用恒流源檢測套管內涂層破損方法

高建民,肖圣,秦力,孫玲,秦曉紅,馬秀妮

(1.中國石油集團測井有限公司生產測井中心,陜西西安710077;2.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710077)

0 引 言

近年來,為了解決套管內腐蝕問題,一些油田開始應用內涂層套管。這種涂層常使用環氧酚醛樹脂基材料,具有高電阻率的特性[1-3],在油田油氣生產過程中,油氣井產出的油氣、地層水和注水井注入液會對套管內涂層造成腐蝕[4-6]。涂層質量下降或破損后,套管內側電阻率明顯下降。目前檢測套管內涂層破損的方法有微電極法、單電極法[7-9]和交變電壓源供電測量[10]等,這些檢測方法的測量電極基本都安裝在外凸支撐臂上,測井作業有一定的風險,不利于提高測井成功率。

本文開發出一種交變恒流源供電測量套管內涂層破損的方法。把交變恒流源施加在儀器發射探頭和儀器上部鋼殼(回路電極)之間,儀器上部鋼殼通過電纜外鎧后在地面與套管短接,通過測量發射探頭與儀器鋼殼之間的電壓,來判斷套管內涂層破損程度;同時測量套管內井液的電阻率,根據井液電阻率的大小自動設置恒流源電流。為驗證方法的有效性,制作發射探頭模型,進行室內模擬測量,選用1.25、4.30、50.00 g/L的3種不同井液濃度的氯化鈉溶液進行模擬測量,實驗都得到了良好的測量效果;對測量數據進行分析,得出儀器制造要點。在機械結構設計上,把發射探頭直接安裝在儀器本體上,使儀器整體表面沒有凸出部分,降低測井作業風險。

1 儀器機械結構設計

儀器機械結構見圖1。儀器下端殼體使用聚醚酮樹脂(PEK)工程塑料,PEK是一種特種工程塑料,它的硬度、抗拉強度、彎曲強度、耐磨性能都比較好,可以承受井下高溫,耐油、防腐蝕性強,耐強弱酸堿等腐蝕液體和氣體,絕緣性能優良。

測量套管內涂層的4個發射探頭周向均勻分布在儀器下端PEK外殼上,通過螺紋安裝在圖1所示的發射探頭孔內,發射探頭和測量井液電阻率的連線通過皮囊下端密封塞進入皮囊PEK接頭,連接在承壓盤(鋼體)的密封插針上,進入承壓盤后通過航空插頭連接到儀器線路骨架上,承壓盤和皮囊下接頭之間腔體內充填起平衡作用的硅油;使用PEK材料的主要目的是,確保發射探頭的發射電流在沿著儀器周圍井液或破損套管流到上部儀器鋼體外殼(回路電極)的過程中沒有分流,確保測量的信號真實有效。

圖1 儀器機械結構圖

井液電阻率的測量探頭安裝在儀器PEK殼體最下端,探頭內安裝的7個電極均勻分布,用來測量井液電阻率;井液電阻率的探頭上端3個井液窗口均勻分布在儀器外周,可實現井液電阻率探頭內的液體和井內液體互通;測量井內液體的電阻率,儀器可根據測得的井液電阻率大小調節涂層發射探頭的恒流源電流,確保儀器在不同井液礦化度時,測量信號最大化;在處理測量數據時,可以根據井液電阻率的大小,提取有效數據,進一步提高儀器分辨套管涂層破損的能力。

2 室內模擬測量發射探頭模型

2.1 測量原理

室內模擬測量發射探頭模型的測量原理見圖2。在儀器A、B兩點間施加恒流源,C點為破損點。當儀器向左移動,B點未到C點時,電流從A點通過井液到B點,設VAB為發射探頭到回路電極的電壓值,R為A、B兩點之間的阻抗,I為恒流大小,根據歐姆定律VAB=IR。當B點經過破損點C點后,A點發出的電流從C點分為2路,一路通過井液到達B點;另一路通過套管破損點及測井電纜外鎧到B點,C點的電阻R破由C點的破損面積決定(套管的體電阻很小,可忽略),VAB=I(R井液∥R破),當儀器A點越接近C點,測量電壓VAB越小,當A、B兩點到達A′、B′時,VAB最低。儀器通過C點后VAB逐漸上升,比較儀器B點未到C點時的VAB值與A點經過C點時的VAB值,可以判斷破損點的情況。

