電磁探傷與多臂井徑組合測井儀地面控制系統(tǒng)

張生林　黨博　陳龍　王斌　袁濤

摘要：在油田開采過程中，油水井不可避免地出現(xiàn)損壞，準(zhǔn)確掌握套管損壞情況、研究其損壞機(jī)理及如何采取保護(hù)和修補(bǔ)措施變得十分迫切，電磁探傷與多臂井徑組合測井儀正是為了及時檢測套管狀況為油水井作業(yè)、大修提供全面、準(zhǔn)確的套管全貌而被油田采用。電磁探傷與多臂井徑組合測井儀地面控制系統(tǒng)主要解決組合測井儀的數(shù)據(jù)處理、井下控制、井下供電、信號濾波等，在處理井下電磁探傷與多臂井徑測試數(shù)據(jù)時，有著高效、快速的處理能力，并能夠?qū)崟r顯示，實現(xiàn)了組合系統(tǒng)的控制與處理。

關(guān)鍵詞：電磁探傷；多臂井徑；地面控制系統(tǒng)

中圖分類號：TE355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0208-03

Ground Control System of Electromagnetic Flaw Detection and Multi Arm Caliper Combination Logging Tool

ZHANG Sheng-lin， DANG Bo， CHEN Long， WANG Bin， YUAN Tao

（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： During the development of oilfield， oil wells will inevitably cause damage. Accurately grasping the study the damage mechanism of casing damage， and how to take measures to protect and repair is very urgent.Size combination logging instrument electromagnetic defect detection and multi arm well is to detect the casing conditions for oil well operation and overhaul to provide comprehensive and accurate picture of the casing by using oil.The electromagnetic flaw detection with multi arm caliper logging instrument ground control system mainly solves the logging data processing， downhole control， underground power supply， signal filtering. In the processing of downhole electromagnetic flaw detection and multi arm caliper test data， with high efficiency and fast processing ability， it can achieve the control and display in real time.

Key words： electromagnetic flaw detection； multi arm caliper； ground control system

1 概述

受地層應(yīng)力、化學(xué)腐蝕等多種因素的影響，油水井的套管會出現(xiàn)不同程度的損壞，直接影響到油水井的使用壽命。由于套管是通過水泥與地層膠結(jié)在一起的，很難從井中取出到地面，只能通過井下儀器對其進(jìn)行檢測，以便為套損井的修復(fù)提供依據(jù)[1]。

現(xiàn)有的套損檢測技術(shù)主要有兩種，電磁探傷和多臂井徑儀。電磁探傷能夠定性識別套管缺陷、確定其特點，定量的計算出套管的壁厚，但必須知道套管內(nèi)徑（或外徑）；多臂井徑儀是一種依靠測量機(jī)械臂伸縮量來獲取套管內(nèi)徑信息，但無法感知套管壁厚的變化情況，無法測量套管外壁的腐蝕，更無法檢測多層管柱。將兩者結(jié)合在一起，優(yōu)勢互補(bǔ)能夠更加全面的分析油水井套管信息，準(zhǔn)確反映套管全貌[1]。因此，組合測井儀地面控制系統(tǒng)的實現(xiàn)對于組合儀套管檢測意義重大，地面控制系統(tǒng)能夠集中的處理井下信號傳遞、數(shù)據(jù)解碼、井下供電、井下電機(jī)控制等，這為數(shù)據(jù)的高效處理提供了重要的基礎(chǔ)。在本文中將詳細(xì)闡述地面控制系統(tǒng)的工作原理并結(jié)合試驗驗證設(shè)計效果。

2 組合儀器工作原理

2.1 組合儀器的必要性

圖1為油水井電磁測井物理模型，其理論模型是一種多層圓柱面層狀介質(zhì)中的電磁場問題[2]，圖中1、2、3、4、5、6分別是空氣、儀器外殼、井液、套管、水泥環(huán)、地層介質(zhì)，電性參量依次為[{ε1，σ1，μ1}，{ε2，σ2，μ2}，{ε3，σ3，μ3}]，[{ε4，σ4，μ4}]，[{ε5，σ5，μ5}]，[{ε6，σ6，μ6}]，其中?為介電常數(shù)，σ為磁導(dǎo)率，μ為電導(dǎo)率，因為整個物理模型以井眼軸線對稱，所以可以選用柱坐標(biāo)系[（r，φ，z）]對其進(jìn)行分析[3]。

