一种超声测井仪器运动轨迹定位方法及系统

本发明涉及充液管柱测量，尤其涉及一种超声测井仪器运动轨迹定位方法及系统。

背景技术：

1、充液管柱(如油井套管、油气管道、给排水管道、化工管道等)作为一种工业装置被用于各类液体的运输，在多个行业中发挥着关键作用。受到管内流体特性、管外环境条件、安装和管柱老化等因素的影响，充液管柱会发生变形、腐蚀和磨损等问题，危害生产安全。因此，需要对不规则充液管柱，特别是极端环境(如地下、海底、高温高压环境等)中的不规则充液管柱定期检测，以确保系统安全和可靠运行。但实际测量环境复杂，管柱变形、仪器自重、居中器的不当使用、管内流体性质变化等多重因素影响，使得测量仪器难以在理想状态工作，从而降低检测精度。本文以套管井中超声波测井为例，来阐述上述问题，探究不规则充液管柱模型中几何参数(形状和位置)与流体声速反演方法。

2、超声波测量是充液管柱尤其是油井套管完整性检测中常用的方法。通过在套管内部放入超声波测井仪器，激发高频声波，检测套管内壁的反射波形，分析套管的变形、腐蚀和缺陷等问题。在实际测量过程中，使用扶正器来保证仪器居中测量，但是扶正器的不当使用、大斜度井或水平井中仪器自重的影响、以及套管的不规则变形等因素会改变仪器的测量位置，造成仪器在偏心状态下测量，进而影响仪器接收波形的到时和幅度。另外，随温度、压力等变化的流体声速，也会对测量波形造成影响，降低充液管柱完整性评价效果。改善充液管柱内超声波测量评价效果的前提是获取仪器准确的测量位置和环境，包括仪器偏心位置、充液管柱的几何参数以及管柱内的流体声速。

3、针对套管井中超声波测量仪器测量位置和环境的反演，大量学者展开了相关研究。frisch和mandal采用基于最小二乘法对超声测井仪器偏心位置定位，并反演了油井套管内边界。他们使用的超声测量仪器包含两个传感器，其中一个传感器面向于固定目标板，通过测量目标板反射波到时来实时反演管柱内部流体声速；另一个传感器面向管柱内壁，进行超声脉冲回波测量，根据反射波到时确定仪器偏心位置和套管内边界。但是他们假定仪器在固定位置完成旋转测量，且套管内边界为规则形状(椭圆)。wang等通过分析方位接收波形的相位信息提出了一种仪器偏心定位算法，但分辨率仍有待提高。zeroug等基于单个脉冲回波探头，利用拓展卡尔曼滤波方法反演了仪器偏心轨迹和管柱内部流体声速，但是他们假设套管尺寸已知，并且反演结果依赖给定的仪器运动模型。forest-bize等人针对结合多个超声脉冲回波探头的随钻测井仪器设计了仪器偏心轨迹、井筒不规则内边界、井眼内流体声速反演的方法。该超声随钻仪器在周向均匀布设了四个超声换能器，激发面与井筒内壁平行。算法根据不同换能器到仪器中心的距离差异，用最小二乘方法反演流体声速，同时根据各个方位测量的反射波到时，用最大似然方法反演不规则井筒内边界和仪器偏心位置。该算法在仪器偏心情况下有效反演了不规则管柱内边界，但是算法需要借助多个脉冲回波探头，与油井套管超声波测量仪器存在明显差别，且得到流体声速并不准确。

4、目前最先进的油井套管超声波测量仪器包含两种测量模式：一种测量方式是脉冲回波测量，垂直套管内壁发射超声波脉冲，测量来自套管的反射波和共振波；另外一种测量方式是倾斜入射单发-双收测量，利用一组倾斜对齐的超声波探头，激发套管的挠曲模式，可以获取套管外部的界面信息。该超声波测量仪器通常被用于评价套管外水泥的固井质量，但是针对该测井仪器进行偏心定位及套管内边界反演的算法研究较少且存在一定不足，未充分发挥该超声测井仪器的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种超声测井仪器运动轨迹定位方法及系统，旨在解决如何有效评估充液管柱内部几何参数与流体声速的技术问题。

