羅明璋，彭文飛，賈思暉，李雷，連太煒

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

“卡鉆”是鉆井過(guò)程中一種比較嚴(yán)重的事故，而導(dǎo)致卡鉆的井下“掉塊”與“巖屑床”等問(wèn)題均與井徑有著密切的關(guān)系。通過(guò)對(duì)井徑的測(cè)量，可以有效識(shí)別卡鉆的原因進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)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(guò)程中出現(xiàn)的縮徑、井眼擴(kuò)大等)，定位地下巖層裂縫、套管損壞的位置等，因此，隨鉆過(guò)程中井徑的有效測(cè)量具有重要的工程意義。近年來(lái)，超聲無(wú)損檢測(cè)方法因其精度高、無(wú)需接觸等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)量所借鑒的研究成果。但受井下高溫高壓、狹小空間、強(qiáng)振動(dòng)以及高密度鉆井液環(huán)境等因素的制約，隨鉆超聲井徑測(cè)量方法和儀器面臨著許多亟待解決的問(wèn)題[1-6]。

調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)有井徑超聲測(cè)量方法主要存在以下不足：①測(cè)量盲區(qū)大。一方面超聲換能器需要設(shè)計(jì)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(cè)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(dòng)電路的性能。常見(jiàn)的超聲發(fā)射的驅(qū)動(dòng)電路有振蕩電路、脈沖發(fā)射電路，但振蕩信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確分辨近距離反射點(diǎn)的回波信號(hào)，而常規(guī)脈沖信號(hào)與換能器頻率特性不匹配造成能量利用率低、很難探測(cè)到遠(yuǎn)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(duì)聲波衰減大，導(dǎo)致回波信號(hào)微弱，不利于反射時(shí)間的提取[12-15]。胡凱利等提出采用連續(xù)時(shí)變?cè)鲆娣桨秆a(bǔ)償鉆井液對(duì)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(shí)變?cè)鲆娣桨冈谲浻布O(shè)計(jì)上比較復(fù)雜，功耗較大[16-18]。③井徑信息提取的準(zhǔn)確性與效率無(wú)法兼顧。采用門檻電壓閾值檢測(cè)聲波到時(shí)計(jì)算快卻容易受噪聲干擾，常規(guī)的滑動(dòng)相關(guān)檢測(cè)又存在運(yùn)算量較大從而影響到測(cè)量的實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)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(duì)于不同密度的鉆井液環(huán)境，提出了基于時(shí)變?cè)鲆胬碚摰姆侄问皆鲆嫜a(bǔ)償方法，可以適用密度高達(dá)1.8g/mL的鉆井液環(huán)境。同時(shí)，提出了改進(jìn)型的相關(guān)檢測(cè)算法。

1 井徑測(cè)量原理與系統(tǒng)架構(gòu)

井徑測(cè)量示意圖如圖1所示，超聲換能器在驅(qū)動(dòng)電路的作用下激發(fā)出超聲波，通過(guò)鉆井液接觸到井壁后發(fā)生反射，超聲回波信號(hào)被同一換能器接收到后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由超聲波采集系統(tǒng)記錄，同時(shí)采用3個(gè)超聲換能器呈120°圓周分布測(cè)量來(lái)消除鉆鋌偏心對(duì)井徑測(cè)量結(jié)果的影響，采集信號(hào)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(hào)幅度；t為時(shí)間。

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

(1)

則此路傳感器測(cè)得的井徑計(jì)算公式為：

(2)

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

(3)

隨鉆超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理框圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：超聲信號(hào)激勵(lì)與回波信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)原理框圖

1)超聲信號(hào)激勵(lì)與回波信號(hào)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(hào)后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次激勵(lì)3路超聲換能器，超聲波接觸到井壁產(chǎn)生的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)接收電路、回波補(bǔ)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(guò)輸出選擇測(cè)量通道、控制發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)超聲換能器產(chǎn)生超聲波，同時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器記錄回波信號(hào)，存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)置的FIFO存儲(chǔ)器中，并通過(guò)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(duì)回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算得到井徑值，通過(guò)RS485通信實(shí)時(shí)上傳到隨鉆測(cè)量(MWD)地面系統(tǒng)來(lái)對(duì)井徑值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將回波原始數(shù)據(jù)和井徑值一起存儲(chǔ)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(dòng)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(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)芯片NCV1413B組成，74HC4052接收到FPGA輸出的通道選擇信號(hào)(S1、S0)選定輸出通道1時(shí)，控制信號(hào)(FP、FC)從1通道口輸出，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片NCV1413B后輸出FP1、FC1到發(fā)射驅(qū)動(dòng)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(diǎn)由電阻RA4與RA7分壓保持+7.5V，工作時(shí)，F(xiàn)P1先拉低使三極管TA1導(dǎo)通，A點(diǎn)電壓上升到+15V，F(xiàn)C1后拉低使A點(diǎn)電壓為0，通過(guò)電容CA2耦合輸出，在B點(diǎn)產(chǎn)生±7.5V的雙極性脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲換能器。

一輪測(cè)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(hào)頻率選為167kHz，F(xiàn)PGA按照確定的時(shí)序輸出通道選擇信號(hào)與控制信號(hào)，依次產(chǎn)生三通道驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)序圖

3 超聲回波信號(hào)補(bǔ)償與采集

3.1 超聲波信號(hào)補(bǔ)償方案

超聲波信號(hào)在鉆井液中傳播時(shí)，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(shí)，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(shì)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(wèn)題，筆者提出基于時(shí)變的分段式增益切換補(bǔ)償方案，設(shè)計(jì)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(diǎn)分段切換相應(yīng)的放大倍數(shù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的回波信號(hào)會(huì)在一個(gè)信噪比較高的范圍(藍(lán)色區(qū)域)，為回波首波到時(shí)檢測(cè)的準(zhǔn)確性提供條件。

