油井水泥胶结质量超声检测系统 本发明属于声学领域中的一种用超声方法检测水泥胶结质量的系统。
利用超声波的传播特性了解油井下套管后的固井质量得到了广泛的应用。80年代的水泥评价仪CET将超声传播的特征值在井下用模拟电路处理后传上地面，如B.Froelich et al.提出的《Cement Evaluation Tool-a New Approach to CementEvaluation》。后来出现了可将超声波的脉冲波形数字化以后传上地面处理的方法，如C.Morris et al.提出的《A NewSonic Array Tool for Full Waveform Logging》和W.Cobb提出的《System and method for Preprocessing andTransmitting Echo Waveform Information》(U.S.Patent4,893,286)。它们的共同特点都是由地面向井下传送井下仪器工作条件设置命令。在井下条件比较稳定，声波幅度变化不大，且超声信号的动态范围也比较小时，这种方法是可行的。若井下条件变化较大，地面计算机检测到信号幅度变化，再通过电缆向井下发改变设置的命令，需要较多时间，影响测井速度，另外，若超声信号本身的动态范围较大，一般方法是在井下使用对数放大器扩大仪器的动态范围，或使用两个不同增益值的通道同时采集，从而将动态范围扩大。前者的缺点是对数放大器的噪声电平太高；后者的不足是电路复杂。超声频率较高时这是很不利的。
本发明的目的在于提出一种由超声换能器、发射电路、去耦电路、通道选择、时间子系统、接收子系统、高速模数变换器、单片计算机和电源及其监测子系统所组成的油井水泥胶结质量超声检测系统，它可以根据地面计算机传下来地命令选择预先写在井下单片计算机内的检测方案，根据井下条件的具体变化和下传命令规定的方式实施调整井下仪器参数，达到使整个系统处于最佳状态，以最快的速度测得可靠的数据，从而解决了现有技术所存在的问题。
本发明所采用的技术方案在于它由超声换能器子系统，发射电路子系统，去耦电路子系统，通道选择子系统，时间子系统，接收子系统，高速模数变换器，单片计算机子系统和电源及电源监测子系统组成，通过通用数字式传输筒和电缆与地面计算机连接，并在地面计算机控制下工作；它的单片计算机子系统中备有地面控制或智能控制模式、实时检测或波形检测模式、定增益或变增益组合模式以及这些模式的组合等工作方式可供地面命令选择，并根据地面命令的要求设置系统各部分的工作参数和状态，然后按地面指令经通道选择子系统向发射电路子系统发出发射命令；发射电路子系统驱动超声换能器子系统发出超声脉冲；发射脉冲和超声换能器子系统接收到的脉冲先后经去耦电路子系统和通道选择子系统传送给时间子系统和接收子系统；时间子系统形成感兴趣区选通脉冲加到接收子系统，测量出零界面声时传给单片计算机在系统并向其他子系统供应时钟脉冲；接收子系统把零界面脉冲幅度和I界面脉冲幅度加宽，把感兴趣区波积分并传给单片计算机子系统的低速模数变换器，还把放大后的波形传给高速模数变换器；高速模数变换器则在单片计算机子系统的控制下实现波形的模数变换器；电源及电源监测子系统除向系统各部分提供各种电源外，还向单片计算机子系统提供电源电压的监测结果。
如图1所示，超声换能器子系统由(1)-(9)的9个超声换能器组成，其中8个在套管圆周方向均匀分布，用于检测水泥胶结质量，一个为带有反射板的参考超声组合，用于测定井液声速并提供参考反射波形；发射电路子系统由(11)-(19)的9个高压脉冲发射电路组成，用于为超声换能器提供激励电源；去耦电路子系统由(21)-(29)的9个去耦电路组成，用于限制强大的发射脉冲对接收电路的冲击；通道选择子系统由通道译码器(30)、发射驱动器(31)、发射选择电路(32)接收通道选择系统(33)和缓冲器1(34)组成，用于在9个通道之间选择需要的通道工作；时间电路子系统由幅度鉴别器(40)、驱动电路(41)、零界面闸门电路(42)、零界面时间计算器电路(43)、选通门前沿发生器(44)、选通门发生器(45)、选通门前沿发生器(46)、晶体振荡器(47)和分频器(48)组成，目的在于提供时间基准、产生可选择感兴趣区间的超声信号的选通门和测量套管内径；接收电路子系统由程控衰减器(50)、程控放大器(51)、选通门(52)、缓冲器2(53)、检波器1(54)、峰值检波器1(55)、积分器(56)、检波器0(57)、频放大器(58)、峰值检波器(59)、锁存器1(60)、锁存器2(61)和模数变换器(62)组成，用于零界面脉冲幅度和I界面脉冲幅度的测量、感兴趣区段超声信号的积分和高速模数变换器(70)提供模拟波形；单片计算机子系统由单片计算机(80)、高速存储器(81)、和传输接口电路(82)组成，是整个系统的心脏，由它协调整个系统的工作、并与传输筒和通过它与地面计算机联系；电源监测子系统由电源电路(90)和电源监测电路(91)组成，它由地面接收交流电源，将其变换，提供整个系统各种电源并将电源实况转换为数学量提供给单片计算机(80)，系统的工作过程如下：
