一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，包括系统主机、环形相控阵阵列探头和包括发射模块、接收模块、延时模块、隔离模块的超声相控阵检测仪。系统主机根据发射模块发出的超声波偏转度计算出各组探头阵元相对延时，并传递给接收模块；延时模块实现各组阵元的相对延时量，发射模块激励探头各个阵元发射超声波，隔离模块保护后级电路中低电压器件不被损坏，接收模块将环形相控阵阵列探头接收的回波转换成采集卡的输入信号，光端机将经采集卡转换后数字式电信号转换为光信号并经光纤传送给系统主机；系统主机对此回波信号进行处理，用于分析成像。本实用新型可灵活调整扫查覆盖率，对腐蚀部分定位细查，检测速度快，检测精度高。
【专利说明】
一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统
技术领域
[0001]本实用新型属于无损探伤设备技术领域，涉及针对天然气加气站、调峰站及储气站等设施的压缩储气井的壁厚测量和井壁蚀坑、裂纹等检测的无损探伤技术，尤其是涉及一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统。
【背景技术】
[0002]压缩天然气(CNG)储气井由于安全性能高、占地面积小和建造成本低等优势，成为目前国内CNG加气站的基本储气方式。自1997年中国石油川西南矿区在四川建成第一座地下储气井组，中国至今已有8000口储气井，其中部分已进入老年期，因地层水的存在和天然气本身的低量含硫特性导致井壁腐蚀，存在着爆炸、泄露及井窜等事故隐患。为了保障储气井的安全运行，保护人民的生命财产安全，中国国家质监部门已将储气井纳入特种设备范畴，对其设计、制造、使用、检验以及维修改造实行全过程的安全监察。
[0003]目前，储气井壁检测主要有两种方式，一种是人工检测，即手持测厚仪进行逐点检测；另一种是自动检测，即依靠机械装置和控制系统自动完成。对于深度可达300米的储气井，人工检测无疑是一件繁重的劳动作业;同时，检测数据需先存储，待检测结束后再处理，所以，人工检测不具有实时性。自动检测又多分为井上设备和井下设备，井下设备是检测的直接执行者，井上设备则控制着井下设备的工作方式;两部分设备间通讯和井下部分的精确定位要求检测设备在检测过程中尽可能地保持静止，需固定整套检测装置，致使此检测方式相对复杂。
[0004]诸多自动检测方法中，超声波检测因穿透性强、方向性好及灵敏度高等特点逐渐代替电阻检测法、电容检测法、射线检测法、涡流检测法等方法。现有的超声波检测技术主要采用是内旋转检测系统(IRIS)，分为单探头旋转、单探头声束旋转及多层单探头环形阵列等三种检测方式。单探头旋转检测是指探头轴向垂直于井壁360°旋转扫描;单探头声束旋转检测是指探头轴向平行于井壁，倾斜45°反射镜360°旋转完成扫描;这两种检测方式对井筒的内壁要求极高，储气井常见的井筒变形会造成探头耦合不良、检测装置在管内卡顿、检测信号丢失等现象，扫查覆盖率低，造成一定的漏检现象。多层单探头环形阵列检测是指每层探头均匀环形排列，层间探头布置错开一定角度，可依次激励探头进行扫描;相比上述两种检测方式，该检测的扫查盲区较小，但是，多个单探头的使用增加了测试装置的体积，多探头之间电性能的不一致性会带来检测误差，操作前的调校比较困难;多探头间发射角的差别、装配不到位，均会降低储气井井筒的扫查覆盖率。
[0005]中国专利申请CN21010115676.7公开了一种储气井井筒壁厚及腐蚀检测系统与检测方法，采用的是上述多层单探头环形阵列检测方法。该专利申请在圆周方向布置多层环形水浸探头阵列，检测系统通过层间错开一定角度以增大覆盖测量范围，层间不同探头接收的声波需要校准，且井下设备在垂直方向上移动位置受层间距离限制，存在着结构复杂、测前调校困难、扫查覆盖率低、检测误差大的缺陷。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供了一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，系统检测装置结构简单，测前调校方便，扫查覆盖率高且可实时灵活地调整，能够对腐蚀部分定位细查，检测速度快，检测精度高。
