（机械电子工程专业论文）套管电磁探伤技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 套管电磁探伤技术研究 机械电子工程 于英强( 签名) 张瑞萍( 签名) 要 套管损坏将直接影响油气井的使用寿命及油气产量，国内现有的套管探测仪采用的 是机械式装置，只能测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，本论文研制了套管检测系统，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 了接收线圈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。其中发射电路由单片机控制，通过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并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。 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，受外界环境限制小，仪器有较好的通用性。 关键词：瞬变电磁法套管检测电磁探伤 论文类型：基础研究 ( 本文得到西安石油大学青年创新基金的资助) 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 ： i n s t r u c t o r ： a s t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g yo nd e f e c td e t e c f i o no fc a s i n gp i p e s m e c h a n i c a le l e c t r i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t c a s e p i p e sd a m a g eo f t e nr e s u l t si nd e c r e a s eo fo i la n dg a sp r o d u c t i o na n ds h o r t e nl i f e p e r i o do fw e l l s n o wc a s e - p i p e sd e t e c t i n gi n s t r u m e n ti nc h i n a w h i c hu s e sm e c h a n i c a ld e v i c e o n l yd e t e c t st h ei n n e ri n j u r i c so ft h ec a s i n g ，a n dt h ec o s to fo p e r a t i o ni sh i i g l la n dt h ew o r k e f f i c i e n c yi s l o w i no r d e rt od e t e c tt h eo z i s e - p i p e si n j u r i e ss t a t ei nt i m e ，t h i sp a p e rh a s d e v e l o p e dac a s e p i p e sd e l e t i n gs y s t e m ，w h i c hs u p p l i e st h ep r i n c i p l e sf o ra n a l y z i n gt h e p r e v e n t i o n 、r e p a i r 、r c j e c to fc a s i n gd a m a g e ，s ot h es t a b l ep r o d u c ta n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o f t h eo i lf i l e dc a nb ee n s u r e d b a s e do 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 e ，a n da n a l y z e st h ei 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 nt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cr e s p o n s e h a r d w a r ec i r c u i t sh a v e b e e nd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ed e c a yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed y n a m i cr a n g eo ft