（测试计量技术及仪器专业论文）生产井套管检测技术研究.pdf

中文摘要 薯毒秦羔i 型需毒蔫嚣案 指导教师：李丽窨党瑞荣( 签名) 孓虚夔b 羽 套管损坏将直接影响油水井的使用寿命及油气田产量，目前的套管检测仪只能在单层管 柱下检测，因而作业费用高，工作效率低。为了能够及时检测套管损坏状况，本论文研制出 双层管柱套管检测系统，在不起下油管的情况下检测出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。 本论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。研究了磁探头的理论建模及线圈的绕制，给出了 磁探头的设计方法。设计了硬件的各个模块：发射电路采用单片机控制开关和电桥的方式产 生：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；传输电路利用耦合变压器实现数据和电源在单芯电缆上的同步传输； 地面电路通过串口与计算机进行通信；井下电源电路采用隔离型半桥式d c d c 变换电路。利 用汇编语言设计了系统的软件，井下软件完成信号发射、数据采集及曼彻斯特码编码，地面 软件完成曼彻斯特码解码及串行通信。研究了系统的抗干扰设计，对测量中不同噪声消除方 法提出了建议。 整个系统结构合理，工作性能稳定、可靠，精度高。 关键词：套管检测双层管柱瞬变电磁法探头 论文类型：应用基础 英文摘要 s u b j e c t ： s p e c i a l t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a s t u d yo f c a s i n g d e t e c t i n g t e c h n o l o g yf o r p r o d u c t i o nw e l l t e c h n o l o g y i n s t r u m e n to f t e s ta n dm e a s u r e l i u li(signature)41上1li l i r o n gd a n g r u i r o n g ( s i g n a t u r e ，掣 ) d 垒玲q 土斗v i 、 a 。b s t r a c t c a s i n gd a m a g ec a l le x e r ta ni n f l u e n c eo i lt h ew o r k i n gl i f ea n dp r o d u c t i o no fo i la n dw a t e r w e l l s n o wc a s i n gd e t e c t i n gi n s t r u m e n t sc a no n l yd e t e c t s 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 ha n dt h ew o r ke f f i c i e n c yi sl o w i no r d e rt os u r v e yt h ec a s i n gc i r c u m s t a n c ei nt i m e ， t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dad o u b l e p i p ed e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hc a ns u r v e yt h ec a s i n gd a m a g e e x t e n tw i t h o u tp i c k i n gu pt h eo i l p 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 em e c h a n i s mt o p r e v e n td a m a g e ，r e p a i ra n dr e j e c tt h ec a s i n g b a s i n go 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 eu n d e r t 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 ed e s i g n m e t h o do fc o i l s ，a n d a n a l y z e st h e i n f l u e n c eo ft r a n s m i t t i n gw a v e p 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 et h eh a r d w a r eh a ss e v e r a lm o d u l e si n