开机后，晶体振荡器(47)产生的频率稳定的周期性矩形波经分频后提供给单片计算机(80)时钟频率，单片计算机(80)将系统初始化，执行自检，设置系统参数，将自检结果和初始化参数写入传输记录，转入等待状态，单片计算机(80)接收到地面计算机经电缆和传输筒传下来的命令后，先分析命令种类。如是设置命令，即由传输筒继续取64个字节的命令并将传输记录传送给传输筒，结束传输状态，然后将命令译码、存储并按命令设置系统各部分的工作参数、状态和系统的工作模式，使通道码为1，发通道(码经译码器(30)、发射通道选择电路(32)和接收通道选择电路(33)设置好1#通道、(井液声速检测通道)；如果是检测命令，单片计算机(80)顺序把系统设置数据、状况监测数据和上次的检测记录传给传输筒；然后向发射驱动电路(31)发出发射命令。
发射驱动电路(31)产生一个电脉冲，经发射通道选择电路(32)驱动1#发射电路(11)产生一个高压电脉冲，加到1#超声换能器(1)上。超声换能器(1)将电脉冲转换为超声脉冲。超声脉冲通过井液入射到油井套管(钢质)的内壁，在井液—钢管界面(以下简称零界面)上，大部分超声能量反射回超声换能器(1)，很少一部分穿过钢套管到达套管—水泥界面(以下简称I界面)。到达I界面的超声，又只有很少一部分能进入水泥，大部分则向后反射，到达零界面再大部分反射，在钢管中形成多次反射脉冲列。进入水泥的部分超声能量，穿过水泥，到达水泥—基岩界面(以下简称II界面)。在II界面上，依据界面具体情况，可能有或多或少的超声能量反射。所有这些反射的超声能量回到超声换能器(1)上，形成一幅相当复杂的超声脉冲波列。超声换能器(1)把它转换成电信号，图2是这个波列的示意图。在图2中，B0为零界面反射脉冲，B11-B15分别为I界面第一次至第五次反射脉冲，而B2为II界面反射脉冲。B0幅度比B11幅度大约一个量级，B12幅度远小于B11。因而，为得到所有这些数据，测井系统的动态范围应达到50dB以上。
超声换能器(1)输出的电信号经去耦电路(21)把强大的发射脉冲限幅后，加到接收通道选择电路(33)的输入端，后者只允许被选中的通道接通，从而屏蔽掉其它通道输入端上可能出现的干扰。接收通道选择电路(33)的输出经缓冲器1后，分别加到幅度鉴别器(40)、程控衰减器(50)和检波器0(57)的输入端上。
幅度鉴别器(40)的触发阈值调节到略低于零界面脉冲幅度，但高于其它脉冲幅度和干扰。在单片计算机(80)发出发射命令的同时，它还把零界面闸门电路置高电平，从而使零界面时间计数器电路(43)开始计数，该计数器的始终脉冲来自晶体振荡器(47)。零界面脉冲到来后，幅度鉴别器(40)动作，产生一个脉冲。该脉冲经驱动器(41)使零界面闸门电路(42)置低电平，从而使零界面时间计数器电路(43)停止计数。根据此计数值可以计算出零界面脉冲的传播时间。此计数将保持在零界面时间计数器电路(43)上，等待单片计算机来读出。
选通门前沿发生器(44)、选通门后沿发生器(46)和选通门发生器(45)共同确定选通门的位置和宽度。选通门前沿发生器(44)和选通门后沿发生器(46)都是可预置数计数器，单片计算机(80)事先设置好了它们的值。零界面脉冲到来之后，驱动器(41)输出的脉冲打开选通门前沿发生器(44)，使之开始计数。计数达到预定值后，它输出一个脉冲，使选通门发生器(45)产生一个选通门，同时打开选通门后沿发生器(46)，使之开始计数。计数达到预定值后，它输出一个脉冲，使选通门发生器(45)关闭。从而，可以使单片计算机(80)以0.1微秒为单位设置选通门的位置和宽度，去选通感兴趣区的信号。感兴趣区可以是I界面的第一次或若干次反射脉冲，也可以是II界面反射脉冲。