r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cs i g n a l i nt h er e c e i v i n gc o i l t r a n s m i t t e rc i r c u i tu s e sas i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( s c m ) t oc o n t r o l s w i t c h e st om a k ee m i s s i o nw a v e s r e c e i v e rc i r c u i t si n c l u d em e a s u r e m e n ta m p l i f i e r s ，v a r i a b l e g a i na m p l i f i e r sa n di n t e g r a lc i r c u i t s p l a t i n u mr e s i s t o ra n d a c t i v et e m p e r a t u r e - m e a s u r i n g b r i d g ec i r c u i t sa l eu s e dt om e a s u r et e m p e r a t u r e t r a n s m i s s i o nc i r c u i t ss u p p l yt h eo t h e r d o w n h o l ec i r c u i t sa n dt r a n s f e rd a t aw i t hs i n g l e - c o r ec a b l e c i r c u i t si nt h es u r f a c ed e c o d et h e d 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 hs 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 s t h ed a t ai n c l u d i n gd i g i t a lf i l t e r i n ga n dg r a p hd i s p l a y , w h i c hc a nb cu s e dt os h o wt h ed a m a g eo f t h ec a s i n g w ch a v ec a r r i e do nl a r g en u m b e r so fe x p e r i m e n t si nt h el a b t h i ss y s t e mp r o v e dt ob e s t a b l e 、s e n s i t i v ea n dn o tb er e s t r i c t e db yt h eo u t e rs p a c e ，w h i c hc a nb eu s e di naw i d er a n g e 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 c m c t h o d ，c a s i n gd e t e c t i n g ， e l e c t r o m a g n e t i ct e s t i n g ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yy o u t hc r e a t i v i t yf o u n d a t i o no fs h iy o uu n i v e r s i t y ) 1 1 1 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。 论文作者签名：辱董叠虽 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，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。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：建芝2 宣：叠a 秒 日期：渺黟刍 - 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 站渡了 盟筠 皿挺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外现状 1 1 1 测井技术的发展 测井技术是一项以高新技术为支持的，为石油勘探开发服务的技术。测井技术的发 展显示出两个明显的特点：一方面，测井技术的发展与石油勘探开发紧密联系在一起， 勘探开发的需求成为测井技术发展的重要动力：另一方面，测井科技工作者时刻关注着 物理学各学科和电子、自动化、计算机等各项技术的最新进展，许多最新的技术成果很 快就在测井技术中得到体现u 。 