（精密仪器及机械专业论文）瞬变电磁法套管检测技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 瞬变电磁法套管检测技术研究 精密仪器及机 安刚奇( 签名) 党瑞荣( 签名) 摘要 在油气井生产过程中，由于受到外力、化学腐蚀等作用的影响，套管会产生变形和 损坏，它将直接影响油气田的油气产量及油气井的使用寿命，因此套管的质量检测是油 气井生产过程中的一个重要环节。为了查明套管损坏程度，以便于确定套管的维修方案， 本文研制了一套瞬变电磁法套管检测系统。此系统以电磁感应原理为基础，最终实现了 井下套管的裂缝和厚度等缺陷的检测。因此，本系统在油田上的应用可以确保油田的稳 定生产及持续发展。 本文主要根据瞬变电磁场给出了套管检测问题的理论公式，分别对高、中、低频场 中的套管壁厚、相对磁导率和测量信号之间的关系进行了研究。根据瞬变电磁的信号特 点，设计了硬件电路和软件程序。通过对理论、电路和软件的研究，作者开展了大量后 续部分的工作，在实现了检测套管损伤情况的基础上，同时保证了系统的稳定性和一致 性。 根据调试和实验的结果，证实了本系统具有稳定性好、灵敏度高、受外界环境限制 小等特征，仪器有较好的通用性。 关键词：瞬变电磁法套管检测磁探头井下温度探测 论文类型：基础研究 英文摘要 s n b j e e 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 ： as t u d yo fc a s i n gd e t e c t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y a ng a n g q i ( s i g n a t u r e ) 丛鱼塑翌堡堇 d a n gr u i r o n g ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t i np r o d u c t i o np r o c e s so ft h eo i l ，c a s i n g sa r ed i s t o r t e da n dd a m a g e dd u et om a n yf o c t o r s s u c ha se x t e r i o ra c t i o n 、c h e m i c a lc o r r o s i o n , w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e so i la n dg a sp r o d u c t i o no f t h eo i l f i e l d ，o i la n dw a t e rw e l l ss e r v i c el i f e t i m e ，s ot h ee x a m i n a t i o no fe a s i n gq u a l i t yp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h eo i l f i e l dp r o d u c t i o n i no r d e rt of i n do u tt h er e a s o n so fh a r m i n gc a s e p i p e ， c o n f i r mt h ep r o j e e tf o rm a i n t a i n i n gt h ec a s e - p i p e s ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dac a s e p i p e s d e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i c i tu s e se l e c t r o m a g n e t i ci n f l u e n c et h e o r y t od e t e c tt h ef i s s u r ea n dt h i c k n e s so ft h ec a s e p i p e si nt h ew e l l s ot h es t a b l ep r o d u c ta n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h eo i lf i l e dc a nb ee n s u r e d b e s i d e st 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 h e o r e t i c a le q u a t i c a l e q u a t i o n sf o rc a s i n gi n s p e c t i o n ，r e l a t i o n sa r es t u d i e db e t w e e nc a s i n gt h i c k n e