CN111964602A - 小直径地下储气井井筒变形的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，包括：包括：清理待测储气井的井筒，并将待测的井筒注满清水至井口；将检测探管通过升降装置由地面探入井筒内，使检测探管没入井筒内的水面以下；启动数据处理终端，并进行初始化设置；驱动升降装置使检测探管在井筒内下降并进行检测；以及数据处理终端接收检测探管所采集的信息进行显示并处理；其中，升降装置包括绞车、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘及铠装电缆，铠装电缆缠绕于铠装电缆绞盘上，且伺服电机安装于绞车上。其中，数据处理终端与铠装电缆的一端电性连接。借此，本发明的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，可以实现对井筒中套管接箍处相关变形缺陷的检测。

Description

小直径地下储气井井筒变形的检测方法

技术领域

本发明是关于储气井检测技术领域，特别是关于一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法。

背景技术

CNG储气井是一种安装在地下的管状立式压力容器，用以储存压缩天然气体，在我国已有近30年的使用历史。储气井的井身结构由套管通过螺纹接箍连接而成，工作压力高达25MPa，具有占地面积小、安全性强、运行费用低、操作维护简便等优点。但储气井的井筒深埋地下，最大埋深可达260m，井筒随埋地深度增加，所受地应力值也逐渐增加。井筒受高地应力挤压、错动作用(埋地深度大和地震带区域地应力较高)，易发生井筒倾斜、弯曲、沉降、偏移等变形缺陷。此外，2008年以前建造的CNG储气井大多并未采用固井水泥进行套管加固和防腐，导致储气井井筒受地层电化学、地下流体腐蚀等影响。该部分投入使用达10年及以上时间的储气井井筒发生了腐蚀减薄、变形等深部缺陷，进一步降低储气井井筒抵御地下高地应力挤压错动作用，该部分储气井表现出了井筒倾斜、弯曲、沉降、偏移等还未引起广发关注的井筒变形缺陷，给储气井的使用安全带来严重隐患。

以安徽省为例，通过安徽省市场监督管理局科技计划项目“形变检测及成像技术在储气井套管检测中的应用”研究结果显示，2008年以前安徽省内建造的储气井为187口，占安徽省内储气井数量的45.5％，该部分储气井中上部井筒部位及井底井筒部位表现出了较为严重的腐蚀减薄，再加之部分储气井处于安徽省地震断裂带区域(如图1所示)，已出现6口储气井因井筒严重变形缺陷无法正常使用并被判废。

因此，针对投入使用10年及以上时间的储气井，当其井筒发生了腐蚀减薄并受高地应力挤压错动作用时，在开展储气井定期检验中应特别关注对储气井井筒倾斜、弯曲、沉降、偏移等特定变形缺陷的检测。目前全国通用的储气井定期检验手段主要通过超声探头对储气井套管的壁厚这一单一数据进行检测。如中国专利公开号为CN103134855B，公开日为2015年8月12号，公开了一种用于储气井井壁壁厚腐蚀检测和裂纹探伤的地下储气井井壁自动化综合检测系统及检测方法。该系统包括井上的上位机、位置测量装置、电缆操作控制系统、直流电源和井下的移动式检测器。该发明的移动式检测器内设有壁厚腐蚀检测探头组和裂纹检测探头组，从而能同时完成对壁厚腐蚀和裂纹的检测。但该专利存在的缺点为：对于较严重腐蚀的储气井，如果储气井套管减薄导致套管变形、倾斜、弯曲、沉降等，上述专利提供的常规超声测厚方法，无法检测出这些缺陷。

同时，储气井套管间连接的螺纹接箍，往往是储气井在工作状态下的应力集中点。该位置是储气井安全运行的薄弱环节，容易出现接箍处腐蚀变形、接箍处螺纹齿腐蚀松动等情况，且受地下高应力挤压错断作用发生接箍处变形，以至于相邻的套管间倾斜和/或弯曲，甚至发展成接箍处泄露，严重危害储气井的使用安全。而现有的储气井检验技术，却无法实现对套管接箍处相关变形缺陷的检测。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其可以实现对井筒中套管接箍处相关变形缺陷的检测。

为实现上述目的，本发明提供了一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，包括：清理待测储气井的井筒，并将待测的井筒注满清水至井口；将检测探管通过升降装置由地面探入井筒内，使检测探管没入井筒内的水面以下；启动数据处理终端，并进行初始化设置；驱动升降装置使检测探管在井筒内下降并进行检测；以及数据处理终端接收检测探管所采集的信息进行显示并处理；其中，升降装置包括绞车、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘及铠装电缆，铠装电缆缠绕于铠装电缆绞盘上，且伺服电机安装于绞车上。其中，数据处理终端与铠装电缆的一端电性连接。其中，检测探管与铠装电缆的另一端电性连接，且检测探管包括探管壳体、变形陀螺仪、水下扫描仪及电路集成舱。其中，变形陀螺仪、水下扫描仪及电路集成舱均密封于探管壳体中。其中，电路集成舱与铠装电缆的另一端电性连接，且变形陀螺仪和水下扫描仪均通过电路集成舱与数据处理终端电性连接。其中，伺服电机通过编码器带动铠装电缆绞盘转动，从而带动铠装电缆及检测探管在井筒中纵向移动。其中，变形陀螺仪用以采集井筒的变形信息，且水下扫描仪用以对井筒的变形形态进行扫描并构建井筒内壁的三维模型。其中，数据处理终端用以接收井筒的变形信息及井筒内壁的三维模型，进行显示并处理。

