[發(fā)明專利]用于石油鉆具抽油桿的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910890384.1
• 申請(qǐng)日: 2019-09-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110530983B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王亞利;李延疆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院
• 主分類號(hào): G01N29/04
• 分類號(hào): G01N29/04;G01N29/34;G01N29/44;G01B17/00
• 代理公司: 南京北辰聯(lián)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32350
• 代理人: 衛(wèi)麟

1.一種用于石油鉆具抽油桿的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：

超聲波傳感器(3)，其包括n個(gè)，各所述超聲波傳感器(3)圍繞所述石油鉆具抽油桿(1)的頂端，均勻的排布在所述石油鉆具抽油桿(1)及其所設(shè)置的作業(yè)管路(2)的內(nèi)壁之間，各所述超聲波傳感器分別沿所述作業(yè)管路(2)向所述石油鉆具抽油桿(1)的底端發(fā)出超聲波，并對(duì)所述作業(yè)管路(2)內(nèi)的超聲波信號(hào)進(jìn)行采樣；

信號(hào)處理裝置，其與各所述超聲波傳感器(3)電連接，控制各所述超聲波傳感器(3)順次的按照設(shè)定的頻率和時(shí)間間隔發(fā)出超聲波，控制各所述超聲波傳感器同步的以設(shè)定的采樣周期對(duì)所述作業(yè)管路(2)內(nèi)的超聲波信號(hào)采樣，所述信號(hào)處理裝置實(shí)時(shí)的對(duì)采樣所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行聲場(chǎng)分析，計(jì)算獲得該作業(yè)管路(2)內(nèi)石油鉆具抽油桿(1)的狀態(tài)。

2.如權(quán)利要求1所述的用于石油鉆具抽油桿的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，每一個(gè)所述超聲波傳感器(3)發(fā)出超聲波的時(shí)間間隔不超過(guò)50微秒，該時(shí)間間隔與所述超聲波的周期T相同或接近；

各所述超聲波傳感器(3)之間發(fā)出超聲波的時(shí)間間隔為T/n，其中，T為發(fā)出超聲波的周期，n為所述超聲波傳感器的數(shù)量，n≥3；

所述采樣周期不超過(guò)25微秒。

3.如權(quán)利要求1所述的用于石油鉆具抽油桿的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，以所述鉆具抽油桿(1)的軸向?yàn)閦軸，以所述鉆具抽油桿(1)的半徑方向?yàn)閞軸，以所述鉆具抽油桿(1)的周向?yàn)檩S；

所述信號(hào)處理裝置包括超聲波輸出控制單元，用于控制第i個(gè)所述超聲波傳感器(3)發(fā)出的超聲波信號(hào)為其中，U₀表示超聲波信號(hào)的幅度，ω表示超聲波的周期，表示第i個(gè)所述超聲波傳感器(3)發(fā)出的超聲波的初始相位；

所述信號(hào)處理裝置還包括：

聲場(chǎng)重建單元，用于根據(jù)各所述超聲波傳感器(3)采樣所獲得的數(shù)據(jù)p(i,t),按照HOA聲場(chǎng)重構(gòu)方法進(jìn)行聲場(chǎng)重建，獲得所述作業(yè)管路(2)內(nèi)沿Z軸方向的場(chǎng)量為

理論場(chǎng)量計(jì)算單元，用于計(jì)算n個(gè)所述超聲波傳感器(3)發(fā)出的超聲波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的理論場(chǎng)量為其中，α表示所述作業(yè)管路(2)內(nèi)的反射系數(shù)，所述反射系數(shù)為預(yù)設(shè)的固定數(shù)值；

聲場(chǎng)偏差量運(yùn)算單元，用于計(jì)算聲場(chǎng)偏差量Δ＝E-U；

狀態(tài)模型擬合單元，用于將所述聲場(chǎng)偏差量Δ輸入訓(xùn)練好的石油鉆具抽油桿(1)的狀態(tài)模型中進(jìn)行前向傳播運(yùn)算，獲得該聲場(chǎng)偏差量Δ最符合的石油鉆具抽油桿(1)狀態(tài)信息，輸出該狀態(tài)信息。

4.如權(quán)利要求3所述的用于石油鉆具抽油桿的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聲場(chǎng)重建單元中，根據(jù)各所述超聲波傳感器(3)采樣所獲得的數(shù)據(jù)p(i,t),按照HOA聲場(chǎng)重構(gòu)方法進(jìn)行聲場(chǎng)重建，獲得所述作業(yè)管路(2)內(nèi)沿Z軸方向的場(chǎng)量的具體步驟包括：

步驟a1，為所述作業(yè)管路(2)坐標(biāo)范圍Ω內(nèi)任一超聲波傳感器(3)在球坐標(biāo)下所設(shè)置的坐標(biāo)點(diǎn)x_i＝(r,θ,φ)∈Ω將采樣所獲得的數(shù)據(jù)p(i,t)轉(zhuǎn)化為該坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的球面聲源響應(yīng)函數(shù)p(x_i,ω)＝∫D(x₀,ω)G(x_i-x₀,ω)dΩ；其中，D(x₀,ω)表示聲源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，x₀表示聲源的坐標(biāo)，G表示紐曼格林函數(shù)；

步驟a2，對(duì)所述球面聲源響應(yīng)函數(shù)p(x_i,ω)進(jìn)行球形分解，獲得其中，c為超聲波的波速；

步驟a3，對(duì)上述紐曼格林函數(shù)G(x_i-x₀,ω)進(jìn)行球諧轉(zhuǎn)換獲得其滿足：該函數(shù)在球形坐標(biāo)下表示為其中，紐曼格林矩陣

步驟a4，根據(jù)所述紐曼格林矩陣的逆矩陣C^-1(ω)計(jì)算聲源的驅(qū)動(dòng)矩陣D(x₀,ω)＝C^-1(ω)P_l^m，將所述聲源的驅(qū)動(dòng)矩陣D(x₀,ω)內(nèi)各元素轉(zhuǎn)化至極坐標(biāo)系并對(duì)其中的各元素進(jìn)行累加獲得所述作業(yè)管路(2)內(nèi)沿Z軸方向的場(chǎng)量為