隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

羅明璋，彭文飛，賈思暉，李雷，連太煒

1.長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618300

“卡鉆”是鉆井過程中一種比較嚴重的事故，而導(dǎo)致卡鉆的井下“掉塊”與“巖屑床”等問題均與井徑有著密切的關(guān)系。通過對井徑的測量，可以有效識別卡鉆的原因進而采取適當?shù)膽?yīng)對措施。此外，井徑的變化還能直觀形象地反應(yīng)井壁穩(wěn)定性(如鉆井過程中出現(xiàn)的縮徑、井眼擴大等)，定位地下巖層裂縫、套管損壞的位置等，因此，隨鉆過程中井徑的有效測量具有重要的工程意義。近年來，超聲無損檢測方法因其精度高、無需接觸等優(yōu)點，在相關(guān)領(lǐng)域備受關(guān)注，取得了許多可以為隨鉆井徑測量所借鑒的研究成果。但受井下高溫高壓、狹小空間、強振動以及高密度鉆井液環(huán)境等因素的制約，隨鉆超聲井徑測量方法和儀器面臨著許多亟待解決的問題[1-6]。

調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)有井徑超聲測量方法主要存在以下不足：①測量盲區(qū)大。一方面超聲換能器需要設(shè)計隔熱和承壓外殼以適應(yīng)井下高溫高壓的環(huán)境，其結(jié)構(gòu)本身決定了測量盲區(qū)的存在；另一方面，導(dǎo)致盲區(qū)大的主要因素在于超聲發(fā)射驅(qū)動電路的性能。常見的超聲發(fā)射的驅(qū)動電路有振蕩電路、脈沖發(fā)射電路，但振蕩信號持續(xù)時間較長導(dǎo)致無法準確分辨近距離反射點的回波信號，而常規(guī)脈沖信號與換能器頻率特性不匹配造成能量利用率低、很難探測到遠距離的反射面[7-11]。②不適應(yīng)高密度鉆井液環(huán)境。高密度鉆井液對聲波衰減大，導(dǎo)致回波信號微弱，不利于反射時間的提取[12-15]。胡凱利等提出采用連續(xù)時變增益方案補償鉆井液對超聲回波的衰減，能適應(yīng)1.3g/mL及以下密度的鉆井液環(huán)境，但連續(xù)時變增益方案在軟硬件設(shè)計上比較復(fù)雜，功耗較大[16-18]。③井徑信息提取的準確性與效率無法兼顧。采用門檻電壓閾值檢測聲波到時計算快卻容易受噪聲干擾，常規(guī)的滑動相關(guān)檢測又存在運算量較大從而影響到測量的實時性等問題。

針對上述問題，筆者設(shè)計了一種單極性電源供電模式下的單周期雙極性脈沖發(fā)射電路，以減小近距離的盲區(qū)范圍。對于不同密度的鉆井液環(huán)境，提出了基于時變增益理論的分段式增益補償方法，可以適用密度高達1.8g/mL的鉆井液環(huán)境。同時，提出了改進型的相關(guān)檢測算法。

1 井徑測量原理與系統(tǒng)架構(gòu)

井徑測量示意圖如圖1所示，超聲換能器在驅(qū)動電路的作用下激發(fā)出超聲波，通過鉆井液接觸到井壁后發(fā)生反射，超聲回波信號被同一換能器接收到后轉(zhuǎn)換為電信號，并由超聲波采集系統(tǒng)記錄，同時采用3個超聲換能器呈120°圓周分布測量來消除鉆鋌偏心對井徑測量結(jié)果的影響，采集信號示意圖如圖2所示。

注：RW為井徑；r為鉆鋌半徑；d為超聲換能器與井壁之間的距離。 注：y為電信號幅度；t為時間。

超聲波在鉆井液中傳播速度v已知，通過算法提取聲波走時ts，根據(jù)聲波測距原理可知：

(1)

則此路傳感器測得的井徑計算公式為：

(2)

結(jié)合3路超聲換能器的測距結(jié)果(RW1、RW2、RW3)，對其取平均得到最終上傳的井徑值RWL：

(3)

隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)方案設(shè)計原理框圖如圖3所示，整個系統(tǒng)分為3個模塊：超聲信號激勵與回波信號調(diào)理模塊、采集控制模塊、主控與信息提取模塊。

圖3 隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)原理框圖

1)超聲信號激勵與回波信號調(diào)理模塊。發(fā)射電路接收到FPGA輸出的通道選擇、控制信號后，產(chǎn)生驅(qū)動信號依次激勵3路超聲換能器，超聲波接觸到井壁產(chǎn)生的回波信號經(jīng)過接收電路、回波補償以及帶通濾波處理后，傳輸?shù)紸/D采集接口。