在本发明的一实施方式中，探管壳体的外表面包覆有保护层，保护层上开设有多个开口，且探管壳体的外周安装有多个扶正器，扶正器为可调式扶正器。

在本发明的一实施方式中，水下扫描仪的光纤耦合激光器为十二个单通道激光探头，且十二个单通道激光探头沿探管壳体的内壁环向间隔设置。

在本发明的一实施方式中，变形陀螺仪包括多个上下垂直排列的光纤陀螺和多个上下垂直排列的三维重力加速度传感器，且光纤陀螺用以采集井筒的角度信息，三维重力加速度传感器用以提高井筒斜角的测量精度。

在本发明的一实施方式中，铠装电缆绞盘处设置有深度计，深度计用以记录检测探管放置的深度信息，深度计通过铠装电缆与数据处理终端电性连接，且深度计将铠装电缆的实时放线速度信息及检测探管的下降深度信息传输至数据处理终端。

在本发明的一实施方式中，铠装电缆绞盘最长可放线700m，且电缆放线速度范围为0.01m/s-0.9m/s。

在本发明的一实施方式中，井筒的变形信息包括待测储气井的井筒和单个套管、螺纹接箍的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量及偏移量。

在本发明的一实施方式中，当变形陀螺仪未检测到缺陷时，仅开启水下扫描仪的光纤耦合激光器的四个单通道激光探头进行不间断测量，且当变形陀螺仪检测到缺陷时，则开启水下扫描仪的光纤耦合激光器的十二个单通道激光探头进行测量。

在本发明的一实施方式中，光纤耦合激光器采用无光学镜片的谐振腔体。

与现有技术相比，根据本发明的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，通过变形陀螺仪识别出储气井的井筒以及井筒接箍处变形信息，再由水下扫描仪扫描该变形信息，构建待测井筒内壁面的三维模型，并通过深度计记录此时检测探管深度信息，分别将储气井套管箍处变形的三维模型以及深度信息发送到数据处理终端进行显示，从而可以供检测人员分析储气井的井筒以及井筒接箍处变形情况，确定该待测储气井的综合安全使用状况。且通过两个光纤陀螺仪可以提高检测效率，并减少单一光纤陀螺仪因采集数据量受限导致的漏检及检测误差，从而保证了检测信息的准确性。

附图说明

图1是现有安徽地区地震断裂带及郯庐断裂带沿线储气井的分布示意图；

图2是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测探管的结构示意图；

图3是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测探管与数据处理终端的连接示意图；

图4是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的操作演示图；

图5是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的水下扫描仪的检测原理示意图；

图6是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的待测储气井的井筒的结构示意图；

图7是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的流程示意图。

主要附图标记说明：

10-探管壳体，20-电路集成舱，30-铠装电缆，40-水下扫描仪，50-扶正器，60-变形陀螺仪，70-升降装置，80-深度计，100-检测探管，200-数据处理终端，300-套管，410-铠装电缆绞盘，420-绞车，500-螺纹接箍。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图2是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测探管的结构示意图。图3是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测探管与数据处理终端的连接示意图。图4是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的操作演示图。图5是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的水下扫描仪的检测原理示意图。图6是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的待测储气井的井筒的结构示意图。

如图1至图6所示，根据本发明一优选实施方式的一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测装置包括：升降装置70、数据处理终端200及检测探管100。升降装置70包括绞车420、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘及铠装电缆30，铠装电缆30缠绕于铠装电缆绞盘上，且伺服电机安装于绞车420上。数据处理终端200与铠装电缆30的一端电性连接。检测探管100与铠装电缆30的另一端电性连接，且检测探管100包括：探管壳体10、变形陀螺仪60、水下扫描仪40以及电路集成舱20。变形陀螺仪60密封于探管壳体10中。水下扫描仪40密封于探管壳体10中。电路集成舱20密封于探管壳体10中，电路集成舱20与铠装电缆30的另一端电性连接，且变形陀螺仪60和水下扫描仪40均通过电路集成舱20与数据处理终端200电性连接。其中，伺服电机通过编码器带动铠装电缆绞盘转动，从而带动铠装电缆30及检测探管100在储气井的井筒中纵向移动，且井筒中注满水。其中，变形陀螺仪60用以采集井筒的变形信息，且水下扫描仪40用以对井筒的变形形态进行扫描并构建井筒内壁的三维模型。其中，数据处理终端200用以接收井筒的变形信息及井筒内壁的三维模型，进行显示并处理。

在本发明的一实施方式中，探管壳体10的外表面包覆有保护层，保护层上开设有多个开口，且探管壳体10的外周安装有多个扶正器50，扶正器50为可调式扶正器50。水下扫描仪40的光纤耦合激光器为十二个单通道激光探头，且十二个单通道激光探头沿探管壳体10的内壁环向间隔设置。

