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　本文介紹激光二角測量法在套損檢測中的應(yīng)用，激光二角法的測量原理、結(jié)構(gòu)組成及ccD信號采集。提出雙層4探頭交義測量方法對套竹內(nèi)壁腐蝕缺陷的檢測，實(shí)現(xiàn)了單探頭單通道測量，通過數(shù)據(jù)處理判斷腐蝕缺陷的位置和深度。

　　1引言

　　隨著油田的深入開發(fā)和受地下高溫、高壓、高礦化度等自然因素的影響以及增注、增產(chǎn)措施的實(shí)施，套管損壞井?dāng)?shù)逐年增多，套管損壞的程度也越來越嚴(yán)重，因此對套損內(nèi)壁腐蝕的測量越來越重要。套管內(nèi)壁缺陷的測量是一種短距離、高精度的測量。目前國內(nèi)對套管內(nèi)徑尺寸的測量方法多數(shù)以接觸式測量為主。本文通過分析激光測量原理，結(jié)合半導(dǎo)體激光準(zhǔn)直技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)等，提出一種非接觸式激光測量方法——激光三角法測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對套管內(nèi)徑尺寸變化大小進(jìn)行快速、無損、高精度的測量。

　　2 測量系統(tǒng)原理及組成

　　2.1 激光三角法測距原理

　　激光測距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等。

　　隨著激光器及一系列光電探測器(如CCD和PSD)技術(shù)的成熟，激光三角測量法在物體外形輪廓、微小位移、精密檢測技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其方法是用一束激光照射到被測物體上產(chǎn)生光斑，由物體表面散射或反射的光經(jīng)過透鏡將光斑成像在焦平面上，焦平面上放置位置敏感器件。當(dāng)物體移動(dòng)或用光束掃描物體外形輪廓時(shí)，光斑位置發(fā)生移動(dòng)，其位于焦平面附近的像相應(yīng)的發(fā)生位置變化，通過圖像傳感器件(CCD)求出物體的位移量或其外形輪廓。激光三角法測距原理如圖 1 所示。

　    讓激光垂直照射到被測物面標(biāo)樣的表面，光束照在 A 點(diǎn)，反射到 CCD 光敏面上的 點(diǎn)，A 點(diǎn)反射到CCD 光敏面上的 點(diǎn)，當(dāng)所測距離 Y 不同時(shí)， 反映在光敏器件上的光點(diǎn)像位置 X 也隨之不同，根據(jù)圖 1 所示三角關(guān)系和牛頓物像關(guān)系公式，可得兩者之間的關(guān)系為：

　　式中：

　　Y為被測距離；

　　f為成像系統(tǒng)焦距；

　　l為激光發(fā)射口到成像系統(tǒng)中心的距離，即基線長度；

　　L為某一已知距離，通常取光敏面接收器中心對應(yīng)的距離，即基準(zhǔn)距離；

　　X為該被測距離在光敏接收器上與已知距離在光敏接收器上像點(diǎn)的距離，有正負(fù)之分。

　　2.2 測量系統(tǒng)組成

　　測量系統(tǒng)包括井口設(shè)備、井下設(shè)備和信號處理 3個(gè)部分。測量系統(tǒng)如圖 2 所示。

2.2.1 井口

　　設(shè)備包括升降及位置記錄器。為了能夠保證激光探頭順利下入套管及勻速上升， 本系統(tǒng)采用電動(dòng)絞車作為升降設(shè)備，對套管內(nèi)徑測量是自下而上進(jìn)行測量。為得到清晰的位置圖像， 步進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)該勻速運(yùn)動(dòng)上升，其速度必須和掃描速度保持一致。影響分辨率的主要原因是電機(jī)轉(zhuǎn)速。雖然電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)可節(jié)省測量時(shí)間， 但因掃描間隔相應(yīng)增大， 儀器分辨率將下降。通過電機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間的關(guān)系分析可得出套管套損的位置。

　　2.2.2 井下設(shè)備

　　包括扶正器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、激光器、透鏡和圖像傳感器等。

　　(1)扶正器：考慮到儀器的安裝及定位，要選擇扶正器作為輔助設(shè)備能提高套管測量的精度。儀器進(jìn)入套管時(shí)偏離套管中心位置，是產(chǎn)生誤差的主要因素之一。使用扶正器對激光測量機(jī)構(gòu)采取必要的扶正，不僅能夠保證激光探頭順利下入套管，還可保證激光探頭位于中心位置，而且能提高測量精度，確保測量的準(zhǔn)確性。