2)采集控制模塊。FPGA通過輸出選擇測量通道、控制發(fā)射電路驅(qū)動超聲換能器產(chǎn)生超聲波，同時啟動A/D轉(zhuǎn)換器記錄回波信號，存儲在FPGA內(nèi)置的FIFO存儲器中，并通過SPI通信上傳到主控、信息提取模塊。

3)主控與信息提取模塊。DSP對回波信號數(shù)據(jù)進行處理并計算得到井徑值，通過RS485通信實時上傳到隨鉆測量(MWD)地面系統(tǒng)來對井徑值進行監(jiān)測，同時將回波原始數(shù)據(jù)和井徑值一起存儲在FLASH中。

2 超聲發(fā)射電路

超聲發(fā)射電路由發(fā)射控制電路與發(fā)射驅(qū)動電路組成，如圖4所示。發(fā)射控制電路由雙通道四選一芯片74HC4052和集成達林頓管驅(qū)動芯片NCV1413B組成，74HC4052接收到FPGA輸出的通道選擇信號(S1、S0)選定輸出通道1時，控制信號(FP、FC)從1通道口輸出，經(jīng)過驅(qū)動芯片NCV1413B后輸出FP1、FC1到發(fā)射驅(qū)動電路。

圖4 超聲射電路原理圖

常態(tài)下FP1與FC1處于懸空狀態(tài)，A點由電阻RA4與RA7分壓保持+7.5V，工作時，F(xiàn)P1先拉低使三極管TA1導(dǎo)通，A點電壓上升到+15V，F(xiàn)C1后拉低使A點電壓為0，通過電容CA2耦合輸出，在B點產(chǎn)生±7.5V的雙極性脈沖信號驅(qū)動超聲換能器。

一輪測量需要依次激發(fā)3路換能器，考慮到超聲換能器的頻率特性，雙極性脈沖信號頻率選為167kHz，F(xiàn)PGA按照確定的時序輸出通道選擇信號與控制信號，依次產(chǎn)生三通道驅(qū)動信號如圖5所示。

圖5 驅(qū)動信號產(chǎn)生時序圖

3 超聲回波信號補償與采集

3.1 超聲波信號補償方案

超聲波信號在鉆井液中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，根據(jù)聲學(xué)原理，傳播距離為x時，其聲幅值A(chǔ)x的變化可以表示為：

Ax=A0e-αx

(4)

式中：A0為初始聲幅值；α為超聲波在鉆井液中衰減系數(shù)。聲幅值衰減趨勢呈指數(shù)下降[12-15]。

為了解決超聲波在高密度鉆井液中傳播衰減的問題，筆者提出基于時變的分段式增益切換補償方案，設(shè)計方案如圖6所示。分別在衰減系數(shù)為1/2、1/4、1/8、1/16、1/32的節(jié)點分段切換相應(yīng)的放大倍數(shù)來進行補償，經(jīng)過補償后的回波信號會在一個信噪比較高的范圍(藍色區(qū)域)，為回波首波到時檢測的準確性提供條件。

圖6 基于時變的分段式增益補償方法

3.2 基于時變的分段式放大電路設(shè)計

程控增益放大器(PGA)是分段式放大電路的關(guān)鍵，電路選擇MICROCHIP公司生產(chǎn)的多通道程控增益放大器MCP6S28，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由SPI通信模塊、通道選擇電路、增益開關(guān)電路、梯形電阻網(wǎng)絡(luò)模塊組成。SPI接口接收到控制信號后,通道選擇電路根據(jù)控制信號切換通道或增益開關(guān)電路與梯形電阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)控制信號實現(xiàn)增益的切換(一組控制信號僅實現(xiàn)一種切換)。

MCP6S28外圍電路設(shè)計如圖7所示,MCP6S28通過SPI接口(SCK、MOSI、CS；僅做從機所以沒用到SO接口)接收到FPGA的控制信號(雙字節(jié)指令)，根據(jù)高字節(jié)判斷切換通道或切換增益，并由低字節(jié)確定具體的通道數(shù)(1～8通道)或增益(+1、+2、+4、+5、+8、+16、+32)。在FPGA的控制下，實現(xiàn)對3路回波信號R1、R2、R3的選擇及補償，如圖8所示。