在本发明的一实施方式中，变形陀螺仪60包括多个上下垂直排列的光纤陀螺和多个上下垂直排列的三维重力加速度传感器，且光纤陀螺用以采集井筒的角度信息，三维重力加速度传感器用以提高井筒斜角的测量精度。铠装电缆绞盘处设置有深度计80，深度计80用以记录检测探管100放置的深度信息，深度计80通过铠装电缆30与数据处理终端200电性连接，且深度计80将铠装电缆30的实时放线速度信息及检测探管100的下降深度信息传输至数据处理终端200。

图7是根据本发明一实施方式的小直径地下储气井井筒变形的检测方法的流程示意图。如图7所示，根据本发明一优选实施方式的一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，包括：清理待测储气井的井筒，并将待测的井筒注满清水至井口；将检测探管100通过升降装置70由地面探入井筒内，使检测探管100没入井筒内的水面以下；启动数据处理终端200，并进行初始化设置；驱动升降装置70使检测探管100在井筒内下降并进行检测；以及数据处理终端200接收检测探管100所采集的信息进行显示并处理；其中，升降装置70包括绞车420、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘及铠装电缆30，铠装电缆30缠绕于铠装电缆绞盘上，且伺服电机安装于绞车420上。其中，数据处理终端200与铠装电缆30的一端电性连接。其中，检测探管100与铠装电缆30的另一端电性连接，且检测探管100包括探管壳体10、变形陀螺仪60、水下扫描仪40及电路集成舱20。其中，变形陀螺仪60、水下扫描仪40及电路集成舱20均密封于探管壳体10中。其中，电路集成舱20与铠装电缆30的另一端电性连接，且变形陀螺仪60和水下扫描仪40均通过电路集成舱20与数据处理终端200电性连接。其中，伺服电机通过编码器带动铠装电缆绞盘转动，从而带动铠装电缆30及检测探管100在井筒中纵向移动。其中，变形陀螺仪60用以采集井筒的变形信息，且水下扫描仪40用以对井筒的变形形态进行扫描并构建井筒内壁的三维模型。其中，数据处理终端200用以接收井筒的变形信息及井筒内壁的三维模型，进行显示并处理。

在本发明的一实施方式中，探管壳体10的外表面包覆有保护层，保护层上开设有多个开口，且探管壳体10的外周安装有多个扶正器50，扶正器50为可调式扶正器50。水下扫描仪40的光纤耦合激光器为十二个单通道激光探头，且十二个单通道激光探头沿探管壳体10的内壁环向间隔设置。

在本发明的一实施方式中，变形陀螺仪60包括多个上下垂直排列的光纤陀螺和多个上下垂直排列的三维重力加速度传感器，且光纤陀螺用以采集井筒的角度信息，三维重力加速度传感器用以提高井筒斜角的测量精度。铠装电缆绞盘处设置有深度计80，深度计80用以记录检测探管100放置的深度信息，深度计80通过铠装电缆30与数据处理终端200电性连接，且深度计80将铠装电缆30的实时放线速度信息及检测探管100的下降深度信息传输至数据处理终端200。

申请人发现，如图6所示，相邻的两个套管300之间通过螺纹接箍500连接(多个套管300组合后形成井筒)，对于螺纹接箍500往往是储气井在工作状态下的应力集中点，该位置是储气井安全运行的薄弱环节，容易出现接箍处腐蚀变形、接箍处螺纹齿腐蚀松动等情况，且受地下高应力挤压错断作用发生接箍处变形，以至于相邻的套管300间倾斜和/或弯曲，甚至发展成接箍处泄露。这时候现有的超声壁厚检测方法由于自身限制，仅凭借陀螺仪技术，只能对于储气井套管300间的倾斜、弯曲、变形等缺陷，确定方位，而缺陷部位的具体形貌、缺陷具体尺寸大小则无法获得。需要说明的是，陀螺仪测量技术在原油管路的建造中主要用于测量管路套管的倾斜、偏移状况，由于原油管路的直径一般为200-320mm，配套的陀螺仪测量设备的管径也较大。且由于原油管路的设计壁厚值较大，套管内压力值较小，一般仅在建造时测量控制套管安装的倾斜、偏移状况。但是，对于原油管路因腐蚀减薄引起的沉降、偏移等状况，鲜有人关注。因此，该类原油套管的陀螺仪设备直径较大、体积笨重、测量精度较低，不适合储气井的井筒测量。且地下储气井的建造高峰期为2011年前后，储气井壁厚较薄，井内天然气压力高达25MPa。储气井投入使用后开展的定期检验主要为针对储气井受腐蚀引起的均匀减薄腐蚀、局部腐蚀及点状腐蚀开展的超声检测或漏磁检测。而对于储气井在使用中，井筒的沉降、偏移以及接箍处腐蚀变形、接箍处螺纹齿腐蚀松动、相邻的套管300间倾斜和/或弯曲等情况，鲜有关注。因此，现有没有合适的井筒变形检测方法用于检测已投入使用多年的储气井井筒的特定变形缺陷。