如模拟测井时代( 1 9 2 7 一1 9 6 4 ) 在1 9 2 7 年测井问世以来，人们将电、声、核、 磁等各个领域内的理论和技术应用于测井，一项又一项测井技术相继诞生。1 9 3 1 年意外 的发现了自然电位；1 9 4 6 年自然伽马测井诞生；1 9 4 8 年，朗格里油田应用油基泥浆进行 钻井；1 9 5 0 年，人们将伽马源与相应的密度测量技术应用于测井，地层密度测井诞生； 电磁理论在测井中的进一步应用，使人们在1 9 5 2 年发明了能将电流聚焦的七侧向测井和 三侧向测井：同年，人们将超声波技术成功地应用于测并，声波测井技术诞生；将中子 源与相应的放射性测量技术用于测井，中子伽马技术诞生：1 9 5 6 年，闪烁测量技术被用 于核测井。直到1 9 6 4 年，用于地层评价的常规测井系列基本配齐。 b 数字测井时代( 1 9 6 5 一1 9 7 2 ) 进入2 0 世纪6 0 年代，世界石油产量达到l o 亿吨，测井工作量大增。同时，测井技术的发展使测量信息越来越丰富，模拟测井仪器 已不能满足测井资料计算机处理的需要。6 0 年代初，人们开始研制数字化测井地面仪器 以及与之配套的下井仪器。1 9 6 5 年，斯伦贝谢公司首次用“车载数字转化器 ( 包括模 数转化器、数字深度编码和磁带记录装置) 记录数字化测井数据，数字测井时代开始。 数字测井系统在6 0 - 7 0 年代初得到广泛应用。 c 数控测井时代( 1 9 7 3 1 9 9 0 )计算机技术的高速发展，推动测井仪器的更 新换代。1 9 7 3 年，第一次在现场用计算机记录和处理数据，数控测井时代开始。数控测 井地面采集仪器是由车载计算机和外围设备组成的人机联作系统，能完成对井下仪器测 量数据的采集和实时记录，并能在井场进行快速直观处理。数据传送方式由单向编码传 输发展为双向可控数据传输，传送数据大大提高。在这一时期，人们继续把各种新技术 用于测井：根据电磁波测量原理，发明了电磁波传播测井；随着对横波认识的深入，把 横波技术加入到声波测井的内容中去。人们充分发挥高速数据传输的优势和计算机快速 数据处理的优势，采用多传感器、大信息量的方法提高分辨率，增大探测深度，提高 测量精度和准确度。 d 成像测井时代( 1 9 9 0 以后) 石油勘探中，越来越多的遇到裂缝性等各种复 杂地层，迫使人们寻求对付复杂地层的测井方法。1 9 8 6 年，第一种成像测井仪器( 微电 两安石油大学硕j ：学位论文 阻率扫描成像测井仪) 问世，对裂缝识别和评价提供了全新的手段，引起了人们极大的 兴趣和充分重视。之后，其他一些成像测井仪器相继诞生。为了满足各种成像测井仪器 在大信息量传输、记录、图象处理等方面的要求，研制成像测井地面仪器并将各种成像 测井仪器与之集成而形成完整的成像测井系统已成为必然趋势。2 0 世纪9 0 年代初斯伦 贝谢公司率先推出了m a x i s - - 5 0 0 成像测井系统。成像测井是一个集各种先进技术之大成 的系统，是高新技术的结晶；成像测井地面系统是计算机技术、遥控遥测技术、高速数 据传输、应用软件密切结合的体现。 1 1 2 套管井检测方法 钆超声波电视法超声波电视测井仪把套管内壁拍成连续照片，照片水平方向代 表套管内经的展开，水平宽度代表内壁的周长，纵向代表深度，深度比例多为1 ：5 0 。 套管损伤程度不同在照片上的成像特征也不同，根据这些特征就可以解释套管损坏情况。 超声波电视测井主要能解决接箍位置、变形射孔井段、孔洞、破裂、错断、焊缝腐 蚀等问题，但是不能测量套管的壁厚。 b 声波仪器声波测井仪器有一个超声波收发装置( 0 5 - l , 虹- i z ) ，它围绕仪器轴转 动，每秒需要3 到l o 圈。把一个脉冲声波通过泥浆传送出去( 采样率2 5 0 次转) 。当这 个脉冲声波从套管壁反射回来时。可测出它两端路程传播时间( 换算成距离) 及其幅度 和套管内表面的特征情况。因而帮助我们探测出任何局部毛病( 孔洞、断开、椭圆度) 但是不能给出有关钢管的厚度信息。 最初设计是为评价固井而用的斯伦贝谢的c e t 水泥评估仪具有八个超声波的收发器 ( 4 0 0 - 6 0 0 k h z ) 各自成4 5 度角螺旋式安装而成。发射波通过泥浆朝向套管，套管使它振 动。声波在发送器和套管之间的波的两路传播时间可提供8 次波径测量。这种仪器也可 以给出有关套管壁厚状况信息。分析所记录的信号频率可得出套管厚度。这种仪器能用 在较重泥浆或套管厚度不同的井中，其范围在4 5 - 1 5 咖之间，套管厚度的分辨率为 0 0 5 m ，精度在2 以内。 c 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。 d 噪声测井和连续流量计测井如果套管破裂的孔洞伴随流体外漏，为了确定 2 第章绪论 漏失点，配合噪声测并和连续流量计测井效果更好。噪声测井曲线在漏失点出现高峰； 连续流量计在注入井于漏失点出现流量降低台阶，在产出井呈现流量升高台阶。根据噪 声测井和流量计测井出现的异常就能推断出破损位置。 e 电磁法电磁法检测是利用套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。 