（信号与信息处理专业论文）油气井多层管柱电磁探伤技术研究.pdf

论文题目：油气井多层管柱电磁探伤技术研究 专 业：信号与信息处理，左 硕士生：赵蜂( 签名)超生堡二 指导教师；党瑞荣( 签名) 7 专弓孵 v 摘要 套管损坏将直接影响油气井的使用寿命及油气田产量，国内现有的套管探测仪采用 的是机械式装置，只能铡出套管内径的损伤情况，并且作业费用高，工作效率低。为了 能够及时检测套管损坏状况，本论文所研制的多层管柱套管检测系统，在不起下油管的 情况下检测套管的各种损坏状态，为套管损坏的预防、大修、报废及套损机理分析提供 依据，从而确保油田的稳产及持续地发展。 本文以瞬变电磁理论为基础，研究了斜阶跃脉冲激励下管柱的瞬变响应特征，分析 了发射波形参数对瞬变电磁响应存在的影响，根据瞬变电磁信号的衰减特性和动态范 围，设计了硬件检测电路。其中发射电路采用单片机控制开关和电桥的方式产生双极性 直流脉冲；接收电路采用测量放大器、可变增益放大器及积分电路进行多级放大；测温 电路采用铂电阻及有源测温电桥；传输电路则采用单芯电缆将井下供电回路和数据传输 链路结合起来；地面电路对井下上传数据进行解码，并通过串口将检测数据和深度脉冲 信号上传给计算机，计算机对这些数据进行处理，主要包括数字滤波、曲线显示等，利 用曲线的状态显示套管的损伤情况。 r 在理论、电路和软件研究的基础上，开展了大量的室内模拟试验，证实了本系统灵 敏度高，受外界检测环境限制小，有较好的通用性。 关键词：瞬变电磁法套管检测多层管柱系统调试 论文类型：应用基础 ( 本文得到西安石油大学青年创新基金的资助) n 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： l n s t r u c t o r a s t u d yo fw e l lm u l t i l a y e rc a s e - p i l p i 器e l e c t r o m a g n e t i cd e f e c td e t e c t i o n t e c h n o l o g y s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o e e s s i n g z h a o d a n g a b s i r a c t c a s i n gd a m a g ec a n e x e r ta ni n f l u e n c eo nt h ew o r k i n gl i f ea n dp r o d u c t i o no f o i la n dw a t e r w e l l s n o we a s i n gd e t e c t i n gi n s t r t u n e n t s 锄o n l yd e t e c ts i n g l e - p i p e m o r e o v e r , t h ec o s to f o p e r a t i o ni sh i g h a n dt h ew o r k e f f i c i e n c yi sl o w , i no r d e r t od e t e c tt h ec a s i n gs t a t ei nt i m e ，t h i s p a p e rh a sd e v e l o p e dam u l t i l a y e rc a s e - p i p e sd e t e c t i n gs y s t e m , w h i c hc a l ls u r v e yt h ee a s i n g 出i m a g ce x t e n tw i t h o mp i c k i n gu pt h eo i lp i p ea n ds u p p l yt h ep r i n c i p l ef o ra n a l y z i n gt h e m e c h a n i s mt 0p r e v e n td a m a g e r e p a i ra n dr e j e e tt h ec a s i n g b a s i n g0 nt h et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d , t h i sp a p e rs t u d i e st h et r a n s i e n tr e s p o n s e u n d e rt h es t i m u l a t i o no fi n c l i n