2.2 模擬測量模型

構建模擬測量模型時,由于測量條件所限,將模擬測量模型與實際測井環境內外倒置,由于套管內側涂層破損后,測量的電阻率大小主要由破損的面積決定,而套管均為鋼體材料,電阻率很小,因此,可以忽略內外倒置產生的測量影響;由于4個發射探頭的供電各自獨立,模型的發射探頭對稱分布在儀器外周,如果儀器未居中,某個方向的發射探頭測量信號小,對面發射探頭的測量信號相應增加,4道信號測量數值總和基本不變,對測量結果影響不大。

模型外殼選用直徑分別為40、50、70 mm的PVC管,其下端用絕緣材料封堵,模型中間放置普通圓形鋼管模擬套管,鋼管外表用絕緣收縮管收緊,下端同樣用絕緣材料封堵;在包著收縮管的4根鋼管上進行局部切割,切去面積分別為1、4、9、25 mm2的收縮管,來模擬涂層破損面積,破損點到鋼管底部的距離大于發射探頭到回路電極之間的距離;用PVC管制作模擬測量骨架,骨架上安裝模擬供電發射探頭和回路電極,回路電極與鋼管用導線短接,回路電極與模擬供電發射探頭的距離可以調節。

模擬測量時,在PVC管內注入已知濃度的氯化鈉溶液,供電后先測量模擬骨架移動前發射探頭和回路電極的電壓值,移動模擬骨架通過破損點,測量發射探頭和電極回路的電壓值,這兩者之間的差值一方面可以指示破損位置,另一方面可以粗略反映破損面積的大小;更換不同濃度的氯化鈉溶液,調節發射探頭與供電回路之間的距離,反復測量,分析數據后可以得出制作涂層測量儀器的最佳方案。室內模擬測量模型見圖3。

圖3 模擬測量模型

3 電路設計

由于油田產液井與注水井的井液電阻率不同,各個區塊井群內井液電阻率也不同,為得到最佳測量結果,將根據井液電阻率的測量結果確定不同井的恒流供電大小。測量時把不同井液的礦化度分為1.25、4.30、50.00 g/L這3個檔次,不同礦化度的井液儀器恒流源輸出不同,保證測量信號在不限幅的情況下最大化。電路主要分為電源及恒流供電部分、隔離電路和數據轉換部分、測量控制和數據傳輸部分(見圖4)。

圖4 電路框圖

3.1 電源及恒流供電部分

儀器線路供電電源由DC/DC模塊實現,產生3組相互隔離的低壓電源供儀器使用。供電后激勵信號單元產生一個正弦交變信號,分別供給恒流控制單元、發射探頭恒流源單元和井液電阻率測量單元,井液電阻率測量單元供電電流恒定不變。CPU在上電初始,先測量井液電阻率的大小,再給恒流控制單元提供一個控制信號,改變發射探頭恒流輸出大小,使測量電路在不同礦化度井內采集的信號大小合適,數據可靠。實驗選用濃度為1.25、4.30、50.00 g/L的氯化鈉溶液進行測量,根據3種不同濃度溶液選擇相應的恒流電流。

3.2 隔離電路及數據轉換部分

隔離電路的功能是將發射探頭電路與后一級轉換電路隔離,防止井筒漏電或其他較大的干擾源進入轉換電路,導致電路損壞。測量VAB電壓值作為反映涂層破損的信號,經過隔離電路后進入AC/DC轉換電路,AC/DC變換電路把測量的交變信號VAB變換為直流信號,送入A/D轉換電路。A/D轉換電路為12位串行A/D轉換器,采集到的5道信號分時序傳入CPU并儲存。