1 1 3 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 ) 、阿特拉斯公司的垂直测井仪( v e r t i l o g ) p ；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( et 1 i ) 、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并仪。 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，从而产生交交的磁场，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正常分量相比， 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： 3 两安石油大学硕士学位论文 金属损失( ) = l o o x 二罢 ( 1 1 ) l 式中，和，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 ) 1 ，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 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。 1 2 选题意义 油气田套管损坏( 以下简称套损) 问题是石油开发到一定时期遇到的普遍技术难题， 国内外各油田均受到该问题的困扰。随着高压注采、超高压压裂等各种增产措施的应用 和油田开发时间的增长、泥岩吸水蠕变、岩层滑动、油层出砂、油田开发过程中断层复 活、射孔、天然地震、油层压实等原因，各油田油水井套管损坏问题将会越来越严重。 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，另外，前苏联的西伯利亚油田、北高加索 油气田、土库曼地区、美国德克萨斯州油田、墨西哥湾油田、苏伊士湾油田等都存在严 重的套损问题。我国各大油田油井损伤也非常严重，大庆油田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，截至2 0 0 3 年4 月，胜 利油田共有套损井5 4 0 0 多口。至2 0 0 4 年，江苏油田套损井已达到1 3 7 口井，占总井数的 9 。7 ，至2 0 0 3 年底，冀东油田共开发井7 0 1 口，发现套管损伤的油水井1 7 2 口，占全油 田油水井总数的2 0 ，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 。“。 套损井的大量存在，不仅是固定资产的闲置浪费，还会导致一些单元注采井网二次不 完善，注采对应关系破坏，地层压降逐渐加大，储量控制程度变差，进而造成油田水驱储 量、可采储量不同程度的损失，因此，套损井是制约油田稳产的瓶颈问题，开展套损预防与 治理技术的研究应用，弄清复杂地层套损机理，寻求相应的预防措施，延长套管使用寿命， 4 第一章绪论 是目前世界各套损井油气田迫切需要解决的课题之一，对提高老油田整体开发效益具有 重要意义。在这样的环境下，测井就显示出来重要的作用，被列为石油行业十大学科之 一，用于检查套管损伤变形的测井方法有常规的井径测并、超声波彩色成像测井和磁测 井等方法，井径测井和超声波彩色测井只能检查套管内壁的变化，不能检查套管的腐蚀 和厚度变化情况，并且超声波彩色成像测井还受井内介质的影响。磁测井方法有斯伦贝 谢公司的p a t 和e t t d 测井仪，哈里伯顿公司的p i t 测井仪。p a t 和p i t 在功能上相近， 可检查套管内壁的腐蚀及裂缝孔洞，但不能给出套管外壁及厚度的变化，并且仪器外径 大，使用受到限制。e t t d 测井仪由于发射正旋波的周期性，使接受的感生电动势也发 生周期性的变化，不能区分内壁管柱对感生电动势的影响，在多层管柱结构中测井时， 仪器对外层管柱的壁厚和损伤虽然有显示，但不能给出理想的解释结果。管柱电磁探伤 测井技术成功地解决了探测套管的厚度、腐蚀、变形等问题，可准确指示井下管柱结构、 工具位置，并能探测套管以外的铁磁性物质( 如套管扶正器、表层套管等) 。 1 3 主要研究内容 本文在前人基础上，进一步完善理论系统，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，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 套管的电磁探伤理论研究。 根据所采用的套管电磁探伤方法，建立相关的检测理论，用于指导探测线圈和接收 线圈的设计、电路设计、解释方法和数据处理。 ( 2 ) 井下硬件电路的设计 数据采集电路设计。本系统拟采用纵向和横向两种探头。其中纵向探头采用内通式 变压器互感线圈，横向探头采用放置式变压器互感线圈。每个探头的发射线圈与接收线 圈绕制在同一铁芯上，采用中间抽头的结构。 