e ds t e pp u l s ea n dt h e o r e t i cm o d e l i n go fm a g n e t i cs o n d ea n dt h e d e s i g nm e t h o do f c o i l s ，a n da n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f a a n s m i t t i n gw a v ep a r a m e t e ro n t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cr ；e s p o n s e a c c o r d i n gt ot h ed e c a yc l m c t e r i s t i ea n dt h ed 煳o i cr a n g eo f t r a n s i e n t e l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l i nt h e r e c e i v i n gc o i l h a r d w a r ec i r c u i t sh a v e b e e n d e s i g n e d d o w r a h o l ec i r c u i t sh a v es e v e r a lm o d u l e sh a c l u d i n gw a n s m i t t e rc i r c u i tu s i n gs i n g l e c h i pm i c r o e o m p u t e r ( s c m ) t oc o n t r o ls w i t c 惦a n db r i d g em o d et om a k ee m i s s i o nw a v e r e c e i v e rc i r c u i tw i mm e a s u r e m e n ta m p l i f i e r , v a r i a b l eg a i na m p l i f i e ra n di n t e g r a lc i r c u i t s t e m p e r a t u r e m e a s u r i n gc i r c u i tw i t l lp l a t i n u mr e s i s t o ra n da c t i v et e m p e r a t u r e - m e a s u r i n gb d d g e t r a n s m i s s i o nc k c u i tw h i c hc a n s u p p l yt h ed o w n h o l ec i r c u i ta n d t r a n s f e rd a t aw t hs i n g l e c o r e c a b l e c i r c u i t si nt h es l l r f a c d e c o d et h ed a t af o r md o w n h o l ea n ds e n di tt oc o m p u t e rt h r o u g h s e r i a lp o r t c o m p u t e rs o f t w a r ep r o c e s s e st h i sd a t ai n c l u d i n gd i 百t a lf i l t e r i n ga n dg r a p hd i s p l a y u s i n gt h ec u i w e so n ec a l lk n o wt h ec a s i n gd a m a g ee x t e n t t h i ss y s t e mi sl i m i t e ds l i g h t l yb yt h eo u t s i d ee n v i r o n m e n ta n dh a sab e t t e ru n i v e r s a l i t y m o r e o v e r , t h es e n s i t i v i t yi sh i g hb yu s i n gt h ed i f f e r e n c ed e t e c t i n gc o i l k e y w o r d s ：t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o dc