[0007]为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案。
[0008]本实用新型的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，包括井上设备、井下设备及复合电缆，所述井上设备包括系统主机、控制箱、收线架、定滑轮;所述的定滑轮安装有编码器;井下设备包括扶正器、检测仪和环形探头;所述的复合电缆由内部铜导线、光纤和外层钢丝组成;铜导线为井下设备供电，钢丝拖拽井下设备工作，光纤是系统主机与井下设备的通讯媒介，其特征在于:
[0009]所述的检测仪为超声相控阵检测仪，包括延时模块、隔离模块、发射模块、接收模块、采集卡和光端机;所述的发射模块、接收模块构成超声相控阵检测仪的收发电路；
[0010]所述的井下设备设置有一个所述的环形探头;所述的环形探头为环形相控阵阵列探头，含有均匀分布在一同层圆周上的多个环形相控阵阵元组;所述的每个环形相控阵阵元组具有16η个阵元；
[0011]在进行储气井井筒检测时，所述的系统主机根据所述的超声相控阵检测仪的发射模块发出的超声波波束偏转角度计算出环形相控阵阵列探头的各组阵元相对延时时间，并传递给超声相控阵检测仪的接收模块;所述的超声相控阵检测仪的延时模块实现各组阵元的相对延时量，发射模块激励所述的环形相控阵阵列探头各个阵元发射超声波，隔离模块保护后级电路中低电压器件不被损坏，接收模块将环形相控阵阵列探头接收的回波信号转换成采集卡的输入信号，采集卡将电信号转换成数字式的电信号，光端机将数字式的电信号转换为光信号经光纤传送给系统主机;所述的系统主机将接收到的回波信号进行滤波、放大处理，以提取有用信号用于分析、成像。
[0012]所述的超声相控阵检测仪收发电路采用阵列式设计，拥有结构相同的多路通道，每一路通道可单独激励、接收和调理超声信号，互不干扰。
[0013]所述的超声相控阵检测仪的各功能模块的通道数等同于单组环形相控阵阵元数目；多个环形相控阵阵元组，分时段轮流使用超声相控阵检测仪的各个模块。
[0014]所述的环形相控阵阵列探头包含有四个环形相控阵阵元组，每个环形相控阵阵元组具有16个阵元。
[0015]所述的井下设备包括两个扶正器。
[0016]所述的扶正器设置有三个间隔为120°连杆结构式支脚，可沿井壁接触滚动，能够同步收放。
[0017]所述的检测系统可以实时实现储气井横截面成像显示和储气井竖界面成像显示。
[0018]相比现有技术，本实用新型包括以下优点和有益效果:
[0019]1.本实用新型采用单个环形相控阵阵列探头进行检测，既不需要像单探头旋转测量时的旋转装置也不需要多层单探头环形阵列测量时的多层排布，克服了两种检测方式带来的技术缺陷。因不存在旋转机构导致的水流动现象，系统发射的超声波在水中传播途径和速度都不会受到影响，从根本上消除了因水流造成的检测误差。而且，相比多层环形探头，本实用新型节省了探头占用空间，使用维护方便，扫查覆盖率和检测灵敏度高。
[0020]2.与单探头扫查成像相比，本实用新型的相控阵阵列探头扫查成像分辨率高，则检测系统的检测精度高。相控阵阵列探头的单次扫查线(A扫查)是探头所有阵元接收超声回波延时补偿、声束合成得到的，而单探头的单次扫查线仅是探头接收的超声回波;而且，相控阵阵列探头聚焦半径实时调整，保证不同储气井的高精度检测，而单探头的聚焦半径为常量。
[0021]3.本实用新型在同一水平线上可完成同深度下的所有检测，无需垂直方向上的声波校准，且整体系统不受垂直检测分辨率限制。