　　(2)旋轉(zhuǎn)電機(jī)：為了對套管內(nèi)壁全面檢測，采用螺旋式檢測法，采用升降與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步工作方法。控制提升速度及旋轉(zhuǎn)角速度，即可滿足從點(diǎn)腐蝕到面腐蝕的檢測，達(dá)到套管內(nèi)壁腐蝕的全面檢測。

　　(3)激光器：由于 CCD 器件的光譜響應(yīng)范圍為400~1100nm，峰值響應(yīng)波長約 900nm。激光二極管發(fā)出的激光波長為 650~900nm，其光譜響應(yīng)靈敏度很接近于 CCD 峰值響應(yīng)波長的光譜靈敏度， 而且體積小，功率穩(wěn)定，使用方便。激光二極管工作電壓為 12V，輸出功率為 5mV。

　　(4)透鏡：要保證對目標(biāo)距離檢測探測精度，透鏡焦距應(yīng)該盡量取較大的值，但在探測器總體尺寸要求較小的情況下，接收透鏡焦距不可能取任意大的值。這種情況下，更適合用棱鏡將光路折射或者將光路反射在棱鏡中。在需要校正的像差允許范圍的條件下，接收透鏡采用雙膠合物鏡。

       (5)圖像傳感器(CCD)：為提高套損檢測精度，圖像傳感器應(yīng)具有較高的空間分辨能力。選用東芝公司的線陣 CCD 圖像傳感器(TCD1206)，這是一種高靈敏度、低暗電流、2160 象元的線陣 CCD 器件，其內(nèi)部信號預(yù)處理電路包含采樣保持和輸出預(yù)放大電路。CCD 驅(qū)動(dòng)采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù) TCD1206 驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖，是 89C51P1 口輸出數(shù)值，經(jīng)CMOS邏輯器件 74hc04反向驅(qū)動(dòng)器即可滿足 CCD 驅(qū)動(dòng)條件。

　　2.2.3 信號處理系統(tǒng)

　　由于信號在傳輸過程中易受各種噪聲或信號弱等因素的影響。在本方案中提出了運(yùn)用以下方式處理信號。信號處理系統(tǒng)流程如圖 3 所示。

　　在硬件電路的基礎(chǔ)上，利用高速單片機(jī)處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和結(jié)果的顯示功能。該系統(tǒng)在激光三角法測距的基礎(chǔ)上，采用了單片機(jī)直接脈沖計(jì)數(shù)方法對套管的內(nèi)部腐蝕缺陷進(jìn)行判斷。即簡化了硬件電路，又能提高數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè) t=0 時(shí)，掃描 CCD 器件中心象元的脈沖 N0，當(dāng)測量系統(tǒng)啟動(dòng)后，如有缺陷則計(jì)數(shù)為 N，可得：

　　式中：為光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向放大倍數(shù)；為CCD兩相鄰象元的中心距； 為套管的缺陷深度。

　　本文為14 m，N0是由 CCD 積分時(shí)間內(nèi)脈沖產(chǎn)生的個(gè)數(shù)決定的為 N/2。

　　測量系統(tǒng)軟件總程序由 Visual Basic6.0 軟件開發(fā)，包括上位機(jī)和下位機(jī)的通信程序、延時(shí)子程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序，其中數(shù)據(jù)處理子程序又包括數(shù)據(jù)大小判斷和圖像位置確定。

       在實(shí)驗(yàn)室有限條件下，實(shí)現(xiàn)了單通道、單激光探頭進(jìn)行套損的檢測，測量精度可達(dá) 0.05mm，試驗(yàn)表明，用激光測量法對在役套管的內(nèi)壁腐蝕測量是可行的。雙層 4 激光探頭交叉測量方法可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)對套管內(nèi)壁腐蝕的檢測。4 探頭安裝位置采用 4 象限制同層探頭相差 90°，雙層 4 探頭安裝后可以提高檢測速度，有效地減小漏檢率。