[发明专利]一种检测套管外水泥与套管间裂隙宽度的系统及方法

权利要求书

1.一种基于套管外水泥与套管间裂隙宽度检测系统的检测方法，该系统包括数据处理终端(1)、数据采集装置(2)和现场施工模拟装置(3)：

所述数据采集装置(2)包括控制模块(201)、旋转机构(202)、升降机构(203)、超声波模组(204)和连杆(205)；所述控制模块(201)分别与数据处理终端(1)和超声波模组(204)电连接，用于将超声波模组(204)采集的数据发送给数据处理终端进行裂隙宽度分析；所述旋转机构(202)、升降机构(203)均通过齿轮与连杆(205)连接，并与控制模块(201)电连接，用于在控制模块(201)的控制下驱动连杆(205)轴向旋转以及上下移动；所述超声波模组(204)设置在现场施工模拟装置(3)内并与连杆(205)的下端固定连接，用于检测套管外水泥与套管间裂隙宽度；

所述数据处理终端(1)用于设定超声波的发射频率和发射周期，向数据采集装置(2)发送控制指令进而调节旋转机构(202)和升降机构(203)的转动和升降运动来设定检测位置和检测方位角，并根据数据采集装置(2)采集上传的波形数据进行快速傅里叶变换得到反射波频谱，同时利用反射波在套管共振透视窗内的频谱信息建立反演函数并采用改进差分进化算法搜索得到套管外水泥与套管间裂隙宽度；

所述现场施工模拟装置(3)包括模型容器(310)和容器顶盖(320)，所述模型容器(310)内由内向外同轴设有套管(311)和地层环(313)，所述套管(311)与地层环(313)之间浇筑固井水泥形成水泥环(312)；所述容器顶盖(320)边缘通过螺栓与模型容器(310)固定连接，容器顶盖(320)的中部设有一与套管(311)同轴的第一通孔，所述连杆(205)的下端穿过第一通孔伸入套管(311)内；所述第一通孔外设有电机支架(330)，所述旋转机构(202)、升降机构(203)均设置在电机支架(330)上并通过齿轮与连杆(205)连接；

所述电机支架(330)包括与容器顶盖(320)固定连接的固定底座(331)和升降套筒(332)；所述固定底座(331)上设有与第一通孔同尺寸的第二通孔，所述升降套筒(332)的外壁与第一通孔和第二通孔组成的通道滑动连接，所述连杆(205)设置在升降套筒(332)内部并与升降套筒(332)滑动连接；所述升降套筒(332)的上端沿套筒径向向外设有突出部(333)；

所述升降机构(203)为一设置在固定底座(331)上的第一步进电机，通过齿轮驱动升降套筒(332)上下移动；所述旋转机构(202)包括一设置在突出部(333)上的第二步进电机、与第二步进电机连接的旋转主动齿轮和与连杆(205)的上端固定连接的旋转从动齿轮，所述第二步进电机通过相互配合的旋转主动齿轮和旋转从动齿轮，在控制模块(201)的控制下驱动连杆(205)轴向旋转；

所述超声波模组(204)包括超声波发射探头和超声波接收探头；

所述控制模块(201)包括：控制器、电机驱动电路、滤波整形电路、脉冲驱动电路和触摸屏；所述控制器内设有控制单元以及I/O输出接口、12位AD接口、PWM输出接口、USB接口和LCD接口；所述电机驱动电路通过PWM输出接口接收控制单元的电机驱动信号，进而控制旋转机构(202)、升降机构(203)工作；所述脉冲驱动电路通过I/O输出接口与控制单元连接，控制超声波发射探头工作；所述滤波整形电路接收超声波接收探头上传的超声波信号，并通过12位AD接口将滤波后的超声波信号发送给控制单元；所述触摸屏通过LCD接口与控制单元连接；所述控制单元通过接入USB接口的USB数据总线与数据处理终端(1)进行数据交互；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，将待测模型的已知参数输入到数据处理终端中，并设定超声波的发射频率和发射周期；然后将待测模型放入模型容器中，在套管中注满液体，盖上模型容器顶盖，通过数据处理终端调节轴向旋转步进电机和升降步进电机的转动和升降运动来设定检测位置和检测方位角；

步骤2，通过数据采集装置的控制模块驱动超声波模组发射超声波和采集反射回波信号，将每次采集到的回波信号经过滤波放大，然后进行高速采集，最后将采集到的波形数据通过USB数据线传给数据处理终端；

步骤3，利用反射波在套管共振透视窗内的频谱信息建立反演函数J(d₂，d₃，d_m)：

其中，ω为超声波谐波频率，d₂为套管厚度，d₃为套管-水泥环缝隙宽度，d_m为套管-地层环间距，R^*(ω)为数据处理终端对回波的波形数据进行快速傅里叶变换后得到的反射波频谱，R(ω，d₂，d₃，d_m)为估计模型计算的反射波频谱；

步骤4，采用改进差分进化算法搜索d₂、d₃、d_m的值使得公式5的值达到最小，这时搜索出d₂、d₃、d_m的值与待测模型的未知参数的值最接近，从而得到套管-水泥环缝隙宽度d₃。