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基于编码器的石油套管超声探伤系统探头随动控制实现张让勇1 ，孙祥1，孟庆龙1，王贝2（1.山东省计算中心网络重点实验室，山东济南 250014； 2.山东省科学院激光研究所，山东济宁 272017）E-mail: zhangry@摘要：根据钢管超声探伤系统对于超声探头实时随动控制的实际功能要求和现场安装情况，采用编码器和到位开关，通过程序控制，实现了钢管超声探伤系统探头相对于钢管运动的随动控制功能，减小了钢管超声探伤系统探测盲区，保证了钢管超声探伤系统的探伤精度和提高了探伤效率。
关键词：随动控制，石油套管超声探伤，编码器Realization of Probe tracking servo control on the Steel pipe ultrasonic flaw detection system based on encoderZhang Rangyong1、Sun Xiang1、Meng Qinglong1、Wangbei2（1.Shandong Provincial Key Laboratory of Computer Network, Shandong Computer Science Center, Jinan 250014；2.Shandong Province Institute of Laser Technique,jining 272017）E-mail: zhangry@Abstract: According to the steel pipe ultrasonic inspection system for ultrasound probe with a real-time control of the actual functional requirements and site installation, the encoder and the place switch through program control steel pipe ultrasonic flaw detection system for steel pipe movement of the probe relative to the tracking servo control function, decreasing the steel pipe ultrasonic inspection system’s detection blind zone, ensure the accuracy of testing steel pipe ultrasonic flaw detection system and improving the inspection efficiency. Key words: Tracking servo control, the Steel pipe ultrasonic flaw detection system, Encoder1、引言：超声检测技术的应用始于20 世纪60 年代,目前已广泛应用于医学超声成像领域。
基于应力波法的套筒灌浆密实度检测及套筒接头受力性能研究摘 要装配式混凝土结构将传统的湿作业施工转变为工厂内标准化生产和现场集成拼装施工，能够有效降低污染、节约成本、缩短工期和提高工程质量。
在选用可靠的连接技术的基础上，通过合理的连接节点，将预制构件连接成整体，达到与现浇建筑等同的性能，因此预制构件之间的连接点成为了影响建筑物整体性能最主要的因素。
目前，钢筋套筒灌浆节点连接技术运用最为成熟。
但在实际的现场施工中，由于操作不当，往往会造成套筒内灌浆不密实，影响连接的力学性能，进而增加了建筑物的安全隐患。
同时，由于套筒灌浆施工属于隐蔽工程，灌浆缺陷难以检测。
因此套筒灌浆密实度的判别尤为重要。
本文以预制梁中的水平连接灌浆套筒为对象，提出基于压电原理的套筒灌浆密实度检测技术，并分析密实度对套筒接头受力性能的影响。
主要完成了以下工作：（1）建立套筒专用灌浆料本构模型。
开展灌浆料的抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、和静力受压弹性模量试验。