[0022]4.本实用新型的相控阵探头发射超声波偏转角度的步进大小可调，超声相控阵检测仪的扫查覆盖率高且可灵活地调整。可依据检测系统实时显示井壁的扫查结果，实时缩小偏转角度步进，提高扫查覆盖率，能够以更高检测精度定位扫查井壁某一部分，实现在保证检测速度的同时兼顾精度。
[0023]5.当两组环形相控阵阵元组之间间隔为阵元间隔，则多组探头可组合成一个圆环相控阵探头。超声相控阵检测仪可采用电子扫查方式收发超声波完成井壁检测，无须声波偏转即可完成360°检测，本实用新型系统相对于探头发射的偏转超声波减弱了旁瓣效应，进一步提高成像分辨率。
[0024]6.本实用新型系统采用超声相控阵技术，超声相控阵技术可实时S显示和C显示，且通过改变超声波偏转角度的步进大小可灵活调整扫查覆盖率，对腐蚀部分定位细查，保证检测速度时兼顾检测精度。
【附图说明】
[0025]图1是本实用新型系统的一种实施例的示意图。
[0026]图2是本实用新型的一种实施例的扶正器侧视图。
[0027]图3是本实用新型的一种实施例的扶正器俯视图。
[0028]图4是本实用新型的一种实施例的超声相控阵检测系统的功能模块示意图。
[0029]图5是本实用新型的一种实施例的超声相控阵检测仪收发电路整体框图。
[0030]图6是本实用新型的一种实施例的环形相控阵阵列探头结构示意图。
[0031 ]图7是本实用新型的一种实施例的环形相控阵阵列探头扫查示意图。
[0032]图8是本实用新型的一种实施例的储气井横截面成像S显示图。
[0033]图9是本实用新型的一种实施例的储气井竖界面成像C显示图。
[0034]图10是本实用新型的一种实施例的发射模块电路示意图。
[0035]图11是本实用新型的一种实施例的隔离模块电路示意图。
[0036]图12是本实用新型的一种实施例的接收模块前置放大电路图。
[0037]图13是本实用新型的一种实施例的接收模块主放大电路示意图。
[0038]图14是本实用新型的一种实施例的采集卡内部结构示意图。
[0039]其中，I系统主机，2收线架，3控制箱，4编码器，5定滑轮，6复合电缆，7上接头，8上固定螺母，9弹簧，10可动螺母，11扶正器，12下固定螺母，13超声相控阵检测仪，14储气井，15下堵头，16环形相控阵阵列探头，110连杆结构式支脚，111延时模块，112发射模块，113隔离模块，114接收模块，115采集卡，116光端机，CS储气井横截面，VI储气井竖界面，BI内井壁，B2外井壁，USl井筒内超声波声束，US2井壁内超声波声场，US3井壁内重叠超声波声场，P扫查覆盖点。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
[0041]如图1所示，是本实用新型一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统的一种实施例示意图。该系统包括井上设备、井下设备及复合电缆;井上设备包括系统主机1、控制箱3、收线架2、定滑轮5;定滑轮5上安装有编码器4;井下设备包括有扶正器11、检测仪13和环形探头16;其复合电缆6由内部铜导线、光纤和外层钢丝组成;铜导线为井下设备供电，钢丝拖拽井下设备工作，光纤是系统主机I与井下设备的通讯媒介，其特征在于:
[0042]图4是本实用新型的一种实施例的超声相控阵检测系统的功能模块示意图。所述的检测仪为超声相控阵检测仪13，包括延时模块111、隔离模块113、发射模块112、接收模块114、采集卡115和光端机116;如图6所示，其中的发射模块112、接收模块114构成超声相控阵检测仪13的收发电路；
