[發(fā)明專利]一種檢測(cè)套管外水泥與套管間裂隙寬度的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710023917.7
• 申請(qǐng)日: 2017-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN106595538B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李剛;王艷群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 長(zhǎng)江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B17/00
• 分類號(hào): G01B17/00;E21B47/005
• 代理公司: 武漢河山金堂專利事務(wù)所(普通合伙) 42212
• 代理人: 胡清堂

1.一種基于套管外水泥與套管間裂隙寬度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理終端(1)、數(shù)據(jù)采集裝置(2)和現(xiàn)場(chǎng)施工模擬裝置(3)：

所述數(shù)據(jù)采集裝置(2)包括控制模塊(201)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)、升降機(jī)構(gòu)(203)、超聲波模組(204)和連桿(205)；所述控制模塊(201)分別與數(shù)據(jù)處理終端(1)和超聲波模組(204)電連接，用于將超聲波模組(204)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行裂隙寬度分析；所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)、升降機(jī)構(gòu)(203)均通過(guò)齒輪與連桿(205)連接，并與控制模塊(201)電連接，用于在控制模塊(201)的控制下驅(qū)動(dòng)連桿(205)軸向旋轉(zhuǎn)以及上下移動(dòng)；所述超聲波模組(204)設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)施工模擬裝置(3)內(nèi)并與連桿(205)的下端固定連接，用于檢測(cè)套管外水泥與套管間裂隙寬度；

所述數(shù)據(jù)處理終端(1)用于設(shè)定超聲波的發(fā)射頻率和發(fā)射周期，向數(shù)據(jù)采集裝置(2)發(fā)送控制指令進(jìn)而調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)和升降機(jī)構(gòu)(203)的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)來(lái)設(shè)定檢測(cè)位置和檢測(cè)方位角，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置(2)采集上傳的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到反射波頻譜，同時(shí)利用反射波在套管共振透視窗內(nèi)的頻譜信息建立反演函數(shù)并采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法搜索得到套管外水泥與套管間裂隙寬度；

所述現(xiàn)場(chǎng)施工模擬裝置(3)包括模型容器(310)和容器頂蓋(320)，所述模型容器(310)內(nèi)由內(nèi)向外同軸設(shè)有套管(311)和地層環(huán)(313)，所述套管(311)與地層環(huán)(313)之間澆筑固井水泥形成水泥環(huán)(312)；所述容器頂蓋(320)邊緣通過(guò)螺栓與模型容器(310)固定連接，容器頂蓋(320)的中部設(shè)有一與套管(311)同軸的第一通孔，所述連桿(205)的下端穿過(guò)第一通孔伸入套管(311)內(nèi)；所述第一通孔外設(shè)有電機(jī)支架(330)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)、升降機(jī)構(gòu)(203)均設(shè)置在電機(jī)支架(330)上并通過(guò)齒輪與連桿(205)連接；

所述電機(jī)支架(330)包括與容器頂蓋(320)固定連接的固定底座(331)和升降套筒(332)；所述固定底座(331)上設(shè)有與第一通孔同尺寸的第二通孔，所述升降套筒(332)的外壁與第一通孔和第二通孔組成的通道滑動(dòng)連接，所述連桿(205)設(shè)置在升降套筒(332)內(nèi)部并與升降套筒(332)滑動(dòng)連接；所述升降套筒(332)的上端沿套筒徑向向外設(shè)有突出部(333)；

所述升降機(jī)構(gòu)(203)為一設(shè)置在固定底座(331)上的第一步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)升降套筒(332)上下移動(dòng)；所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)包括一設(shè)置在突出部(333)上的第二步進(jìn)電機(jī)、與第二步進(jìn)電機(jī)連接的旋轉(zhuǎn)主動(dòng)齒輪和與連桿(205)的上端固定連接的旋轉(zhuǎn)從動(dòng)齒輪，所述第二步進(jìn)電機(jī)通過(guò)相互配合的旋轉(zhuǎn)主動(dòng)齒輪和旋轉(zhuǎn)從動(dòng)齒輪，在控制模塊(201)的控制下驅(qū)動(dòng)連桿(205)軸向旋轉(zhuǎn)；

所述超聲波模組(204)包括超聲波發(fā)射探頭和超聲波接收探頭；

所述控制模塊(201)包括：控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、濾波整形電路、脈沖驅(qū)動(dòng)電路和觸摸屏；所述控制器內(nèi)設(shè)有控制單元以及I/O輸出接口、12位AD接口、PWM輸出接口、USB接口和LCD接口；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)PWM輸出接口接收控制單元的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(202)、升降機(jī)構(gòu)(203)工作；所述脈沖驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)I/O輸出接口與控制單元連接，控制超聲波發(fā)射探頭工作；所述濾波整形電路接收超聲波接收探頭上傳的超聲波信號(hào)，并通過(guò)12位AD接口將濾波后的超聲波信號(hào)發(fā)送給控制單元；所述觸摸屏通過(guò)LCD接口與控制單元連接；所述控制單元通過(guò)接入U(xiǎn)SB接口的USB數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)處理終端(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟1，將待測(cè)模型的已知參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)處理終端中，并設(shè)定超聲波的發(fā)射頻率和發(fā)射周期；然后將待測(cè)模型放入模型容器中，在套管中注滿液體，蓋上模型容器頂蓋，通過(guò)數(shù)據(jù)處理終端調(diào)節(jié)軸向旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)和升降步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)來(lái)設(shè)定檢測(cè)位置和檢測(cè)方位角；

步驟2，通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置的控制模塊驅(qū)動(dòng)超聲波模組發(fā)射超聲波和采集反射回波信號(hào)，將每次采集到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大，然后進(jìn)行高速采集，最后將采集到的波形數(shù)據(jù)通過(guò)USB數(shù)據(jù)線傳給數(shù)據(jù)處理終端；

步驟3，利用反射波在套管共振透視窗內(nèi)的頻譜信息建立反演函數(shù)J(d₂，d₃，d_m)：

其中，ω為超聲波諧波頻率，d₂為套管厚度，d₃為套管-水泥環(huán)縫隙寬度，d_m為套管-地層環(huán)間距，R^*(ω)為數(shù)據(jù)處理終端對(duì)回波的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到的反射波頻譜，R(ω，d₂，d₃，d_m)為估計(jì)模型計(jì)算的反射波頻譜；

步驟4，采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法搜索d₂、d₃、d_m的值使得公式5的值達(dá)到最小，這時(shí)搜索出d₂、d₃、d_m的值與待測(cè)模型的未知參數(shù)的值最接近，從而得到套管-水泥環(huán)縫隙寬度d₃。