在实际应用中，如图7所示，本发明提供了一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，具体包括：

S1、清理待测储气井的井筒，并将待测的井筒注满清水至井口：在CNG储气井检测前，清空井内所存介质，向待测的储气井内注满清水至井口。在一些实施例中，步骤S1之前包括：通过清洗剂清和高压清洗设备充分清洗待测的储气井井筒，除去待测的储气井井筒内的油污。本领域技术人员应当理解，储气井长期循环使用，内部结垢，且会有大量油污。由于检测探管100中的水下扫描仪40需要对储气井套管内进行扫描，井内的油污会干扰水下扫描仪40，所以检测前，最好对待检的储气井套管进行充分清洗，并将井内注满清水至井口，尽量减少油污对检测结果的干扰。

S2、将检测探管100通过升降装置70由地面探入井筒内，使检测探管100没入井筒内的水面以下：其中检测探管100包括变形陀螺仪60和水下扫描仪40。具体的，如图3和图4所示，升降装置70包括统绞车420、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘和铠装电缆30，其中铠装电缆30缠绕于铠装电缆绞盘上，伺服电机安装在绞车420上，伺服电机通过编码器带动铠装电缆绞盘转动，从而铠装电缆30移动，进而实现铠装电缆30带动检测探管100在储气井的上下均匀移动。铠装电缆绞盘最长可放线700m，电缆放线速度范围为0.01-0.9m/s。

S3、启动数据处理终端200，并进行初始化设置：具体的，打开数据处理终端200上电，依据不同的检测目的设置相关参数，打开三维变形分析软件，在软件中设置待检测储气井的相关基本参数。对数据处理终端200的处理分析系统进行自检验证后，打开铠装电缆绞盘的电机上电，待将检测探管100放入注满水的储气井井口，由数据处理终端200通过铠装电缆30内的多组线路给检测探管100的所有电器元件上电，并对深度计80进行零位校准。

S4、驱动升降装置70使检测探管100在井筒内下降并进行检测：驱动升降装置70使检测探管100下降；变形陀螺仪60用于采集储气井井筒的变形信息，水下扫描仪40通过结构光的双目视测量方法，对储气井井筒变形形态进行扫描，并构建待测储气井井筒内壁的三维模型；再通过升降装置70中的深度计80，记录检测探管100下降的深度信息。其中变形信息包括待测储气井井筒和单个套管、螺纹接箍500的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量。

具体的，通过数据处理终端200向数据综采机(数据综采机可集成与数据处理终端200中)发出正式检测采集信号，数据综采机将采集信号指令及预置的电缆放线速度和长度信号分别传送至检测探管100内的电器采集元件和升降装置70。此时开始检测步骤，检测探管100匀速下降时，变形陀螺仪60同时开启倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息采集通道，得到储气井井筒、单个套管和套管接箍处变形信息，根据上述变形信息得到相邻的套管间倾斜、弯曲、沉降、偏移信息，将储气井整体井筒、单个套管及螺纹接箍500的弯曲、倾斜、沉降、偏移等变形信息通过电路集成舱20和数据综采机传输给数据处理终端200，其中电路集成舱20与数据综采机之间可以通过无线网络连接或光纤(即铠装电缆30)通讯连接。

高精度深度计80用于记录变形检测探管100深度信息，并将深度信息实时传输至数据采集装置，便于检测人员实时掌握检测进度，做出及时检测控制预判。

步骤S4中构建待测储气井井筒内壁面三维模型包括：通过水下扫描仪40中的工业相机获取的待测储气井井筒内壁面图像的二维信息；水下扫描仪40中光纤耦合激光器获取的待测储气井井筒内部的圆度差、面轮廓度、线轮廓度，根据待测储气井井筒内壁面图像的二维信息以及待测储气井井筒内部的圆度差、面轮廓度和线轮廓度得到待测储气井井筒内壁面上的三维模型。

现有的激光仪设备一般直径(250mm及以上)和体积较大，非水下环境使用，无法适用于直径为177.8mm、244.48mm的现有储气井尺寸及深水环境。本实施例中的水下扫描仪40采用了光纤耦合激光器、成像透镜及工业相机，其中光纤耦合激光器运用双目视法保障多点同时对套管300缺陷部位进行探测，可以充分采集和还原井筒变形缺陷处的具体的三维信息，保障了变形缺陷采集的高效性和准确性。

光纤耦合激光器因连续发射激光的数据采集量较大，且对采集到的数据处理分析能力运算要求较高。因此本实施例优选的，在变形陀螺仪60未检测到可疑缺陷时，仅开启光纤耦合激光器的四个激光探头进行不间断测量，当变形陀螺仪60探测到一定缺陷时，才会配合打开全部十二个光纤耦合激光器进行精细式扫查。此外，一般的水下扫描仪40在有水的环境或水中具有少量油污干扰的环境下，无法正常工作。本示例中使用光纤耦合激光器，结合结构光的双目视测量方法，通过连续发射激光达到高精度的测量，再配套采用工业相机，对待测储气井套管300内壁的扫描，特别适用于实现弯曲、变形缺陷部位的检测。