a s i n gd e t e c t i n gm u l t i l a y e rc a s e - p i p e s ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yy o u t h c r e a t i v i t yf o u n d a t i o no f s h iy o uu n i v e r s i t y ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者躲趣硷腻嘲益出弱 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公 开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期： 日期： 塑豳哆日圣型经恐哆匕l 域：堕! t r 绪论 第一章绪论 1 1 本研究领域的国内外现状 随着油田开采年限的增加，油气井套管和油管将不可避免地出现不同程度的损坏， 如错断、缩径、弯曲、穿孔、腐蚀、破裂等。目前国内外用于套管检测的工程测井仪的 种类较多，总体上可以分为直接和间接两种形式。直接形式是指寅接检测套管的损坏情 况，间接形式是测量套管损坏所引起的结果。间接测量的仪器包括流量、高分辨温度及 噪声测井仪等，这些仪器邋过监测扶套管壁流出的液体，确定裂缝的位黄；直接形式包 括井径仪、超声波成像仪及电磁检测仪等，其中井径仪对仪器居中要求很高，偏心会导 致测量误差，而且该仪器对于套管严重错断的井不适用；超声波法受钻井液影响比较大， 如果钻井液密度较大，则声波衰减严重，影响检测精度，检测前必须进行洗井和替换钻 井液，增加了劳动强度；而电磁检测仪是根据电磁原理给出套管完整度的评价，它不受 井内液体、套管积垢、结蜡以及井壁附着物的影响。而且测量精度比较高。目前，套管 检测的电磁测井仪主要分为以下两类： 第一类仪器测量磁通量，如斯伦贝谢公司的套道管分析仪( p ：a t ) ，阿特拉斯公司 的垂直测井仪( v e r t i l o g ) 【l 】。仪器入井后对套管壁四周形成磁场，如果套管完好无损， 套管内的磁通量路径与管壁平行。当套管发生腐蚀、损坏时，套管内的磁通量发生变化， 使仪器上与套管接触的滑瓦上的线圈产生感应电动势。线圈输出感应电动势的大小与磁 通量的变化成正比，而磁通量的变化取决于磁场中金属的增加和损失，因此可以通过线 圈输出的感生电动势确定套管的金属损失。同时用辅助的电磁涡流系统检测套管内表面 的腐蚀损坏，以确定套管损坏的位置，即内表面还是外表面。涡流电磁线圈与套管平行 放置，当线圈通以交流电时，线圈四周产生电磁涡流使套管材料内产生感应电流，并形 成感应电场，感应电场对线圈产生反作用，对通过线圈的电流强度产生影响。当通过线 圈的交变电流的频率增加时，电流涡流的损失增加。当套管材料离线圈的距离增大时， 感生电磁场对线圈的反作用减小，通过线圈的电流增加，因此通过测量线圈内电流的变 化可以检测套管内壁的腐蚀情况。即当电磁涡流线圈通过一个腐蚀麻点时，由于套管材 料表面距线圈的距离增加，线圈内的电流增加，当线圈通过麻点后，线圈内的电流恢复 到正常值。 第二类仪器测量电磁波的相位，例如斯伦贝谢公司的电磁波厚度仪( e t t ) 、多频 电磁波厚度仪( m e t t ) 、阿特拉斯公司的磁测井仪( m a g n e l o g ) 、哈里伯顿公司的电磁 波腐蚀测井仪等。这类仪器测量其交变磁场产生的与套管钢有关的相位移或衰减。该仪 器以空气中的读数作为基准，两在一定的频率下，在整个测量范围内，相位移与套管的 平均厚度成线形关系。相位移取决于磁导率、电导率、套管内径和壁厚。但是上述测量 及其解释对所穿过介质的电磁特性很敏感，采集的数据被认为是定性的，对不同套管的 西安石油大学硕士学位论文 测量需要进行刻度。两次测量的相对金属损失可用记录的相位移表达： 金属损失= 1 0 0 ( 旃一砍) 4 , 式中磊、戎一第一次和第二次测量中的相位移。 该仪器中，部分仪器提供套管厚度估计值，以及帮助探测金属表面沉积或金属损失 的方法如斯伦贝谢公司的多频电磁波厚度仪( m e t t ) 1 1 ，该仪器以3 种不同的频率 工作： ( 1 ) 高频测量。高频测量的频率足够高，使得接收线圈信号只与套管内径有关。在 这种测量中，套管可以看作是磁力线的限制器，小内径减少了接收线圈的磁力线密度。 同样，较大内径增加了接收线圈的磁力线密度。 ( 2 ) 中频测量。中频测量的频率较高，足以使接收线圈的磁力线很少一部分穿透到 外壁，然而，它又低得足以使相当大部分的管内壁被磁力线穿透。