陣列式瞬變電磁探傷采集系統設計

王斌 黨博 陳龍 張生林 袁濤

摘 要： 針對傳統三分量瞬變電磁測井儀分辨率低的問題，研究基于陣列式瞬變電磁探傷儀的多通道采集系統。在瞬變電磁損傷檢測理論模型的基礎上，設計基于AD7656的多通道采集電路，可以對陣列分布探頭的指數衰減信號進行同步采集。并對比分析了分時采集方式與同時采集方式的優缺點。最后，針對多層管柱及不同形狀的套管損傷進行試驗。結果表明，陣列式瞬變電磁探測系統可以實現多層管柱損傷檢測，多通道采集系統有效地提高了損傷檢測的解釋精度。

關鍵詞： 瞬變電磁法； 陣列式分布； 損傷檢測； 多通道采集； 多層管柱； 解釋精度

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）22?0059?05

Abstract： In allusion to the low resolution rate of the traditional three?component transient electromagnetic well logger， a multi?channel acquisition system based on the array?type transient electromagnetic defect detector is studied. The multi?channel acquisition circuit based on the AD7656 is designed on the basis of the theoretical model of transient electromagnetic defect detection， so that the exponential attenuation signals of array distribution probes can be collected synchronously. The advantages and disadvantages of the time?sharing acquisition mode and synchronous acquisition mode are compared and analyzed. An experiment was carried out for damages of the multi?layer pipe string and casing pipes in different shapes. The results show that the array?type transient electromagnetic detection system can realize multi?layer pipe string damage detection， and the multi?channel acquisition system can effectively improve the interpretation precision of damage detection.

Keywords： transient electromagnetic method； array distribution； damage detection； multi?channel acquisition； multi?layer pipe string； interpretation precision

0 引 言

瞬變電磁法[1]作為一種二次場觀測方法，具有對低阻體敏感、異常響應強、形態簡單、分辨能力強等優點，已經被廣泛應用于金屬礦產探測、煤礦產業、工程物探及石油天然氣生產等領域[2]。其中，基于瞬變電磁法的地球物理測井技術可以實現油、水井套管的高性能無損檢測，為生產井修補提供可靠依據，對油田老井再生產、提高采收率具有重要意義。然而，隨著對石油天然氣開采效率要求的不斷提高，傳統的基于單一探頭的套損檢測模式已經不能滿足需求。譚劭聰等在2012年提出了三分量檢測解釋理論[3]，陳嘉輝等在2015年詳細解釋了瞬變電磁法三分量電磁探頭，其中縱向探頭的響應強度最大，用于豎直裂縫的檢測和整體損傷衡量；兩個相互垂直的橫向探頭用于橫向裂縫檢測和輔助測量[4]。盡管三個分量聯合解釋可以極大地提高瞬變電磁法套管損傷檢測的精度，但是在多層管柱的無損檢測中不同層位的損傷可能會出現相同的瞬變電磁響應使得三分量瞬變電磁測井儀不能區分損傷的具體層位。

針對上述問題，本文提出了陣列式多分量瞬變電磁套管損傷檢測方法。該方法是在三分量瞬變電磁套管損傷檢測法的基礎上增加了探測范圍逐次增大的縱向電磁探頭，在空間中形成陣列分布，并推導出多層管柱損傷檢測理論模型；同時增加橫向探頭，將水平面分成等間隔探測扇區，建立了內層管柱損傷檢測模型。由于探頭數量的增加，傳統的三分量采集系統已經遠遠不能滿足需求，本文在理論研究的基礎上設計了陣列式多分量瞬變電磁探傷儀的采集系統電路，通過模擬井中環境進行實驗，驗證了系統的穩定性和可靠性。

1 瞬變電磁法理論

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method）是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法。采用間歇的周期性階躍脈沖磁場作為激勵（稱為一次場），在一次場的激發下周圍介質中激起的感應渦流將產生隨時間變化的感應電磁場（稱為二次場）。由于二次場富含周圍介質的地電信息，所以在一次場的間歇期間接收二次場，從而反演地層信息[5?7]。其中一次場信號如圖1所示。

2 陣列式多分量瞬變電磁測井系統

2.1 整體結構

陣列式多分量瞬變電磁測井系統[8?13]如圖3所示，工作時由測井絞車通過單芯電纜下放到被測井中。整個系統是由馬籠頭、上下扶正器及儀器主體組成。馬籠頭是連接儀器和單芯電纜的裝置；上下扶正器是由彈黃片組成使儀器主體在工作時處于套管的中心位置且盡可能減少晃動的裝置；主要探測工作是由儀器主體完成，包括陣列分布電磁探頭、溫度探頭及信號處理電路，最終信號通過單芯電纜傳至井上。