此外，光纤耦合激光器适用于微小型缺陷的精确测量要求，光纤耦合激光器采用无光学镜片的谐振腔体，具有在水下发射激光稳定性高，抗油污能力强，无需调节，无需维护等优点。谐振腔体对检测探管100在储气井内移动时引起的震荡、冲击，以及井内湿度、温度环境变化具有很高的耐受度。本实施例优选的，将水下扫描仪40与数据处理终端200通过光纤通信连接，光纤输出的光学信息具有传输速度快、采集精度高、激光光斑大小和亮度可调等优点。且使用光纤和线型光纤耦合激光器的结合，能够得到具有一定强度峰值的圆形高斯光束。圆形高斯光束经过棱镜扩束，得到具有一定宽度的激光线束，激光线束达到待测物体表面，会随其表面的凸凹起伏变化而产生相应变形，编码器根据变形后的光束，得到待测储气井井筒内部的圆度差、面轮廓度、线轮廓度等三维测量信息。本实施例中，光纤耦合激光器采用波长最短，高频率、能量集中的455nm波长的激光。

需要说明的是，为了适应水下环境，本实施例中申请人对光纤耦合激光器测量建模方法改进如下：

设充满水的待检储气井井筒内壁上某一点的坐标A为(x,y,z)，在光纤耦合激光器上对应的坐标为(x₁,y₁,z₁)，光纤耦合激光器形成的图像面上对应的理想坐标为(x₂,y₂)，经井筒内水体后，光纤耦合激光器成像面上所形成图像的二维实际坐标为(X，Y)，此处二维实际坐标与工业相机采集的图像的二维信息相对应，光纤耦合激光器焦距设为f，设光纤耦合激光器相对于储气井井筒内壁上坐标系旋转矩阵R₁和平移矩阵T₁分别为：

其中r₁、r₂、……r₉及t_x、t_y、t_z分别为依据像素平面坐标(u，v)及光纤耦合激光器上对应的坐标为(x₁,y₁,z₁)所计算得到的旋转矩阵参数和平移矩阵参数；

则待检储气井井筒内壁上的一点A(x,y,z)有如下关系：

在水下时，成像透镜成像时有如下成像关系：

待检储气井井筒内壁上的点到透镜光心的距离u远大于成像系统焦距f，故有透镜光心到工业相机的距离v≈f，由小孔成像模型几何关系，可得：

将坐标(x₂,y₂,z₂)转换为图像坐标(X，Y，Z)，即X对应x₂，Y对应y₂，Z对应z₂，将实际坐标转为像素平面坐标(u，v)，即：

矩阵为：

其中，待检储气井井筒内壁上的一点A(x,y,z)通过计算得到反映在光纤耦合激光器成像面上的像素坐标。

对于工业相机的坐标(x_d、y_d、z_d)有：

则光纤耦合激光器上对应的坐标上B点(x₁,y₁,z₁)有：

对于工业相机坐标上的点(u₁,v₁)与光纤耦合激光器像素平面坐标(u_d,v_d)关系为：

由式(7)和(8)得，

综上，通过上式计算可得工业相机坐标上的点(u₁,v₁)，即在光纤耦合激光器像素平面坐标上的点(u_d,v_d)，所对应待测水中储气井井筒内壁面上的三维坐标。再计算待测储气井井筒内壁面上十二个光纤耦合激光器对应检测点的数据，构成了待测储气井井筒内壁面的全部三维数据。将所采集的全部三维数据传输至数据处理终端200，得到待测储气井井筒内壁面的三维模型。本方法考虑了透镜水下成像关系，可以实现对待测储气井井筒内壁面的有效、准确地三维测量，测量精度可达5μm级别。

S5、数据处理终端200接收检测探管100所采集的信息进行显示并处理：数据处理终端200接收深度信息、待测储气井井筒内壁面三维模型以及储气井井筒接箍处变形信息以及相邻的套管300间倾斜信息，进行显示并处理。其中变形信息包括待测储气井井筒和单个套管、螺纹接箍500的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量。

在一些实施例中，数据处理终端200的显示系统默认分两屏同步显示同一套管深部部位处的井筒倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息以及井筒内壁的圆度差、面轮廓度、线轮廓度等三维测量信息。在井筒检测过程中三维变形分析软件可随时将缺陷部位对应的两类不同信号进行组合运算分析，得到多信息三维直观检测结果图，形成更全面完善的检测方式和直观清晰的检测结果，充分判断该处缺陷状况，并适时将检测方案做出调整。

在一些实施例中，步骤S5中，当检测探管100运行至待测储气井底部后，操作控制系统(数据处理终端200通过升降装置70)驱动检测探管100上行，检测探管100在上行过程中对待检测的储气井套管进行二次检测，充分保障了检测结果的准确性。现场检测采集结束后，数据处理终端200整合全部采集信息，形成当次检测结果，并可对该次检测信息保存三年以上时间，以便下次检测时比照储气井套管沉降、偏移信息，判断储气井发生的沉降、偏移状况。利用检测结果提供相关缺陷的精确位置和形貌尺寸，指导针对缺陷处开展的修复和防范措施。对危险性较大缺陷提高检测频次，加强缺陷发展监测。

对于投入使用10年及以上时间的储气井，且其井筒发生了腐蚀减薄并受高地应力挤压错动作用时，本发明的小直径地下储气井井筒变形的检测方法能为井筒出现的倾斜、弯曲、沉降、偏移等特定变形缺陷提供检测方法。

