹角；
将矩阵Lx作为套筒内轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Ly作为套筒内轮廓的纵坐标数据集合，进行轮廓拟合形成套筒内轮廓曲线QL；
2.3.3、建立套筒外轮廓横坐标矩阵Wx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Wy：
Wx[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*sin(ai)；
Wy[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*cos(ai)；
其中，V表示套管的声速；
将矩阵Wx作为套筒外轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Wy作为套筒外轮廓的纵坐标数据集合，进行轮廓拟合形成套筒外轮廓曲线QW。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3中的套管损伤结构数据提取的操作包括：
建立套管可视化矩阵X：第i个多频声波换能器对应的套管可视化矩阵Xi的取值为中频信号mi中的从T1i时刻到T2i时刻之间的所有数据。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3中的增强的操作包括：
3.2.1、建立套管可视化增强矩阵XXi：
Figure BDA0003185727220000051
其中，|Xi|表示取套管可视化矩阵Xi的声波幅值；a表示数据增强系数；P表示套管可视化增强矩阵XXi内元素的总个数；p表示套管可视化增强矩阵XXi内第p个元素；
3.2.2、将套管可视化增强矩阵XXi进行区间归一化处理得到套管可视化归一矩阵Gi；
3.2.3、对数据进行修复处理：
若套管可视化增强矩阵XXi-1的数据和套管可视化增强矩阵XXi+1的数据是完整的，而套管可视化增强矩阵XXi的数据是不完整的，则对套管可视化增强矩阵XXi中的每个缺失数据进行以下处理：
分别找到套管可视化增强矩阵XXi-1、套管可视化增强矩阵XXi+1中与该缺失数据相同位置处的元素，将这两个元素的值相加后除以2作为该缺失数据的值；
套管可视化增强矩阵XXi在经过修复处理后变成管损伤结构数据增强矩阵Ji。
本发明的进一步改进在于，所述步骤3中的图像映射的操作包括：
3.3.1、假设方格阵列FG为P行N列的P*N方格阵列，方格阵列FG中的每个方格单元内均匀填充有像素点，其中，P等于管损伤结构数据增强矩阵Ji的总元素个数，N等于多频声波换能器的总个数，方格阵列FG的每个单元格记为Ri，p，Ri，p像素点均赋值为Ji[p]；
3.3.2、将方格阵列FG转换为对应的环形扫描断面QM，环形扫描断面QM的内侧轮廓线为套筒内轮廓曲线QL；环形扫描断面QM的外侧轮廓线为套筒外轮廓曲线QW；环形扫描断面QM由周向依次衔接的扇环组成，各个扇环按周向顺序分别与格阵列FG的第一列到最后一列对应；每个扇环包括自内环至外环分布的P个扇环单元，自内环至外环分布的各个扇环单元分别与方格阵列FG中对应列的第一个方格单元至第P个方格单元对应；套筒内轮廓曲线QL、环形扫描断面QM和套筒外轮廓曲线QW共同组成了套管在某个深度处的水平断面扫描轮廓图；
3.3.3、重复步骤3.3.2形成套管在不同深度处的水平断面扫描轮廓图，采用插值处理技术，实现套管三维表面的重建，生成套管立体结构扫描图，从而获得完整套管的三维扫描轮廓图，实现油气井套管的三维可视化。
本发明的第二个方面，提供了一种阵列式多频声波油气井套管检测装置，所述装置包括：测井探头，以及设置在测井探头上的多个多频声波换能器；
所述测井探头为圆筒状结构，在其上部外壁上设置有多个上安装孔，所有上安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为上环；在所述测井探头的下部外壁上设置有多个下安装孔，所有下安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为下环；
所述上环、下环的中心轴线均与测井探头的中心轴线位于同一条直线上。
在每个上安装孔、每个下安装孔内分别安装有一个多频声波换能器。
本发明的进一步改进在于，位于上安装孔内的每个多频声波换能器内设置有发射电路和接收电路，发射电路能够发射多种频率的声波信号，接收电路能够接收多种频率的声波信号；
位于下安装孔内的每个所述多频声波换能器内设置有接收电路，接收电路能够接收多种频率的声波信号。
优选的，位于上环处的多个多频声波换能器在圆周上均布，位于下环处的多个多频声波换能器在圆周上均布。