c l u d i n g ：t r a n s m i t t e rc i r c u i tu s i n g m o n o c o t r o l l e rt oc o n t r o ls w i t c h e sa n db r i d g em o d e ，r e c e i v e rc i r c u i tw i t hm 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 t lp l a t i n u mr e s i s t o r a 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 r i d g e ，t r a n s m i s s i o nc i r c u i tu s i n gc o u p l i n gt r a n s f o r m e rt o t r a n s m i td a t aa n ds u p p l yt h ep o w e r ，s u r f a c ec o n t r o l l i n gc i r c u i tu s i n gs e r i a li n t e r f a c et oc o m m u n i c a t e w i t hc o m p u t e r , d o w n h o l ep o w e rc i r c u i tu s i n gi s o l a t e dh a l fb r i d g ed c d ci n v e r t e r d o w n h o l e m o n o c o t r o l l e rc o m p l e t e ss i g n a lt r a n s m i t t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o na n dm a n c h e s t e rc o d i n gb ys y s t e m s o f t w a r ed e i g n e du s i n ga s s e m b l yl a n g u a g es u r f a c em o n o c o t r o l l e rc o m p l e t e sm a n c h e s t e rd e c o d i n g a n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rc o n s i d e r e r st h ea n t i - d i s t u r b i n gd e s i g n ，a n d m a k e ss o m es u g g e s t i o n so nr e m o v i n gn o i s ed u r i n gt h em e a s u r e m e n t i naw o r d ，t h ew h o l es y s t e mi sr e a s o n a b l e ，s t a b l ea n dp r e c i s e k e y w o r d s ：c a s i n gd e t e c t i n gd o u b l e - p i p e 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 ds o n d e l i 学位论文创新性声明 y 9 4 1 6 6 1 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。 论文作者签名： 剑函日期：地s ：l s 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：复j 面 导师签名 厨 日期：趔! 主! f 三 日期：础! 生! l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 油水井投产后随着生产时间的不断延长，开发方案的不断调整和实施，特别是实施 注水开发的油藏，由于不同的地质、工程和管理条件，油、气、水井套管将不可避免地 出现不同程度的损坏，使油水井不能正常生产，甚至导致停产、报废，以致影响油田的 高产稳产。 各国油田套损日趋严重 1 】，如美国威明顿油田，从1 9 2 6 年到1 9 8 6 年开发6 0 年间， 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；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 口，整个油田已累计损坏超过8 0 0 0 口井。 