井下数据处理电路设计。选择合适的数字信号处理芯片，设计相应的处理电路，实 现对井下信号做出准确、快速的处理。 ( 3 ) 通信与传输技术研究 通信技术研究。主要包括通信机制、通信协议、波特率的设计、异步串行通信接口 的设计。本系统涉及到单片机同单片机之间的串行通信、单片机同计算机之间的串行通 信。异步串行通信程序由上位机通信软件和下位机通信软件两大部分组成。 传输技术研究。主要包括适合于信号长距离传输的传输体制和编码方式、适合单片 机与计算机之间串口通信的传输编码方式。其中井下电路需要对采集数据进行编码传输； 地面电路和处理软件需要对上传数据的进行解码，同时还要转换成计算机能够识别的数 据模式，以备计算机的处理。 ( 4 ) 数据处理、解释系统研究 地面系统主要研究地面的数据处理，地面数据处理是对各个探头记录的多条曲线进 西安石油人学硕： ：学位论文 行显示，并通过曲线形态定性判断管柱是否存在裂缝损坏，如有纵向裂缝可半定量地给 出缝的长度。 ( 5 ) 机械部分的设计与研究 设计与电路板、线圈相匹配的机械部分，根据井下参数的要求，分析并选用耐高温、 耐高压和相关的满足电磁特性和机械性能要求的材料。 6 第章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 ) 或称时间域电磁方法( t i m e 一。 d o m a i ne 1 e c t r o m a g n e t i cm e t h o d s ，简写为t e m ，它是利用不接地回线( 大回线、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，就可探测地下不均匀体的位置，并估计其规模和导 电性能。本文将它用在套管的损伤检测上，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套管中将会产生涡流，该涡流包含了套管的电导率、壁厚、孔 洞等信息。根据电磁感应原理，该瞬交涡流场可产生瞬变磁场，并被接收探头所接收， 从而实现管柱损伤的探测和识别。本章主要分析了套管的等效电阻、等效电感等物理参 数，推导了纵向探头和横向探头在套管中的激励响应，管柱的几何形状、大小和电磁等 参数的关系。 2 1瞬变电磁法套管检测的基本原理 套管电磁探伤的理论是根据电磁感应理论向发射线圈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，其磁力线穿过套管，在套管中产生感应电流毛( 如图2 - i 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岛，感应电流f o 与套管的电 磁特性有关，当套管出现孔洞、裂缝，特别是纵向裂缝，将部分或全部切断感应电流f o 的 通路，这将改变感应电动势的幅度。接收线圈的感应电动势与管柱的电感厶和阻抗 砟有关，而4 和砰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计算出管柱的壁厚、大小等参数，从而确定套管的损伤程度。 圈2 1 瞬变电磁法多层管柱检测基本原理 7 西安石油大学硕士学位论文 2 2 局部导体中涡流的建立及其穿透深度的计算 2 2 i 局部导体中涡流的建立 局部导体的响应特点是建立在涡流的特征上1 。本章以球体为例说明涡流建立的过 程。设球体位于均匀的一次场中，当发射回线中的电流突然关断，一次场瞬间消失时， 为了维持球内原来的均匀磁场，立即感应出涡流，并仅仅分布在球体的表面，如图2 2 a ， 所以，此时( 称之为“早期) 涡流的分布与球体的电导率无关，或者说它受到高频的 抑制，因为涡流的分布正像球体在非常高频的交变磁场中受到趋肤效应那样。之后球体 中环形电流的分布则受由这些电流引起的磁场相互影响所支配，向球内移动。 iiiih p 一次场 (a早期(b)早期 ( c ) 中期( d ) 晚期 图2 - 2 不同时期球体中涡流的分布 这段时间称“中期”( 图2 - 2 c ) 。在中期电流不仅向内移动而且因热损耗而减弱。最后电 流的分布不随时间而改变，此为“晚期”( 图2 - 2 d ) 。此时电流这样分布：靠近球心电流 密度沿半径距离线形的增加，在二分之一半径内相对均匀的分布，并向球边缘微微的减 弱( 图2 - 3 ) 。这瞬时的电流和相应的外部磁场开始以某一时间常数呈指数衰减，直到消 失 0 伽o j o 0 2 0 40 6 0810 囤2 3 球体内电流密度的径向分布 8 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 2 2 2 涡流穿透深度的计算 电涡流在导体中的穿透深度公式如公式( 2 一1 ) 所示： 心咖后 ， p 一导体电阻率( q c l n ) ； ”导体相对磁导率： 厂交变磁场频率( h z ) ； h 一涡流穿透深度( c m ) ； 因此，当激励源是交变磁场时，频率不同，涡流在导体中的穿透深度也不同，在频 率较高时为高频反射式，频率较低时为低频透射式，两者的结构差别在于：前者激励线 圈和检测装置在被测导体的一边，而后者分别在导体的两边h l 。 