随钻超声井径测量系统设计与实现

罗明璋，彭文飞，贾思晖，李雷，连太炜

1.长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023 2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 德阳 618300

“卡钻”是钻井过程中一种比较严重的事故，而导致卡钻的井下“掉块”与“岩屑床”等问题均与井径有着密切的关系。通过对井径的测量，可以有效识别卡钻的原因进而采取适当的应对措施。此外，井径的变化还能直观形象地反应井壁稳定性(如钻井过程中出现的缩径、井眼扩大等)，定位地下岩层裂缝、套管损坏的位置等，因此，随钻过程中井径的有效测量具有重要的工程意义。近年来，超声无损检测方法因其精度高、无需接触等优点，在相关领域备受关注，取得了许多可以为随钻井径测量所借鉴的研究成果。但受井下高温高压、狭小空间、强振动以及高密度钻井液环境等因素的制约，随钻超声井径测量方法和仪器面临着许多亟待解决的问题[1-6]。

调研结果表明，现有井径超声测量方法主要存在以下不足：①测量盲区大。一方面超声换能器需要设计隔热和承压外壳以适应井下高温高压的环境，其结构本身决定了测量盲区的存在；另一方面，导致盲区大的主要因素在于超声发射驱动电路的性能。常见的超声发射的驱动电路有振荡电路、脉冲发射电路，但振荡信号持续时间较长导致无法准确分辨近距离反射点的回波信号，而常规脉冲信号与换能器频率特性不匹配造成能量利用率低、很难探测到远距离的反射面[7-11]。②不适应高密度钻井液环境。高密度钻井液对声波衰减大，导致回波信号微弱，不利于反射时间的提取[12-15]。胡凯利等提出采用连续时变增益方案补偿钻井液对超声回波的衰减，能适应1.3g/mL及以下密度的钻井液环境，但连续时变增益方案在软硬件设计上比较复杂，功耗较大[16-18]。③井径信息提取的准确性与效率无法兼顾。采用门槛电压阈值检测声波到时计算快却容易受噪声干扰，常规的滑动相关检测又存在运算量较大从而影响到测量的实时性等问题。

针对上述问题，笔者设计了一种单极性电源供电模式下的单周期双极性脉冲发射电路，以减小近距离的盲区范围。对于不同密度的钻井液环境，提出了基于时变增益理论的分段式增益补偿方法，可以适用密度高达1.8g/mL的钻井液环境。同时，提出了改进型的相关检测算法。

1 井径测量原理与系统架构

井径测量示意图如图1所示，超声换能器在驱动电路的作用下激发出超声波，通过钻井液接触到井壁后发生反射，超声回波信号被同一换能器接收到后转换为电信号，并由超声波采集系统记录，同时采用3个超声换能器呈120°圆周分布测量来消除钻铤偏心对井径测量结果的影响，采集信号示意图如图2所示。

注：RW为井径；r为钻铤半径；d为超声换能器与井壁之间的距离。 注：y为电信号幅度；t为时间。

超声波在钻井液中传播速度v已知，通过算法提取声波走时ts，根据声波测距原理可知：

(1)

则此路传感器测得的井径计算公式为：

(2)

结合3路超声换能器的测距结果(RW1、RW2、RW3)，对其取平均得到最终上传的井径值RWL：

(3)

随钻超声井径测量系统方案设计原理框图如图3所示，整个系统分为3个模块：超声信号激励与回波信号调理模块、采集控制模块、主控与信息提取模块。

图3 随钻超声井径测量系统原理框图

1)超声信号激励与回波信号调理模块。发射电路接收到FPGA输出的通道选择、控制信号后，产生驱动信号依次激励3路超声换能器，超声波接触到井壁产生的回波信号经过接收电路、回波补偿以及带通滤波处理后，传输到A/D采集接口。

2)采集控制模块。FPGA通过输出选择测量通道、控制发射电路驱动超声换能器产生超声波，同时启动A/D转换器记录回波信号，存储在FPGA内置的FIFO存储器中，并通过SPI通信上传到主控、信息提取模块。

3)主控与信息提取模块。DSP对回波信号数据进行处理并计算得到井径值，通过RS485通信实时上传到随钻测量(MWD)地面系统来对井径值进行监测，同时将回波原始数据和井径值一起存储在FLASH中。

2 超声发射电路

超声发射电路由发射控制电路与发射驱动电路组成，如图4所示。发射控制电路由双通道四选一芯片74HC4052和集成达林顿管驱动芯片NCV1413B组成，74HC4052接收到FPGA输出的通道选择信号(S1、S0)选定输出通道1时，控制信号(FP、FC)从1通道口输出，经过驱动芯片NCV1413B后输出FP1、FC1到发射驱动电路。

图4 超声射电路原理图

常态下FP1与FC1处于悬空状态，A点由电阻RA4与RA7分压保持+7.5V，工作时，FP1先拉低使三极管TA1导通，A点电压上升到+15V，FC1后拉低使A点电压为0，通过电容CA2耦合输出，在B点产生±7.5V的双极性脉冲信号驱动超声换能器。

一轮测量需要依次激发3路换能器，考虑到超声换能器的频率特性，双极性脉冲信号频率选为167kHz，FPGA按照确定的时序输出通道选择信号与控制信号，依次产生三通道驱动信号如图5所示。

图5 驱动信号产生时序图

3 超声回波信号补偿与采集

3.1 超声波信号补偿方案

超声波信号在钻井液中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，根据声学原理，传播距离为x时，其声幅值Ax的变化可以表示为：