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i 0 0 万元井计算，大庆油田1 9 9 8 年套损井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 年开展套损并大修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。 因此检测井下套管的损坏形态就成为避免油田经济损失的必要。目前，检测套管技 术状况的仪器很多，但由于结构和测量原理的限制，只是在单套管柱结构下有所应用， 而在双层管柱结构中应用的很少，进行套管检测时必须起下油管，不能在油水井正常生 产过程中进行测井，且检测时作业费用较高，工作效率低，这就不能及时地对套管井身 结构损坏情况给出判断。针对这种情况，通过对国内外相关领域、相关产品的借鉴，研 制出双层管柱套管检测系统，以及相关软件的开发，实现对双层管柱结构下套管技术状 况的检测，以期能够在及时检测套管损坏情况、避免经济损失方面起到一定的作用。 i 2 套管损坏形态 在油气井中，套管损坏基本类型有套管变形、套管破裂、套管错断、腐蚀穿孔和密 封性破坏等几种。 套管变形是指套管的变形没有超过套管塑性范围的一种套管损坏类型，主要有五种 变形形态，即椭圆变形、径向凹陷变形、缩径变形、扩径变形和弯曲变形。套管变形大 多是由于地应力作用的结果。 西安石油大学硕士学位论文 套管破裂分为两种形式，一种是纵向破裂，另一种是四周破裂，即横向破裂。套管 破裂主要是由于射孔造成的，或因注采压差及作业旋工压力过高而造成的。此外当套管 钢材有划痕、裂缝缺陷或氢脆也可能造成脆性破裂。 套管错断分非坍塌型和坍塌型两种。非坍塌型套管错断主要是注入水形成的浸水域 的作用造成的，根据上下断口轴线间横向位移的大小分为西6 5 r a m 以上大通径形错断、 中6 5 r a m 以下小通径形错断和断口通径基本无变化的上、下位移型。坍塌型套管错断是 由于地层滑移、地壳升降等因素造成的套管错断。 腐蚀造成套管大面积穿孔或内外壁出现麻凹是油田常见的一种套管损坏形式。其原 因是井内介质具有腐蚀性。 套管密封性破坏主要表现在套管连接处，导致套管外返油、气、水。这主要是拉伸 造成脱扣或套管丝扣质量等原因造成的。 在油气田开发过程中，我们要尽量减少套管损坏所造成的损失。套管损坏防护是一 门重要的学科，但是也要通过各种方法来对套管进行损坏检测，找到损坏点，争取早发 现套管所出现的问题并予以解决，以保证油水井的正常生产，这也正是套管检测作用所 在。 1 3 国内外现状 1 _ 3 1 各种主要检测方法 目前，国内外用于油水井中套管检测的方法主要有印模法、井径法、超声波法、光 学法和电磁法【”。 a 印模法印模法检测是利用专用管柱或钢丝绳下接印模类打印工具，对套管损 坏程度、几何形状等进行打印，然后对打印出的印痕进行描绘、分析、判断，最后提出 套损点的几何形状、尺寸、深度位嚣。印模法检测可用柬判断套管变形、错断、破裂等 套损程度和深度位置。 印模法检测不受环境条件和井况的限制，检测时迅速、方便和直观，但印模直径大 小的选择比较难。直径过大，印模打印出来不在变形最明显处，印痕不清晰，不可靠， 直径过小，打印不出印痕或印痕不明显，因而无法确定某一个变形位置的形态。实际上， 这种方法主要用于套管损坏的验证，井下落物几何形状、尺寸和深度位置的核定，以及 在修井过程中临时需要查明套管技术状况等情况。 b 井径法井径法通过测量套管内径的变化反应套管纵向和横向的变形。井径仪 是电阻式转换测量仪器，其主要原理是当套管内径改变使微井径电桥阻值改变，通过放 大并由地面仪表记录，并转化成相应的井径值，即可得到随井深不同的井径变化曲线。 利用曲线变化的形态确定变形截面的平均内径或最大直径、最小直径、任意方向直径值， 根据多条井径曲线判断变形类型。如果同其它测井资料综合解释，还能判断套管损坏类 型。 井径仪简易、坚固、稳定、可靠、检测速度快，能够较准确地测得全井套变部位及 第一章绪论 井径的变化。井径仪的缺点是对仪器居中要求很高，偏心会导致测量误差。同时，该仪 器对于套管严重错断的井不适用，对于套管错断的井，虽然有时该仪器仍能下去，但其 所测得结果不易分析。对套管有裂缝及管壁的腐蚀仅能做定性分析。 因为本文是对套管的各种损坏进行检测，而不是仅对变形类型进行判断，井径法有 其不足之处，不是非常适合。 c 超声波法利用超声波进行套管检测的仪器主要是超声波成像测井仪，其工作 原理是利用超声波在介质中的传播特性，由井下仪器的超声换能器在井内旋转扫描，发 射和接收脉冲式超声波，对套管内壁或井壁的回波幅度及时间信息进行处理，放大后经 电缆传至井上经计算机处理成像。超声波成像测井可对套管损坏部位的不同角度、不同 形式的图形加以描绘，其中包括立体图、纵横截面图、时间图、幅度图和井径曲线，用 高分辨彩色监视器显示并拍摄成照片。 超声成像仪检测套管损坏如错断、弯曲、破裂、孔洞、腐蚀等各种损坏情况，资料 非常直观。