s s ，r e l a t i v e p e r m e a b i l i t ym e a s u r e d a th i 班、m e d i u ma n dl o wf r e q u e n c i e sa n dt h em e a s u r e ds i g n a l h a r d w a r ea n ds o f e w a r eh a v eb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft 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 b e s i d et h e o r y 、h a r d w a r ea n ds o f e w a r e ，a u t h o rh a v ec a r r i e do nl a r g e n u m b e r so ft h ef o l l o w - o nw o r k ，i te n s u r e st h es t a b i l i t ya n dc o n s i s t e n c yo ft h es y s t e ma f t e r h a v i n gr e a l i z e dc a s e - p i p e sd a m a g ed e t e c t i n g a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fd e b u g g i n ga n dt e s t ，t h i ss y s t e mp r o v e dt ob es t a b l e 、s e n s i t i v e a 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 cm e t h o d ，c a s i n gd e t e c t i n g ，m a g n e t i s mp r o b e ， d o w n h o l et e m p e r a t u r ed e t e c t i o n i i i 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： 宴因! | 鱼 日期：1 口f d - 岁z 矿 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： i q l o 箩乙9 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) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 石油测井在建井过程中都要下入一层或多层套管，生产套管的主要作用是保护井 壁，封固和分隔各油气层，达到油气井分层开采、分层注水、分层改造的目的。套管的 功能可概括如下： ( 1 ) 支撑不稳定的易塌落或易破碎的岩层，保持井眼稳定。 ( 2 ) 将采油层与流体一压力系统中不同孔隙率的地层隔开，避免污染产层。由套 管和水泥环实现隔离，就可以对特定的产层进行开采。 ( 3 )防止浅层的淡水层受到油的污染。 ( 4 )为烃类流体提供通道，绝大部分的采油作业是通过套管内的油管进行。 ( 5 ) 提供一个一定直径和深度的通道，以便下入测井和完井的设备。 油井套管在油田的开发全工程中要经受长时间的考验，在下套管及随后的固井过程 中，生产套管承受外挤力、内压力和拉伸载荷。对采用射孔方式完井的生产套管，要承 受地层的挤压力以及高压注水，还得受到多次压裂酸化及各种腐蚀介质的作用。这一切 都将导致油井套管的变形和破坏，导致油井不能生产，油井不能正常开发。为了检测和 防治套管损坏，油田需要付出大量的人力和物力。因此，对套管损坏问题的研究越来越 受到人们的重视1 1 1 。 1 2 国内外现状 1 2 1 国内外套管损坏情况 ( 1 ) 国内套管损坏情况通过大量的资料收集可知，2 0 世纪7 0 年代以来，油田套 管损坏十分严重，据全国统计的1 3 6 2 8 0 口井中，到2 0 0 7 年底，全国套管损坏已达2 5 9 5 8 口，约占总井数的1 9 5 7 ，套管损坏井主要分布在大庆、胜利、中原、辽河、吉林和大 港等全国十多个油田，严重影响了我国原油的生产，造成了重大的经济损失，因此必须 寻求其预防和补救措施。 ( 2 ) 国外套管损坏情况国外存在同样情况，在泥岩、膏泥岩、盐岩等地层中由 于地层的塑性流动使套管损坏。