优选的，位于上环处的多频声波换能器与位于下环处的多频声波换能器一一对应，上环处的多频声波换能器和与其对应的下环处的多频声波换能器的连线与测井探头的中心轴线平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在实际油气生产井中，利用本发明能够快速、精准和同步地实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化，方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实现、使用方便，提高了油气井套管检测的劳动效率，增加了检测结果的直观性，节约了测量成本，能起到节本增效的作用。本发明方法是油气井套管检测中的新方法和新一代技术，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是多频声波换能器水平结构布设示意图
图2是多频声波换能器垂直结构布设示意图
图3是方格阵列FG示意图；
图4是环形扫描断面示意图；
图5本发明方法的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明提供了一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置，适用于在各类油气开采领域中对油气井套管进行检测，实现油气井套管的三维可视化，获取油气井套管的内外轮廓特征，同时，实现油气井套管内部结构的无损检测，能够实现油气井套管从内到外的全方位声波探测，并形成油气井套管从里到表的油气井套管结构特征重构。
本发明在传统声波测井的技术上，开发了一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法及检测装置，通过利用不同频率声波信号的测量能力差异性特征，结合巧妙的结构设计和高效的后处理，能够直观地同步和精准地呈现油气井套管的套管内壁轮廓、套管内部结构和套管外壁轮廓的图像特征，实现油气井套管的全方位结构可视化，使油气井套管的检测更加直观和立体。
如图1和图2所示，本发明提供的阵列式多频声波油气井套管检测装置包括：测井探头1，以及设置在测井探头上的多个多频声波换能器2；所述测井探头1为圆筒状结构，在其上部外壁上设置有多个上安装孔，所有上安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为上环；在所述测井探头1的下部外壁上设置有多个下安装孔，所有下安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为下环；所述上环、下环的中心轴线均与测井探头的中心轴线位于同一条直线上。
在每个上安装孔、每个下安装孔内分别安装有一个多频声波换能器2。具体的，可以在每个上安装孔、下安装孔内设置卡扣，将多频声波换能器卡入卡扣内即可将多频声波换能器2固定在测井探头1上。卡扣为现有成熟产品，在此不再赘述。位于上环处的多个多频声波换能器的中心所在的圆和上安装孔的中心所在的圆位于同一个平面内，位于下环处的多个多频声波换能器的中心所在的圆和下安装孔的中心所在的圆位于同一个平面内。
位于上安装孔内的每个所述多频声波换能器2内设置有发射电路和接收电路，发射电路能够发射多种频率的声波信号，接收电路能够接收多种频率的声波信号；
位于下安装孔内的每个所述多频声波换能器2内设置有接收电路，接收电路能够接收多种频率的声波信号；所述发射电路、接收电路均为现有成熟产品，对其结构和原理不再赘述。
优选的，位于上环处的多个多频声波换能器2在圆周上均布，位于下环处的多个多频声波换能器2在圆周上均布。
优选的，位于上环处的多频声波换能器2与位于下环处的多频声波换能器2一一对应，上环处的多频声波换能器2和与其对应的下环处的多频声波换能器2的连线与测井探头1的中心轴线平行。
如图5所示，本发明提供的阵列式多频声波油气井套管可视化方法包括以下步骤：
步骤1：阵列式多频声波数据采集和处理；
步骤2：套管轮廓特征重构；
步骤3：套管损伤结构可视化。
所述的步骤1包括以下步骤：
1.1阵列式多频声波数据采集，主要是完成基础数据的采集；
1.2阵列式多频声波数据去噪，主要是消除声波信号在传播过程中的噪音干扰；
1.3声波传递参数计算，主要是提取声波信号中的重要参数信息；
其中，所述的步骤1.1包括以下步骤：
步骤1.1.1、在测井探头1的上部设置N个多频声波换能器2，N个多频声波换能器2在圆周上均布，将N个多频声波换能器2的中心所在的圆称为上环，上环处的N个多频声波换能器2均设置有对应的发射电路和接收电路，即上环处的N个多频声波换能器2既能发射声波信号也能接收声波信号；在测井探头1的下部设置N个多频声波换能器2，N个多频声波换能器2在圆周上均布，将N个多频声波换能器2的中心所在的圆称为下环，下环处的N个多频声波换能器2均设置有对应的接收电路，即下环处的N个多频声波换能器2只能接收声波信号。使用时，通过现有的铠装电缆将测井探头1下入到套管3的内腔中即可。