2 3 管柱和接收线圈的等效参数 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 中，本节给出管柱和接收线圈的阻抗与其几何形状、大小和电磁参数的关系。 2 3 1 管柱的阻抗 首先考虑载流螺线管中磁场分布情况，如图2 4 所示1 ，螺线管长l ，半径为r ，匝 数为n ，则螺线管在轴方向上的磁场的分布为 b 一, ，t on i 婀 , s 2s i n p d p = 掣( c o s j b l - c o s 皮) ( 2 - 2 ) 式中的i 为通过螺线管的电流，由式( 2 - 2 ) 可绘出其磁场的分布如图2 4 所示，图中，磁 场在螺线管内比较均匀，在螺线管外衰减很快。这个规律将在计算管柱的阻抗时被用到。 。i ：卢r 一，_ l p f - b ji 了 图2 - 4 载流螺线臂中的磁场 在本系统中，线圈是放置在套管中且其轴线与套管的轴线重合，如图2 1 所示。当 线圈中通电流时，其周围就会产生磁场，当通的电流发生变化时，其周围的磁场也跟着 变化，故在套管中产生涡流，由图2 - 4 中磁场的分布规律可得到涡流的分布范围与线圈 的长度大致相等，由此可以推出线圈发射的磁场对套管的影响只局限在线圈长度的大致 范围( 如图2 - 5 a ) ，为计算方便，将其展开为图2 5 b 9 西安石油大学硕i = 学位论文 a 展开 八 v b 图2 - 5涡流在套管中的分布围 a 套管的等效电阻如图2 5 ，根据电流的流动方向，可以视2 - 5 b 是一根长为j ， 截面积为bxc 的导线，其中，= 2 zr = 4 0 0 m m 、c = l o o m m 、b = 7 m m ，套管的电阻率 p = o 9 7 x1 0 。7 q 肌，故而可以算出套管的等效电阻为 r = p 二 ( 2 3 ) s b 套管的等效电感 由图2 5 b 中电流的流向，可利用矩形截面直导线电感 公式洲对其求解 = 碰( 1 n 旦+ l ( 2 4 ) 2 z 、b + c2 式中为导线长度，鳓为真空磁导率，值为4 7 r 1 0 t t o ，b 和c 为导线矩形截面 的边长，由于本系统用的5 5 英尺套管，其外经为1 4 0 m m 、内经为1 2 6 r a m 、壁厚为 7 m m 。 2 3 2 接收线圈的等效阻抗 a 接收线圈的电阻接收线圈的电阻可以用式( 2 - 5 ) 求得 足= p 二- ( 2 5 ) s 本系统的接收线圈为铜导线密绕而成，铜的电阻率p = 1 7 2 1 0 一m s 。 b 接收线圈的等效电感接收线圈的长度为l o c m ，真空磁导率p o = 4 z 1 0 7 t t m ， 由公式( 2 - 6 ) 可计算出接收线圈的等效电感。 上= 上! l w 2 d ( 2 - 6 ) 4 n - 其中 w 为线圈的匝数； d 为线圈的直径； a 为线圈的长度： 9 随比值口= a d 变化的数值，见表2 1 ； 1 0 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 表2 - i 用于求公式( 2 - l e ) 中的妒值 1 ，口) 一一 1 ，口p 9 ) 1 ，口一 9 1 ，口一 伊p 0 0 0 p0 0 0 0 = 0 0 6 - -0 5 7 7 00 1 2 1 1 2 6 p0 1 8 1 6 4 8 0 0 1 ) 0 0 9 8 - 0 0 7 p0 6 7 1 )0 1 3 1 2 1 5 ，0 1 9 1 7 3 2 , ， 0 0 2 p0 1 9 6 )0 0 8 0 7 6 3 #0 1 4 1 3 0 3 毒，0 。2 0 p1 8 1 6 0 0 3 0 2 9 2 00 0 9 0 8 5 5 , ，0 1 5 1 3 9 0 p0 2 1 1 8 9 9 p 0 0 4 0 3 8 8 f0 1 0 p0 ，9 4 6 p0 1 6 p1 4 7 7 , 。0 2 2 )1 9 8 2 p 0 0 5 0 4 8 3 。0 1 1 p1 0 3 7 00 1 7 1 5 6 3 p0 2 3 #2 0 6 3 = - c 接收线圈的等效电容接收线圈的等效电容可分为线圈与磁芯之间的电容以 及绕组之间的电容，利用公式( 2 - 7 ) 即可求解 一一一 c ：兰q 兰兰 ( 2 7 ) 3 l 其中 真空中的介电常数g o = 4 7 r x l 0 _ 2 h i m 磁芯的侧面积s = 3 7 7 x 1 0 4 m 2 线圈和磁芯之间的距离a = 3 x 1 0 4 m 2 4 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，涡流在套管中的分布状况不再随时间变化，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 6 所示的一个包含有效电感 ，和等效电阻r r 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 8 】【9 】 a 假设等效回路切断一次场的磁通量为。