例如，罗马尼亚的坦勒斯油田，在开发2 2 年后有2 0 的油井套管损坏；原苏联的班长达勒威油田有3 0 的油水井因套管损坏而停产；拉马宁 油田1 9 3 7 1 9 9 2 年，由于地应力场变化而造成的套管损坏井达3 8 0 0 余口；西西伯利亚油 田由于地层蠕变流动，使套管损坏增多，已经有1 0 的油田停产；到2 0 0 7 年，北高加 索的气田和凝析油田已有9 0 0 多口井的套管柱遭到了破坏；土库曼地区有很厚的盐层， 套管损坏更加严重；美国威明顿油田由于地震引起的断层活动，1 9 4 7 1 9 5 0 年的3 年间 套管损坏井达到3 0 0 0 口，该油田从1 9 2 6 年到1 9 9 6 年开发7 0 年间，由于大量采出地下 西安石油大学硕士学位论文 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；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1 2 。 1 2 2 国内外技术研究现状 用于套管质量检测的方法有很多种，本文主要研究电磁测井仪。电磁测井仪可以分 为两类仪器：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 r r ) 、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。 对于第一类仪器，仪器进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，以确定套管腐蚀的位置，即是内表面还是外表面。涡流电磁线圈与套管平行 放置，当线圈通以交流电时，线圈周围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 圈的交流电的频率增加时，电磁涡流的损失增加。当套管材料离线圈的距离增大时，感 应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的电流变化可 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，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，如式1 1 所示。 金属损失似) ：1 0 0 兰尝( 1 1 ) l 。 式1 1 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 ) ，该仪器以3 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 2 第一章绪论 导率而定；低频测量则和常规仪器的测量相对应【3 j 。 由于电磁波相位移的测量只能探测外层套管缺陷，而不能区分内外管柱腐蚀，且相 对比较复杂，所以本文在磁通量的测量的基础上进行了研究。但上述的仪器发射的都是 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，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，本文提出发射双极性方波对套管进行检测，也称为瞬变电磁法套管检测技术。此 方法可以成功解决在油管内探测套管的厚度、腐蚀、变形破裂等问题，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 选题意义及目的 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。因此，在油气田开发过程中，应当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，这也正是套管质 量检测的作用所在。 本课题的研究意义主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 瞬变电磁技术的研究能够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。 ( 2 ) 测定套管腐蚀及穿透深度，探明泄漏和孔眼的准确位置，以便确定是否需要 下尾套管或是补注水泥作业。如定期进行测量，可有助于确定套管腐蚀的进展状况及套 管寿命周期。 ( 3 ) 不受管内结腊、沥青等附着物的影响，检测速度快，有助于提高劳动生产率， 降低生产和检修成本。 ( 4 ) 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。 套管质量检测技术的目的不仅为修井质量检查提供依据，而且还为套管严重损坏井 报废作业提供依据，并有助于分析套损机理，制定套损预防方案，因此，基于瞬变电磁 法的套管质量检测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 4 主要研究内容 根据电磁探伤套管检测系统的需要，本文重点研究了以下几个方面： ( 1 ) 理论研究 根据套管质量检测所采用的方法，建立相关的检测理论，用于指导发射线圈和接收 西安石油大学硕士学位论文 线圈的设计、电路设计、解释方法和数据处理。 ( 2 ) 探头研究 论述了建立磁探头的理论模型及线圈绕制的方法，通过线圈绕制和实验分析，得到 获得线圈最大灵敏度的方法，使电磁感应套管检测系统对套管的检测性能达到最佳。 ( 3 ) 系统硬件研究 系统的硬件部分可分为井下硬件系统和井上硬件系统两部分。井下硬件由温度采集 模块、伽马采集模块、信号产生电路、信号处理电路、编码传输电路以及井下电源系统 组成；井上硬件包括编码解码电路、地面控制电路、串口通信电路、测深电路和地面供 电系统组成。