步骤1.1.2、在上环处的N个多频声波换能器2发射完声波信号后，上环处的N个多频声波换能器2和下环处的N个多频声波换能器2上的接收电路同步开始工作，即同步接收声波信号，实时采集波形信号；上环处的第i个多频声波换能器2接收到的波形信号为Fi，下环处的第i个多频声波换能器2接收到的波形信号为Si；
如图1所示，所述的N个多频声波换能器2均匀呈环状布设，上环处、下环处的多频声波换能器2均在圆周上均布；每个多频声波换能器2的收发面指向套管3，上环处的多频声波换能器2与下环处的多频声波换能器2一一对应，上环处的多频声波换能器2和与其对应的下环处的多频声波换能器2的连线与测井探头1的中心轴线平行，在测井探头1居中的情况下，测井探头1的中心轴线与套筒3的中心轴线位于同一条直线上；
所述多频声波换能器2能够激励出三种不同频率的声波信号，在高频信号激励下，多频声波换能器2能够产生与之对应的高频率信号；在中频信号激励下，多频声波换能器2能够产生与之对应的中频率信号；在低频信号激励下，多频声波换能器2能够产生与之对应的低频率信号；
上环处的N个多频声波换能器2发射的声波信号包括：高频信号、中频信号和低频信号，高频信号的主频范围通常选取5MHz～10MHz；中频信号的主频范围通常选取1MHz～5MHz；低频信号的主频范围通常选取0.5MHz～1MHz，上环处的N个多频声波换能器2能够同步发射高、中、低频信号，即发射信号中包含高、中、低频三种信号；高频信号能够在传播介质4中传播；中频信号能够在传播介质4和套管3中传播；低频信号能够在传播介质4、套管3和岩石(岩石位于套管的外部，图1和图2中未画出)中传播；高频信号主要用来获取套管内壁32的轮廓信息；中频信号主要用来获取套管内部的损伤信息；低频信号主要用来获取套管外壁31的轮廓信息；所述测井探头的直径为D。
如图2所示，所述的上环与下环之间的垂直距离为L，图2中的小方块、小圆圈均表示多频声波换能器2，图2中的水平实线箭头、水平虚线箭头表示上环处的N个多频声波换能器2发射和接收声波信号，声波信号分别会在套管内壁32和套管外壁31发生反射，反射的声波信号向上环处的多频声波换能器2传播，反射的声波信号被上环处的多频声波换能器2接收，具体的，图2中的水平实线箭头表示声波信号在套管内壁32发生反射后由上环处的多频声波换能器2接收，图2中的水平虚线箭头表示声波信号在套管外壁31发生发射后由上环处的多频声波换能器2接收。图2中的斜向实线箭头和斜向虚线箭头表示声波信号分别在套管内壁32和套管外壁31发生反射，反射的声波信号向下环处的多频声波换能器2传播，反射的声波信号被下环处的多频声波换能器2接收，具体的，图2中的斜向实线箭头表示声波信号在套管内壁32发生反射后由下环处的多频声波换能器2接收，图2中的斜向虚线箭头表示表示声波信号在套管外壁31发生反射后由下环处的多频声波换能器2接收。图2中的最右侧虚线箭头表示上环处与下环处之间的垂直距离L，图2中的下部箭头表示测井探头1的直径为D。
所述的步骤1.2包括以下步骤：
1.2.1、对N组Fi数据和N组Si数据进行中值滤波处理；Fi数据经过中值滤波处理后变成FFi数据，Si数据经过中值滤波处理后变成SSi数据；
1.2.2、对FFi数据进行小波包分解，从FFi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号Hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号Mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号Li；“一致”是指在前述的高、中、低频率范围内的声波信号；
1.2.3、对SSi数据进行小波包分解，从SSi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号li；“一致”是指在前述的高、中、低频率范围内的声波信号；
所述的步骤1.3包括以下步骤：
1.3.1、通过从上环处的多频声波换能器2采集的高频信号Hi中提取首次回波信号所对应的时间T1i，即声波在测井探头1上环处与垂直测井探头1中心轴线指向的套管内壁32之间单次往返所用时间T1i，在图2中，T1i是声波完成水平方向上从套管内壁32到测井探头1外壁之间的距离的2倍(即图2中水平实线箭头的长度的2倍)所用的时间；通过从上环处的多频声波换能器2采集的低频信号Li中提取首次回波信号所对应的时间T2i，即声波在测井探头1上环处与垂直测井探头1中心轴线指向的套管外壁31之间单次往返所用时间T2i，在图2中，T2i是声波完成水平方向上从套管外壁31到测井探头1外壁之间的距离的2倍(即图2中水平虚线箭头的长度的2倍)所用的时间；