，电流关断时间为t y ，那么，磁通将在。时 间内从。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 。o 给出。由于等效电路的涡流场( 二次场) 要对抗激励场的消失，感应偶极矩鸭的 方向总是顺着激励场的法向分量且。，这样就确定了等效涡流的方向l i o j 。 两安石油大学硕士学位论文 等效回路的瞬态方程为： 或： e m f 图2 - 6 有限导体的等效回路示意图 三c 生d t + 如名= 一盟d t l ll 车+ ! f - 厂( f ) d tt 其中弘惫，为等效电路的时间常数 胁一专等 解微分方程( 2 - 9 ) 或( 2 - 1 0 ) ，得到瞬态电流方程为： 渺和j _ i t 抄等西 其中日。为斜阶跃变化的场，对于等可以表示为： 施 d l 0 r 白 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 在供电时间内( f 口，) ，( 2 8 ) 式可以简化为： 堕+ 堡：o ( 2 1 3 ) 文t 它的解为： i i c ( t ) = 粥i，0 ( 2 1 4 ) 为了求得口，来研究0 时间内f c ( r ) 的变化特征，根据( 2 1 1 ) 式得： i fi 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 渺椰 + p 丢幽o t t o f = _ t _ ，虿vf o l - t 。) o t t o ( 2 一1 5 ) 式中t o 表示f = 0 时的感应电流幅值，哇i ：p t o 时间的存在， i c o = 0 ，故： 由此可得到当f = 0 时为： 渺季睾”p ， 。 协 i ( t o ) = a e 号= 丢p 一竽) ) = 7 = 尹( 1 - p7 ) 因此，口：三粤 芋一1 ) t 酊l c 得到等效回路中的感应电流表达式为： i t ( t ) = 0 ，f 0 三垒( 1 一p 一f o t 口，l c 、 ” 坷 争( g 竽一1 ) e - po t 口rl c 、 q ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 可见，在0 时间内，感应电流逐渐增加，在r = f o 厂时达到极大值，然后按指数规律 衰减，如图2 7 所示。由图可知，其上升、衰减速度决定于生比值。由公式( 2 3 ) 和 f ( 2 - 4 ) 有 f ：生( 2 2 0 ) f = 一 一二u ， r c 而。通常有很小，所以等的比值也就很小，可得到式( 2 2 j ) 1 3 两安石油大学硕一 ：学位论文 0 ，t t o y 显然，r o ，专。时，七( ，) ：粤p r o ，这时的感应电流初值f c o ：粤，它不依赖 于等效电阻，仅取决于f ( 1 ) l l 匾c 。实际上，d ，总是存在，毛。值可理解为白“ cf 时，：0 感应电流的时间特性曲线 0 12 3 4567891 0 - ，r 围2 - 7 感应电流的时间特性曲线 此外，根据电磁感应定律有： 【e m f ( t ) d t = l ( 2 2 2 ) 该式说明了等效回路中的感应电动势e m f ( t ) 的积分值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肼陀，等效回路与接收线圈之间的互感系 数为坼。由毕奥一萨伐尔定律u 副 = m ， ( 2 2 3 ) 由式( 2 - 2 1 ) 、( 2 - 2 3 ) 和( 2 - 2 4 ) 得 1 4 ( 2 - 2 4 ) 1 8 6 4 2 0 0 q 0 o 口壬s1l晕，；捷营釜鸶 第二章瞬变电磁法套管检测的基本原理 矿( f ) = 0 ，f o e c q 式中，m 仃、m c 。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：r c 和如可由公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 得到，电流关断时间0 很小，一般为u s 极。 2 5 接收线圈的响应 感应式磁探头是基于瞬变电磁法进行管柱检测的原理进行设计的。线圈不仅具有内 阻r p ，电感，而且还有分布电容c p ，则感应探头可看作由r p 、4 、c p 所组成， 再加上匹配电阻j 5 c ，那么其等效电路如图2 8 所示。因此传感器输出的并非是线圈上的 感应电动势矿( f ) ，而是线圈分布电容上电位钌) 的交化，这种现象称之为线圈的固有暂 态过程或过渡过程【1 4 1 。 图2 8 感应式磁探头等效电路 感应电动势y ( f ) 可以用以下方程进行描述n 5 3 ： 悱。c p 学嗉屿g ) 警+ ( 1 + 和r ) 其中 【。p 2h i l t , + 彤q ) p + ( 1 + 争m ( f ) = 6 ( ，) 办。=日p6。2：三：7：l乏