圖7 MCP6S28外圍電路設(shè)計

圖8 補償后信號示意圖

4 聲波走時提取

A/D所用采樣間隔為0.5μs，單通道采集時長300μs(共600采樣點)，雙極性脈沖信號頻率167kHz，采集信號如圖9所示。筆者對相關(guān)檢測算法提取聲波走時進行了簡化：選用雙極性脈沖信號的上半部作為相關(guān)匹配的窗口，并將幅度用+1代替，如圖10所示。

注:X為采樣點;Y為信號幅度,V。 注:X為采樣點;Y為信號幅度,V。

設(shè)采集信號序列為y(m)，m為采樣點序號且為整數(shù)。根據(jù)雙極性脈沖信號確定相關(guān)匹配的窗口g(n)：

(5)

利用g(n)與y(m)做滑動相關(guān)運算，并取其最大值出現(xiàn)的位置作為反射信號首波到達時間，考慮到換能器有1cm的測量盲區(qū)，滑動相關(guān)運算從y(m)第26個采樣點開始，計算公式如式(6)所示：

(6)

式中:P為滑動相關(guān)運算結(jié)果最大值。

假定m=300時取得最大值，聲波走時為150μs。在運算過程中，該法將常規(guī)相關(guān)算法的乘累加簡化為累加，消除了大量的乘法運算，也降低了運算過程中數(shù)據(jù)的大小。同時，由于相關(guān)匹配信號的時間特性，減少了整體的計算量，從而提高了DSP的運算效率與測距的實時性。

5 測試結(jié)果

5.1 實驗室測試結(jié)果與分析

在實驗室對發(fā)射電路進行了測試，在主控模塊的控制下，正常輸出三通道雙極性脈沖信號如圖11所示。在1.8g/mL鉆井液環(huán)境下，對分段式放大電路的效果進行了測試，測試結(jié)果如圖12所示，補償后的信號峰峰值均處于較高的水準。

圖11 三通道雙極性脈沖信號 圖12 補償前后信號峰峰值對比

截取一段鉆井液中聲波測距波形如圖13(a)所示，橫坐標表示采樣點，A/D采集信號以16位二進制整數(shù)補碼存儲(偏置1.25V對應(yīng)十進制49521),縱坐標為信號幅值。對原始波形進行相關(guān)檢測運算，結(jié)果如圖13(b)所示，得到P值對應(yīng)采樣點為93，聲波走時為46.5μs，由于A/D采集頻率問題，相關(guān)檢測運算提取的到時點不在基準線上，與首波到時點相差小于一個采樣周期0.5μs，井徑誤差小于0.36mm(鉆井液中波速約為1450m/s[13,14])。

圖13 鉆井液中超聲測距原始波形及相關(guān)運算結(jié)果

5.2 模擬井現(xiàn)場試驗

將隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)電路板封裝在測量短節(jié)，與川慶鉆探工程有限公司的MWD系統(tǒng)連接后，放入其公司的鉆試1井并真實鉆進2h共6m。隨鉆過程中，超聲井徑測量系統(tǒng)將井徑數(shù)據(jù)通過MWD實時上傳，如圖14所示。已知套管段井徑理論值約為222～225mm,實測值216～236mm; 鉆頭直徑為215.9mm，裸眼段實測井徑均在221.8mm左右,與實際基本相符，且偏差均小于5%，并能正確讀取井下測量存儲的全部數(shù)據(jù)。

圖14 地面數(shù)據(jù)實時觀察

6 結(jié)論

結(jié)合隨鉆井徑的工程需求，分析了井徑超聲測量的不足之處：由發(fā)射電路導(dǎo)致的盲區(qū)問題、不適應(yīng)高密度鉆井液環(huán)境、井徑信息提取的準確性與效率無法兼顧。筆者開發(fā)了一套隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)，并針對上述不足之處進行了優(yōu)化：

1)提出了一種單極性電源供電下的單周期雙極性脈沖發(fā)射電路，驅(qū)動信號持續(xù)時間短避免了干擾近點反射的回波信號、頻率可控從而更好地匹配不同的超聲換能器提高能量利用率；

2)設(shè)計了分段式放大電路對回波信號進行補償，電路設(shè)計簡單，功耗低，補償效果良好；

3)優(yōu)化了相關(guān)檢測算法提取聲波走時流程，經(jīng)測試能提取到準確的聲波走時，并大大降低了DSP運算量，提高了測量實時性。

綜上，筆者提出并實現(xiàn)的隨鉆超聲井徑測量系統(tǒng)具有測量盲區(qū)小、測量準確度高、功耗低、實時性高的特點，并且在鉆試井的測試效果較好，各項性能指標滿足隨鉆超聲井徑測量技術(shù)需求，具有較好的應(yīng)用前景。