1.3.2、通过从下环处的多频声波换能器2采集的高频信号hi中提取首次回波信号所对应的时间t1i，即声波从测井探头1上环处到垂直测井探头1中心轴线指向的套管内壁32，再从套管内壁32传递到测井探头1下环处的多频声波换能器所用时间t1i，在图2中，t1i是声波完成水平实线箭头的长度加上斜向实线箭头的长度所用的时间；通过从下环处的多频声波换能器2采集的低频信号li中提取首次回波信号所对应的时间t2i，即声波从测井探头1上环处到垂直测井探头中心轴线指向的套管外壁31，再从套管外壁31传递到测井探头1下环处的多频声波换能器2所用时间t2i，在图2中，t2i是声波完成水平虚线箭头的长度加上斜向虚线箭头的长度所用的时间；
1.3.3、根据三角几何关系，可以计算出第i个多频声波换能器2发射的声波信号在测井探头1与套管内壁32之间的传播声速Ci为：Ci＝L/(t1i^2-T1i*t1i)^(1/2)，该式中的分母是tli的平方减去T1i*t1i后再开根号；
所述的步骤2包括以下步骤：
2.1套管轮廓特征数据提取；
2.2套管轮廓特征数据优化；
2.3套管轮廓特征数据拟合；
所述的步骤2.1包括以下步骤：
2.1.1、提取N个多频声波换能器2中高频信号从测井探头1与套管内壁32之间单次往返所用时间T1i，构成阵列lL,lL包含N个元素，其中，阵列lL中的第1个元素对应的值为T11，阵列lL中的第2个元素对应的值为T12，阵列lL中的第i个元素对应的值为T1i，阵列lL的最后一个元素对应的值为T1N；那么，高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL＝lL/2；
2.1.2、提取N个多频声波换能器2中低频信号从测井探头1与套管外壁31之间单次往返所用时间T2i，构成阵列wL,wL包含N个元素，其中，阵列wL中的第1个元素对应的值为T21，阵列wL中的第2个元素对应的值为T22，阵列wL中的第i个元素对应的值为T2i，阵列wL中的最后一个元素对应的值为T2N；那么，低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL＝wL/2-LL；
所述的步骤2.2包括以下步骤：
2.2.1、由于真实套管轮廓具有连续性特征，需要对高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL进行优化处理，在内轮廓单向时间矩阵LL的优化处理中，若LL[i+1]-LL[i]≥Al；
则对应的LL[i+1]＝LL[i]；
若LL[i+1]-LL[i]＜Al；
则对应的LL[i+1]＝LL[i+1]；
对修正后的矩阵LL重新命名为内轮廓单向时间优化矩阵L；
如上所述的i∈[1，N-1]；Al为内轮廓修正权值，根据实际情况进行调整，Al的值通常取内轮廓单向时间矩阵LL平均值的2倍；
2.2.2、由于真实套管轮廓具有连续性特征，需要对低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL进行优化处理，在外轮廓单向时间矩阵WL的优化处理中，
若WL[i+1]-WL[i]≥Aw；
则对应的WL[i+1]＝WL[i]；
若WL[i+1]-WL[i]＜Aw；
则对应的WL[i+1]＝WL[i+1]；
Aw为外轮廓修正权值，根据实际情况进行调整，Aw的值通常取外轮廓单向时间矩阵WL平均值的2倍。对修正后的矩阵WL重新命名为外轮廓单向时间优化矩阵W；
所述的步骤2.3包括以下步骤：
2.3.1、以测井探头1的中心点(中心点是指测井探头的中心轴线与上环处的多频声波换能器所形成圆周圆心的交点，即上环的圆心)作为直角坐标原点，建立平面直角坐标系；以坐标原点指向地理正北方向作为y轴正方向；以坐标原点指向地理正东方向作为x轴正方向；
2.3.2、建立套筒内轮廓横坐标矩阵Lx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Ly，那么:Lx[i]＝L[i]*Ci*sin(ai)；Ly[i]＝L[i]*Ci*cos(ai)；ai表示第i个多频声波换能器2与地理北极所呈的夹角(即与y轴的夹角)；将矩阵Lx作为套筒内轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Ly作为套筒内轮廓的纵坐标数据集合，利用NURBS曲线闭合拟合方法进行轮廓拟合，即可形成以测井探头的中心点作为直角坐标原点的套筒内轮廓曲线QL；从套筒内轮廓曲线QL中就可以直观的了解套管内轮廓的变形情况；