[0043]图10是本实用新型的一种实施例的发射模块电路示意图。其中，VH为一个高压电源，高压为几十伏至上百伏，电容C耐压值必须高于VH，通过电阻R被充电，S是一个高速电子元器件，等效为一个开关。超声发射电路的一次完整的发射过程如下:在非激励阶段，开关S处于断开状态，高压电源VH通过电阻R对电容C进行充电，直到电容C两极板间压差达到VH，在激励阶段，开关S闭合，电容的电压高侧的电压被瞬间拉低，由于电容两端压差不可能瞬间为零，所以此时有一个瞬间负高压脉冲信号在电容另一侧产生并作用在换能器上，促使换能器发射超声波，在这一过程中会消耗一部分能量，使得电容C两侧的压差变小，不再是VH，经过一个短暂时间(与换能器中心频率相关)后，开关S断开，又重新回到非激励状态，激励换能器的电压信号消失，换能器停止工作，电容C被重新充电。
[0044]在图11所示的隔离模块电路示意图中，在二极管桥电路的两端接上电阻，通过这个电阻的调节，将通过桥电路的偏置电流控制在O?8mA之间。二极管桥电路的输出接到由D5、D6组成的限幅电路，从而将回波信号的幅度限制在二极管的导通电压。这样通过限幅处理之后的回波信号可以满足后级放大器的输入要求，保证系统的正常运行。
[0045]图12是本实用新型的一种实施例的接收模块前置放大电路图。其前置放大电路，用于阻抗匹配和小增益的信号放大，采用AD603，其是一个低噪声、压控增益放大器，具有极低的输入噪声和最大90MHz带宽。其中，Vout与FDBK开路，放大电路固定增益为50dB，整体放大倍数变为1dB到50dB，但带宽变窄，只有9MHz。
[0046]图13是本实用新型的一种实施例的接收模块主放大电路示意图。其主放大电路，用于信号进一步放大，提高信噪比。该主放大电路选用AD82，其是一款低噪、高速、电压反馈型运算放大器，具有120MHz带宽增益积，依靠其灵活的外部补偿电容，用途十分广泛，即适用于高速模数转换中的缓冲器，更适合视频放大应用。其视频放大的典型应用如图14所示，实际电路设计也基本参考此进行，并在反馈电路上对目标频率进行了一定补偿。
[0047]图14是本实用新型的一种实施例的采集卡内部结构示意图。如图所示，其模数转换模块部分选择使用成品级的采集卡，型号为FCFR-USB9988，具有12bit采样分辨率和50MS/s采样率，支持最高4GBytes DDR-1I FIFO，可实现16路并行采集，采用USB接口进行数据通行。模数转换是信号能够用于分析、成像的必然环节，也是送入计算机前的最后一个环节，要从信号频率、信噪比、完整性等角度出发考虑。
[0048]所述的井下设备设置有一个所述的环形探头;所述的环形探头为环形相控阵阵列探头，含有均匀分布在一同层圆周上的多个环形相控阵阵元组;所述的每个环形相控阵阵元组具有16η个阵元;根据所检测的井筒内径的大小情况，每个环形相控阵阵元组的阵元数成16倍数增减设置。实验证明，这样的阵元设置方式，检测效果较好。
[0049]在进行储气井井筒检测时，所述的系统主机I根据所述的超声相控阵检测仪13的发射模块112发出的超声波波束偏转角度计算出环形相控阵阵列探头16的各组阵元161相对延时时间，并传递给超声相控阵检测仪13的接收模块114;所述的超声相控阵检测仪13的延时模块111实现各组阵元161的相对延时量，发射模块112激励所述的环形相控阵阵列探头16各个阵元161发射超声波，隔离模块113保护后级电路中低电压器件不被损坏，接收模块114将环形相控阵阵列探头16接收的回波转换成采集卡115的输入信号，采集115将电信号转换成数字式的电信号，光端机116将数字式的电信号转换为光信号经光纤传送给系统主机I;所述的系统主机I将接收到的回波信号进行滤波、放大等处理，以提取有用信号用于分析、成像。为最大效率地发射超声波信号，发射电路须施以频率与晶体谐振频率一致的高压信号。其中延时模块111，将延时精度提高到Ins，可进一步提高超声波偏转角度的步进精度和整个系统的成像质量。
[0050]井下设备的扶正器11、超声相控阵检测仪13、环形相控阵阵列探头16之间采用螺纹连接，使用脱脂带、螺纹胶水对螺纹连接进行密封。