接收线圈的感应电压 依赖于磁导率、电导率特性和套管内径。 ( 3 ) 低频测量。发射线圈产生一个磁力线模式，接收器接收到的磁力线两次完全穿 过套管壁，磁力线穿过套管时产生涡流，而这些涡流又削弱了发射线圈的磁力线幅度和 相位移，其中相移是套管壁厚和套管特性的函数。电磁测厚仅与套管分析仪结合进行综 合探测，适合探测大面积的腐蚀，如套管厚度变薄，直径大于2 i n 的孔洞及垂直裂缝。 能够探测外层套管缺陷，但不能区分内外管柱腐蚀。 对于上述两类仪器，发射的都是正弦波，由于正弦波的周期性，使接收的感应电动 势也发生周期性的变化，不能区分内外管柱对感应电动势的影响，在多层管柱结构中测 并时，仪器对外层管柱的壁厚和损坏虽然有显示，但不能给出理想的解释结果，因此， 只能在单层管柱结构下进行工作。针对这种检测方法的局限性，本文提出用瞬变电磁法 对套管进行检测。瞬变电磁法利用不接地回线通以脉冲电流而在套管内建立起一次脉冲 磁场，在一次磁场间隙期间，利用探测线圈观测二次涡流场，该二次涡流场中包含了丰 富的套管信息，可由二次涡流场曲线来反演套管的电磁特性和厚度变化。由于在多层管 柱下，瞬变过程的早期阶段主要反映内管的变化，晚期阶段主要反映外管的变化，可以 利用该特点将内外管的影响区分开，完成多层管柱下的检测。 瞬变电磁法已有几十年的发展历程。目前，国内只有吉林大学和中南工业大学等少 数科研单位从事瞬变电磁法方面的研究，而且主要是将瞬变磁法应用于物探领域，作者 所在的陕西省光电传感测并重点实验室于2 0 0 3 年率先开展了瞬变电磁法套管检测技术 的研究，建立了瞬变电磁法套管检测模型，推导了斜阶跃波在套管中的激励响应，分析 了接收线圈的感应电动势与管柱的几何形状、大小和电磁等参数的关系。但是整个系统 的设计仍停蜜在理论研究阶段，只是对该方法的可行性作了验证工作，对整个系统的设 计例如发射线圈的设计、发射波形的参数分析、瞬变电磁信号的动态范围与衰减特性的 确定、硬件测量电路设计、数据传输以及解释软件设计等并未作深入研究。 2 绪论 1 2 研究的目的及意义 套管损坏的油水井轻者不能正常生产，重者则关井，甚至报废，以致影响油田稳产 和采收率。如美国威明顿油田【l 】，从1 9 2 6 年到1 9 8 6 年开发6 0 年闻，由于大量采出地 下液体，引起该地区较大的构造运动，油田中心地区地面下沉达9 m ，水平位移最多达 3 m ，造成油水井成片错断，损失严重。罗马尼亚的坦勒斯油田开发2 2 年后，已有2 0 的油井套管损坏。俄罗斯的班长达勒威油田有3 0 的油水井因套管损坏而停产。国 内港西油田油水井套损比例高达4 0 以上【1 】；长庆樊家油田投入开发仅1 3 年，油水井 套损比例达3 4 。吉林扶余油田套管变形井至1 9 8 8 年高达1 3 4 7 口，占总井数的3 9 4 ；大庆油田套损井数仍逐年增加，1 9 9 7 年套管损坏5 7 6 口井，2 0 0 1 年套损井超过7 0 0 1 2 1 ，整个油田已累计损坏超过8 0 0 01 2 1 井【“。 套损井数的逐年增加，对油田生产和发展是极其不理的，其经济损失是不容忽视的。 假设钻更新井，投入按1 0 0 万元并计算，大庆油田1 9 9 8 年套损并6 6 4 口，其直接经济 损失就是6 6 4 亿元，而且套损井还会造成注采系统不完善，产量递减加快等严重后果， 间接损失更大。在套损井大修方面的投资也是巨大的，修井费用若按每口井3 0 万元计 算，大庆油田1 9 9 8 年开展套损井大修5 5 8 口，全年总修井费用为1 6 7 4 亿元。报废后 须打更新井的，1 9 9 8 年约为1 9 0 口，费用为1 9 亿元，这样1 9 9 8 年套损造成的费用增 加约为3 5 亿元。 油气井多层管柱电磁探伤技术研究可以很好的解决这一技术难题，能够对套管和油 管同时进行检测。另外，在长期的生产过程中，油管的损坏也是常见的现象。虽然油管 与套管有着明显的区别，即套管与地层之间是用水泥固结在一起的，而油管是可以提升 到地面的，但是在油管提升、检测并重新安装这一过程中必然会花费大量的人力、物力。 本课题主要研究且的是： ( 1 ) 通过多层管柱电磁探伤技术的研究，建立多层管柱电磁检测理论和检测方法， 为最终形成实用化的多层管柱电磁探伤技术打下良好的基础。 ( 2 ) 全面地了解井下套管和油管的损坏情况，为修井措施的制定和修复作业的实 施提供相关的技术数据。 ( 3 ) 对并下套管和油管损坏和加速损坏的环境及原因进行研究分析，为采取预防 措施提供科学依据。 因此，油气井多层管柱电磁探伤技术的研究不仅可以丰富电磁检测技术理论，还可 以解决在油管内探测套管的厚度、腐蚀、变形破裂等技术问题，节省了检查套管情况时 起下油管的作业费用和时间。 