2.3.3、建立套筒外轮廓横坐标矩阵Wx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Wy，那么:Wx[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*sin(ai)；Wy[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*cos(ai)；V表示套管的声速，可以通过查阅技术资料获得。
将矩阵Wx作为套筒外轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Wy作为套筒外轮廓的纵坐标数据集合，利用贝塞尔曲线闭合拟合方法进行轮廓拟合，即可形成以测井探头的中心点作为直角坐标原点的套筒外轮廓曲线QW；从套筒外轮廓曲线QW中就可以直观的了解套管外轮廓的变形情况；
所述的步骤3包括以下步骤：
3.1套管损伤结构数据提取；
3.2套管损伤结构数据增强；
3.3套管损伤结构数据图像映射；
其中，所述的步骤3.1包括以下步骤：
建立套管可视化矩阵X；套管可视化矩阵X表示用于实现套管损伤结构可视化的基础数据，中频声波的信号更适用于反映套管内部的结构特征，需要删除套管内部以外的无效信息，为此，第i个多频声波换能器2对应的套管可视化矩阵Xi的取值为中频信号mi中的从T1i时刻到T2i时刻之间的所有数据；
所述的套管可视化矩阵Xi中的数据越靠前，则代表越靠近套管内壁的内部结构信息；套管可视化矩阵Xi中的数据越靠后，则代表越靠近套管外壁的内部结构信息；
所述的步骤3.2包括以下步骤：
3.2.1、由于随着声波传播距离的增加，反射信号幅度会降低，为此，需要对数据进行增强处理，从而确保套管内部结构在可视化时具有一致性；建立套管可视化增强矩阵XXi；对应的套管可视化增强矩阵XXi计算关系式为：
Figure BDA0003185727220000161
如上所述的关系式中|Xi|表示取套管可视化矩阵Xi的声波幅值；a为数据增强系数，增强系数a的值根据实际情况来确定，其值不小于1，若套管结构较完整，即声学传播衰减较小，则对应的增强系数a较小，其值更接近1，若套管结构较差，即声学传播衰减较大，则对应的增强系数a较大，其值更远离1；P表示套管可视化增强矩阵XXi内元素的总个数；p表示套管可视化增强矩阵XXi内第p个元素；
3.2.2、套管可视化增强矩阵XXi中的数据差异较大，需要对数据进行归一化处理，将套管可视化增强矩阵XXi进行区间归一化处理得到套管可视化归一矩阵Gi；用Gi[p]表示第i个多频声波换能器所对应的套管可视化归一矩阵中的第p个元素，其计算表达式为：
Figure BDA0003185727220000162
其中，Gi[max]表示第i个多频声波换能器所对应的套管可视化归一矩阵中数值最大的元素；Gi[min]表示第i个多频声波换能器所对应的套管可视化归一矩阵中数值最小的元素；若Gi[p]信号的值接近256，说明该扫描点对应的套管内部结构所对应位置没有出现反射回波，套管内部结构无缺陷；若Gi[p]信号的值接近0，说明该扫描点对应的套管内部结构所对应位置有异常回波，套管内部结构可能存在缺陷；
3.2.3、为了避免部分套管可视化增强矩阵XXi存在丢失的问题，优选的，可以对数据进行修复处理，具体如下：
若套管可视化增强矩阵XXi-1的数据和套管可视化增强矩阵XXi+1的数据是完整的，而套管可视化增强矩阵XXi的数据是不完整的，则对套管可视化增强矩阵XXi中的每个缺失数据进行以下处理：
分别找到套管可视化增强矩阵XXi-1、套管可视化增强矩阵XXi+1中与该缺失数据相同位置处的元素，将这两个元素的值相加后除以2作为该缺失数据的值；
套管可视化增强矩阵XXi在经过修复处理后变成管损伤结构数据增强矩阵Ji；
所述的步骤3.3包括以下步骤：
3.3.1、如图3所示，假设方格阵列FG为P行N列的P*N方格阵列，方格阵列FG中的每个方格单元内均匀填充有像素点，其中，P等于管损伤结构数据增强矩阵Ji的总元素个数，N等于多频声波换能器的总个数，方格阵列FG的每个单元格记为Ri，p，Ri，p像素点均赋值为Ji[p]；即Ri，p像素点的值为第i个多频声波换能器对应管损伤结构数据增强矩阵Ji中的第p个元素值；