3.3 測量控制和數據傳輸部分

CPU在供電后,先測量井液電阻率的數值,根據井液電阻率的大小,調節發射探頭恒流源輸出電流的大小;提供A/D轉換時鐘,控制A/D轉換的次序,把A/D轉換后的數據加上地址位后送到現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA);FPGA完成二進制數據到曼徹斯特碼的編碼工作,通過驅動電路和耦合電路上傳至遙傳。

4 模擬測量及結果分析

4.1 測量過程

對不同濃度的氯化鈉溶液施加不同的恒流電流,調節發射探頭到回路電極之間間距分別為10、20、30 cm。更換不同直徑的PVC管,依次記錄骨架上測量探頭經過破損點前后的電壓值,計算4個探頭經過破損點前后電壓平均值的差值,匯總后得到圖5。

圖5 3種溶液濃度下的測量數據

圖5為模型在3種不同濃度氯化鈉溶液、3種不同直徑PVC管徑中、測量3種發射探頭到回路電極間距的數據,經過計算后得到的未破損與破損后之間的差值。表1為在直徑40 mm PVC管內3種不同濃度的氯化鈉溶液中,模擬涂層完好、涂層破損和無涂層的測量數據,驗證了儀器設計思路有效。

表1 模擬套管完好、破損和無涂層測量結果

4.2 測量結果分析

由圖5可見,當裝載氯化鈉溶液的PVC管直徑較小(40 mm)時,測量得到未破損與破損后之間的差值均大于大直徑PVC管中的測量數據。小直徑的PVC管在裝入溶液后,發射探頭與回路電極間的溶液阻抗比大直徑PVC管內氯化鈉溶液阻抗大。由于破損點到回路電極的阻抗和氯化鈉溶液阻抗是并聯關系,破損點的阻抗變化能引起總阻抗較大的變化,采集的信號變化明顯。而發射探頭與回路電極之間的距離變大,提高了信號變化程度,得到的信號進一步增強。但是信號增強后,如果不改變恒流電流大小,在高電阻率的氯化鈉溶液里,會引起信號限幅,使得采集的信號差值變小,所以根據氯化鈉溶液濃度的不同,改變恒流源的輸出電流,使信號在不限幅的情況下,儀器獲得較大響應。

表1中,鋼管下部用收縮管全部密封,模擬套管未破損;鋼管中部的收縮管存在幾個較大的破損點,模擬套管破損;鋼管的上部沒有收縮管,模擬無涂層。使用的PVC管直徑為40 mm,在3種不同濃度氯化鈉溶液內,改變恒流源輸出電流后,得到的測量數據見表1,涂層完好位置的測量數值遠大于涂層完全破損和部分涂層破損位置的數值。

綜上分析得到:①通過測量氯化鈉溶液的電阻率,對不同濃度的氯化鈉溶液采取不同的恒流供電電流,得到的測量數值響應良好;②發射探頭與回路電極的距離越大,儀器響應越大;③在同一種溶液濃度的容器內,測量儀器與容器之間的間隙越小,得到的測量信號就越大。

5 結 論

(1)針對油田套管內涂層破損情況的檢測問題,采用把激勵電極安裝在儀器的外殼上,其表面無凸出電極,降低了測井作業風險,提高了測井成功率。使用PEK材料制作儀器外殼,恒流供電不會分流,測量的信號真實有效。

(2)將模擬測量模型與實際測井環境內外倒置,制作了模擬測量模型,使試驗在室內可以進行,模型的操作簡單有效,節約時間和成本。

(3)在電路設計上,采用先測量井液電阻率,根據測量的井液電阻率,給探頭提供合適的恒流供電電流,獲得的測量信號較大,提高了儀器分辨破損的能力。

(4)從模擬測量數據和理論分析來看,儀器根據不同井內的井液電阻率設置恒流源輸出大小,降低儀器外徑與套管之間的間隙,合理調節發射探頭與回路電極的距離,可以增加儀器的測量分辨率。另外,得到的測量數據不僅能明確地指示出破損點,一定程度上也可以反映破損面積的大小,該方法能進一步滿足套管涂層破損的檢測要求。