信号从井下传到井上，经过井上电路系统处理后传到终端，最终得出套管 质量的曲线图。 ( 4 ) 系统软件研究 系统软件程序同样由井下系统和地面系统两部分组成。井下系统软件是由p i c 单片 机控制，主要任务是控制发射电路产生所需的信号、数据采集和传输编码，而地面系统 软件包括p i c 单片机系统和上位机系统，主要任务是接收井下数据以及与计算机进行串 口通信。 ( 5 ) 系统的完善与调试 系统的完善部分包括干扰信号的消除、系统刻度、系统机械设计以及地面软件成像 等内容。系统完成后，需要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，使全系统达到比较理想的结果。 4 第二章瞬变电磁法套管检测技术的理论研究 第二章瞬变电磁法套管检测技术的理论研究 本文主要研究基于瞬变电磁法套管质量检测的技术，属于无损探伤中的一部分，此 技术可以在油管内检测套管的损坏情况，以及在套管内检测套管和表层套管的损坏情况， 节省了检查套管情况时起下油管的作业费用和时间，这一特点使得对油、水井井身结构 进行普查成为可能。因此，它可作为油、水井井身结构进行“体检”的方法，及时发现井 身结构的变形，控制损坏。本章根据瞬变电磁法的理论和基本原理，结合它的实际应用 范围建立了应用模型，导出了该模型下的纵向探头和横向探头在套管中的激励响应，并 对井中接收线圈所观测到的电磁响应进行了分析。在此模型下，对接收信号的特点进行 了介绍。 2 1瞬变电磁法套管检测技术 瞬变电磁法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。该方法 的主要思想是利用不接地回线( 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 测中，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，从而实现管柱损伤的探测和识别。 2 1 1 瞬变电磁法的理论基础 瞬变电磁法的基本理论是建立在电磁感应定律和m a x w e l l 方程组的基础上进行研究 推导出来的。电磁感应定律主要是根据套管的磁通量的变化情况来判断套管的质量，而 m a x w e l l 方程组是整个电磁场理论研究的基础。下面对这两种理论进行简单的阐述。 电磁感应定律主要思想是给发射线圈中通以直流电，在螺线管周围产生一个稳定磁 场，这个稳恒磁场在套管中便产生感生电流。当断开直流电后，该感生电流在接收线圈 中便产生一个随时间而衰减的感应电动势。如式2 1 所示。 d o 占= 一一 面 d o = d s b ( 2 - 1 ) e 为接收线圈的感应电动势； s 为接收线圈总面积( 其中s = k * s 1 * n ，s l 第一线圈面积，n 为线圈匝数，k 为磁 滞常数。) ： 中为磁通量；b 为磁感应强度。 当每层介质为各向均匀同性时，在任意的介质中，电场强度豆和磁场强度厅都满足 西安石油大学硕士学位论文 电磁理论用m a x w e l l 方程组来描述电磁场的基本规律，如式2 2 所示。 v x h ：j + 丝 a v 她一詈一厶 v h = 0 v e = 0 ( 2 2 ) 上式中，v 为l a p l a c e 算子，h 为磁场强度，b = 日为磁感应强度，e 为电场强度， 胄n j = t r e 为介质中的传导电流密度，豢= l a n c e 为介质中位移电流密度，厶= 卸聊艿( ，) 三 讲 为等效磁流密度嗍。 2 1 2 瞬变电磁法的基本原理 本文研究的瞬变电磁法是给发射线圈提供一个恒定的双极性直流脉冲，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，在套管中产生涡流厶( 如图2 1 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，在脉冲间隔时间段，接收线圈完成 对的测量。对于油气水井，影响感应电动势的主要因素有：套管因射孔、腐蚀、 机械加工和撞击等原因造成套管磁导率u1 和电导率o1 等参数发生改变，e 幅度值减 小，由其计算的厚度值随之减小。套管存在裂缝、挫断和孔洞时，导磁介质缺损，发 生在套管上的涡流乇减小，e 的幅度值减小，由其计算出的厚度值随之减小。根据其幅 度值，可评价套管的破损程度，指出破损处是否还有铁磁介质存在。套管在缩径或扩 径的情况下，套管壁相对探头在几何位置上发生了变化，的幅度值相应地增加或减小， 在没有损伤的情况下，套管厚度没有变化，反之套管厚度值小。 图2 - 1 瞬变电磁法多层管柱检测原理图 因此，利用瞬变电磁法测量油气水井感应电动势的变化，可及时、有效地检查油 气水井油管及套管的壁厚变化及损坏( 如：纵缝横裂缝、孔洞、腐蚀等) 。而系统由于探 头技术的限制主要研究套管的厚度变化及损坏。 6 第二章瞬变电磁法套管检测技术的理论研究 2 2 瞬变电磁法套管检测技术模型及推论 2 2 1 发射波在套管中的激励响应 在电磁测井中经常遇到套管井的情况，接收线圈接收到的是金属套管和地层耦合后 的总信号，既包括套管产生的信号，也包括地层产生的信号。