3.3.2、如图4所示，将方格阵列FG转换为对应的环形扫描断面QM，环形扫描断面QM的内侧轮廓线为套筒内轮廓曲线QL；环形扫描断面QM的外侧轮廓线为套筒外轮廓曲线QW；环形扫描断面QM图由周向依次衔接的扇环组成，各个扇环按周向顺序分别与格阵列FG的第一列到最后一列对应，即其中一个扇环作为起始扇环，起始扇环与方格阵列FG的第一列对应，自起始扇环按顺时针(或者逆时针)周向顺序的第二个扇环与方格阵列FG的第二列对应，依次类推，每个扇环包括自内环至外环分布的P个扇环单元，自内环至外环分布的各个扇环单元分别与对应的方格阵列FG的列的第一个方格单元至第P个方格单元对应，即扇环单元的像素值等于对应方格单元的像素值，进而形成环形扫描断面QM；套筒内轮廓曲线QL、环形扫描断面QM和套筒外轮廓曲线QW共同组成了套管在某个深度处的水平断面扫描轮廓图；
3.3.3、重复上述方法形成套管在不同深度处的水平断面扫描轮廓图，采用现有的插值处理技术，实现套管三维表面的重建，生成套管立体结构扫描图，从而获得完整套管的三维扫描轮廓图，实现油气井套管的三维可视化；通过油气井套管的三维可视化可以直观地了解套管内外结构是否存在变形和发生损伤。
本发明巧妙利用阵列式的多频声波换能器采集油气井套管的内外声波数据，结合不同频率的声波数据特征，重构了套管内壁轮廓和套管外壁轮廓特征，实现了套管内部结构的精细可视化，能够有效解决传统测量方法中的无方向性、范围局限性、环境局限性和结果解释复杂性等问题。本发明方法能够通过在油气井套管中的一次数据采集，实现油气井套管的三维可视化，完成油气井套管从内到外的全方位声波探测和从里到表的油气井套管结构特征重构，可以直观地了解套管内外结构是否存在变形和发生损伤，能够增加油气井套管检测结果的直观性。
本发明具有以下优势：
(1)本发明通过布设阵列式声波换能器，而且声波换能器具有指向性，能够有效实现油气井套管内部结构的全方位声学检测，解决传统油气井套管无损检测方法的无方向性问题；
(2)本发明方法为多频超声波的测量方式，可以根据实际套管情况，进行不同频率的声波换能器更换，能够有效提高油气井套管的测量范围，从而有效避免传统测量方法的测试对象局限性问题；
(3)本发明方法能够同步实现油气井套管的套管内壁轮廓、内部结构和套管外壁轮廓的测量和可视化；
(4)本发明方法对油气井套管的传播介质声速进行了实时测量，能够有效修正测量数据，使测量方法能够适用于不同类型油气井的套管可视化；
(5)本发明中每束扫描声波所反映的是该扫描线上的油气井套管声学反射特征，即扫描声束较为集中，反映的结构信息更为准确和集中；
(6)本发明可以直观辨识油气井套管的内部结构损伤，通过数据分析和计算，能够有效提取内部结构损伤区域的大小及分布信息，
(7)本发明的方法获得的数据更加丰富，取得的结果更加可靠，大大地提高了油气井套管可视化效率；
(8)本发明的方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实施。
总之，本发明巧妙利用阵列式的多频声波换能器采集油气井套管的内外声波数据，结合不同频率的声波数据特征，重构了套管内壁轮廓和套管外壁轮廓特征，实现了套管内部结构的精细可视化，能够解决传统测量方法的无方向性、范围局限性、环境局限性和结果解释复杂性问题。本发明方法原理简单、结构设计巧妙、计算速度快、易于实现、使用方便，提高了油气井套管检测的劳动效率，增加了检测结果的直观性，节约了测量成本，能起到节本增效的作用。本发明方法是油气井套管检测中的新方法和新一代技术，具有广阔的应用前景。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (15)

1.一种阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述方法利用不同频率的声波信号对油气井套管进行检测并采集声波数据，然后利用声波数据获得油气井套管的套管内壁轮廓、套管内部结构和套管外壁轮廓，实现油气井套管的全方位结构的可视化。
2.根据权利要求1所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1，阵列式多频声波数据采集和处理：进行阵列式多频声波数据采集、去噪和声波传递参数计算；
步骤2：套管轮廓特征重构：进行套管轮廓特征数据提取、优化和拟合；
步骤3：套管损伤结构可视化：进行套管损伤结构数据提取、增强和图像映射。
3.根据权利要求2所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤1中的阵列式多频声波数据采集的操作包括：
步骤1.1.1、在测井探头的上部设置N个在圆周上均布的多频声波换能器，将N个多频声波换能器的中心所在的圆称为上环，上环处的N个多频声波换能器均设置有发射电路和接收电路；在测井探头的下部设置N个在圆周上均布的多频声波换能器，将N个多频声波换能器的中心所在的圆称为下环，下环处的N个多频声波换能器均设置有接收电路；将测井探头下入到套管的内腔中；
