本文介紹激光二角測量法在套損檢測中的應用，激光二角法的測量原理、結構組成及ccD信號采集。提出雙層4探頭交義(yi) 測量方法對套竹內(nei) 壁腐蝕缺陷的檢測，實現了單探頭單通道測量，通過數據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(chan) 措施的實施，套管損壞井數逐年增多，套管損壞的程度也越來越嚴(yan) 重，因此對套損內(nei) 壁腐蝕的測量越來越重要。套管內(nei) 壁缺陷的測量是一種短距離、高精度的測量。目前國內(nei) 對套管內(nei) 徑尺寸的測量方法多數以接觸式測量為(wei) 主。本文通過分析激光測量原理，結合半導體(ti) 激光準直技術、現代傳(chuan) 感技術等，提出一種非接觸式激光測量方法——激光三角法測量係統，實現對套管內(nei) 徑尺寸變化大小進行快速、無損、高精度的測量。

　　2 測量係統原理及組成

　　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幹性好、方向性強等特點，實現高精度的計量和檢測，如測量長度、距離、速度、角度等。

　　隨著激光器及一係列光電探測器(如CCD和PSD)技術的成熟，激光三角測量法在物體(ti) 外形輪廓、微小位移、精密檢測技術中得到了廣泛的應用。其方法是用一束激光照射到被測物體(ti) 上產(chan) 生光斑，由物體(ti) 表麵散射或反射的光經過透鏡將光斑成像在焦平麵上，焦平麵上放置位置敏感器件。當物體(ti) 移動或用光束掃描物體(ti) 外形輪廓時，光斑位置發生移動，其位於(yu) 焦平麵附近的像相應的發生位置變化，通過圖像傳(chuan) 感器件(CCD)求出物體(ti) 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麵標樣的表麵，光束照在 A 點，反射到 CCD 光敏麵上的 點，A 點反射到CCD 光敏麵上的 點，當所測距離 Y 不同時， 反映在光敏器件上的光點像位置 X 也隨之不同，根據圖 1 所示三角關(guan) 係和牛頓物像關(guan) 係公式，可得兩(liang) 者之間的關(guan) 係為(wei) ：

　　式中：

　　Y為(wei) 被測距離；

　　f為(wei) 成像係統焦距；

　　l為(wei) 激光發射口到成像係統中心的距離，即基線長度；

　　L為(wei) 某一已知距離，通常取光敏麵接收器中心對應的距離，即基準距離；

　　X為(wei) 該被測距離在光敏接收器上與(yu) 已知距離在光敏接收器上像點的距離，有正負之分。

　　2.2 測量係統組成

　　測量係統包括井口設備、井下設備和信號處理 3個(ge) 部分。測量係統如圖 2 所示。

2.2.1 井口

　　設備包括升降及位置記錄器。為(wei) 了能夠保證激光探頭順利下入套管及勻速上升， 本係統采用電動絞車作為(wei) 升降設備，對套管內(nei) 徑測量是自下而上進行測量。為(wei) 得到清晰的位置圖像， 步進機構應該勻速運動上升，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轉速。雖然電機轉速較高時可節省測量時間， 但因掃描間隔相應增大， 儀(yi) 器分辨率將下降。通過電機轉速和時間的關(guan) 係分析可得出套管套損的位置。

　　2.2.2 井下設備

　　包括扶正器、旋轉電機、激光器、透鏡和圖像傳(chuan) 感器等。

　　(1)扶正器：考慮到儀(yi) 器的安裝及定位，要選擇扶正器作為(wei) 輔助設備能提高套管測量的精度。儀(yi) 器進入套管時偏離套管中心位置，是產(chan) 生誤差的主要因素之一。使用扶正器對激光測量機構采取必要的扶正，不僅(jin) 能夠保證激光探頭順利下入套管，還可保證激光探頭位於(yu) 中心位置，而且能提高測量精度，確保測量的準確性。

　　(2)旋轉電機：為(wei) 了對套管內(nei) 壁全麵檢測，采用螺旋式檢測法，采用升降與(yu) 旋轉機構同步工作方法。控製提升速度及旋轉角速度，即可滿足從(cong) 點腐蝕到麵腐蝕的檢測，達到套管內(nei) 壁腐蝕的全麵檢測。

　　(3)激光器：由於(yu) CCD 器件的光譜響應範圍為(wei) 400~1100nm，峰值響應波長約 900nm。激光二極管發出的激光波長為(wei) 650~900nm，其光譜響應靈敏度很接近於(yu) CCD 峰值響應波長的光譜靈敏度， 而且體(ti) 積小，功率穩定，使用方便。激光二極管工作電壓為(wei) 12V，輸出功率為(wei) 5mV。

　　(4)透鏡：要保證對目標距離檢測探測精度，透鏡焦距應該盡量取較大的值，但在探測器總體(ti) 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範圍的條件下，接收透鏡采用雙膠合物鏡。

       (5)圖像傳(chuan) 感器(CCD)：為(wei) 提高套損檢測精度，圖像傳(chuan) 感器應具有較高的空間分辨能力。選用東(dong) 芝公司的線陣 CCD 圖像傳(chuan) 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(nei) 部信號預處理電路包含采樣保持和輸出預放大電路。CCD 驅動采用單片機驅動，根據 TCD1206 驅動時序圖，是 89C51P1 口輸出數值，經CMOS邏輯器件 74hc04反向驅動器即可滿足 CCD 驅動條件。

　　2.2.3 信號處理係統

　　由於(yu) 信號在傳(chuan) 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用以下方式處理信號。信號處理係統流程如圖 3 所示。

　　在硬件電路的基礎上，利用高速單片機處理器實現數據的采集、處理和結果的顯示功能。該係統在激光三角法測距的基礎上，采用了單片機直接脈衝(chong) 計數方法對套管的內(nei) 部腐蝕缺陷進行判斷。即簡化了硬件電路，又能提高數據的傳(chuan) 輸。設 t=0 時，掃描 CCD 器件中心象元的脈衝(chong) N0，當測量係統啟動後，如有缺陷則計數為(wei) N，可得：

　　式中：為(wei) 光學成像係統的橫向放大倍數；為(wei) CCD兩(liang) 相鄰象元的中心距； 為(wei) 套管的缺陷深度。

　　本文為(wei) 14 m，N0是由 CCD 積分時間內(nei) 脈衝(chong) 產(chan) 生的個(ge) 數決(jue) 定的為(wei) N/2。

　　測量係統軟件總程序由 Visual Basic6.0 軟件開發，包括上位機和下位機的通信程序、延時子程序、數據采集程序、數據存儲(chu) 子程序、數據處理子程序、數據顯示子程序，其中數據處理子程序又包括數據大小判斷和圖像位置確定。

       在實驗室有限條件下，實現了單通道、單激光探頭進行套損的檢測，測量精度可達 0.05mm，試驗表明，用激光測量法對在役套管的內(nei) 壁腐蝕測量是可行的。雙層 4 激光探頭交叉測量方法可實現多點同時對套管內(nei) 壁腐蝕的檢測。4 探頭安裝位置采用 4 象限製同層探頭相差 90°，雙層 4 探頭安裝後可以提高檢測速度，有效地減小漏檢率。