本课题的研究意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 多层管柱电磁探伤技术的研究有助于推动电磁检测理论的发展，并在此基础 上建立新的检测方法，这对我国生产测井技术的发展具有深远的现实意义a ( 2 ) 油气井多层管柱磁探伤技术可以在不将油管提取到地面的情况下对油气生产 西安石油大学硕士学位论文 井的油管和套管的损坏情况进行同时检测，有助于提高劳动生产率，降低生产和检修成 本。 ( 3 ) 应用油气井多层管柱电磁探伤技术能够测定套管和油管腐蚀及穿透深度，确 定泄漏和孔眼的准确位置，对套管和油管进行定期测量，有助于确定套管和油管的腐蚀 状况，以便及时维修，延长使用寿命。 ( 4 ) 油气井多层管柱电磁探伤技术能够发现井下套管、油管所出现的问题，可为 套管、油管损坏井的修井作业提供直接的资料，为井况检查和修复提供可靠的依据，这 对提高老油田油井的利用率是十分重要的。 ( 5 ) 油气并多层管柱磁探伤技术能够为套管损坏程度的评价提供依据，并有助于 分析套损机理，制定套损预防方案，满足油田长期采油需要，具有重大的现实意义。 总之，油气井多层管柱磁探伤技术有很好的应用前景，势必会提高生产测井的技术 水平，为石油勘探和开采做出重大贡献。 1 3 研究内容 基于以上原因，本文在前人理论研究的基础上，提出套管检测的总体设计方案，本 文着重阐述瞬变电磁法套管检测理论和方法、井下数字信号的采集、处理和传输技术以 及计算机解释软件的设计与调试，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 套管检测系统硬件电路设计 在瞬变电磁理论的基础上，根据瞬变电磁接收信号的特点，提出检测系统的总体设 计方案，并对具体的硬件电路进行相关的设计、调节器试和试验。其硬件电路主要以 p i c 单片机为核心，包括磁探头发射电路、磁探头接收电路、测温电路、自然伽马电路、 数据采集电路、电源与数据传输电路以及地面信号处理电路，通过该系统实现信号的产 生、数据的采集与传输等功能。 ( 2 ) 套管检测系统软件设计 ， 系统软件主要包括单片机软件和上位机解释软件两部分。其中单片机软件包括波形 发生模块、数据采集模块、数据编码和解码模块；上位机软件主要包括数据接收模块、 数据处理以及图形显示模块。 ( 3 ) 系统联调 对整个系统进行联调。根据调试过程中出现的问题，采取必要的解决措施和方法， 使全系统统达到比较理想的结果，并对实验结果进行分析。 题目来源：目前国内还没有自主知识产权的瞬变电磁管柱探测仪器，现有的仪器 不利于大量的普及和推广应用，与我国现有的数十万口生产井的技术和市场需求形成了 突出的矛盾，在这种情况下，受西安石油大学青年创新基金的资助，结合陕诅省光电传 感测井重点实验室的科研课题，开展了多层管柱电磁探伤技术的研究。 4 瞬变电磁法套管检测的基本原理 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 瞬变电磁法( t r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cm e t h o d s ，t e m ) 是目前无损检测领域中一种 应用前景非常广阔的新型检测方法，与其它方法相比，瞬变电磁法具有简便易行、信息 丰富、精度较高等优点。该方法的主要思想是对不接地回线通以脉冲电流，这种脉冲电 流产生的磁场在被测介质中将会产生涡流，该涡流包含了被测介质的电导率、壁厚、孑l 洞等信息。根据电磁感应原理，该瞬变涡流场可产生瞬变磁场，并被接收探头所接收， 从而实现管柱损伤作情况的探测和识别。本章在前人工作的基础上，阐述了所研究的多 管柱电磁探伤技术中所采用的数学描述，进而分析了套管的等效电阻、等效电感等物理 参数，推导了斜阶跃波在套管中的激励响应，分析了接收线圈的感应电动势与管柱的几 何形状、大小和电磁等参数的关系。 2 1 瞬变电磁法 瞬变电磁法研究的是一种非稳定场，即研究响应与时间的关系，它是向发射线圈或 回线中送入周期性的双极性直流脉冲( 如下图2 1 所示) ，在其周围空间建立一次磁场， 此一次磁场为周期性的脉冲磁场，脉冲的形状一般为矩形波、梯形波、正弦波和三角波。 设激励信号为矩形波，那么若周围有一良导体，当一次场发射电流断开时，磁场变化很 大，在导体中产生涡流，此感应涡流不是立即消失，而是有一个渐变的过渡过程，导体 导电性越好，涡流的热损耗越小，涡流消失或衰减就越慢。此涡流便在其周围空间形成 二次磁场。