[0051]所述的超声相控阵检测仪13收发电路采用阵列式设计，拥有结构相同的多路通道，每一路通道可单独激励、接收和调理超声信号，互不干扰。从而能够适应环形相控阵阵列探头16的工作状态，并独立控制环形相控阵阵列探头16每组阵元161收发超声信号，在具体实现上，只需对单一通道进行分析、设计和实现，其余的通道则是完全复制。收发电路的整体框架如图5所示。为最大效率的发射超声波信号，发射电路须施以频率与晶体谐振频率一致的高压信号。
[0052]所述的超声相控阵检测仪13的各功能模块的通道数等同于单组环形相控阵阵元数目；多个环形相控阵阵元组，分时段轮流使用超声相控阵检测仪13的各个模块。在实际检测时，在单圈储气井14内井壁BI上覆盖点间的移动，通过超声相控阵检测仪13控制相控阵声束在不同角度上聚焦偏转来实现。
[0053]图7是本实用新型的一种实施例的环形相控阵阵列探头16扫查示意图。如图7所示，所述的环形相控阵阵列探头16包含有四个环形相控阵阵元组，每个环形相控阵阵元组具有16个阵元。环形相控阵阵列探头16在检测过程中无需转动，则检测系统不需要旋转机构。
[0054]所述的井下设备包括两个扶正器11 ο如图2所示，每个扶正器11由上固定螺母8、弹簧9、连杆结构式支脚110、可动螺母1和下固定螺母12构成。
[0055]如图3所示，所述的扶正器11设置有三个间隔为120°连杆结构式支脚110，可沿井壁接触滚动，能够同步收放。上下移动可动螺母10，压缩伸展弹簧9，扶正器11连杆结构式支脚110则伸展折叠，使得井下设备在不同直径的储气井内可保持垂直。此种结构的扶正器稳定性强，动作灵活性高。
[0056]在进行储气井井筒检测时，包括以下步骤:
[0057]步骤1、搭建检测系统；向储气井井中注满清水，作为超声检测耦合剂，在井口安装定滑轮，使用复合电缆建立井下设备、编码器、控制箱、收线架及系统主机之间的通讯和机械连接，以实现系统主机与井下设备间的通讯和控制井下设备升降和超声相控阵检测仪的扫查工作。并对井下设备进行密封；
[0058]步骤2、启动系统主机，将井下设备放置井内，同步编码器数据，定位井下设备，调整扶正器，使得扶正器各个连杆结构式支脚与井壁接触，以保持环形相控阵阵列探头与井筒同轴平行；
[0059]步骤3、调整井下设备至初始检测扫查位置，启动超声相控阵检测仪，用控制箱控制井下设备向上或向下匀速移动，开始扫查工作；
[0060]步骤4、系统主机根据超声波波束偏转角度计算出环形相控阵阵列探头的各个阵元相对延时时间，并传递给超声相控阵检测仪;超声相控阵检测仪的延时模块实现环形相控阵阵列探头各个阵元的相对延时量，发射模块激励所述的环形相控阵阵列探头各个阵元发射超声波，隔离模块保护后级电路中低电压器件不被损坏，接收电路将环形相控阵阵列探头接收的回波转换成采集卡的输入信号，采集卡将电信号转换成数字式的电信号，光端机将数字式的电信号转换为光信号经光纤传送给系统主机;多组环形相控阵阵元组的阵元依次扫查，单组环形相控阵阵元按照聚焦法则发射偏转超声波波束扫查井壁和接收回波信号，并将接收数据经光端机转换为光信号，经光纤传送给系统主机;其中延时模块，应尽可能将延时精度提高到1ns，可进一步提高超声波偏转角度的步进精度和整个系统的成像质量。
[0061]步骤5、系统主机对井下设备位置信息和回波数据进行处理，并显示出相应位置的井筒壁厚度及腐蚀情况;然后存储记录相关的数据图像；
[0062]步骤6、当各组相控阵阵列探头阵元均收发一次超声波时，此位置的扫查结束。判断检测是否完成，若完成，则整理所有检测设备后结束检测;若未完成，则系统主机控制井下设备移动到下一个扫查位置，重复所述步骤3至步骤6。井壁扫查范围不在相控阵阵列探头16近场区内，也不会影响检测结果。通常储气井半径为88.9或者122.24mm，远大于一般超声相控阵探头的近场区(20_左右)。
[0063]所述的超声相控阵检测仪各模块的通道数等于所述的环形相控阵阵列探头的单组环形相控阵阵元数目，在检测时，多组环形相控阵阵元分时复用超声相控阵检测仪的各个模块。