但还存在以下几个方面的不足咖2 】口】； ( 1 ) 仪器测量速度较低，需与其它套管检测仪配合使用； ( 2 ) 只能检测套管内壁的腐蚀而不能检测套管外表面的腐蚀情况； ( 3 ) 若钻井液密度较大，声波衰减严重，严重影响检测精度或根本不能进行检测，因 此，检测前必须进行洗井和替换钻井液，增加了劳动强度； ( 4 ) 液体中的气泡( 如天然气) 对声波散射严重，造成回波信号降低，导致检测失败， 超声波法不适用于正在出气的井； ( 5 ) 对仪器的居中和井眼椭圆度要求较高，大斜度井和水平井造成的偏心影响不可忽 略。 本文所作的研究主要是生产井套管的损坏普查，因为上述一些不足，所以超声波法 并不是很适合对套管进行普查检测。 d 光学法h 嗍利用光学法进行套管检测的仪器主要是并下摄像电视测井仪，该 仪器利用微型电视摄像机和光源，可用来获得充满空气和液体井眼的高分辨实时图像， 以连续的模式记录在标准录像带上，使用图像处理软件在台式计算机上进行处理。 井下摄像电视可对套管井中管柱情况进行检查，观察井中落物或其它问题，并可估 算射孔孔眼中油、气和水的产出情况，以清晰的图像进行显示，资料非常直观。但是， 该仪器不能对套管外表面的情况进行检查，且井眼流体的透明度对i 虱像质量有较大影响。 e 电磁法电磁法检测是利用套管和油管在电磁作用下呈现出来的电学和磁学性 质，根据电磁感应原理来检测井下套管的技术状况。电磁法检测可确定套管的厚度、裂 缝、变形、错断、内外壁腐蚀及射孔质量。 电磁检测仪是一种无损、非接触式的仪器，它不受井内液体、套管积垢、结腊及井 壁附着物的影响，测量精度较高。同时，电磁检测仪可以检测到套管外层管柱的缺陷。 由于电磁法检测有其独特的优点，因此成为目前最广泛应用的套管损坏检测技术之一。 西安石油大学硕士学位论文 通过以上各种检测方法的比较，针对本文主要是对双层管柱下套管技术状况进行检 测研究，所以选择了电磁法作为本文的研究方法。 1 3 2 电磁检测方法 国内外利用电磁法对套管进行检测的仪器较多，总体上分为两类，一类仪器测量磁 通量，如斯伦贝谢的管子分析仪( p a t ) 、西方阿特拉斯公司的垂直测井仪( v e r t i l o g ) ；另 一类仪器测量电磁波的相位移，如斯伦贝谢公司的电磁波厚度仪( e t t ) 、西方阿特拉斯 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。 a 磁通量的测量测量磁通量的仪器是通过漏磁通量与涡流的测量来对套管进 行检测。在进行漏磁通测量时，仪器产生连续的磁通量在套管内流动。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。而在进行涡流测量时，涡流线圈与套 管平行放置，给涡流发射线圈供高频交流电，从而产生交变的磁场，在套管上感应出涡 流，这种感应电流产生一个补偿磁场，最终的磁场强度信号由接收线圈探测，套管内表 面的缺陷阻止形成循环电流，因而对这个感应磁场的分布具有很大的影响。传感线圈中 的电流差值的变化是套管表面质量的测量值，与无损套管壁感应磁场的f 常分量相比， 套管内壁损坏使感应磁场的正常分量发生变化，表现为接收线圈中感应电流的差值变化。 漏磁通测量可检测出套管内外壁损坏，而涡流测量可检测出套管内壁的损坏，两者相结 合可确定套管损坏的位置，即是内表面还是外表面。 b 电磁波相位移的测量测量电磁波相位移的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。该仪器以在空气中的读数作为基准。而在一定的频率下，在 整个测量范围内，相位移与套管的平均厚度成线性关系。相位移取决于磁导率，随时间、 电导率、套管内径和套管壁厚而变化。一般来讲，在显示壁厚变化时，它比衰减更常用。 但是上述测量及其解析对所穿过的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： m m 金属损失( ) = 1 0 0 二l = 二2 ( 1 1 ) 中 式中，中和o ，分别为第一次和第二次测量中的相位移。 该类仪器中，部分仪器提供套管厚度估计值，以帮助探测金属表面沉积或金属损失。 如斯伦贝谢公司的多频电磁波测厚仪( m e t t ) ，该仪器以三种不同的频率工作，高频测 量不受钢管厚度的影响，只与套管内径发生联系；中频测量依金属的内径、电导率和磁 导率而定；低频测量对应常规仪器的测量，依据上述两种参数和钢的厚度而定。 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 第一章绪论 井时，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， 又称时间域电磁法来对套管进行检测。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，通过对实测的二次涡流场曲线( 或瞬变电磁曲线) 来 反演套管的电磁特性和厚度变化。由于在双层管柱下，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 成双层管柱下的检测。 