试验研究了灌浆料的破坏形态、峰值应力、峰值应变和弹性模量，推导了灌浆料受压和受拉应力-应变曲线计算公式，为建立套筒及接头有限元模型提供参数，为开展接头受力性能分析奠定基础。
（2）应力波法检测套筒灌浆密实度。
研发压电陶瓷（Lead zirconate titanate，PZT）传感器，对5种不同灌浆水平（0%、30%、50%、70%、100%）的水平钢筋套筒灌浆连接接头进行密实度的检测，提出以小波包总能量和希尔伯特能量峰值归一化处理获得的损伤指标CI表征套筒灌浆的不饱满程度。
通过对比研究，发现希尔伯特能量峰值的CI值下降斜率大于小波包总能量值，并且无需考虑基底函数和分解层数，因此，可选择希尔伯特黄变换对信号进行处理。
在试验的基础上，建立压电陶瓷与套筒灌浆接头的机-电数值模型，揭示了应力波在试件内部的传播机理，建立了密实度与损伤指标之间的关联性。
（3）研究灌浆密实度对钢筋套筒灌浆接头受力性能的影响。
套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析1. 引言1.1 背景介绍套管膨胀不均匀变形是指套管在受到内部或外部压力作用时, 由于受力不均匀或材料性能不均匀等原因，导致套管在膨胀过程中发生变形。
这种变形一旦发生，会严重影响套管的完整性和稳定性，引发诸多安全隐患。
在井下作业中，套管承担着重要的支撑和封隔作用，一旦套管膨胀不均匀变形可能导致井下设备损坏、流体泄漏、井眼崩塌等严重事故。
研究套管膨胀不均匀变形及其对井下作业造成的危害，对提高井下作业安全性和效率具有重要意义。
本实验旨在通过模拟套管膨胀不均匀变形过程，分析其引起的危害并提出有效的防范措施，为井下作业安全保障提供参考。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探究套管膨胀不均匀变形对井下作业的危害，并为制定相应的防范措施提供科学依据。
通过实验数据的收集和分析，我们可以全面了解套管膨胀不均匀变形的机理及其对井下作业的影响程度，从而及时发现问题并加以解决。
通过研究，我们还可以揭示套管膨胀不均匀变形的规律性，为今后的工程设计和作业提供参考。
通过分析套管膨胀不均匀变形对井下作业的实际危害，我们可以制定更为科学有效的防范措施，以保障井下作业人员的安全，维护油气勘探开发的顺利进行。
本文旨在通过开展套管膨胀不均匀变形实验及其对井下作业造成的危害分析，为相关领域的研究工作提供参考，并促进油气行业的可持续发展。
2. 正文2.1 实验设计实验设计是整个实验研究的核心部分，其合理性和科学性直接影响到实验的结果和结论的可靠性。
在本次套管膨胀不均匀变形实验中，我们首先确定了两种不同类型的套管材料作为实验材料，分别为钢套管和塑料套管。
钢套管具有良好的机械性能和耐高温性能，是油气井中常用的套管材料，而塑料套管则主要用于一些特殊环境下的井下作业。
我们选择这两种不同的材料进行实验，旨在比较它们在膨胀过程中的变形情况以及对井下作业的影响。
实验设计包括确定实验参数、搭建实验装置、设计实验方案等内容。
套管损坏测井方法及建议用于检测套管损伤变形的测井方法有常规的机械、声波、放射性、光学、电测等方法。
1、机械方法：井径仪（X-Y，12、16、18、36、40、60臂等）2、声波方法：井壁超声波成像测井仪3、放射性方法：伽马-伽马测井仪4、光学方法：井下摄像电视测井仪5、电磁方法：接箍定位器、管子分析仪、电磁探伤测井仪用机械、声波、光学、放射性等方法只能检测单层套管的变化和套损，不能检查多层套管的腐蚀和厚度变化的情况：有的仪器外径大，使用受到限制；并且井壁超声波成像和井下电视摄像测井还受井内的介质影响。
电磁探伤仪测井技术成功低解决了在油管内探测套管的厚度、腐蚀、变形破裂等问题，可准确指示井下管柱结构、工具位置，并能探测套管以外的铁磁性物质。
电磁法测井电磁法检测是利用套管和油管在电磁总用下呈现出来的电学和磁学性质，根据电磁感应原理来检测井下套管的技术状况。
电磁法检测可确定套管的厚度、裂缝、变形、错段、内外臂腐蚀及射孔质量。
电磁检测仪是一种无损、非接触式的仪器，它不受井内液体、套管积垢、结腊及井壁附着物的影响，测量精度较高。
同时，电磁检测仪可以检测到套管外层管柱的缺陷。
由于电磁法检测有其独特的优点，因此成为当前最广泛应用的套管损坏检测技术之一。