若在一次场间隙时间内，用另一或同一线圈接收二次场，通过分析二次场与 时闯的关系，就能判断导体的特性，尤其是损坏所导致的裂缝等异常特性。 ( a ) ( b ) 图2 1 发射波形 实际测量中，为了有效地抑制观察系统中的直流偏移和超低频噪声的干扰，往往采 用周期性重复的双极性脉冲序列，见图2 - 1 ( a ) 所示，其傅立叶级数表达式为2 1 1 1 5 】： 州= 4 风喜骂筹笋c o s 协叫酬 ( 2 - t ， 5 西安石油大学硕士学位论文 式中h o 为脉冲磁场的幅值；艿= 等，r 为脉冲系列的重复周期，d 是单个脉冲的 。 l 持续时间；= 等，凰为发射电压的幅值。 由于电路中工、c 和r 值的影响，实际的发射波形近视为梯形脉冲序列，见图2 1 。梯形脉冲序列的傅立叶级数的表达式为【2 】【1 5 】： 阶丝玉贮坠! 些! 型竺型二a - 掣a 01 竺竺竺：， 1 “ ( 2 万一1 ) e - o o d o 2 ( 2 n 1 ) 彩o ( = ：；旦) 】 式中( o o = 等，v o 是发射电压的幅值。 电磁涡流检测的有效性依赖于激励信号的频率。一般地，频率越高，涡流的分布 越集中于表面，对于表面微小缺陷的检测能力越高，但由于随着透入深度的增大，高频 涡流急剧衰减，因此对于表面下一定深度的近表面缺陷则难以产生有效的响应；相反， 频率越低，则涡流在被检测对象表面下的透入深度增大，能对检测对象近表面一定深度 范围内的缺陷产生响应，但对于表面缺陷的检测灵敏度随激励信号频率的降低而明显下 降。宽带脉冲信号可按傅立叶级数变换理论分解为无限多低、中、高频的正弦波之和( 如 式2 1 ，2 2 ) ，所以将重复的宽带脉冲信号代替传统正弦交变信号进行激励，能够得到 被检测对象表面、近表面和表层一定深度范围内的检测信息，较好地解决了常规涡流所 不能兼顾的检测灵敏度和检测深度之间的矛盾。瞬变电磁检测技术近年来成为国内外涡 流检测技术与应用研究中最受关注的热点技术之一。脉冲涡流通常是以一定占空比的方 波作为激励信号施加于发射线圈，当载有方波电信号的发射线圈接近导电材料时，在导 体中感应产生瞬变的涡流和再生磁场。瞬时涡流的大小、衰减状况与导体的电磁特性、 几何形状及耦合状况相关，接收线圈接收到的涡流再生磁场包含有被检测对象导电率、 磁导率及形状尺寸的相关信息，据此可实现检测的目的。 当发射线圈中的稳定电流突然切断后的一段时间内，管柱内将产生感应电流，感应 电流在管柱内的扩散过程可分为早期、中期和晚期三个阶段【2 】【3 】。为了维持管柱内原磁 场，在断电初期，感应电流集中分布于导电介质的表面，形成表面电流，该阶段称为早 期。在早期阶段，频谱中高频成份占优势。由于高频的趋肤效应，涡旋电流主要集中在 导电介质的表层附近并且阻碍电磁场向深处传播。因此瞬变过程的早期阶段主要反映导 电介质的浅部质量信息。随着时间的推移，高频成分被导电介质吸收，从而低频成分占 主导地位。它在导电介质中激发出很强的涡旋电流，然而由于热损耗，这些涡旋电流场 很快就消失了。在瞬变过程的晚期，局部导电体的涡流实际上全部消失，而在各个导电 层中的涡流磁场之间连续的相互作用使场均匀化，使电流均匀分布。晚期场将反映导电 介质外部的检测信息。由此可见，研究电磁场的瞬变过程可以得到不同导电介质层的检 测信息。 6 瞬变电磁法套管检测的基本原理 瞬变电磁法除了具有穿透导体能力强及受干扰影响小等优点外，还明显具有以下几 个特点： ( 1 ) 由于观测是在脉冲间歇中进行的，且只解释关断后期的数据，所以不存在一 次场的干扰，系统分辨能力高。 ( 2 ) 可通过加大发射功率的方法增强二次场，提高信噪比，从而增加检测精度。 ( 3 ) 通过多次脉冲激发，场的重复测量叠加可提高信噪比和观测精度。 ( 4 ) 可通过选择不同的时间窗口进行观测，有效地压制地质噪声，可获得丰富的 检测信息。 基于瞬变电磁法的理论及其所具有的优点，瞬变电磁法在套管方面具有很好的应用 前景。目前，瞬变电磁法已经成为套管检测的重要方法之一。 2 2 瞬变电磁法检测的基本原理 瞬变电磁法检测装置由发射系统和接收系统两部分组成，工作过程分为发射、电磁 感应和接收三部分。将发射线圈置于套管之中，通以双极性直流脉冲，当发射线圈中的 电流发生变化时，必将在其周围产生磁场，该磁场称为一次磁场。根据导体中的电磁渗 透理论，其磁力线穿过油管进入套管，在油管和套管中分别产生感应电流i o 和曩( 如图 l 所示) 。在直流电脉冲结束后，二次磁场在接收线圈中产生感应电动势e 。感应电流 i o 和i c 与油管或套管的电磁特性有关，当油管或套管出现孔洞、裂缝，特别是纵向裂缝， 将部分或全部切断感应电流i o 和i c 的通路，这将改变感应电动势e 的幅度。接收线圈 的感应电动势e 与管柱的电感。