套管損傷探測(cè)儀信號(hào)采集系統(tǒng)研究?

沈鵬征，李楠楠，劉 斌

（1 西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065；2 長(zhǎng)慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710065）

0 引言

套管損傷是國(guó)內(nèi)各油田遇到的普遍問題，套管損壞的油氣井輕者不能正常生產(chǎn)，重者則關(guān)井，甚至報(bào)廢，以致影響油田穩(wěn)產(chǎn)和采收率。隨著油田規(guī)模的擴(kuò)大和套損井?dāng)?shù)的增加，對(duì)油田的生產(chǎn)和發(fā)展是極其不利的，其經(jīng)濟(jì)損失也是不容忽視的，因而檢測(cè)油氣井下套管的損壞情況就成為避免油田經(jīng)濟(jì)損失的重要方法。本文介紹的信號(hào)采集方法通過多路磁探頭對(duì)套管的損傷進(jìn)行探測(cè)，提高了對(duì)井下瞬變電磁信號(hào)的檢測(cè)能力，可獲得信噪比較高的二次場(chǎng)信號(hào)，能完整、準(zhǔn)確地反映套管損傷信息，可以為套管的修復(fù)和所采取的預(yù)防措施提供科學(xué)依據(jù)，是一種典型的井下瞬變小信號(hào)的采集方法。系統(tǒng)利用PIC 單片機(jī)對(duì)采集過程進(jìn)行控制，電路簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，采樣精度高，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)。

1 信號(hào)采集的原理及方法

本系統(tǒng)以瞬變電磁法為理論基礎(chǔ)，對(duì)3個(gè)磁探頭（縱向長(zhǎng)探頭A，橫向探頭B，橫向探頭C）進(jìn)行分時(shí)采集。磁探頭由發(fā)射線圈和接收線圈兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收3部分。將磁探頭置于套管中，給探頭的發(fā)射線圈通以雙極性矩形脈沖信號(hào)，在脈沖的間歇期間，探頭的接收線圈記錄產(chǎn)生的、隨時(shí)間變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于在探頭發(fā)射線圈上提供的是雙極性脈沖電流，當(dāng)發(fā)射線圈中電流脈沖突然關(guān)斷時(shí)，將在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次場(chǎng)。根據(jù)導(dǎo)體中的電磁滲透理論，其磁力線穿過套管，在套管中產(chǎn)生渦流i即二次場(chǎng)。在脈沖電流的間歇期間，套管中產(chǎn)生渦流i在探頭的接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε。當(dāng)油管或套管出現(xiàn)孔洞、裂縫，特別是縱向裂縫，這將改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的幅度，在測(cè)井曲線上表現(xiàn)出異常，從而通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的變化進(jìn)行套管損傷的探測(cè)。通過對(duì)發(fā)射波形的間歇時(shí)間對(duì)接收線圈上的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，從而對(duì)套管損傷進(jìn)行識(shí)別。

瞬變信號(hào)在早、中、晚期的衰減速度差別相當(dāng)大。為了不失真地準(zhǔn)確確定瞬變衰減特性，采樣的間隔及采樣門寬應(yīng)在不同時(shí)期有所改變。在早期，信號(hào)的幅度高而且衰減速度快，因此采樣時(shí)間間隔及門寬都必須相當(dāng)窄才能保證足以精確地分辨信號(hào)的衰減特性；在晚期，采樣間隔及門寬應(yīng)增大，以適應(yīng)弱信號(hào)慢衰減的特性[1]。

在脈沖間歇期間井下分時(shí)采集3個(gè)磁探頭信號(hào)，磁探頭信號(hào)是按指數(shù)形式衰減。在3個(gè)磁探頭中，橫向短探頭B與橫向短探頭C，信號(hào)幅值高而且衰減速度快，而縱向長(zhǎng)探頭A 信號(hào)衰減慢，因此在脈沖間歇早期采集橫向短探頭B 和C上的接收信號(hào)，并且采樣時(shí)間間隔及門寬都必須相當(dāng)窄，才能精確地分辨信號(hào)的衰減特性，采用等間隔采樣；而在晚期采集縱向長(zhǎng)探頭A上的接收信號(hào)，采用非等間隔采樣，采樣方式如圖1所示。

圖1 接收信號(hào)采樣方法

2 硬件設(shè)計(jì)

井下信號(hào)采集系統(tǒng)主要由前置放大電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐贰⒎e分電路和AD 采樣電路組成。

2.1 前置放大電路

接收線圈接收的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，在早期衰減快，幅值大，而在中晚期信號(hào)衰減慢，幅值小，只有毫伏甚至達(dá)到微伏級(jí)，因此需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、降低噪聲干擾、提高信號(hào)靈敏度，。為了提高瞬變電磁信號(hào)數(shù)據(jù)采集的精度，減少系統(tǒng)的噪聲，而且還要同時(shí)滿足輸入阻抗、共模抑制比、電路工作點(diǎn)穩(wěn)定性等多種要求，在信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中采用了前置放大電路。前置放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)共模干擾抑制能力，低溫漂、低失調(diào)電壓和穩(wěn)定增益可調(diào)等特點(diǎn)。電路如圖2所示。