[0064]所述的环形相控阵阵列探头在进行扫查时所产生的单次扫查线，是由所述的环形相控阵阵列探头的所有环形相控阵阵元组接收超声回波延时补偿、声束合成得到的；所述的单次扫查为A扫查。
[0065]在所述的步骤5中，系统主机首先对回波进行相控阵延时补偿、声束合成，然后结合编码器记录的井下设备位置信息成像，显示井壁内的腐蚀情况及壁厚。其成像方式包括有S显示和C显示。如图8和图9所示，分别是本实用新型的一种实施例的储气井横截面成像S显示图和储气井竖界面成像C显示图。本实用新型所提供的成像方式更为全面，利于检测缺陷的定位和定性分析。而且，将储气井竖界面成像信息与横截面成像信息相结合，可以看出井壁腐蚀的形状。
【主权项】
1.一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，包括井上设备、井下设备及复合电缆，所述井上设备包括系统主机、控制箱、收线架、定滑轮;所述的定滑轮安装有编码器；井下设备包括扶正器、检测仪和环形探头;所述的复合电缆由内部铜导线、光纤和外层钢丝组成;铜导线为井下设备供电，钢丝拖拽井下设备工作，光纤是系统主机与井下设备的通讯媒介，其特征在于: 所述的检测仪为超声相控阵检测仪，包括延时模块、隔离模块、发射模块、接收模块、采集卡和光端机;所述的发射模块、接收模块构成超声相控阵检测仪的收发电路； 所述的井下设备设置有一个所述的环形探头；所述的环形探头为环形相控阵阵列探头，含有均匀分布在一同层圆周上的多个环形相控阵阵元组;所述的每个环形相控阵阵元组具有16η个环形相控阵阵元； 所述的系统主机根据所述的超声相控阵检测仪的发射模块发出的超声波波束偏转角度计算出环形相控阵阵列探头的各组阵元相对延时时间，并传递给超声相控阵检测仪的接收模块;所述的超声相控阵检测仪的延时模块实现各组阵元的相对延时量，发射模块激励所述的环形相控阵阵列探头各个阵元发射超声波，隔离模块保护后级电路中低电压器件不被损坏，接收模块将环形相控阵阵列探头接收的回波转换成采集卡的输入信号，采集卡将电信号转换成数字式的电信号，光端机将数字式的电信号转换为光信号经光纤传送给系统主机;所述的系统主机将接收到的回波信号进行滤波、放大处理，以提取有用信号用于分析、成像。2.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的超声相控阵检测仪收发电路采用阵列式设计，拥有结构相同的多路通道，每一路通道可单独激励、接收和调理超声信号，互不干扰。3.根据权利要求1或2所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的超声相控阵检测仪的各功能模块的通道数等同于单组环形相控阵阵元数目；多个环形相控阵阵元组，分时段轮流使用超声相控阵检测仪的各个模块。4.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的环形相控阵阵列探头包含有四个环形相控阵阵元组，每个环形相控阵阵元组具有16个阵元。5.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的井下设备包括两个扶正器。6.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的扶正器设置有三个间隔为120°连杆结构式支脚，可沿井壁接触滚动，能够同步收放。7.根据权利要求1所述的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统，其特征在于:所述的检测系统可以实时实现储气井横截面成像显示和储气井竖界面成像显示。
【文档编号】G01N29/06GK205484210SQ201620083264
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月27日
【发明人】徐晓丹, 王海涛, 郑凯, 汪文, 王晋, 任毅, 丁春雄
【申请人】江苏省特种设备安全监督检验研究院