i 4 主要研究内容 在第二章中，主要阐述了瞬变电磁法套管检测的基本原理，建立瞬变电磁法套管检 测模型，通过推导斜阶跃波在套管中的激励响应，得到接收线圈的感应电动势与管柱的 几何形状、大小和电磁参数等有关这一结论。此外，本章还分析了发射波形参数对瞬变 电磁信号的影响。 在第三章中，主要是根据瞬变电磁信号的衰减特性，阐述了相关的探头和硬件设计 原则和方法，以实现多层管柱检测，并在此基础上给出了系统的总体设计方案。 在第四章中，论述了建立磁探头的理论模型及线圈的绕制的方法，通过线圈的绕制 和实验分析，得到获得线圈最大的灵敏度的方法，线圈的形状、体积、材料和形式与线 圈的信噪比和分布电容等参数之间的关系。 在第五章中，主要是套管检测系统的硬件电路的设计和实现过程。硬件电路主要由 p i c 单片机系统、磁探头发射电路、磁探头接收电路、测温电路、传输电路、地面电路 及电源电路等组成，实现信号的产生、数据的采集与传输等功能a 在第六章中，主要是检测系统井下和地面软件的编制过程，即： ( 1 ) 井下系统软件设计，包括主程序、数据采集子程序和传输编码子程序的设计。 ( 2 ) 地面系统软件设计，包括主程序、曼彻斯特码解调子程序和串行通信子程序的设计。 在第七章中，主要从瞬变电磁法套管检测的实际出发，分析了干扰的种类并给出消 除干扰的方法，以提高系统的准确性与稳定性。 西安石油大学硕十学位论文 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 在电磁检测理论中，通常所说的瞬变电磁场是用阶跃波或其他形式的脉冲电流源激 励导体产生的过渡过程场，阶跃波由于激发简单且实用，而被广泛采用。本章从瞬变电 磁法检测的原理出发，推导阶跃波在套管中的激励响应，分析发射波的频谱，探讨发射 波形参数对瞬变电磁信号影响。 2 1 瞬变电磁法 电磁法按响应的性质分类，可分为频率域电磁法和时间域电磁法。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 ) ，又称时间域电磁法( t i m ed o m a i ne l e c t r o m a g n e t i c m e t h o d s ，简称t e m ) ，它是利用不接地回线( 大地回线，磁偶源) ，或接地电源( 电偶 源) 向地下发送一次场，在一次场的间歇期间，测量由地下介质产生的感生电磁场( 二 次场) 随时间的变化场，从而探测地下不均匀体的位置，并估计其规模和导电性能1 6 】。 2 1 1 瞬变电磁法检测的原理及特点 a 瞬变电磁法检测的原理瞬变电磁法检测装置由发射回线和接收回线两部 分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收三部分。当发射回线中通以阶跃电流i ， 发射电流突然由i 下降到零，根据电磁感应理论，发射回线中电流突然变化必将在其周 围产生磁场，该磁场称为一次磁场，一次磁场在周围传播过程中，如遇到导电介质，将 在其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而在 其周围又产生新的磁场，称为二次磁场。由于导电介质内感应电流的热损耗，二次磁场 大致按指数规律随时间衰减，形成瞬变磁场，二次磁场主要来源于导电介质内的感应电 流，因此它包含着与介质有关的电磁信息，二次磁场通过接收回线观测，并对观测的数 据进行分析和处理，对地下导电介质的相关物理参数进行解释【7 【8 1 。 b 瞬变电磁法检测的特点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，这称之为时间上的可分性；脉冲是多频率的合成， 不同延时观测的主要频率成分不同，相应时间的场在套管中的传播速度不同检测深度不 同，这称之为空间上的可分性。频率域电磁法也有空间上的可分性，但实现起来，技术 上比较繁琐。 由上述两种可分性反映出瞬变电磁法的特点1 9 】： ( 1 ) t e m 是在断电后测量纯二次场，没有一次场背景，简化了对检测对象所产生异 常的研究，把频率域的精确度问题转换成灵敏度问题，加大发射功率可以直接增大仪器 信噪比，提高检测深度： ( 2 ) 单脉冲激发就可得到更多信息的整条瞬变电场的衰减曲线，通过多次叠加，可大 幅度提高信噪比： ( 3 ) 可以采取同点组合进行观测，使与检测目标的耦合最紧，取得的异常响应强，形 态简单，分层能力强： 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 ( 4 ) 采用不同的装置形式，可以相应地提高横向、纵向分辨能力； ( 5 ) 线圈点位、方位和接发距要求相对不严格，检测工作简单，工作效率高： ( 6 ) 采用不接地回线装置，适宜于各种地理环境下工作。 