缓冲器1(34)输出信号的另一路送到程控衰减器(50)的输入端。程控衰减器(50)的调整范围可达32dB，程控放大器(51)增益控制范围可达40dB以上，二者组合的控制范围达72dB，可适应实际需要。单片计算机(80)已在本发射周期之前通过锁存器1(60)、锁存器2(61)和数模变换器(62)设置了程控衰减器(50)和程控放大器(51)的工作参数。经过它们的衰减和放大，在选通门(52)的输入端上感兴趣区段的信号幅度已符合选通要求。选通门(52)选出感兴趣区的波形，经缓冲器2(53)送到检波器1(54)。检波后的信号送峰值检波器(55)求出脉冲波列的最大值，送积分器(56)求出脉冲波列的积分值，然后分别送到单片计算机(80)的低速模数变换输入端。
缓冲器2(53)输出的信号还有一路送到高速模数变换器(70)。单片计算机(80)已事先把高速存储器(81)的控制权转给高速模数变换器(70)。高速模数变换结束后，高速存储器(81)的控制权又转回单片计算机(81)。
缓冲器1(34)输出信号的第三路送到检波器0(57)的输入端，经其检波和视频放大器0(58)的放大和峰值检波器0(59)将零界面反射脉冲加宽后，送到单片计算机(80)的低速模数变换输入端。
单片计算机(80)的低速模数变换器接收到中断申请后，即把高速模数变换器的控制权收回，再由积分器(56)、峰值检波器1(55)、峰值检波器0(59)和零界面时间计数器(43)读入感兴趣区积分值、I界面反射脉冲幅度、零界面反射脉冲幅度和零界面反射脉冲到达时间。单片计算机(80)将根据感兴趣区积分值、I界面反射脉冲幅度或零界面反射脉冲幅度和零界面反射脉冲到达时间判断，采集到的超声脉冲是否符合下传命令的要求。如果不符合要求，单片计算机(80)将计算出一个适当的衰减器值和放大器值的组合，重新设置工作参数和系统各部分的状态，然后，待达到允许发射时，发出发射命令，重复上述周期，直到采集到的超声脉冲符合要求；或是到了规定的发射次数而仍无法达到要求，填写未完成检测标志后放弃此次检测，以免陷入无究循环。这些数据与已存储的波形数据一起，组成1#通道的一次检测记录。
然后，单片计算机(80)将各计数器清零或设置预置数，将各峰值检波器和积分器复位，将高速存储器(81)页地址加1，发控制码将高速存储器(81)的控制权转交给高速模数变换器。完成以上操作后，单片计算机(80)将通道码加1，发通道码，以下将由2#通道重复上述过程。
如此反复操作，完成第九个通道后，单片计算机(80)根据要求平均次数和以执行循环次数判别，是否需要重复上述过程。如已执行循环次数尚未达到规定平均次数，就将已执行循环次数加1，重新由第1通道起重复上述操作，直到完成规定次数为止。然后执行平均操作，得到各检测参数的平均值，写入检测记录。读入电源监测电路(91)上的电源状态数据后，连同系统设置数据，就准备好了全部检测记录。然后重新把系统设置到准备从第1通道开始检测的状态，等待地面下达的下一个命令。
待到传输筒以中断方式传来地面计算机的命令后，把该记录传给传输筒的计算机，再由它通过电缆传到地面计算机。实现上述过程的工作流程如图3-图9所示。
由图3-图9所示的流程可见，系统可以多种方式工作。按是否采集波形分类，可分为采集波形和不采集波形两类。采集波形并传上地面计算机，可得到较大的信息量，但传送波形很费时间，因而影响测井速度；不采集波形时则相反，信息量小，但测井速度可很高。此时，只须由地面计算机给井下单片计算机机(80)传下相应的命令，在图5的测井流程中改变″采集波形″标志，即可达到这一目的。
按接收子系统的增益控制方式，可采用地面命令方式或智能控制方式。智能控制方式可通过对希望得到的脉冲幅度范围进行判别的方法得到。如希望感兴趣区的波形幅度总保持在一定范围内，可由系统根据I界面I反射脉冲幅度适当调整程控衰减器950)和程控放大器(51)的设置，然后再发射一次，再检测，直到达到理想程度。适当设计调整策略。一般可在三次以内达到目的。为此，只需设置″智能控制方式″标志和相应幅度范围，即可由图8的″测量子流程″实现。
要求传送波形时，为压缩传送时间，可以采取变增益组合波形方式，即：先以较低的接收通道增益采集图2所示的前半段波形；再重新设置较高的接收通道增益；把高速存储器(81)的起始地址移动到同一页的稍后指定位置；重新设置选通门前沿发生器(44)的初值，这样即可得到变增益组合波形。为实现上目的，只需在图7的波形流程图中设置″定增益波形″标志和相应的增益调整值，闸门起始位置和宽度，存储器起始地址和采集点数等有关数据。
所有上述标志、数据均由地面计算机以数据表的形式在下行命令中传送。
本发明的特点在于它具有自动适应井下条件变化；既可进行实时测井，也可波形采集；可以用变增益方式压缩数据量，同时采集具有很大动态范围的信号等一系列优点。因而，本系统可以适用于比较复杂的地质情况，特别是薄油层条件下的测井工作。此时也能达到在相当高的测井速度下提供比较全面的数据。它既可用于I界面评价，套管测厚，也可用于II界面分析。