步骤1.1.2、在上环处的N个多频声波换能器发射完声波信号后，上环处的N个多频声波换能器和下环处的N个多频声波换能器实时采集波形信号；上环处的第i个多频声波换能器接收到的波形信号为Fi，下环处的第i个多频声波换能器接收到的波形信号为Si；上环处的N个多频声波换能器发射的声波信号包括：高频信号、中频信号和低频信号。
4.根据权利要求3所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤1中的去噪的操作包括：
1.2.1、对N组Fi数据和N组Si数据进行中值滤波处理；Fi数据经过中值滤波处理后变成FFi数据，Si数据经过中值滤波处理后变成SSi数据；
1.2.2、对FFi数据进行小波包分解，从FFi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号Hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号Mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号Li；
1.2.3、对SSi数据进行小波包分解，从SSi数据中提取出与高频信号的频率一致的信号hi；从FFi数据中提取出与中频信号的频率一致的信号mi；从FFi数据中提取出与低频信号的频率一致的信号li。
5.根据权利要求4所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤1中的声波传递参数计算的操作包括：
1.3.1、从上环处的多频声波换能器采集的高频信号Hi中提取首次回波信号所对应的时间T1i；从上环处的多频声波换能器采集的低频信号Li中提取首次回波信号所对应的时间T2i；
1.3.2、从下环处的多频声波换能器采集的高频信号hi中提取首次回波信号所对应的时间t1i；从下环处的多频声波换能器采集的低频信号li中提取首次回波信号所对应的时间t2i；
1.3.3、利用下式计算出第i个多频声波换能器发射的声波信号在测井探头与套管内壁之间的传播声速Ci：
Ci＝L/(t1i^2-T1i*t1i)^(1/2)
其中，L为上环与下环之间的垂直距离。
6.根据权利要求5所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤2中的套管轮廓特征数据提取的操作包括：
2.1.1、提取N个多频声波换能器的T1i，构成阵列lL，则高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL＝lL/2；
2.1.2、提取N个多频声波换能器的T2i，构成阵列wL，则低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL＝wL/2-LL。
7.根据权利要求6所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤2中的优化的操作包括：
2.2.1、对高频信号所对应的内轮廓单向时间矩阵LL进行优化处理：
若LL[i+1]-LL[i]≥Al；
则LL[i+1]＝LL[i]；
若LL[i+1]-LL[i]＜Al；
则LL[i+1]＝LL[i+1]；
i∈[1，N-1]；Al为内轮廓修正权值；
将修正后的矩阵LL重新命名为内轮廓单向时间优化矩阵L；
2.2.2、对低频信号所对应的外轮廓单向时间矩阵WL进行优化处理：
若WL[i+1]-WL[i]≥Aw；
则WL[i+1]＝WL[i]；
若WL[i+1]-WL[i]＜Aw；
则WL[i+1]＝WL[i+1]；
i∈[1，N-1]；Aw为外轮廓修正权值；
将修正后的矩阵WL重新命名为外轮廓单向时间优化矩阵W。
8.根据权利要求7所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤2中的拟合的操作包括：
2.3.1、以上环的圆心作为直角坐标原点，建立平面直角坐标系；以坐标原点指向地理正北方向作为y轴正方向；以坐标原点指向地理正东方向作为x轴正方向；
2.3.2、建立套筒内轮廓横坐标矩阵Lx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Ly：
Lx[i]＝L[i]*Ci*sin(ai)；
Ly[i]＝L[i]*Ci*cos(ai)；
其中，ai表示第i个多频声波换能器与y轴的夹角；
将矩阵Lx作为套筒内轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Ly作为套筒内轮廓的纵坐标数据集合，进行轮廓拟合形成套筒内轮廓曲线QL；