2.2 縱向陣列探頭模型

本文采用兩個大小不同的縱向探頭提高徑向分層能力，探頭在空間中形成陣列分布。如圖4所示，通過調整探頭尺寸與發射電流，設定第一縱向電磁探頭的探測半徑大于管柱1半徑小于管柱2半徑；第二縱向電磁探頭的探測半徑大于管柱2半徑。以極小時間切片內接收線圈中感應電動勢的理論模型作為管柱厚度刻度的基礎，從而獲取管柱的厚度。根據第[n]層管柱厚度的經驗值范圍[（0，xn）]，[dn∈（0，xn）]，通過逐次代入[dn]的值逼近測量得到的感應電動勢測量值[Un]，使得[Un]與感應電動勢理論值[Un]之間的誤差在設定的誤差閾值內，即[Un-Un2F≤δ2]，進而得到最接近的第[n]層管柱的厚度[dn]，與完整管柱的厚度[dn]比較之后可以判斷出每層管柱損傷情況。再根據感應電動勢隨深度變化的過程來解釋每層管柱損傷的大小和形狀，由于電磁探頭[A1]的探測范圍介于兩層管柱之間，所以只能探測出管柱1的損傷情況，而探頭[A2]的探測范圍包含了兩層管柱，結合探頭[A1]的探測信息可得出管柱2的損傷情況。如果管柱層數增加則可以增加，探測范圍不同的探頭來建立方程組求解各層管柱的厚度，從而判斷出各層管柱的損傷情況。

2.3 橫向陣列探頭模型

本文采用四個軸線在儀器截面上呈等角度差的橫向探頭B，B′，C，C′來檢測內層管柱損傷，如圖5所示。

圖5a）為探頭空間分布示意圖；圖5b）為橫向陣列探頭組合探測范圍俯視圖。可以看出各橫向探頭的磁場能量主要集中在陰影部分，四個探頭組合之后將覆蓋整個圓周面。通過設置探頭的形狀和繞制參數來控制其探測范圍，從而減小磁場能量重疊部分，使檢測值更加精確。

3 瞬變電磁測井系統電路設計

3.1 總體電路結構

本系統的整體電路結構如圖6所示，由單片機控制激勵發生電路產生雙極性瞬變脈沖信號給電磁探頭提供激勵；在發射激勵間歇期間電磁探頭接收二次場信號，接收信號通過差分放大之后進行模/數轉換；測溫電路測得的溫度數據與重力加速度數據經過單片機編碼后與電磁探測數據一起打包由電纜驅動電路耦合至電力線上，到井上之后再分離出來由井上信號處理電路進行處理。最后傳至上位機軟件進行實時顯示和存儲。

3.2 采集電路設計

三分量瞬變電磁探傷儀的采集系統是由主控單片機、AD974及其外圍電路組成。其中AD974是一款最高采樣速率為150 KSPS的雙通道模/數轉換芯片。在探測過程中，信號經過差分放大之后再通過由單片機控制的開關電路進行衰減，然后經過積分網絡來提高信噪比。由于AD974采樣通道數少，所以信號是通過數字開關控制而分時采集的。這樣頻繁地切換開關必然會引入不必要的開關噪聲，而且在電磁探頭增多之后，分時采集會遺漏部分探測信息，更不能滿足橫向探頭同時采集的要求。陣列式多分量瞬變電磁探測系統的探頭較多，采集必須由多通道采集芯片完成。如圖7所示，本文采用6個雙極性輸入通道的模/數轉換芯片AD7656及其外圍電路組成采集系統。探測信號先通過差分放大電路降噪之后再進入采集系統電路；由于縱向探頭信號較大，所以經過差分放大后的信號須通過模擬衰減網絡進行選擇性衰減；最后再通過AD7656進行模/數轉換。采集的數據以SPI串行通信方式與單片機進行傳輸[14?15]。

三分量與陣列式多分量的采集方式對比圖如圖8所示。使用AD7656作為采集芯片，優點在于其采樣通道數滿足需求，可以對所有探頭同時采集，排除了分時采集電路中數字開關引入的噪聲，而且不會遺漏部分探測信息；最高采樣速率為250 KSPS，可以通過連續采集代替積分網絡使得硬件電路簡單；工作環境溫度可達到125 ℃，能穩定工作于井下高溫工作環境。

4 現場試驗與分析

采用陣列式多分量瞬變電磁探測系統在如圖9b）井身結構的井中進行試驗。分析圖9a）探測曲線圖：在深度為10 m處縱向陣列探頭A1，A2的曲線都有明顯的變化，但幅值變化小，可判別此深度有內層管柱接箍；在深度為20 m處只有探頭A1的曲線有明顯變化，可判別此深度有外層管柱接箍；在深度為30 m處陣列探頭A1，A2的曲線都有明顯的變化，而且A1幅值變化很大，所以可判別此深度內外層管柱接箍都存在。在如圖10b）的套管損傷檢測試驗中，分析圖10a）探曲線圖：在深度0.6 m處C探頭的接收信號幅值變化較大且持續一段時間，可判別在此處存在一個長15 cm左右的縱向裂縫；在1 m處C，B′兩個探頭的接收信號幅值變化較大，可判別在此處存在一個[14]弧長的橫向裂縫；在1.4 m左右所有橫向探頭接收信號幅值都有明顯變化，可判別套管在此深度存在縮徑。

5 結 語

陣列式多分量瞬變電磁探測系統實現了石油天然氣生產井套管損傷的精確探測，同時提高了水平分辨率和柱狀分層能力，最終實現套管損傷及井下金屬異常體的定位和定型。由AD7656芯片及外圍電路組成的采集系統可以對陣列探頭接收信號進行同時采集，在提高系統探測性能的同時還不會遺漏探測信息。試驗結果表明，本文系統可以在井下高溫環境中穩定工作，而且根據探測曲線反演解釋的結果與真實情況的誤差很小。

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