由于这些特点，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 1 2 瞬变电磁场的扩散特点 根据法拉第电磁感应定律，当发射线圈中的稳定电流突然切断后的段时问内，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 0 0 l 。 为了维持管柱内原磁场，在断电初，感应电流集中分枷于导电介质的表面，形成表 面电流，浚阶段称为早期。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，这些涡髓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和使电流均匀分布。晚期场将反映导电介质外部的质量信息。 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质量信息。 2 2 瞬变电磁法检测的理论基础 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，激发源波形在线圈中发生变化，发射波 多为斜阶跃波，从而早延时或浅层的检测拟合效果不佳虽然可以校正，不如直接计算。 其中，以ar r a i c h e 的研究结果为最佳，为此研究斜阶跃下的瞬变响应。b 2 1 1 3 1 i ”1 2 2 1 斜阶跃波激励下的管柱响应 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( 称为早期) ，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i n 变化，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，这 种结论也适用于其他形状的有限导体。那么，就可以采用图2 一l 所示的一个包含等效电 感l 和等效电阻见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 l u s 。 假设等效回路切断一次场的磁通量为o i ，电流关断时叫为f 。，那么，磁通将在t 。时 西安石油大学硕士学位论文 问内从m 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 m ，t 给出。由于等效电路的涡流场( 二次场) 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h 这样就确定了等效涡流的方向。 fffh 。 e m f 图2 1 有限导体的等效回路示意图 等效回路的瞬态方程为： k 百d i c 蝴、= 一鲁 或： 等+ 叫( f ) 其中r = 每，为等效电路的时间常数；厂( r ) = 一毒雩 i ：忡t p 一1i e 堕出 i c 。( f ) _ 俅一。7 i 。7 二出 假设h l 为斜阶跃变化的场，对于华可以表示为： a t d o 。 出 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 0 t 0 墨，0 f 。，7 在供电时间内( f f 。) ，( 2 2 ) 式可以简化为： 盟+ 生：o d tr 它的解为： i c ( f ) = a e r ，t “ 为了求得口，来研究r 。时间内i 。( f ) 的变化特征，根据( 2 3 ) 式得： t = i c o e r + e 二r 击幽轧， 屯俨。孝睾”e 南 o t t 式中i 。表示r = 0 时的感应电流幅值，由于，时间的存在，使f 。o = 0 ，故： 电 ， j 姚 司 蹴 协 q 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 t ：粤( 1 - e 1 ) “l l 由此可得到当f _ f 。时为： 咐。) 一等：三粤( 1 一。一等) t 。“l 。 因比 。：三粤( p t 一1 ) t ! ? il 得到等效回路中的感应电流表达式为： o f t 。( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 可见，在f 。时间内，感应电流逐渐增加，在f = t 。时达到极大值，然后按指数规律 衰减，如图2 - 2 所示。由图可知，其上升、衰减速度决定于生比值。，。较大的情况下， f 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。 ? x o 之= 一 ： ：要 l ； 懿 ， 图2 - 2 感应电流的时间特性曲线 1 0 ) 可以简化为： 0 f 0 粤胚， fr j ，l ( 粤ep 三， ( 2 1 1 ) ， r i f ， 一 ， 0 加 一弦 二r 1 p 一 0 一 堕， l p ( ( q k q t 三三 西安石油大学硕士学位论文 显然一f 斗。时f ( = 睾e t川，这时的感应电流初帆旦l c ，它不依赖 于等效电阻r c , 仅取决于旦l c 比值。实际上f 总是存在，i c - 。