套损监测工作流程多种测井方法组合测井为了能够准确找到套管漏失位置，节约测试时间，采用双示踪与氧活化多种测井技术相结合的方法来确定套管漏失位置。
具体方法如下：采用双示踪测井仪测量全井基线带流量确定油管是否有漏失，如果油管未有漏失，用双示踪测井仪在各级配水器上释放液体示踪剂I131进行连续相关测试，通过测井仪对液体源的跟踪记录确定流体在油管及环套空间内的走向，判定各级封隔器的密封情况、吸水层的吸水情况及套管漏失的大概位置，测量全井基线时带流量已确定油管未有漏失，用双示踪测井仪测量同位素时可以不用在井口投源，而是在第一级配水器上50m左右定点释放固体源I131（节约测试时间），测井仪对固体源走向反复跟踪记录，通过双示踪测井仪测得的连续相关与同位素资料相结合通常可以确定套管漏失位置，但如果套管漏失点在井口附近或距离射孔层较远，放射源随流体在环套空间走的距离过长，导致放射源强度衰减严重，很难确定套管漏失位置，针对此类情况加测氧活化，结合双示踪测井资料定点进行氧活化测试，可以准确确定套管漏失位置（单纯采用氧活化测井，操作人员对流体流向没有一个直观认识，很难确定套管漏失位置）；如果油管有漏失，放源位置在油管漏失点上50m左右定点放源即可，接下来操作同上。
管波探测法原理1、管波探测法的工作装置根据波动传播空间的不同，将弹性波分为体波和面波两类。
体波包括横波、纵波等，在无限或半空间中传播。
面波包括瑞利波、斯通莱波、勒夫波等，仅在波阻抗差异界面附近传播。
当相互接触的两种介质一种是流体另一种是固体时，流体的振动会在两种介质的分界面附近产生沿界面传播的面波，此面波称之为广义瑞利波。
在充满液体的孔内及孔壁上，沿钻孔轴向传播的广义瑞利波，称作管波。
常见的管波有两种类型：斯通莱波和准瑞利波（或称伪瑞利波）。
斯通莱波（也被译为是斯通利波）由Stoneley在1924年首次发现。
管波探测法使用的管波实际为斯通莱波。
管波频率范围在100Hz～5000Hz内，现有设备接收到的直达、反射管波的中心频率约为700Hz。
管波探测技术采用一发一收、收发距固定的单孔探测装置。
如图A.1所示，把发射换能器和接收换能器以固定距离置于同一个钻孔中，发射换能器S发射一定频率的的脉冲信图1 管波探测法的探测装置号，在孔液和孔壁分界面产生管波，管波沿钻孔轴向传播，遇到波阻抗差异界面发生反射，传播至接收换能器R时被接收，最终由管波探测仪主机存储并显示。
将发射换能器S和接收换能器R以固定间距移动，逐点采集不同深度的数据，并将采集的波形记录按深度排列，得到管波探测的时间剖面。
通过分析时间剖面信号直达波和反射波的波速、振幅、频率等参数性质，推断出钻孔周围不良地质体的分布情况或基桩完整性情况。
2、管波传播特性（1）管波的质点运动规律与能量分布。
斯通莱波沿钻孔的轴向传播，具有前推式质点运动轨迹，质点运动轨迹为椭圆。
见图2。
图中R-钻孔半径；其径向位移是连续的，在井壁处最大，在井壁外呈指数衰减。
其轴向位移不连续，孔液中最大，在井壁外呈指数衰减。
根据研究，管波能量集中在以钻孔中心为中心，半径为1.5个波长的范围内。
且绝大部分能量集中在半波长内。
（2）管波传播过程的能量衰减和频率变化。
管波在沿钻孔轴向传播过程中，能量衰减慢、频率变化小。
磁化套管磁场分布规律研究与测试
潘向阳;胡少兵;陈雪菲;白敏;邓桥
【期刊名称】《石油和化工设备》
【年(卷),期】2024(27)2
【摘要】本文建立地磁场中套管磁化理论模型,并使用多物理场软件对所建模型进行有限元分析。
可见,套管被磁化后周围磁场分布异于地磁场,其水平磁场的极大值出现在磁北磁南方向上,极小值出现在磁东磁西方向上,且其周围磁干扰现象会随着与套管距离的增加而逐渐减弱。
采用高为3m的Φ140mm套管对磁场模型进行实验验证,发现具有较好的吻合性,当套管相对方位角一定时,与套管相对距离1m以内磁干扰幅度较大,1m~1.8m磁干扰幅度减弱,在1.8m后磁干扰基本消失。
【总页数】5页(P107-111)
【作者】潘向阳;胡少兵;陈雪菲;白敏;邓桥
【作者单位】长江大学地球物理与石油资源学院;长江大学石油工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G63
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SBT探头与套管波实验研究
作者：张智勇
