井下前视声波成像系统及电路设计

　　1 引言

　　在油田生产中，油井的套管由于受力而引起的变形和损坏对油田造成的损失越来越大。现有的对套管的检测局限于下井仪器周向的测量，如井径测量和井下声电视等。但变形严重的套管或井下落物将直接导致原有的套管检测仪器无法下放到检测位置，从而无法得到套损的情况。因此，对套损井进行准确的前视成像检测并采取必要防范和补救措施对于保障油井安全、节约能源、提高油气采收率都具有重要意义[1]。

　　本文提出了一种用于监测套管井状态、套管内异物状态的前视声波扫描成像系统的设计方案，详细介绍了该系统的构造以及井下电子电路的功能。在电子电路部分，本系统将FPGA+DSP+AD的框架应用于套管井检测，完成了对超声回波的高速采样以及数字信号处理，在使用该系统进行的模拟井下环境的实验中得到了满意的结果。

　　本系统采用相控阵超声波扫描技术对仪器的前方进行成像测量。采用的一维线阵声波换能器如图1所示。相控阵探头由多个阵元组成，使用时按照预定的规则和时序分别激发各个阵元，即在不同的时间内相继激发探头中的多个阵元，每个激发阵元发射的超声波束相互干涉叠加，形成波束，波束的形状、偏转角度等可通过调整激发阵元的数量、时间来控制[2]。通过对各个阵元实施不同的延时控制实现声束偏转，从而得到列阵下方的截面像。

　　2 系统构造

　　前视声波扫描成像检测仪由井下系统和地面系统两部分组成，两者之间通过测井电缆进行通讯。地面系统由主控计算机和地面通讯系统两部分组成，进行命令的编码下传，解码来自井下的数据，并进行处理、存储、成图。井下系统由声系短节、电子短节和通讯短节三部分组成，图2是井下前视相控声波成像检测仪的结构简图。

　　声系短节内安置相控声波成像检测仪的核心部件—16阵元的线阵式超声换能器及其附带的机械转动机构，负责声波信号的发射与接收。电子短节由超声发射接收电路、波束形成电路、数据采集电路、信号处理电路及控制电路等构成。通讯短节由编、解码器及遥传电路组成，完成地面与井下系统间命令的接收、解码及井下数据的上传。

　　3 井下电子电路系统

　　井下电路部分的主要功能有：与地面PC通讯，控制发射电路激励超声探头，AD采集，对采集得到的波形信号进行叠加、插值等运算，最后得到仪器前方的扫描像[3]。

　　本系统采用FPGA(现场可编程门阵列)作为电路的控制核心，通过FPGA逻辑控制探头各阵元发射延时、AD采集、数据存取等。选取的芯片是Altera公司的Cyclone系列EP1C6Q240型号芯片，该芯片的工作频率为100MHz，具有丰富的I/O端口，满足与电路其他模块接口的需要，能够快速地对电路的其他模块进行时序控制[4]。