值可理解为，“ f 时，f = f “ 的感应电流瞬时值。 此外，根据电磁感应定律有： f e m f ( t ) d t = 中 ( 2 一1 2 ) 该式说明了等效回路中的感应电动势e m f ( f ) 的积分值完全不决定于管柱的特性，只 决定于受一次场的激励程度。因此，在早期具有较强的e m f ( t ) 相应的管柱体上，在晚期 的e m f ( t ) 必然是比较小；反之亦然。 设发射线圈与等效回路之间的互感系数为m 。，等效回路与接收线圈之间的互感系 数为m 。 由毕奥萨伐尔定律 0 1 = m ，。1 l 中：= 蟛。i 。、( ，) 接收线圈中，由于受感应涡流场的激励，产生的感应电压为 y ( r ) = 一拿d t = 一m 。掣d t ( 2 一1 3 ) f 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 由式( 2 一1 1 ) 可得到次场脉冲间歇期间( t t 。) 观测到的感应电压为： m ：当监丝! 笠( e 等一1 ) 。 ( 2 1 6 ) t 。4 l ( ， 在，。 r 的情况下 ：! l 丝! ! 。丝业e 一( 2 一1 7 ) 吐( 、 公式( 2 - 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 便是用来计算管柱瞬变电磁响应的式子。式中发射电流及关 断时间f 。为己知；m ，”m 。分别为发射线圈与等效回路、等效回路与接收线圈之间的 互感系数，它们与发射线圈、接收线圈与管柱之间相对位置、管柱的几何形状有关，当 线圈及管柱确定以后，该参数视为常数；l ，及f 是单纯由管柱的几何形状、大小和电磁 参数所确定。 从公式( 2 一1 6 ) 和( 2 一1 7 ) 可以看出，接收线圈的感应电动势与管柱的阻抗上，和见有 关，而阻抗三，和r ，又是由管柱的几何形状、大小和电磁参数所确定的。因此，可以通 过接收线圈的感应电动势来判断管柱的几何形状、大小和电磁参数的变化，这亦是利用 瞬变电磁法对管柱进行检测的原理。 2 2 2 管柱的阻抗 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 中，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。 设套管的厚度为7 j ，磁导率为，电导率为盯。，外径为d ，井内温度为f 。下面 1 0 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 计算长度a 上套管的电感和电阻值。u 6 i ” a 管柱长度a 上的电感 铲州卧扣面4 - _ 十1 掣n 南小和 其中，口= 南和卢= 五告：厂值取自表2 - l ，而一值取自表2 2 。 表21 用于l ，的f m p a = 0 010 2o3 040 5 0 000 0 0 0o 0 0 0 00 0 0 0 100 0 0 3 00 0 0 700 0 1 4 00 0 0 00 0 0 1 80 0 0 2 l0 0 0 2 700 0 3 200 0 3 8 0 0 0 0 l0 0 0 2 1一00 0 1 80 0 0 2 l0 0 0 2 6l 一0 0 0 3 4 0 0 0 0 20 0 0 2 3 一o 0 0 1 9一00 0l g 0 0 0 2 1 【一0 0 0 2 8 00 0 0 400 0 2 1一o0 0 1 7一0o0 1 500 0 1 60 0 0 2 1 0 0 0 0 9 0o o l 6 0 0 0 1 400 0 1 1 00 0 1 00 0 0 1 5 表2 - 2 用干三，的一值 口口 z 8 | j oo o0 1 2 5 0 0 5 0 3 0 6 6 o 0 50 1 2 6 90 60 3 8 3 9 0 10 1 3 2 50 70 4 7 3 9 o 20 1 5 4 80 805 7 6 0 0 30 1 9 1 60 90 6 9 0 2 o 40 2 4 2 31 o0 8 1 6 2 b 管柱长度a 上的电阻 管柱的横截面图如图2 - 3 所示。 管柱内径：d 。= d 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，而“长度”是管柱的圆环周长。在径向方向距离管 柱轴线，处取厚度为西的薄层，则该薄层的电导为： d g ( ：盯1 _ a d r 图2 3 计算管柱电阻说明 式中，o - 为管柱的电导率。矾不但与管柱材料、形变有关，还和管柱温度有关。 q 卸，。志( 2 - 1 9 ) 其中q 。为0 ( ”c ) 时管柱的电导率，b 为管桩电阻温度系数，为一常数。 长度n 上管柱的电感为( 由电流流向可知，套管的电阻相当于各个薄层电阻的并联 故电导可积分) 西安石油火学硕士学位论文 g c = j ：吖筹= e 。