由麥克斯韋電磁場理論可知，電場與磁場之間的微分形式關(guān)系如下：

[ ?×H（r，t）=J（r，t）+??tD（r，t） ?×E（r，t）=-??tB（r，t） ?·B（r，t）=0 ?·D（r，t）=ρ（r，t）]

其中[?]是微分運(yùn)算符，[Η]是磁場強(qiáng)度（A/m），[Ε]是電場強(qiáng)度（V/m），B是磁感應(yīng)強(qiáng)度（T），D是電位移矢量（C/[m2]），[ρ]是電荷體密度（C/[m3]），J是電流面密度（A/[m2]）。根據(jù)[Η]和B，E和D之間的聯(lián)系，可以將其中的獨立方程表示為：endprint

[D（r，t）=εE（r，t）B（r，t）=μH（r，t）J（r，t）=σE（r，t）]

由上述公式可知[ε]、[μ]、[σ]可以作為已知參數(shù)進(jìn)行計算，因此依據(jù)電磁場反演出套管厚度變化需要對[r3、r4、r5]進(jìn)行求解。又因為水泥環(huán)電阻率與套管電阻率相差很大，故可以忽略水泥環(huán)的影響。電磁探傷能夠同時測得[r3、r4]的大小值，但一個方程不能夠解出兩個未知數(shù)，而井徑儀能夠很精確的測得[r3]的大小。因此，將電磁探傷儀與井徑儀結(jié)合能夠解決上述問題。

2.2 組合測井儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2是多臂井徑儀與電磁探傷儀組合系統(tǒng)的總體設(shè)計，將兩支儀器各自的供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和地面系統(tǒng)融合為一個供電系統(tǒng)、遙傳系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，保留井徑儀中的這三個單元，并在原有的基礎(chǔ)上根據(jù)需求重新設(shè)計；一個系統(tǒng)只需要一個測溫電路即可滿足測溫需求，所以井溫電路可舍去一個，這里舍去多臂井徑儀中的井溫電路。各自保留多臂井徑儀與電磁探傷儀的發(fā)射電路和接收電路，多臂井徑儀的發(fā)射電路用來產(chǎn)生四十個位移傳感器的激勵信號，電磁探傷儀的發(fā)射電路用來產(chǎn)生三個磁探頭的激勵信號，而且接收到的信號不同，也不能共用一個接收電路[1]。

電磁探傷與多臂井徑組合是通過串聯(lián)的方式連接，但在儀器內(nèi)部，分為獨立供電、采集、傳輸和共同供電、采集、傳輸。儀器內(nèi)部組合測井時，作為組合儀同時下入井筒進(jìn)行探測套管損傷情況[1]。井徑儀控制器控制井徑儀測量臂和扶正器的工作并采集數(shù)據(jù)，根據(jù)遙傳短節(jié)給出的命令，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給遙傳短節(jié)；電磁探傷儀的控制器與井徑儀的控制器負(fù)責(zé)同樣的工作，如圖3。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)方案如圖4所示，其主要由兩部分組成，分別是井下遙傳模塊和井上調(diào)制解調(diào)模塊，井下與井上的數(shù)據(jù)通信主要依靠單芯電纜實現(xiàn)雙向傳輸[4]。遙傳系統(tǒng)中數(shù)據(jù)有兩個流向，分別為下傳控制信息流向和上傳測井信息流向，它們是半雙工工作。地面向井下發(fā)送的命令的過程和井下向地面發(fā)送的測井信息的過程是一樣的。

當(dāng)井下數(shù)據(jù)經(jīng)過遙傳短節(jié)中的DSP主控芯片處理后，先要對信號進(jìn)行放大，在電纜的傳輸過程中會給信號帶來很大的噪聲以及衰減。因此，地面控制系統(tǒng)需要對耦合后的信號進(jìn)行濾波、放大以及曼徹斯特解碼等處理，才能進(jìn)入主控芯片ARM進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，并將解析結(jié)果上傳至上位機(jī)進(jìn)行實時顯示。

由于地面控制系統(tǒng)不僅需要解碼井下數(shù)據(jù)，還需要對井下多臂井徑儀的扶正器以及測量臂進(jìn)行控制。因此井上指令經(jīng)過電纜傳輸?shù)骄聲r，還需要對信號進(jìn)行處理，當(dāng)井下接收到下傳指令后才會開啟井徑儀的測量臂以及扶正器。