圖2 前置放大電路

IN129是由3運(yùn)放組合而成的集成放大器，具有較高的共模抑制比、溫度穩(wěn)定性好、放大頻帶寬、噪聲系數(shù)小，而且精度高、使用簡(jiǎn)易、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。R1、C1和R2、C2分別接到輸入線上組成一階低通濾波器，濾除輸入線上的高頻噪聲。同時(shí)，R1和R2又分別是限流電阻，避免過大的輸入電流燒毀IN129。D1～D4為保護(hù)二極管鉗制輸入信號(hào)使其保持在電源電壓范圍內(nèi)（-12V～+12V），保護(hù)后級(jí)的儀表放大器。IN129的放大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益可調(diào)范圍大，只需要調(diào)節(jié)外部的增益電阻Rg即可改變測(cè)量放大器的閉環(huán)增益。

2.2 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/h3>

在本采集系統(tǒng)中，接收的二次場(chǎng)信號(hào)微弱、動(dòng)態(tài)范圍寬，前期信號(hào)與中晚期信號(hào)，可能會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，早期信號(hào)幅值大，中晚期信號(hào)幅值小。當(dāng)接收早期的大信號(hào)時(shí)，應(yīng)調(diào)低放大器的增益，以防止放大器和后級(jí)電路引起飽和失真，避免早期信號(hào)出現(xiàn)截止；當(dāng)接收中晚期的小信號(hào)時(shí)，應(yīng)調(diào)高放大器的增益，使系統(tǒng)噪聲系數(shù)最小，以達(dá)到最高接收靈敏度。因此，為了避免信號(hào)出現(xiàn)截止現(xiàn)象，以及信號(hào)的分時(shí)采集，在前置放大電路后面加一個(gè)可變?cè)鲆娣糯箅娐贰ｋ娐酚筛咚?路單刀單擲模擬開關(guān)ADG202ATQ與運(yùn)算放大器組成，由PIC 單片機(jī)控制選擇磁探頭信號(hào)的通道以及不同的放大倍數(shù)，這樣可以減小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而使三個(gè)磁探頭的信號(hào)均能實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，同時(shí)減少了信號(hào)的噪聲干擾，電路如圖3所示。

圖3 可變?cè)鲆娣糯箅娐?/p>

PIC 單片機(jī)通過控制開關(guān)U1的選通，來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)磁探頭的分時(shí)采集，通過對(duì)控制開關(guān)U2的選通改變運(yùn)放的輸入電阻，從而改變放大器的增益，減小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬變信號(hào)的早、中、晚期進(jìn)行分時(shí)、有效的采集處理。

2.3 積分電路

我們所采集的有用信號(hào)主要集中在信號(hào)的晚期，晚期瞬變信號(hào)幅度微弱，衰減速度慢，所以我們采取模擬積分采樣方式，通過PIC 單片機(jī)控制對(duì)信號(hào)進(jìn)行分時(shí)積分采樣，對(duì)晚期的弱信號(hào)進(jìn)行累加，提高了信號(hào)的信噪比、采樣的精度與分辨率，精簡(jiǎn)了電路結(jié)構(gòu)。其工作原理是：通過PIC單片機(jī)控制模擬開關(guān)U3的關(guān)斷來(lái)選擇不同的積分電阻，U4作為模擬積分取樣的時(shí)標(biāo)信號(hào)用來(lái)確定取樣的起始時(shí)間、取樣寬度以及取樣次數(shù)，信號(hào)經(jīng)過電阻連接到運(yùn)算放大器OP27的反向輸入端口。信號(hào)靠電容C1來(lái)積累電壓，在測(cè)量結(jié)束的瞬間U3關(guān)閉，在OP27的輸出端的電壓停止增大。由于電容的放電回路被切斷，在OP27的輸出端的電壓長(zhǎng)時(shí)間保持恒值。由于積分過程中的高頻濾波作用，這種電路采樣精度最高。用AD 采樣該電壓，采樣后用單片機(jī)控制U4的一路開關(guān)導(dǎo)通，對(duì)電容器放電并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行下一個(gè)信號(hào)的積分取樣。電路如圖4所示。

圖4 積分采樣電路

2.4 A/D采樣

圖5 AD 轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本采集系統(tǒng)主要是通過PIC 單片機(jī)控制硬件電路，對(duì)磁探頭信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集。軟件的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。程序的控制主要包括對(duì)磁探頭信號(hào)的選取、可變?cè)鲆娣糯笃骱头e分電路的控制及A/D 數(shù)據(jù)采集。軟件主要是通過對(duì)模擬開關(guān)的控制，以達(dá)到信號(hào)的分時(shí)采集，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)以便后續(xù)處理。其流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

最終的采樣結(jié)果如圖7所示，圖中所示為可變?cè)鲆媾c積分電路的波形。由于信號(hào)是接到積分電路的反相輸入端，所以輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。由圖可知，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。

圖7 采樣的最終信號(hào)

4 結(jié)論

本文對(duì)井下瞬變信號(hào)的采集進(jìn)行了研究，對(duì)瞬變電磁信號(hào)的特點(diǎn)、采樣原理和采樣方法進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路和軟件。硬件電路由前置放大電路、可變?cè)鲆娣糯箅娐贰⒎e分電路和AD 采樣電路組成，軟件主要由PIC 單片機(jī)進(jìn)行控制和處理。電路完成了調(diào)試，參數(shù)符合預(yù)期的要求，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬和井下實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)具有采樣精度和信噪比高，抗干擾能力強(qiáng)，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，能準(zhǔn)確反應(yīng)井下套管損傷的信息。

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