基于超声相控阵技术的储气井井筒检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001 ]本发明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及其检测方法。
【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]本发明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及其检测方法，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，本发明采用以下技术方案。
[0008]本发明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、放大等处理，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复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]本发明的一种基于超声相控阵技术的储气井井筒检测方法，其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，钢丝拖拽着井下设备工作，光纤是系统主机与井下设备的通讯媒介，其特征在于:
[0018]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；
[0019]所述的环形探头为环形相控阵阵列探头，包括均匀分布在一同层圆周上的多个环形相控阵阵元组，每个阵元组由16η个阵元组成；
[0020]所述检测方法包括以下步骤:
[0021]步骤1、储气井内注满清水，安装定滑轮、编码器，用复合电缆搭建编码器、控制箱、超声相控阵检测仪器三者与系统主机的通讯系统，并对井下设备进行密封；
[0022]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，调整扶正器与井壁接触，以保持环形相控阵阵列探头与井筒同轴平行；
[0023]步骤3、调整井下设备至初始检测位置，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；
[0024]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