3.2 井徑儀電機(jī)控制

在組合儀中，井徑儀系統(tǒng)工作的實現(xiàn)都是通過測量臂的張開與閉合來實現(xiàn)，在本系統(tǒng)中采用高低溫直流電機(jī)機(jī)組來達(dá)到控制測量臂的目的，其額定電壓110V，允許的最大扭矩20N.M，額定轉(zhuǎn)速6-8r/min。對于井下電機(jī)的控制通過井上發(fā)送信號指令進(jìn)行，其具體控制流程如圖5。

整個控制流程的實現(xiàn)主要通過井上計量電路準(zhǔn)確記錄探測儀器下潛深度來完成，當(dāng)儀器下潛深度在電腦上位機(jī)中達(dá)到指定位置時，閉合機(jī)箱按鈕便會給井上主控芯片一段持續(xù)電壓，井上芯片在接收到這段電壓后便會給井下發(fā)送電機(jī)開啟的命令。當(dāng)測量結(jié)束時，斷開井上機(jī)箱按鈕，井上主控芯片未檢測到電壓脈沖便會給井下發(fā)送結(jié)束指令，井徑儀閉合測量臂。

3.3 數(shù)據(jù)通信控制

對應(yīng)于上述整體方案，上傳數(shù)據(jù)通信控制部分結(jié)構(gòu)如圖6所示。電磁探傷與多臂井徑組合儀測量數(shù)據(jù)經(jīng)過遙傳短節(jié)處理后，信號經(jīng)變壓器耦合至電纜；地面控制系統(tǒng)將信號通過變壓器耦合下來，首先經(jīng)過一級放大、高通濾波、降噪以及二級放大，經(jīng)過處理后的信號需要經(jīng)過雙差分比較器才能進(jìn)入解碼器進(jìn)行解碼輸出。

在信號進(jìn)入主芯片ARM中，內(nèi)部控制程序需要對進(jìn)入信號進(jìn)行初始判斷，當(dāng)識別信號是下降沿觸發(fā)時開啟芯片內(nèi)部A/D進(jìn)行信號采集，由于采集數(shù)據(jù)量較大，需要將采集到的初始信號經(jīng)過DMA緩存處理后進(jìn)入CPU中，大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口上傳至上位機(jī)軟件通過Labview進(jìn)行顯示。

井徑儀的測量數(shù)據(jù)每幀數(shù)據(jù)多達(dá)68個字節(jié)，再加電磁探傷儀的測量數(shù)據(jù)是每幀53個字節(jié)，在這樣數(shù)據(jù)量大的情況下，數(shù)據(jù)采用串行傳輸；為了便于將兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，需要對每幀數(shù)據(jù)設(shè)置幀頭與幀尾，以便于解析的有效完成。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

多臂井徑儀與電磁探傷數(shù)據(jù)信號經(jīng)過井下遙傳短節(jié)處理，采用曼徹斯特編碼技術(shù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，編碼后圖形如下圖7所示，對每一字節(jié)采用先發(fā)低位后發(fā)高位的順序進(jìn)行編碼處理。

發(fā)送的數(shù)據(jù)通過變壓器耦合到電纜傳輸，信號會衰減且?guī)в写罅吭肼暎诮?jīng)過井上控制系統(tǒng)濾波放大處理后，信號如圖8所示。

信號通過濾波放大等處理后進(jìn)入主控芯片ARM前，其解碼圖形如圖9所示與圖7井下發(fā)送圖形完全一致，因此接下來只需要ARM對信號分析處理；由于在信號的采集過程中通過下降沿識別，因此需要對信號進(jìn)行反碼處理，如下圖10。

5 總結(jié)

按照多臂井徑儀與電磁探傷組合儀的應(yīng)用要求，確定出地面控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，基于曼徹斯特編碼技術(shù)研制了信號的傳輸方式、確定信號濾波放大參數(shù)、以及使用ARM對信號分析解碼；基于井徑儀的性能特征研制了測量臂張開閉合的控制方式等。結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠達(dá)到控制組合儀性能指標(biāo)要求，可以比較詳細(xì)和準(zhǔn)確的反映套管變形信息。通過本設(shè)計的研究，也可以在別的系統(tǒng)環(huán)境中使用該控制系統(tǒng)并提供一些設(shè)計思路，有一定的實際意義。

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