来源：《科技创新与应用》2014年第21期
摘要：SBT声波测井的声源不在井轴，靠近井壁，其激发的声场是三维声场，需要利用偏心声源激发的声波在套管井中的传播规律。
主要探测井轴圆周方向水泥胶结的不均匀性。
由于套管的内径比较小、管壁比较薄，不同频率的声波在其中传播时波长与此接近，所以，其声波传播特征比较复杂，不能够简单地应用几何声学、平面波的特征进行研究。
文章用实验的方法对SBT探头进行了研究。
用不同源距的测量波形区分了不同探头所激发的声波波形特征，确定了套管波和液体波及其它波。
探讨了套管波与液体波在测量波形中的差别。
以套管波测量为主要目的，指出了用SBT探头激发套管波所存在的问题。
关键词：扇区；声波测井；探头；频率
1 概述
SBT声波测井已经在油田服务多年，其测量结果能够以图象的方式直观地显示圆周方向上水泥胶结的不均匀性，能够为油田勘探开发提供比较准确的固井胶结信息。
随着该技术的推广应用，普及该技术的市场条件正在成熟。
该项技术包括电子线路、软件和探头。
探头与测井方法紧密相连，是该项技术的核心。
用什么样的探头实现圆周方向固井胶结质量的探测呢？需要考虑探头的结构、激发方式和频率。
由于是在井内测量，井筒对声波频率有很强的过滤效应，所以不同频率的声波在井中的传播特征有很大差别。
固井质量检测所使用的声波是套管波：其传播速度比钢的纵波速度稍慢，主要沿套管传播。
普通变密度测井仪器，用单极子探头发射、接收，频率在20kHz附近，能够在套管井中激发出幅度比较大的套管波。
由于各种变密度测井仪器的探头结构有差别、压电晶体有一定的离散性，发射出的声波的主频和带宽有较大的差别；导致不同的仪器在自由套管中测量的套管波幅度不一样，最后通过刻度将这些差别进行统一。
井眼条件改变，井深增加，井内温度、压力增加后，探头的力学条件发生变化，激发的声波频率也随之改变。
当激发声波的频率偏离套管波的固有频率范围后，套管波幅度减小，当激发声波频率完全离开套管波的固有频率范围时，套管波幅度接近于零。
这时，固井变密度测井仪器测量不到固井胶结信息。
这是目前固井变密度测井所遇到的主要问题之一。
同样，SBT探头也必须保证在井中所激发和测量的声波是套管波。
2 发射探头骨架实验
用铝筒模拟套管，用六面形的呢绒骨架安装宽的压电片，这样，压电片距离筒壁比较近。
发射、接收探头均采用相同的结构。
发射探头固定、等距离移动接收探头后所测量的波形前面部分放大，在近源距时，所测量的波形中首波是以液体的速度传播的，简称液体波；随着源距的增加，在接收波形中可以看到明显的以套管波速度传播的声波。
该波的振动周期比较多，开始时其幅度比较小。
与液体波的幅度相比，套管波的幅度比较小。
发射装置不变，将接收探头换成长8cm的压电长条，不用骨架支撑，自由状态于管壁进行接收，移动接收探头测量波形。
由于接收探头本身比较长（8cm），所以，在其与发射探头重叠的一段距离内，接收到的波形幅度很大，波形形状基本不变，随着离接收探头的距离的增加，波形中，以套管波速度传播的声波逐渐与其它波分开。
由于接收探头没有固体支架支撑，接收到的波形形状很不规则。
将发射探头的支撑骨架去掉，发射和接收均为自由状态时，移动接收探头接收得到波形。
从波形中可以看到：测量的波形中既没有以套管波速度传播的声波，也没有以液体的速度传播的声波，所测量波形的传播速度介于套管波与液体波的速度之间，更接近于液体的声速。
以上实验结果可以肯定两点：用非金属骨架有利于套管波的激发和接收。
所以，实际使用的声波测井仪器，发射、接收探头需要用一定的非金属骨架进行支撑；发射、接收探头处于完全自由状态时，接收到的波形中以反应液体特征的声波为主，无法测量到固井质量检测所需要的套管波。
3 不同套管尺寸的套管波实验
在呢绒材料上开个比较深的槽将压电晶体探头固定在里边做成发射探头和接收探头，将发射、接收探头分别放在直径不同的铁筒和铝筒中进行实验。
3.1 铝管中的实验
发射与接收探头的起始源距为11cm，发射探头固定，接收探头每次向上移动4mm采集一次波形，一共采集50组波形。
从波形中的得到，套管波位于0.1ms附近，频率比较高，随着源距的增加，幅度变化比较大，在140-200mm位置幅度比较大，在260mm以上，首波幅度比较小，主要分布的0.15ms位置。
液体波的频率比较低，幅度比较大，位于波形的后面。
3.2 钢管中的实验