和阻抗心有关，而k 和又是由管柱的几何形状、 大小和电磁参数所决定的。因此，可以通过接收线圈的感应电动势来计算出管柱的壁厚、 大小等参数，从而确定套管的损坏程度。 圈2 - 2 瞬变电磁法多层管柱检测基本原理 2 3 管柱的等效参数 管柱的几何形状、大小和电磁参数是通过管柱的阻抗反应在接收线圈的感应电动势 7 西安石油大学硕士学位论文 中的，本节给出管柱的阻抗与其几何形状、大小和电磁参数的关系。 2 3 1 管柱的等效电阻 管柱的横截面图如图2 3 所示。 管柱内径：见= d 1 一五 由电流的流向可知，通过电流的。横截面”是管柱的纵向切面。在径向方向距离管 柱轴线，处取厚度为咖的薄层，则该薄层的电导为： d g c = o z _ a d r ( 2 3 ) 式中，a 为管柱长度，吼为管柱的电导率。q 不但与管柱材料、形变有关，还和管柱温 度有关。 l 盯i 。q 。而 其中0 1 。为o 时管柱的电导率，b 为管柱电阻温度系数，为一常数。 ( 2 4 ) 围2 - 3 计算管枉黾阻说明 由电流流向可知，套管的电阻相当于各个薄层电阻的劳联，故长度a 上管柱的电导 为： 嚷= 吖等= e 。等字= 筹h 击 长度a 上管柱的电阻为 如2 瓦12 嚣西1 ( 2 - 5 ) “一1 1 2 2 2 管柱的等效电感 k 叫c o t ) 【l n 而4 _ - + 1 掣- n 南+ ，+ 和嘲p 6 ， 8 瞬变电磁法套管检测的基本原理 其中，口= 五专和声= 五专；，值取自表2 1 ，z 值取自表2 2 。 表2 - 1 用于k 的厂值 p 口= 0o 1o 2 o 3 o - 4o 5 0 o0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 0 3o 0 0 0 7o ，0 0 1 4 o 10 0 0 0 0- o 0 0 1 8o 0 0 2 1o 0 0 2 70 0 0 3 20 0 0 3 8 o 20 0 0 0 1- o 0 0 2 1旬0 0 1 8o ，0 0 2 10 0 0 2 60 0 0 3 4 0 30 0 0 0 2 _ o 0 0 2 3 0 0 0 1 90 0 0 1 9- o 0 0 2 10 0 0 2 8 0 40 0 0 0 4- o 0 0 2 10 0 0 1 70 0 0 1 50 0 0 1 60 0 0 2 l 0 50 0 0 0 9 0 o o l 6 0 0 0 1 40 0 0 1 1- o 0 0 1 0 _ o 0 0 1 5 表2 - 2 用于k 的z 值 8 | 仪石8 t az o o oo 1 2 5 0 o 50 3 0 6 6 0 0 50 1 2 6 9o 60 3 8 3 9 o 1o 1 3 2 5o 70 4 7 3 9 ，o 2 o 1 5 4 8 o ，80 5 7 6 0 0 3o 1 9 1 60 90 6 9 0 2 0 40 2 4 2 3 1 o0 ，8 1 6 2 2 4 发射波在套管中的激励响应 从6 0 年代初，瞬变电磁法绝大多数研究的是阶跃波激励响应，并且理论计算发展 非常成熟，而实际工作中由于发射线圈为感性负载，发射波形在线圈中发生变化，发射 波多为斜阶跃波。为此，本课题主要研究斜阶跃波激励下的瞬变响应【9 】【1 0 】i l l 】。 为了简单起见，设管柱位于均匀半空间中，在一次场切断的瞬间，涡流分布于管柱 表面，其分布状态恰使管柱内维持初始的均匀场，此时的电流分布状况与管柱的电导率 无关，由于管柱体的热损耗，趋肤涡流立即开始衰减，所产生的局部磁场开始衰变，这 种衰变磁场会使管柱内部激发起新的涡流，其结果是使涡流向管柱体内扩散，此时，已 进入中期，在管柱体外部可以观测到与这种变化有关的涡流磁场，其特征是磁场的迅速 衰减。随后，涡流在管柱体中的分布状况不再随时间交化，此时已进入晚期。当导体中 的感应涡流进入晚期之后涡流分布状况已处于稳定，并且按指数规律衰减。那么，就可 以采用图2 - 4 所示的一个包含有效电感4 和等效电阻的单匝电流环来等效这种晚期 涡流，两者的外场具有相近似的规律【i4 j 【l ”。 假设等效回路切断一次场的磁通量为m 。，电流关断时间为t 吖，那么，磁通将在t 一 9 西安石油大学硕士学位论文 时间内从中。迅速减小到零，依据法拉第电磁感应定律，在等效回路中产生的感应电动 势由中，o 给出由于等效电路的涡流场要对抗激励场的消失，感应偶极矩m 。的方向 总是顺着激励场的法向分量马。，这样就确定了等效涡流的方向【1 0 l 。 