Ax=A0e-αx

(4)

式中：A0为初始声幅值；α为超声波在钻井液中衰减系数。声幅值衰减趋势呈指数下降[12-15]。

为了解决超声波在高密度钻井液中传播衰减的问题，笔者提出基于时变的分段式增益切换补偿方案，设计方案如图6所示。分别在衰减系数为1/2、1/4、1/8、1/16、1/32的节点分段切换相应的放大倍数来进行补偿，经过补偿后的回波信号会在一个信噪比较高的范围(蓝色区域)，为回波首波到时检测的准确性提供条件。

图6 基于时变的分段式增益补偿方法

3.2 基于时变的分段式放大电路设计

程控增益放大器(PGA)是分段式放大电路的关键，电路选择MICROCHIP公司生产的多通道程控增益放大器MCP6S28，其内部结构由SPI通信模块、通道选择电路、增益开关电路、梯形电阻网络模块组成。SPI接口接收到控制信号后,通道选择电路根据控制信号切换通道或增益开关电路与梯形电阻网络根据控制信号实现增益的切换(一组控制信号仅实现一种切换)。

MCP6S28外围电路设计如图7所示,MCP6S28通过SPI接口(SCK、MOSI、CS；仅做从机所以没用到SO接口)接收到FPGA的控制信号(双字节指令)，根据高字节判断切换通道或切换增益，并由低字节确定具体的通道数(1～8通道)或增益(+1、+2、+4、+5、+8、+16、+32)。在FPGA的控制下，实现对3路回波信号R1、R2、R3的选择及补偿，如图8所示。

图7 MCP6S28外围电路设计

图8 补偿后信号示意图

4 声波走时提取

A/D所用采样间隔为0.5μs，单通道采集时长300μs(共600采样点)，双极性脉冲信号频率167kHz，采集信号如图9所示。笔者对相关检测算法提取声波走时进行了简化：选用双极性脉冲信号的上半部作为相关匹配的窗口，并将幅度用+1代替，如图10所示。

注:X为采样点;Y为信号幅度,V。 注:X为采样点;Y为信号幅度,V。

设采集信号序列为y(m)，m为采样点序号且为整数。根据双极性脉冲信号确定相关匹配的窗口g(n)：

(5)

利用g(n)与y(m)做滑动相关运算，并取其最大值出现的位置作为反射信号首波到达时间，考虑到换能器有1cm的测量盲区，滑动相关运算从y(m)第26个采样点开始，计算公式如式(6)所示：

(6)

式中:P为滑动相关运算结果最大值。

假定m=300时取得最大值，声波走时为150μs。在运算过程中，该法将常规相关算法的乘累加简化为累加，消除了大量的乘法运算，也降低了运算过程中数据的大小。同时，由于相关匹配信号的时间特性，减少了整体的计算量，从而提高了DSP的运算效率与测距的实时性。

5 测试结果

5.1 实验室测试结果与分析

在实验室对发射电路进行了测试，在主控模块的控制下，正常输出三通道双极性脉冲信号如图11所示。在1.8g/mL钻井液环境下，对分段式放大电路的效果进行了测试，测试结果如图12所示，补偿后的信号峰峰值均处于较高的水准。

图11 三通道双极性脉冲信号 图12 补偿前后信号峰峰值对比

截取一段钻井液中声波测距波形如图13(a)所示，横坐标表示采样点，A/D采集信号以16位二进制整数补码存储(偏置1.25V对应十进制49521),纵坐标为信号幅值。对原始波形进行相关检测运算，结果如图13(b)所示，得到P值对应采样点为93，声波走时为46.5μs，由于A/D采集频率问题，相关检测运算提取的到时点不在基准线上，与首波到时点相差小于一个采样周期0.5μs，井径误差小于0.36mm(钻井液中波速约为1450m/s[13,14])。

图13 钻井液中超声测距原始波形及相关运算结果

5.2 模拟井现场试验

将随钻超声井径测量系统电路板封装在测量短节，与川庆钻探工程有限公司的MWD系统连接后，放入其公司的钻试1井并真实钻进2h共6m。随钻过程中，超声井径测量系统将井径数据通过MWD实时上传，如图14所示。已知套管段井径理论值约为222～225mm,实测值216～236mm; 钻头直径为215.9mm，裸眼段实测井径均在221.8mm左右,与实际基本相符，且偏差均小于5%，并能正确读取井下测量存储的全部数据。

图14 地面数据实时观察

6 结论

结合随钻井径的工程需求，分析了井径超声测量的不足之处：由发射电路导致的盲区问题、不适应高密度钻井液环境、井径信息提取的准确性与效率无法兼顾。笔者开发了一套随钻超声井径测量系统，并针对上述不足之处进行了优化：

1)提出了一种单极性电源供电下的单周期双极性脉冲发射电路，驱动信号持续时间短避免了干扰近点反射的回波信号、频率可控从而更好地匹配不同的超声换能器提高能量利用率；

2)设计了分段式放大电路对回波信号进行补偿，电路设计简单，功耗低，补偿效果良好；

3)优化了相关检测算法提取声波走时流程，经测试能提取到准确的声波走时，并大大降低了DSP运算量，提高了测量实时性。

综上，笔者提出并实现的随钻超声井径测量系统具有测量盲区小、测量准确度高、功耗低、实时性高的特点，并且在钻试井的测试效果较好，各项性能指标满足随钻超声井径测量技术需求，具有较好的应用前景。