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明在做水泥胶结质量超声检测时的检测波形示意图。
图3为本发明的开电源后初始化流程图。
图4为本发明的深度中断服务流程图。
图5为本发明的测井流程图。
图6为本发明的实时数据测井流程图。
图7为本发明的波形采集测井流程图。
图8为本发明的测量子流程图。
图9为本发明的低速AD中断服务流程图。
现在结合上述各附图来进一步说明本发明的一个较佳的具体实施例。本发明主要由超声换能器(1)至(9)、去耦电路(21)至(29)、通道选择子系统(30)至(34)、时间电路子系统(40)至(48)、接收子系统(50)至(62)、高速模数变换器(70)、单片计算机子系统(80)至(82)和电源及电源监测子系统(90)至(91)等所组成。其中，采用超声换能器(1)-(9)的中心频率为900KHz，频带上限1250KHz。发射电路(11)-(19)是由9套高速VMOS管高压开关电路和LM6321高速缓冲器组成。高压电源的电压为380V。发射驱动(31)是一个产生脉冲宽度为0.55微秒的积分型单稳触发器。发射和接收通道选择器(32)和(33)均为模拟开关(74HC4066)。超声传播时间测量电路和选通门产生电路(40)-(46)由74HC244，74HC393，74HC03，74HC123，74HC74，74HC138，74HC139等集成电路组成。程控衰减器(50)是一个由CD4052型模拟开关控制的电阻网络，而程控放大器(51)是一个以MC1590由数模变换器(60)输出的电压控制。峰值检波器(55)和(59)都是由LM6321、充放电电容和结型场效应管组成的。积分电路与一般不同的是它有一个放电电路，每个发射周期都要将积分电容完全放电。高速模数变换器(70)由CA3318担任，其工作由5个74HC157HH 1个74HC244组成的双端口控制器控制，将其数据暂存在高速存储器(81)中。电源监测电路(91)是一个通过分压接到5V电源上的数模变换器。
作为单片计算机(80)选用了16位的高性能HCMOS微控制器，型号为INTEL公司的80C196。晶体振荡器(47)的频率选为10MHz，这样，它可直接提供时间计数器(43)、选通门的前沿发生器(44)和后沿发生器(46)以10MHz的时钟脉冲；经过分频器(48)的分频后，提供单片计算机(80)和高速模数变换器(70)以5MHz的时钟脉冲。单片计算机80C196没有内部ROM，访问外存储器最多为64K字或字节。程序存储在一片27C64型EPROM中。命令缓存和数据存储共用一片6264型高速RAM。单片计算机80C196内有一个8通道10bit低速模数变换器和众多的输入输出口。本系统使用了：
高速输出口HSO.0 接收允许信号，控制接收通道的输入；
模数变换器ACH0 接收零界面反射脉冲幅度，即峰值检波器(59)；
模数变换器ACH1 接收I界面I反射脉冲幅度；即峰值检波器(55)；
模数变换器ACH2 选通门内的积分值；即积分电路(56)；
模数变换器ACH7 出发启动模数变换器中断申请；
外中断申请EXINT 传输筒向本系统的中断申请。
单片计算机以何种方式和什么样的具体参数工作，依据的是地面计算机通过电缆和传输筒传下来的初始化文件。这是一个64字的命令集，其含义如表1所示。在表中，″工作方式″(序号2)除包含了前面提到过的实时方式和波形方式外，还增加了调试和维修用的几种工作方式和相应的单片计算机程序；通过给″二次波形起始位置″(序号8，9)赋值为0或不为0，可设置系统工作于定增益或变增益波形采集方式；自动调整幅度的4个限度(序号42-49)用于加速系统增益自动调整的速度。
上述系统在现场试验中，以5厘米的分辨率，每个截面作8次平均处理，作实时测井时或作波形采集时(包括定增益和变增益波形采集)均可达到750米/小时的测井速度。
表1 序号 含义 0，1 设备号 2 工作方式 3 通道号 4 平均次数 5 测量次数上限 6 波形采集点数 7 波形采集频率 8，9 二次波形记录起始位置 10，11 套管内径 12，13 超声脉冲重复频率上限 14，15 选通门1#起始时间 16，17 选通门1#宽度 18，19 选通门2#起始时间 20，21 选通门2#宽度 22，23 变增益增量 24-41 各个通道设定增益 42，43 自动调整幅度A限 44，45 自动调整幅度B限 46，47 自动调整幅度C限 48，49 自动调整幅度D限 50-63 备用