在钢管中进行实验，探头之间的起始源距为20cm，固定发射探头、移动接收探头，每次向上移8mm采集一次波形，共采集50组波形。
测量的波形中，没有以套管波速度传播的声波。
从上述两个实验可以看到：当铝管直径小、当探头距离管壁很近时，用压电片组装的探头可以激发出频率比较高的套管波，其波形位于波形的最前面，传播速度略低于钢的纵波速度。
但是，当钢管的直径比较大，探头距离管壁比较远时，用压电片组装的探头激发的声波频率介于套管波和液体波之间，速度接近于液体声速。
以套管波速度传播的声波幅度很小。
4 套管波的激发与测量
以上实验所用的探头均是用独立的小的压电片制作，对单个压电片激发，骨架仅仅起到一个支撑作用，将压电片子推到靠近井壁附近的位置，压电片自身以接近自由振动的方式，没有力学边界的影响，其谐振频率完全是压电片接近自由状态下的固有频率，该频率在自由套管中激发不出套管波或者激发的套管波幅度很小，没有办法进行测量。
为了在自由套管中激发出固井质量检测所需要的套管波，必须改变激发探头的频率。
即改变探头的振动系统。
对于SBT探头来讲，即改变压电片的力学边界条件，对压电片的振动模态进行限制。
为此，我们将八个压电片粘接成一个圆筒，直径为6cm，使压电片的振动受到限制。
粘接时八个压电陶瓷片中间的胶层与压电片子的宽度接近，间隙均匀。
将八个压电片的其中一个用电激发，将带深槽呢绒材料固定的探头作为接收探头，在铁筒中进行实验。
起始源距为180mm，源距每次移动8mm采集一次波形数据，得到原始波形仍然没有明显的以套管波速度传播的声波。
以上实验中发射探头压电片和接收探头压电片不在一个方位角上，将两者调整到一个方位角上后再进行实验。
发射和接收探头之间的起始源距为180mm，每次移动8mm采集一个波形。
直线所表示的套管波的幅度很小，另外，波形的振动周期比较多，这说明：发射、接收探头的Q值均很大（对声波测井不利，是测井尽量避免的）。
为了减小接收探头的Q值并且降低接收探头的频率，我们选择了普通声波测井常用的压电晶体管（八条切向极化，接收没有指向性），而发射探头仍采用粘接成圆筒后八个压电片中的一个。
将两者放到铁筒中进行实验，得到波形中有两条直线，分别表示以液体速度传播和以钢的纵波速度传播的声波。
在源距大于500mm以后，首波是套管波，其传播速度与钢的纵波速度接近。
但是，幅度衰减很快。
为了进一步确定套管波的特征，我们加长源距后（起始源距限定在400mm，每次移动8mm）又进行了测量。
测量波形中，液体或者与液体速度接近的声波的幅度很大，而与纵波速度接近的套管波的幅度仍然很小。
5 分析与讨论
声波测井用套管波来测量套管外的水泥胶结情况。
SBT测井通过偏心激发和接收来测量套管外圆周方向上的水泥胶结不均匀性。
其核心部分是如何激发出幅度比较大的套管波。
本实验肯定了：如果发射、接收片紧紧靠着套管壁，则可以激发出幅度比较大的套管波。
但是，这种方案现实中不能够实现。
发射或接收探头离管壁稍远套管波幅度急剧下降。
剩下幅度比较大的波，其传播速度与液体声速接近。
用细的铝管实验表明：发射探头在铝管中激发的套管波的频率比液体波和其它传播速度与液体接近的声波的频率高。
该结果说明：同一个发射探头，在相同激励情况下，套管波与液体波的频率是有差别的，波阻抗越高，激发声波的频率越高。
将压电片子粘接成圆筒后的实验使我们认识到：改变压电片子的力学边界条件有利于套管波的激发。
改变接收探头可以测量到我们所需要的套管波。
但是，源距太远时，套管波幅度比较小。
另外，用压电片子作探头，力学边界条件应该加强，以减小整个探头的Q值。
SBT探头设计是该仪器制作的一个关键环节。
本实验结果肯定了：完成固井质量检测所需要的套管波的测量，压电片子紧边界是一个比较好的选择。
参考文献
[1]沈永进，余翔宇，杜黎君，等，扇区水泥胶结测井仪实验研究[J].声学技术，2011，30（5）.
[2]沈建国.声波测井原理与技术[M].北京：石油工业出版社，2009.
作者简介：张智勇（1979，12-），男，湖北武汉人，高级工程师，2001年毕业于西南石油大学应用地球物理专业，本科学历，中国石油大学（华东）地质工程专业在职研究生在读，现在中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司从事外部测井市场管理和技术工作。