等字= 詈- n 击 长度a 上管柱的电阻为 r 产上：旦七一 ( 2 2 0 ) g ( 盯1 0 l n 些 d 一正 2 3 瞬变电磁检测的发射波形及频谱 时间域电磁法检测中，激发场的波形一般为周期性的脉冲序列。在实际应用中，为 了有效地抑制观测系统中的直流偏移和超低频噪声的干扰，将不同时域的相应二次场进 行叠加，以消除随机干扰，提高信噪比，往往采用周期性重复的双极性脉冲序列。这种 激发场的波形可以为矩形、梯形、半正弦波等。如图2 4 所示。 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 4 ( a ) 双极性矩形脉冲 ( b ) 双极性梯形脉冲( c ) 双极性半正弦脉冲 根据傅立叶频谱分析理论，任何一种脉冲波都可以分解为许多正弦或余弦谐波成份。 显然，每个谐波成份都将在导体中产生激励响应，这种响应符合频率域电磁法规律并具 有各自相对应的振幅值和相位。在不同时刻进行采样，把各个谐波激励产生的二次场相 叠加，便得到人们感兴趣的瞬变电磁场。可见时间域电磁法的测量结果相当于频率域方 法中使用多频观测的效果。 在双极性矩形脉冲波中，它的傅立叶级数表达式为l ： 州= 4 h 。喜骂高竽c o s 心川川 z ” 式中h 。为脉冲磁场的幅值；j = 等，丁为脉冲系列的重复周期，d 是单个脉冲的 持续时间；= 三 。 由于电路中、c 和月值的影响，实际的发射波形近视为梯形脉冲序列，见图 2 - 4 ( b ) 。梯形脉冲序列的傅立十级数的表达式为j ： 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 丁2 d - d o 瞧竺篙d o 菁篡d - 蠢d o 竽江z z ， 1 ”1 【( 2 ”一1 ) 等】【( 2 n 一1 ) 国。( ! ! ：；蔓) 由于观测的结果是单个脉冲相应的重复，为了简化问题的讨论，这里仅就单个脉冲 波形的频谱进行分析，令脉冲序列的t 斗0 0 ，且忽略单个脉冲波前后沿的相互影响，则 双极性矩形脉冲波和双极性梯形脉冲序列分别简化为非周期的单个的阶跃波和斜阶跃 波。由傅立叶积分，可得复频谱的表达式分别为【1 1 】： h l ( ) = _ z , t 0 ( 2 - 2 3 ) 皿 卜荔脚s 碱一一s i n o m o ( 2 - 2 4 ) 在仪器发射波形时不可避免的要受到发射线圈的感性负载影响，矩形脉冲序列实际 图2 - 5 给出了d o = i m s 、d o = l u s 和d o = i n s 三种情况的频谱图。由图可知，梯形波 高频段的频谱能量随着d 。的减小而增大，这就要求发射脉冲下降沿尽可能抖的原因。 孚 6 芒 弓 蚓 罂 1 0 0 1 0 1 0 辛0 j 里 o o l 0 0 0 l f ( h z ) 图2 - 5 梯形波的频谱 2 4 发射波形参数对瞬变电磁信号影响分析n 0 1 【1 1 1 发射波形参数是指发射电流脉冲的脉冲幅值，、脉冲宽度( 持续时间) d 、关断时间 t 矿及间歇时间d o ，一般发射波形选择d = d 矿，占空比为1 ，在脉冲间歇时间观测。并 且采用双极性脉冲序列，d = i t ，频率为，= ；= 上4 d 。 塑室查垄丕堂堡主兰垡堡茎 发射波形参数对观测结果的影响程度的大小由畸变因子d ，描述，d ，：婴，式 f 【r j 中s ( ，) 是单位阶跃情况下的理论响应值。 2 4 1 脉冲宽度的影响 对于管柱体，畸变因子为： 一生 d = 1 一p 7 ，2 - 2 5 ) 式中d 为脉冲宽度( d = i 1 ) ，r 为管柱体的时间常数。管柱体的d ，值只与三比值 有关，与取样时间，无关，图2 6 为d ，一；曲线。由图可见，三越大影响越大。若以 d j 0 9 视为无影响，则相应的0 4 1 。减小脉冲宽度，将使观测值偏离理论响应值 ( d ， 1 ) ，时间常数越大受到的影响越大。因此管柱体的时间常数r 越大，要求脉冲宽 度就越宽。 d 图2 - 6 脉冲宽度与畸变因子关系 2 4 2 关断时间的影响 对于管柱体，畸变因子为： ， 一! 生 d ，2 ( 1 一p 7 ) ( 2 2 6 ) r j ， 式中7 为关断时间，图2 7 为d ，与7 “的关系曲线，由图可见，增大，。值将使观测 值偏离理论响应值( d ， 1 ) ，时间常数较大的管柱体受f 。影响程度较小。 一一 箜三垩堕奎皇壁鲨壅笪丝型塑堇查堕里 r 图2 7 关断时间与畸变因子关系 关断效应的影响特征为： a 管柱体为等轴状的导体，其关断影响只与! 有关。当屯，一定时，r 越小越有可 能受关断效应影响。若畸变因子d ，0 9 视为允许的电流关断效应，则管柱体响应 笪0 2 1 5 。 f b 畸变段主要出现在早、中期曲线段，随着时间的变大，各个。值的曲线收敛于 。斗0 的曲线。 ， 。 c 畸变程度取决于兰比值( f 表示管柱体时间常数) 。一般地说，当：生 1 以后畸变 f f 渐渐消失。 d 受畸变的观测值比正常值大或小，取决于采样零时刻点的选择，一般地说，当选 在电流关断时间