或 ( f ) c 图2 - 4 有限导体的等效回路示意图 等效回路的瞬态方程为： l c - 警t + r c t = 一等 其中r = 等，为等效电路的时间常数；j 广o ) = 一i 11 d c p 厂t 。 解微分方程( 2 7 ) 或( 2 - 8 ) ，得到瞬态电流方程为： ( r ) ：f 一t p - 一1p 拿毋删2 f c 0 87 一。7 r p 詈毋 ( 2 - 9 ) 假设日为斜阶跃变化的场，对于皇錾可以表示为： a t 堕： 击 0 t 白 ( 2 7 ) 磐+ ! f ：，( f ) a c t f ( 2 - 1 0 ) 在供电时间内( f 0 ) ，( 2 - 8 ) 式可以简化为： 一d c 生：0 谢f l n 瞬变电磁法套管检测的基本原理 一三 它的解为： i c ( f ) = a e 7 t o 为了求得口，来研究。时间内i c ( t ) 的变化特征，根据( 2 9 ) 式得： ( 2 - 1 1 ) 铷吼，。专胁 白 “+ 考罢”e 南 o - t t o ： ( 2 1 2 ) 式中i c o 表示，= 0 时的感应电流幅值，由于0 时间的存在，使f c 。；0 ，故： 渺考罢c ，一 由此可得到当f = ，o ，时为： 陀一1 4 ) 因此， 0 f t o - a e 粤) 巧) =+ i 7 ) ( 2 1 5 ) 得到等效回路中的感应电流表达式为： 0 ，t 0 石rm l c l ( 1 _ e - - , ) ，。f s 。 f 。云- c ( e 芋一1 ) e ，一 f 2 1 3 ) 4 ：三生( e 芋一1 )4 = o l 一l t 。fl c 、 。 ( 2 一1 6 ) 可见，在0 时间内，感应电流逐渐增加，在f = t o - 时达到极大值，然后按指数规律 衰减，其上升、衰减速度决定于等比值。较大的情况下，感应电流将缓慢增大至极 大值，然后以较慢的速度按指数规律衰减。 t 坷 f 时r 式( 2 - 1 6 ) 可以简化为： 西安石油大学硕士学位论文 毛( r ) = o , t 0 毒专 0 - t 。) 观测到的感应电压为： 一l l m r c ，m c * ( p 芋一1 ) e - ； ( 2 2 2 ) 一t 在0 l 时输出响应为： 川) = 赭+ k 1 2 , r c f k u i - x ) a + ( 而嘲圳再叫( 2 3 1 ) ( 3 ) k = 1 ，临界阻尼状态 k = 1 ，得s 1 2 = 一2 _ f y 。_ x k ，从而有： “( 旯) = a e o ( 1 + 2 ，r x ) e 4 “( 2 - 3 2 ) k ：0 2 、k ：2 7 & k ：1 时的曲线如图2 - 7 所示。从图中可以看出，欠阻尼状态 下，输出响应出现了振荡，输出波形发生了严重畸变；过阻尼状态下，输出响应过于平 1 5 丝屿辟一辟监c嗡焉 西安石油大学硕士学位论文 坦，其过渡过程较长；在临界阻尼状态下，相对于波形畸变来说，能够得到合理的频率 响应定义其上升时间t ，为从输出最大值的l o 升至9 0 所需的时间，则由式( 2 3 2 ) 可季导，t ，= 3 3 5 i ：乙万。因此，探头应工作在临晃阻尼状态。 0 勺 飞 懋 曩 受 谬 ：= 镑 图2 7 三种情况负阶跃响应曲线 综合分析，感应式磁探头所输出的负阶跃响应相对于输入信号来说发生了畸变，但 在k = 1 ( 临界阻尼) 时，可保证输出信号有较小的畸变，能够得到输入信号合理的输 出响应和较平坦的频率响应。通过调节匹配电阻心可以使传感器工作在临界阻尼状态。 无论是在何种情况下，要得到最快的频率响应，都要求时间系数p = 2 x 4 l ，c ，口尽可 能的小，即要求线圈的电感三，和分布电容c ，尽可能的小。但要想得到较高的灵敏度， 只能尽量减小分布电容的影响。因此，实际调试时可以调节墨使其工作在微过阻尼状 态，这样可以避免外界温度等因素的影响可能落入欠阻尼状态而振荡。 经验证明谐振频率随线圈得匝数得增加而下降，主要是线圈得电感随匝数得平方增 加，而与线圈的分布电容相对来说关系不大。虽然线圈的匝数越多其灵敏度越高，但谐 振频率越低，传感器带宽就越窄，因此在绕制线圈时需两者兼顾。 2 7 小结 本章主要是根据瞬变电磁法的基本原理和前人工作的基础上，建立的套管等效模 型，分析了瞬变电磁信号的衰减特性和接收线圈中的阶跃响应。由于宽带脉冲信号可按 傅立叶级数变换理论分解为无限多低、中、高频的正弦波之和，本系统采用双极性直流 脉冲代替传统正弦交变信号进行激励，脉冲涡流响应信号中包含有被检测对象表面、近 表面和表层一定深度范围内的检测信息，较好地解决了常规涡流检测灵敏度和检测深度 之间的矛盾。而且，瞬变电磁法是在断电后测量纯二