圖6 基于時(shí)變的分段式增益補(bǔ)償方法

3.2 基于時(shí)變的分段式放大電路設(shè)計(jì)

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(hào)后,通道選擇電路根據(jù)控制信號(hào)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(hào)實(shí)現(xiàn)增益的切換(一組控制信號(hào)僅實(shí)現(xiàn)一種切換)。

MCP6S28外圍電路設(shè)計(jì)如圖7所示,MCP6S28通過(guò)SPI接口(SCK、MOSI、CS；僅做從機(jī)所以沒(méi)用到SO接口)接收到FPGA的控制信號(hào)(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(shí)現(xiàn)對(duì)3路回波信號(hào)R1、R2、R3的選擇及補(bǔ)償，如圖8所示。

圖7 MCP6S28外圍電路設(shè)計(jì)

圖8 補(bǔ)償后信號(hào)示意圖

4 聲波走時(shí)提取

A/D所用采樣間隔為0.5μs，單通道采集時(shí)長(zhǎng)300μs(共600采樣點(diǎn))，雙極性脈沖信號(hào)頻率167kHz，采集信號(hào)如圖9所示。筆者對(duì)相關(guān)檢測(cè)算法提取聲波走時(shí)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：選用雙極性脈沖信號(hào)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(diǎn);Y為信號(hào)幅度,V。 注:X為采樣點(diǎn);Y為信號(hào)幅度,V。

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

(5)

利用g(n)與y(m)做滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，并取其最大值出現(xiàn)的位置作為反射信號(hào)首波到達(dá)時(shí)間，考慮到換能器有1cm的測(cè)量盲區(qū)，滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算從y(m)第26個(gè)采樣點(diǎn)開始，計(jì)算公式如式(6)所示：

(6)

式中:P為滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果最大值。

假定m=300時(shí)取得最大值，聲波走時(shí)為150μs。在運(yùn)算過(guò)程中，該法將常規(guī)相關(guān)算法的乘累加簡(jiǎn)化為累加，消除了大量的乘法運(yùn)算，也降低了運(yùn)算過(guò)程中數(shù)據(jù)的大小。同時(shí)，由于相關(guān)匹配信號(hào)的時(shí)間特性，減少了整體的計(jì)算量，從而提高了DSP的運(yùn)算效率與測(cè)距的實(shí)時(shí)性。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行了測(cè)試，在主控模塊的控制下，正常輸出三通道雙極性脈沖信號(hào)如圖11所示。在1.8g/mL鉆井液環(huán)境下，對(duì)分段式放大電路的效果進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖12所示，補(bǔ)償后的信號(hào)峰峰值均處于較高的水準(zhǔn)。

圖11 三通道雙極性脈沖信號(hào) 圖12 補(bǔ)償前后信號(hào)峰峰值對(duì)比

截取一段鉆井液中聲波測(cè)距波形如圖13(a)所示，橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)，A/D采集信號(hào)以16位二進(jìn)制整數(shù)補(bǔ)碼存儲(chǔ)(偏置1.25V對(duì)應(yīng)十進(jìn)制49521),縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值。對(duì)原始波形進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)運(yùn)算，結(jié)果如圖13(b)所示，得到P值對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)為93，聲波走時(shí)為46.5μs，由于A/D采集頻率問(wèn)題，相關(guān)檢測(cè)運(yùn)算提取的到時(shí)點(diǎn)不在基準(zhǔn)線上，與首波到時(shí)點(diǎn)相差小于一個(gè)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(cè)距原始波形及相關(guān)運(yùn)算結(jié)果

5.2 模擬井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

將隨鉆超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)電路板封裝在測(cè)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(shí)鉆進(jìn)2h共6m。隨鉆過(guò)程中，超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)將井徑數(shù)據(jù)通過(guò)MWD實(shí)時(shí)上傳，如圖14所示。已知套管段井徑理論值約為222～225mm,實(shí)測(cè)值216～236mm; 鉆頭直徑為215.9mm，裸眼段實(shí)測(cè)井徑均在221.8mm左右,與實(shí)際基本相符，且偏差均小于5%，并能正確讀取井下測(cè)量存儲(chǔ)的全部數(shù)據(jù)。

圖14 地面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(cè)量的不足之處：由發(fā)射電路導(dǎo)致的盲區(qū)問(wèn)題、不適應(yīng)高密度鉆井液環(huán)境、井徑信息提取的準(zhǔn)確性與效率無(wú)法兼顧。筆者開發(fā)了一套隨鉆超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)，并針對(duì)上述不足之處進(jìn)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(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間短避免了干擾近點(diǎn)反射的回波信號(hào)、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(jì)了分段式放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功耗低，補(bǔ)償效果良好；

3)優(yōu)化了相關(guān)檢測(cè)算法提取聲波走時(shí)流程，經(jīng)測(cè)試能提取到準(zhǔn)確的聲波走時(shí)，并大大降低了DSP運(yùn)算量，提高了測(cè)量實(shí)時(shí)性。

綜上，筆者提出并實(shí)現(xiàn)的隨鉆超聲井徑測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量盲區(qū)小、測(cè)量準(zhǔn)確度高、功耗低、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，并且在鉆試井的測(cè)試效果較好，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足隨鉆超聲井徑測(cè)量技術(shù)需求，具有較好的應(yīng)用前景。