2.3.3、建立套筒外轮廓横坐标矩阵Wx，建立套筒内轮廓纵坐标矩阵Wy：
Wx[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*sin(ai)；
Wy[i]＝(L[i]*Ci+W[i]*V)*cos(ai)；
其中，V表示套管的声速；
将矩阵Wx作为套筒外轮廓的横坐标数据集合，将矩阵Wy作为套筒外轮廓的纵坐标数据集合，进行轮廓拟合形成套筒外轮廓曲线QW。
9.根据权利要求8所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤3中的套管损伤结构数据提取的操作包括：
建立套管可视化矩阵X：第i个多频声波换能器对应的套管可视化矩阵Xi的取值为中频信号mi中的从T1i时刻到T2i时刻之间的所有数据。
10.根据权利要求9所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤3中的增强的操作包括：
3.2.1、建立套管可视化增强矩阵XXi：
Figure FDA0003185727210000041
其中，|Xi|表示取套管可视化矩阵Xi的声波幅值；a表示数据增强系数；P表示套管可视化增强矩阵XXi内元素的总个数；p表示套管可视化增强矩阵XXi内第p个元素；
3.2.2、将套管可视化增强矩阵XXi进行区间归一化处理得到套管可视化归一矩阵Gi；
3.2.3、对数据进行修复处理：
若套管可视化增强矩阵XXi-1的数据和套管可视化增强矩阵XXi+1的数据是完整的，而套管可视化增强矩阵XXi的数据是不完整的，则对套管可视化增强矩阵XXi中的每个缺失数据进行以下处理：
分别找到套管可视化增强矩阵XXi-1、套管可视化增强矩阵XXi+1中与该缺失数据相同位置处的元素，将这两个元素的值相加后除以2作为该缺失数据的值；
套管可视化增强矩阵XXi在经过修复处理后变成管损伤结构数据增强矩阵Ji。
11.根据权利要求10所述的阵列式多频声波油气井套管可视化方法，其特征在于：所述步骤3中的图像映射的操作包括：
3.3.1、假设方格阵列FG为P行N列的P*N方格阵列，方格阵列FG中的每个方格单元内均匀填充有像素点，其中，P等于管损伤结构数据增强矩阵Ji的总元素个数，N等于多频声波换能器的总个数，方格阵列FG的每个单元格记为Ri，p，Ri，p像素点均赋值为Ji[p]；
3.3.2、将方格阵列FG转换为对应的环形扫描断面QM，环形扫描断面QM的内侧轮廓线为套筒内轮廓曲线QL；环形扫描断面QM的外侧轮廓线为套筒外轮廓曲线QW；环形扫描断面QM由周向依次衔接的扇环组成，各个扇环按周向顺序分别与格阵列FG的第一列到最后一列对应；每个扇环包括自内环至外环分布的P个扇环单元，自内环至外环分布的各个扇环单元分别与方格阵列FG中对应列的第一个方格单元至第P个方格单元对应；套筒内轮廓曲线QL、环形扫描断面QM和套筒外轮廓曲线QW共同组成了套管在某个深度处的水平断面扫描轮廓图；
3.3.3、重复步骤3.3.2形成套管在不同深度处的水平断面扫描轮廓图，采用插值处理技术，实现套管三维表面的重建，生成套管立体结构扫描图，从而获得完整套管的三维扫描轮廓图，实现油气井套管的三维可视化。
12.一种阵列式多频声波油气井套管检测装置，其特征在于：所述装置包括：测井探头，以及设置在测井探头上的多个多频声波换能器；
所述测井探头为圆筒状结构，在其上部外壁上设置有多个上安装孔，所有上安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为上环；在所述测井探头的下部外壁上设置有多个下安装孔，所有下安装孔的中心位于同一个圆上，称该圆为下环；
所述上环、下环的中心轴线均与测井探头的中心轴线位于同一条直线上；
在每个上安装孔、每个下安装孔内分别安装有一个多频声波换能器。
13.根据权利要求12所述的阵列式多频声波油气井套管检测装置，其特征在于：位于上安装孔内的每个多频声波换能器内设置有发射电路和接收电路，发射电路能够发射多种频率的声波信号，接收电路能够接收多种频率的声波信号；
位于下安装孔内的每个所述多频声波换能器内设置有接收电路，接收电路能够接收多种频率的声波信号。
14.根据权利要求13所述的阵列式多频声波油气井套管检测装置，其特征在于：位于上环处的多个多频声波换能器在圆周上均布，位于下环处的多个多频声波换能器在圆周上均布。
15.根据权利要求14所述的阵列式多频声波油气井套管检测装置，其特征在于：位于上环处的多频声波换能器与位于下环处的多频声波换能器一一对应，上环处的多频声波换能器和与其对应的下环处的多频声波换能器的连线与测井探头的中心轴线平行。
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