多分量瞬變電磁法套損檢測(cè)系統(tǒng)

（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）

多分量瞬變電磁法套損檢測(cè)系統(tǒng)

陳嘉輝,李志強(qiáng),張文輝

（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）

研究了一種基于多分量瞬變電磁法的套損檢測(cè)系統(tǒng)，由探測(cè)單元、發(fā)射單元、接收單元、采集傳輸單元和地面單元組成。本系統(tǒng)在1個(gè)垂直探頭和8個(gè)水平探頭中分別發(fā)射雙極性方波作為瞬變電磁激勵(lì)信號(hào)，在發(fā)射信號(hào)的間歇接收套管上產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)，根據(jù)探頭接收到感應(yīng)信號(hào)的異常變化，來(lái)識(shí)別套損類型，判斷套損位置。

瞬變電磁；多分量探頭；套損檢測(cè)；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

套管損傷是困擾油田高效開(kāi)采最嚴(yán)重的問(wèn)題之一。油氣開(kāi)采往往處惡劣的自然環(huán)境，以及人為作業(yè)和地質(zhì)作用相互復(fù)雜影響，勢(shì)必會(huì)對(duì)井下套管造成各種損傷，導(dǎo)致套管出現(xiàn)程度不同的損壞，會(huì)直接影響到油水井的后續(xù)作業(yè)。多分量瞬變電磁套損檢測(cè)系統(tǒng)以瞬變電磁法為基礎(chǔ)，通過(guò)接收套管上產(chǎn)生的二次場(chǎng)可檢測(cè)套管電阻率的變化，進(jìn)而達(dá)到套損檢測(cè)的目的。瞬變電磁法研究的是純異常響應(yīng)，避免了激勵(lì)磁場(chǎng)帶來(lái)的干擾，具有更精確的探測(cè)能力與分辨能力。

圖1 井下模型

1 理論基礎(chǔ)

建立圖1所示模型，各層分別為空氣、套管、水泥環(huán)、地層，電性參量為。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，將線圈等效為磁偶極子源，引入矢量磁勢(shì)F，設(shè)，由Maxwell方程組得到。有源區(qū)域，F(xiàn)滿足方程：

其中k2=-iωμσ，k 為介質(zhì)的波數(shù)。，其中M為發(fā)射線圈的磁矩，M=NtIS，Nt為發(fā)射線圈匝數(shù)，I 為發(fā)射電流，S為發(fā)射線圈的面積。n為軸線方向單位向量。

無(wú)源區(qū)域F滿足方程：

求解上述方程，介質(zhì)1中，接收線圈接收到的感應(yīng)磁場(chǎng)大小為有源區(qū)解與無(wú)源區(qū)解的和：

探頭接收到的時(shí)域感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小為：

其中NR為接收線圈匝數(shù)，SR為接收線圈的面積，μr為磁芯的有效磁導(dǎo)率。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

供電單元包括多繞組變壓器、整流單元、井下供電單元、地面供電單元。多繞組變壓器將220V交流電轉(zhuǎn)換成多路低壓交流電，經(jīng)整流單元將交流轉(zhuǎn)換成直流電。其中一路通過(guò)電纜傳輸至井下，其余部分由地面供電單元轉(zhuǎn)換后為測(cè)深單元和地面單元供電。發(fā)射單元主控芯片產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，通過(guò)輸出電路加載到探頭上。由于接收到的感應(yīng)信號(hào)一般都很微弱，因此需要接收單元前置放大電路對(duì)接收到的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，再由濾波電路進(jìn)行濾波，去除噪聲，可變?cè)鲆娣糯箅娐穼?duì)濾波過(guò)的瞬變電磁早、中、晚期感應(yīng)信號(hào)放大時(shí)倍數(shù)可調(diào)，再放大后輸入到采集單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入到主控芯片進(jìn)行編碼處理，經(jīng)耦合變壓器通過(guò)電纜傳輸給地面單元，保證后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。測(cè)深單元通過(guò)光電編碼器記錄電纜下放時(shí)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)，輸出至主控芯片對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，傳輸至地面單元，提供檢測(cè)系統(tǒng)的深度信息。地面單元接收到從電纜上傳的井下信號(hào)，由耦合變壓器分離出來(lái)有效信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理后再經(jīng)比較輸出電路后，輸出方波信號(hào)通過(guò)串口通信轉(zhuǎn)換上傳至上位機(jī)，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)時(shí)顯示。

4 試驗(yàn)分析

套管損傷檢測(cè)時(shí)所得到的數(shù)據(jù)為電壓值，應(yīng)該把測(cè)量到的電壓值轉(zhuǎn)換成缺陷值，因此需要找出精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系。主要采用刻度方法來(lái)完成相關(guān)的轉(zhuǎn)換。建立各個(gè)探頭檢測(cè)的電壓值和套管缺陷的大小的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為測(cè)井資料解釋提供相關(guān)依據(jù)。

表1 不同缺陷類型對(duì)應(yīng)信號(hào)變化

表1中可看到套管的孔洞損傷能被探頭檢測(cè)出，水平探頭檢測(cè)橫向裂縫比垂直探頭明顯，而垂直探頭檢測(cè)縱向裂縫比水平探頭明顯。孔洞或裂縫的大小可由曲線相對(duì)應(yīng)變化規(guī)律確定。利用多分量瞬變電磁套損檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

圖6的（1）中信號(hào)噪聲較小，曲線較平滑，表示套管質(zhì)量良好，無(wú)損傷，信號(hào)的增大表示該處為套管接箍。（2）中部分信號(hào)噪聲較大，曲線波動(dòng)明顯，該處為射孔段。（3）中部分信號(hào)噪聲較小，曲線波動(dòng)平穩(wěn)，此處為腐蝕段。通過(guò)與井史資料對(duì)比，系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果吻合，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和檢測(cè)目的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)是一種非接觸式的測(cè)量裝置，根據(jù)多分量磁芯探頭產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其異常變化來(lái)確定套管損傷的類型和位置，是一種新型、實(shí)用的套損檢測(cè)方法，經(jīng)測(cè)試證明本系統(tǒng)使用方便、檢測(cè)能力較強(qiáng)。

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Multi-component Transient electromagnetic method Casedamage Detection System

Chen Jiahui,Li Zhiqiang,Zhang Wenhui
(Xi'an Petroleum University,Key Laboratory of opto electronic gas logging and testing,Xi'an,Shaanxi, 710065)

A Case-damage Detection System based on Multi-component Transient electromagnetic method is established,which consists of detection unit, transmission unit,reception unit,collection transmission unit and ground unit.This system includes a vertical probe and eight horizontal probes,the probes are used to transmit bipolar square wave signals,and receive induction signals produced on the case at intermittence times. Case damage types and locations can be identified by detecting abnormal changes of the induction signals.

Transient electromagnetic method;Multi-component probes;Case damage detection; Detection system

國(guó)家自然基金項(xiàng)目“基于線源的井間剩余油探測(cè)理論和方法”資助，項(xiàng)目編號(hào)41174160。