新型雙遠場電磁聚焦測厚儀系統

錢慧芳，羅 卉

（西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安710048）

許多老油田套管損傷井呈逐年增多趨勢，并向區域性發展，這將嚴重影響油田的產量。吉林油田套管存在問題的井數約占全部的 20%[1]；青海油田，2006年調研的數據有280口套損井，2009年權威部門統計的數據是308口套損井[2]；塔河油田工程測井、施工作業過程中，共計發現有58口井存在不同程度套損現象，約占總數的5.3%[3]。利用測井技術進行檢測，評價套管的損傷程度，認識和預防套損區域的擴大，及時采取措施有重要意義。

目前國內外對石油套管厚度檢測的方法主要有利用聲波測量、利用光學照相技術測量、利用井徑測量和利用電磁原理測量等。文獻[4-5]利用聲波測量雖然有很高的測量精度，但在油井的惡劣環境中會因套管表面不潔而降低準確度；利用光學照相技術測量雖然能直觀地了解井下套管的狀況，但受井液的可見度限制較大；文獻[6]利用井徑測量在套管變形部位儀器易遇阻，且無法檢測到套管外壁的腐蝕；利用電磁原理測量可以檢測出油、水井套管內外徑變化，破裂、腐蝕部分，但精度有限。所以，目前國內外的測井儀都只能做到定性或半定量分析，完全定量分析一直是個技術難題。

針對以上技術問題，新型雙遠場電磁聚焦測厚儀首先根據發射電磁場原理，改變了線圈電磁場在石油套管內外的分布，以提高儀器的檢測靈敏度，采用了遠場低頻雙發射及陣列接收探頭的結構，以提高儀器水平方向的分辨率。再根據本文檢測算法確定套管實際變化的大小、深度和形狀等參數，以實現定量分析。

1 系統基本原理

儀器首先由兩只相同的相距約為5～7倍所測套管內徑的發射線圈，發射出一定頻率的電磁信號，使其在套管壁內外形成均勻分布的電磁場，再由兩層均勻分布的40組陣列接收探頭接收隨套管厚度變化的信號，然后通過40道輸入放大器對每道接收信號進行放大和40道帶通濾波器對每道接收信號中干擾信號進行抑制，最后利用電纜將接收信號上傳至地面數據采集系統進行一系列數據處理等工作，最終得出套管的壁厚。

2 系統硬件設計

雙遠場電磁聚焦測厚儀主要由發射單元、接收單元和電子電路3部分組成。儀器芯結構示意圖如圖1所示。

圖1 儀器芯結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the instrument core

2.1 發射單元

發射單元包括兩個發射線圈。兩只發射線圈與發射磁場順向排列，線圈相距約5-7倍所測套管內徑。為了使接收線圈處的磁場均勻分布，兩發射線圈內側均裝有高導磁率的導磁片。通過雙線圈定距離順向發射和導磁片的均磁作用，使磁場在套管壁內外平行均勻分布，提高儀器的檢測靈敏度。

2.2 接受單元

接收單元包括40組接收線圈，兩個發射線圈對稱設置于40組接收線圈兩側。40組接收線圈分兩層均勻分布，每層20組，每層相鄰的接收線圈組相差18o,每組線圈采用差分相連。兩層之間相對應的線圈組相差9o，當通過軟件延遲后，就相當于在一個平面上，按9o平均分布了40組接收探頭，使儀器的水平測量分辨率為9o。

2.3 電子電路

電子電路由發射電路、接收電路、數字控制電路、VGA放大電路、輔助測量電路、開關電源電路組成。發射電路主要產生穿透能力強的40 Hz和2 Hz正弦波；接收電路主要由40道輸入放大器、40道40 Hz的帶通濾波器和40道2 Hz的帶通濾波器組成，這樣可以分辨出套管破損的通孔和破損槽的區別，也可以定量測量出套管破損定量變化；數字控制電路是儀器工作的控制核心，它通過時序控制使儀器發射、接收、刻度、測量和信號傳輸有序的進行；VGA放大電路主要保證接收信號均工作在線性狀態；輔助測量電路主要用于測量溫度和方位傾角，測量溫度是為了進行溫度漂移校正用，測量方位傾角是為了計算出套管破損的具體位置；開關電源電路是把+18 V直流電分別變為80 V、±15 V和5 V的直流電分別供發射單元、接收單元和電子電路用,為了提高轉換效率，采用開關電源變換。系統硬件功能框圖如圖2所示。

儀器在測井時，所有測量波形均傳輸到地面儀器，再經過軟件處理后，可還原為套管實際破損圖形。

圖2 系統硬件功能框圖Fig.2 Functional block diagram of the hardware system

3 系統軟件設計

3.1 測量波形簡述

由于測井行業工作環境的特殊性，經常需要測井儀器深入地下上千米去完成測井工作，測得到的數據再通過電纜上傳至地面數據采集系統，工作人員通過分析和處理采集到的數據，完成測井任務。數據的遠距離傳輸，使得描述井下實際信息的數據傳輸應盡量快、少，并且準確。本儀器在一個測量周期內采樣5個點，用于表征一個測量周期內的井下實測信息，每一點的幅值表征該時刻下的套管厚度。

當儀器以一定速度向右移動經過破損槽時產生的波形如圖3所示，圖中第一道信號和第二道信號波形分別是雙遠磁場電磁聚焦測厚儀的參考波形和實測波形。橫軸為測量井深，縱軸為各波形幅值。