2、本发明的目的是采用以下技术方案实现的：一种超声测井仪器运动轨迹定位方法，包括如下步骤：

3、s1：输入波形阵列，并提取波形到时t；

4、s2：建立坐标系，并初始化仪器轨迹m0；

5、s3：通过最小二乘方法计算初始流体声速vf0，并根据初始流体声速vf0和时间t，计算仪器到套管的距离d以及套管内边界坐标n0；

6、s4：以m0为起点，搜索最佳的仪器轨迹m1，并根据m1到n0的距离更新流体声速vf1、仪器到套管的距离d’以及套管内边界坐标n1；

7、s5：重复步骤s3和s4，直到两次仪器运动轨迹更新量小于阈值；

8、s6：输出最终的仪器运动轨迹m、流体声速vf和套管内边界n。

9、进一步的，步骤s1包括如下子步骤：

10、s11：输入脉冲回波测量波形和倾斜入射单发-双收测量波形；

11、s12：利用长短时窗算法提取脉冲回波首波到时t1以及斜入射近接收器a0到时t21和斜入射远接收器a0到时t22。

12、进一步的，步骤s2具体为：以套管中心为原点，脉冲回波0°测量方位为x轴，建立笛卡尔坐标系，并初始化仪器轨迹m0为坐标原点。

13、进一步的，步骤s3包括如下子步骤：

14、s31：建立脉冲回波的传播距离与斜入射的传播距离计算模型，并采用最小二乘方法求解当前深度的流体声速vf0；

15、s32：根据t1和vf0计算脉冲回波传感器到套管内壁距离d0；根据t21、t22和vf0计算倾斜入射单发-双收传感器到套管内壁距离d0’；

16、s33：根据m0、d0和d0’计算套管内边界n0。

17、进一步的，步骤s33具体为：根据m0和d0计算套管内边界坐标集n0’；根据m0和d0’计算套管内边界坐标集n0”；将n0’和n0”分别按照方位角进行插值，取两个边界的均值作为估计的套管内边界n0。

18、进一步的，步骤s4包括如下子步骤：

19、s41：以m0为起点，搜索最佳的仪器轨迹m1，使得从m1到n0的距离与测量距离d0、d0’的均方误差最小；

20、s42：根据反演的套管内边界n0周长更新流体声速vf1；

21、s43：根据t1和vf1计算脉冲回波传感器到套管内壁距离d1；根据t21、t22和vf1计算倾斜入射单发-双收传感器到套管内壁距离d1’；

22、s44：根据m1、d1和d1’计算套管内边界n1。

23、进一步的，步骤s44具体为：根据m1和d1计算套管内边界坐标集n1’；根据m1和d1’计算套管内边界坐标集n1”；将n1’和n1”分别按照方位角进行插值，取两个边界的均值作为估计的套管内边界n1。

24、一种超声测井仪器运动轨迹定位系统，用以实现上述所述的一种超声测井仪器运动轨迹定位方法，包括输入模块、初始化模块、计算模块、优化模块、判断模块以及输出模块，其中，

25、输入模块，用以输入波形阵列，并提取波形到时t；

26、初始化模块，用以建立坐标系，并初始化仪器轨迹m0；

27、计算模块，通过最小二乘方法计算初始流体声速vf0，并根据初始流体声速vf0和时间t，计算仪器到套管的距离d以及套管内边界坐标n0；

28、优化模块，以m0为起点，搜索最佳的仪器轨迹m1，并根据m1到n0的距离更新流体声速vf1、仪器到套管的距离d’以及套管内边界坐标n1；

29、判断模块，用以判断仪器运动轨迹更新量小于阈值；

30、输出模块，输出最终的仪器运动轨迹m、流体声速vf和套管内边界n。

31、本发明的有益效果在于：本发明能够结合两组超声波测量方式，充分利用接收波形中的到时信息，进行仪器偏心计算、套管内边界反演和管柱内部流体声速的计算，能够进一步提升套管井超声波测井仪器的使用性能，有效评估不规则充液管柱内部的几何参数(形状和位置)与流体声速，同时能够服务后续的套管固井质量评价，校正仪器偏心、套管变形、流体声速变化造成的波形幅度和相位的变化，提高测量精度，为井筒完整性评价做出贡献。