如图2至图6所示，本发明的一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法的检测装置，包括数据处理终端200、升降装置70以及检测探管100，数据处理终端200与检测探管100电性连接，检测探管100通过升降装置70由地面探入套管300(井筒)内，通过扶正器50在井筒内壁内上下移动；检测探管100包括探管壳体10、电路集成舱20、变形陀螺仪60以及水下扫描仪40，其中电路集成舱20、变形陀螺仪60以及水下扫描仪40均密封安装在探管壳体10内，变形陀螺仪60和水下扫描仪40均通过电路集成舱20与数据处理终端200电性连接(通信)。

在具体实施过程中，检测探管100的探管壳体10上包覆有保护层，保护层为一层橡胶，套在探管壳体10外周，保护层上开设多个开口，便于水下扫描仪40的数据采集。保护层可以防止探管壳体10与待测储气井井筒内壁的撞击，此外保护层也可以杜绝油污对检测探管100的污染。检测探管100的直径为140mm，长度为850mm，工作温度范围为0-50℃，较现有常规激光扫描设备为300mm及以上的直径，探管直径缩小一半以上，充分满足各类尺寸规格储气井的检测要求。探管壳体10外周安装有扶正器50，扶正器50为可调式扶正器50。一般检测状况下无需使用扶正器50，扶正器50处于归位状态。但是当套管300内出现严重变形或狭小断面处，可调式扶正器50可辅助检测探管100矫正检测方位或辅助其顺利通过狭小断面处，以便检测探管100中的水下扫描仪40和变形陀螺仪60充分探明储气井井筒内壁的形貌和具体尺寸。

在一些实施例中，变形陀螺仪60包括多个上下垂直排列的光纤陀螺和多个上下垂直排列的三维重力加速度传感器。光纤陀螺用于采集储气井筒的角度信息(储气井套管300以及套管接箍处的倾斜、弯曲、沉降、偏移等状态下的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息)，且三维重力加速度传感器用于提高井筒斜角的测量精度。具体的，在本实施例中变形陀螺仪60由两个光纤陀螺和两个三维重力加速度传感器组成，光纤陀螺采用现有的高精度多轴光纤陀螺，三维重力加速度传感器。为了提高变形信息的测量精度，将两个光纤陀螺采用上下垂直分布，针对连续多个变形缺陷减少单一光纤陀螺因采集数据量受限所致的漏检及检测误差。此外，采用两个光纤陀螺可充分取样，矫正单个光纤陀螺出于偶然干扰因素所致的误差，保障检测信息准确。变形陀螺仪60可采集整体储气井井筒、单个套管及螺纹接箍500的倾斜、弯曲、沉降、偏移等缺陷的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息，并对这些缺陷的分布状况进行标记。特别对于套管间的接箍连接部位当发生倾斜、弯曲时，该处缺陷部位受外部应力挤压错断作用已明显，接箍处检测出的缺陷危害极大，应尤为引起重视。两个三维重力加速度传感器也采用上下垂直分布，保障套管内出现严重变形或狭小断面处，因干扰所致的局部斜角数据明显偏大，采用两个三维重力加速度传感器可充分保障测得的井筒斜角准确。本示例中缺陷是指储气井套接箍处变形信息(接箍减薄导致接箍倾斜、弯曲、沉降、偏移)以及相邻的套管间倾斜、偏移等情形。本示例中，测量精度为井筒倾角±0.2°、斜角±0.2°、方位角±0.5°、井筒弯曲度为±1％、井筒沉降±1mm、井筒偏移±1mm。

升降装置70为绞车系统，其中升降装置70包括统绞车420、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘和铠装电缆30，其中铠装电缆30缠绕于铠装电缆绞盘上，伺服电机安装在绞车420上，伺服电机通过编码器控制带动铠装电缆绞盘410转动，从而使铠装电缆30移动，进而实现铠装电缆30带动检测探管100在储气井的上下均匀移动。铠装电缆绞盘最长可放线700m，电缆放线速度范围为0.01-0.9m/s。铠装电缆30一端与数据处理终端200连接，另一端与检测探管100的电路集成舱20连接。检测探管100中部的水下扫描仪40和变形陀螺仪60探测到信号后，通过电路集成舱20传输到铠装电缆30中，铠装电缆30中信号通过局域总线，再传输到转换接头后，通过数据综采机接入数据处理终端200，数据处理终端200可以为台式机、笔记本电脑、平板电脑等，本实施例选用台式计算机。数据综采机用于将变形陀螺仪60以及水下扫描仪40采集的信号，进行模电转化输出到数据处理终端200中，其中数据综采机所接收信息包括：接收变形陀螺仪60采集的储气井井筒倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息；接收变形激光仪采集的储气井井筒内壁的圆度差、面轮廓度、线轮廓度等三维测量信息，接收高精度深度计80采集的深度信息。