圖3 破損槽接收信號波形圖Fig.3 Waveform diagram of damaged tank received signal

經實驗分析知，當儀器檢測到通孔時，參考波為2 Hz時的實測波形較40 Hz時的實測波形變化幅度大；當儀器檢測到破損槽時，參考波為40 Hz時的實測波形幅度較2Hz時的實測波形變化幅度大。為了使實測波較容易的被檢測元件檢測到，參考波形采用分為40 Hz和2 Hz的方波，用于區分檢測到的破損為通孔還是破損槽。

3.2 套管破損判斷

從接收波形與參考信號波形之間的相位差，很容易知道套管破損槽的變化趨勢，是繼續減薄，還是開始變厚。其中如果從薄到厚，并在交界面位置時，其相位差接近0o；如果從厚到薄，并在交界面位置時，其相位差接近180o。再通過接收的波形的相對幅度變化，就可以知道減薄或變厚多少。如果套管破損為矩形槽，那么通過接收探頭接收波形的兩個最大值之間的距離就可以算出矩形槽的長度。儀器的水平測量分辨率為9o，那么通過檢測40道線圈中波形發生變化的個數，即知矩形槽的寬度。

3.3 數據處理

本文采用MATLAB的編程語言對新型雙遠場電磁聚焦測厚儀的實測波形數據進行處理，利用包絡線法快速、準確的提取實測波幅值的最大值，再繪制出的套管厚度曲線圖,然后提取出圖中表征套管厚度的數據并做統計，以表征實際套管厚度，最后根據對應的實際石油套管尺寸，采用BP神經網絡算法，找到統計數據和實際石油套管厚度的關系。軟件設計流程圖如圖4所示。

Samantha：I have lived with it whole life, you don’t have to 3)pretend.

圖4(a)中A-B為包絡線法的流程圖。

將雙遠場電磁聚焦測厚儀連續測得的5個數據作為一組；連續的n個最大值為一包數據(n=5、3、1)；n=5時，為計算方法一；n=3時，為計算方法二；n=1時，為計算方法三。

計算方法為：先求出n個最大值的平均值，再求出相鄰兩包數據的誤差ea。

誤差計算公式為：

ea= abs(maxmean2-maxmean1)/maxmean1

其中，maxmean2表示后一包數據的最大值的平均值，maxmean1表示前一包數據的最大值的平均值，abs為取絕對值函數。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

其中，ea的設定值的選取是通過實驗選取的，選取的規則是盡量能快速、準確的用最大值的平均值代替最大值，并且輸出的實測波形最大幅值的包絡線能較清楚的表征實測波形。

圖4(a)中B-C為繪制套管厚度曲線的流程圖。

3.4 BP算法實現

1）增加數據影響因子——數據變化率

為了解決常規BP算法的訓練中，因實測波形變化的不確定性帶來輸入的突變而造成的網絡不穩定的問題，在本算法的訓練樣本中增加了樣本數據變化率。樣本數據變化率表征了套管實測波形的變化趨勢，給網絡權值的修正提供了一個方向性指導，以提高網絡訓練的穩定性。

求數據變化率的公式為：

K(j)=(SA(j)-SA(j-1))/SA(j-1)

其中，SA(j)和SA(j-1)分別表示第j和第j-1個樣本數據，K(j)為第j-1個樣本到第j個樣本的數據變化率。

2）自適應學習率

通過分析BP神經網絡的誤差曲面可知，在誤差曲面平坦區域需要有較大的學習率，在誤差變化劇烈的區域需要有較小的學習率，從而加快算法的收斂速度，避免陷入局部極小值。而在常規BP算法中，學習率是一個固定的常數，而且它的值將直接影響到網絡的訓練時間。如果選擇太大，會降低網絡的穩定性；如果選擇過小，網絡的訓練將會消耗很多時間。因此在網絡的訓練過程中，不同的網絡誤差需要不同的學習率調整權值更新。自適應調整學習率的算法為：

其中, W(k)為第k步時的權值， lr(k)為第k步時的學習率， △W(k)為第k步時的權值調整量， E(k)為網絡迭代第k次的均方誤差，ζ(1%＜ζ＜5%)為均方誤差比值預設值，ρ(0＜ρ＜1)為學習率減小因子， η(η>1)為學習率增大因子。BP算法流程圖如圖4(b)所示。

圖5 接箍處測井曲線及處理結果圖Fig.5 Logging curve and the processing resnlt of the coupling

接箍處測井曲線如圖5（a）所示，其中，左側40道曲線為參考波為2 Hz時的實測波形，右側40道曲線為參考波為40 Hz時的實測波形。因為每道曲線的同一處都發生了相同變化，說明油井水平方向上每一處套管壁厚相同，可判定此處為套管接箍。因為2 Hz的參考波和40 Hz的參考波對不同的孔徑幅值變化不同，所以40 Hz的參考波的實測波形幅值較2 Hz的變化明顯。圖5（b）是其中一道實測波形軟件處理結果，圖中波形幅值表征了這一水平方向上的套管接箍處的管壁厚度。

4 結 論

實驗結果表明，該儀器根據發射電磁場原理，改變線圈電磁場在套管內外的分布，使儀器在不同推靠系統的條件下，既能夠滿足儀器的測量精度又提高了儀器的水平的分辨率；采用的遠場低頻雙發射及陣列接收探頭的結構，提高了儀器水平方向的分辨率；提出的包絡線法能夠快速準確地提取測得數據幅值；增加數據變化率的自適應BP神經網絡算法使儀器具有測量精度高、速度快的優點。

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