数据处理终端200运行处理软件，处理软件主要搭载水下激光信号分析处理模块、变形陀螺仪60信号分析处理模块和信号组合运算模块。水下激光信号分析处理模块用于构建待测储气井内壁的三维模型，变形陀螺仪60信号分析处理模块用于分析处理变形陀螺仪60采集的变形信息；信号组合运算模块用于将变形信息和三维模型组合运算处理，数据处理终端200的显示界面默认分两屏同步显示同一套管深部部位处的井筒倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息以及井筒内壁的三维信息。在井筒检测过程中，处理软件可随时将缺陷部位对应的两类不同信号进行组合运算分析，得到多信息三维直观检测结果图，形成更全面完善的检测方式和直观清晰的检测结果。

铠装电缆绞盘处设置有深度计80，用于记录检测探管100放置的深度信息，并将实时铠装电缆30放线速度信息传输至数据处理终端200，深度计80记录精度高达1mm。所述深度计80与数据处理终端200通过铠装电缆30连接。

在一些实施例中，水下扫描仪40获得三维模型以及该三维模型具体尺寸大小等，可与变形陀螺仪60所测信号进行组合再显示，形成多信息三维直观检测结果图。水下扫描仪40包括光纤耦合激光器、成像透镜和工业相机，所述光纤耦合激光器采用无光学镜片的谐振腔体。其中光纤耦合激光器采用十二个单通道单激光探头沿检测探管100环向间隔布置，保障多点同时对套管300缺陷部位进行探测，提高检测速度，并充分保障缺陷检出率。

需要说明的是，三维板激光仪的测量方法是：单激光探头发射激光到待检测物上时，由待检测物体表面反射、散射的激光，经过透镜将激光斑成像到焦平面上，焦平面上放置位置光敏元件，当激光扫射待检测物体表面时，激光斑位置发生移动，其位于焦平面附近的成像相应发生位置变化，再通过图象传感器获得待检测物体的外形轮廓。

如图5所示，让激光束垂直照射到待测物面标样的表面，光束照在A点，反射到工业相机光敏面上的a点，A点反射到工业相机光敏面上的a’点，当所测距离Y不同时，反映在光敏器件上的光点像位置X也随之不同，根据图5所示，三角关系和牛顿物像关系公式，可得两者之间的关系为：

式中：Y为待测距离；f为成像系统焦距；l为激光束发射口到成像系统中心的距离，即基线长度；L为某已知距离，通常取光敏面接收器中心对应的距离，即基准距离；X为该待测距离在光敏接收器上与已知距离在光敏接收器上像点的距离，有正负之分。

具体的，考虑一般的水下扫描仪40在有水的环境下或水中具有少量油污干扰环境下，无法正常工作；且水下环境测量过程中获取的信息容量明显增大，信号折射损耗大，对采集信息的处理技术和能力要求高，检测结果也会有较大误差。因此本实施例优选的，当变形陀螺仪60未检测到可疑待测储气井井筒变形信息时，仅开启光纤耦合激光器中的四个激光探头进行不间断测量，当变形陀螺仪60探测到一定缺陷时，才会配合打开全部十二个激光探头进行精细式扫查。本发明使用的光纤耦合激光器，结合结构光的双目视测量方法，通过连续发射激光达到高精度的测量，再配套采用工业相机，进行图像信息获取，进而实现对待测储气井套管300内壁的扫描，特别适用于实现弯曲、变形缺陷部位的检测。

需要说明的是，光纤耦合激光器适用于微小型缺陷的精确测量要求，光纤耦合激光器采用无光学镜片的谐振腔体，具有在水下发射激光稳定性高，抗油污能力强，无需调节，无需维护等优点。谐振腔体对检测探管100在储气井内移动时引起的震荡、冲击，以及井内湿度、温度环境变化具有很高的耐受度。本实施例优选的，将水下扫描仪40与数据处理终端200通过光纤通信连接，光纤输出的光学信息具有传输速度快、采集精度高、激光光斑大小和亮度可调等优点。且使用光纤和线型光纤耦合激光器的结合，能够得到具有一定强度峰值的圆形高斯光束。圆形高斯光束经过棱镜扩束，得到具有一定宽度的激光线束，激光线束达到待测物体表面，会随其表面的凸凹起伏变化而产生相应变形，编码器根据变形后的光束，得到待测储气井井筒内部的圆度差、面轮廓度、线轮廓度等三维测量信息。本示例中，光纤耦合激光器采用波长最短，高频率、能量集中的455nm波长的激光。测量精度为井筒变形的圆度差±1mm、面轮廓度±0.5mm、井壁腐蚀面积±2mm²。

总之，本发明的小直径地下储气井井筒变形的检测方法具有如下有益效果：

1、通过变形陀螺仪识别出储气井井筒以及井筒接箍处变形信息，再由水下扫描仪扫描该变形信息，构建待测储气井井筒内壁面三维模型，该三维模型可以模拟出套管变形具体位置和变形的尺寸，深度计用于记录此时检测探管深度信息，分别将储气井套管箍处变形的三维模型以及深度信息发送到数据处理终端进行显示，供检测人员分析储气井井筒以及井筒接箍处变形情况，便于对投入使用10年及以上时间的储气井确定该待测储气井的综合安全使用状况。且根据检测结果提供相关缺陷的精确位置和形貌尺寸，指导针对缺陷处开展的修复和防范措施，并对危险性较大缺陷提高检测频次，加强缺陷发展监测。

2、为了提高斜角的测量精度，针对连续多个不同变形缺陷同时出现时，将两个光纤陀螺采用上下垂直分布。遇到储气井内连续多个连续变形缺陷时，两个光纤陀螺进行检测，可以减少单一光纤陀螺因采集数据量受限所致的漏检及检测误差。此外，采用两个光纤陀螺可充分取样，矫正单个光纤陀螺因偶然干扰因素所致的误差，从而有效保障检测信息准确。

3、中水下扫描仪的光纤耦合激光器为十二个单通道单激光探头沿探管环向间隔布置，保障了多点同时地对套管缺陷部位进行探测，减少了水环境及油污对信号的吸收损耗。针对水下激光信号损耗大的问题，改进了水下激光信号建模分析算法，保障了激光信号处理的高效性及准确性，减少了水环境及油污对信号的吸收损耗。水下扫描仪用于检测套管倾斜、弯曲、变形等缺陷的精确形貌信息和具体缺陷尺寸，所得检测信号可与变形陀螺仪所测信息进行组合再显示，得到多信息三维直观检测结果图，形成了更完善的检测方式。

4、在检测进行时，三维变形分析软件默认分两屏同步显示同一套管深部部位处的井筒倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量、偏移量等信息以及井筒内壁的圆度差、面轮廓度、线轮廓度等三维测量信息，在井筒检测过程中可随时将缺陷部位对应的两类不同信号进行组合运算分析，形成直观的缺陷部位三维柱面展示图像，充分判断该处缺陷状况，并适时将检测方案做出调整。

5、本发明提供的光纤耦合激光器测量建模方法，考虑了透镜水下成像关系，减少了水环境及油污对信号的吸收损耗，可以实现对待测储气井的井筒内壁面的有效、准确地三维测量，测量精度可达5μm级别。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，包括：

清理待测储气井的井筒，并将待测的所述井筒注满清水至井口；

将检测探管通过升降装置由地面探入所述井筒内，使所述检测探管没入所述井筒内的水面以下；

启动数据处理终端，并进行初始化设置；

驱动所述升降装置使所述检测探管在所述井筒内下降并进行检测；以及

所述数据处理终端接收所述检测探管所采集的信息进行显示并处理；

其中，所述升降装置包括绞车、伺服电机、编码器、铠装电缆绞盘及铠装电缆，所述铠装电缆缠绕于所述铠装电缆绞盘上，且所述伺服电机安装于所述绞车上；

其中，所述数据处理终端与所述铠装电缆的一端电性连接；

其中，所述检测探管与所述铠装电缆的另一端电性连接，且所述检测探管包括探管壳体、变形陀螺仪、水下扫描仪及电路集成舱；

其中，所述变形陀螺仪、所述水下扫描仪及所述电路集成舱均密封于所述探管壳体中；

其中，所述电路集成舱与所述铠装电缆的另一端电性连接，且所述变形陀螺仪和所述水下扫描仪均通过所述电路集成舱与所述数据处理终端电性连接；

其中，所述伺服电机通过所述编码器带动所述铠装电缆绞盘转动，从而带动所述铠装电缆及所述检测探管在所述井筒中纵向移动；

其中，所述变形陀螺仪用以采集所述井筒的变形信息，且所述水下扫描仪用以对所述井筒的变形形态进行扫描并构建井筒内壁的三维模型；

其中，所述数据处理终端用以接收所述井筒的所述变形信息及所述井筒内壁的三维模型，进行显示并处理。

2.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述探管壳体的外表面包覆有保护层，所述保护层上开设有多个开口，且所述探管壳体的外周安装有多个扶正器，所述扶正器为可调式扶正器。

3.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述水下扫描仪的光纤耦合激光器为十二个单通道激光探头，且所述十二个单通道激光探头沿所述探管壳体的内壁环向间隔设置。

4.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述变形陀螺仪包括多个上下垂直排列的光纤陀螺和多个上下垂直排列的三维重力加速度传感器，且所述光纤陀螺用以采集所述井筒的角度信息，所述三维重力加速度传感器用以提高井筒斜角的测量精度。

5.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述铠装电缆绞盘处设置有深度计，所述深度计用以记录所述检测探管放置的深度信息，所述深度计通过所述铠装电缆与所述数据处理终端电性连接，且所述深度计将所述铠装电缆的实时放线速度信息及所述检测探管的下降深度信息传输至所述数据处理终端。

6.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述铠装电缆绞盘最长可放线700m，且电缆放线速度范围为0.01m/s-0.9m/s。

7.如权利要求1所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述井筒的所述变形信息包括待测所述储气井的所述井筒和单个套管、螺纹接箍的倾角、斜角、方位角、弯曲度、沉降量及偏移量。

8.如权利要求3所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，当所述变形陀螺仪未检测到缺陷时，仅开启所述水下扫描仪的所述光纤耦合激光器的四个所述单通道激光探头进行不间断测量，且当所述变形陀螺仪检测到缺陷时，则开启所述水下扫描仪的所述光纤耦合激光器的所述十二个单通道激光探头进行测量。

9.如权利要求8所述的小直径地下储气井井筒变形的检测方法，其特征在于，所述光纤耦合激光器采用无光学镜片的谐振腔体。

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