由于套管与地层之间的耦 合作用及对电磁波的强烈屏蔽作用，它对底层信号的影响是复杂的。同时，在生产井中， 由于长期的井下作业、高压注水、腐蚀等原因，套管的几何形状、磁导率等均发生了变 化，套管状况有待于确定。本文针对套管井的特征，建立了包括两层介质模型，导出了 该模型下的电磁场理论公式，并对井中接收线圈所观测到的电磁响应进行了分析【5 】。如 图2 2 所示。 多 1 z ) 0 多 尴 妒 r l ， ， 季 斗 丢 r 2 井眼多 图2 - 2 单层管柱介质模型不薏图 图2 2 中，在装有套管的井中有两个线圈，线圈t x 为发射线圈，线圈t r 为接收 线圈，发射线圈与接收线圈为同一轴，设有两层介质1 ( 井眼) 、2 ( 套管) ，其电性参 量分别为 毛，q ，1 1 ) ， 乞，呸，： ，两层介质均关于井轴对称。为介电常数，o 为电导 率，p 为磁导率。套管的内半径为r l ，外半径为r 2 。当发射频率、套管的内外半径、套 管的电性参数以及井液的电性参数已知时，可由接收信号来判断地层的电性参数。考虑 到该问题是一个轴对称的问题，因此可以使用r ，z 座标柱体系统，将其端部与发生 器线圈中心接合到一起，其中力矩露：= 崛，m 为发射线圈磁矩，t 为发射线圈的电 场，z 轴沿对称轴延伸。因为发射和接收线圈为磁偶源，所以在此我们可以假设媒质中 只存在磁源【6 。 根据m a x w e l l 方程组，即式( 2 2 ) ，分别引入矢量电位e 和标量磁位也 e = 一v f( 2 3 ) 1 巩= 一( 仃+ f 缈s ) ，+ _ l - v v - f ( 2 4 ) “掣 将式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 代入式( 2 2 ) 整理可得 v 2 f + k 2 f = - j = ( 2 5 ) 其中，七2 = 0 3 2 胪一i 掣盯，c o = 2 万厂，f 为频率。 7 西安石油大学硕士学位论文 由矢量电位经微分计算司得剑电磁场 e = 一v x f ( 2 6 ) 以一( 盯+ 伽) f + 壶一v v f ( 2 - 7 ) 由于厶= i c o k t m 万( r ) z , ，代人式( 2 - 5 ) 得出有源区( 1 区) 一次场i 搀矢量e g 位 f z l - - l 垃斗) 万 t k l m 。p 一 ( 2 8 ) 式中r = p + 0 一z o ) 2 】，m = 珥坼为发射线圈磁矩，坼为发射线圈匝数，品为发 射线圈面积。 根据索墨菲积分公式 譬= _ ，2 f f k o ( x r ) c o s 讹吲d 免 ( 2 - 9 ) 式中x 2 = 见2 一k 2 ，式( 2 8 ) 可写为 f z i - u 2 0 万m 2 nf k o ( x r ) c 。s 允( z z o ) d a ( 2 - 1 0 ) 因为此模型一次电场仅有矽方向分量，即相对于z 轴而言为t e 波。又因一次电场l 在轴对称模型中所感应的二次电流也仅存在缈方向的环状涡流，则二次电场也仅存在缈 方向分量，即二次场也为t e 极化波，所以各层中的电磁波可用轴向矢量电位疋来描述。 最满足齐次亥姆赫兹方程 v 2 f + k 2 f = 0( 2 1 1 ) 因此，二次场中矢量电位的通解形式可表示为 f , 2 ( r ，z ) 2j ：【么( 五) 厶( 耵) + 召( 2 ) k o ( x r ) c o s a ( z z o ) d t ( 2 1 2 ) 式中a ( 兄) 、召( 五) 为待定系数。 根据式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 2 ) 可得到矢量电位的通解形式【7 8 9 】 艺= 警帅厶( 印) + ( 纠 c o s 孝( z 一气) 哝( 2 - 1 3 ) 现设 f i c o m m ( j = 1 ) 铲沁1 ) 则第j 层和( j + 1 ) 层的矢量位可记为 乞= 专培 t k ( 丑p ) + 4 厶( 乃p ) + b , k o c 。s f ( z 一气) 哝 8 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 第二章瞬变电磁法套管检测技术的理论研究 也( 川) = 昙e 4 + 。厶( 乃+ 。p ) + 哆+ ，( 乃+ 。p ) c 。s 孝( z 一) 哝 根据式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可得 = 专培乃 一t 戊( 丑p ) + 4 厶( 乃) 一哆k ( 乃p ) c 。s 孝( z z 0 ) 唾 川) = 专培乃+ 。 4 + 。厶( 乃+ ，p ) 一色+ 。k ( 乃+ 。p ) c 。s 孝( z z o ) 哝 如2 丽- i 鹏h k ( 五p ) + a j o ( 4 p ) + 哆k ( 刎c o s 弦气) 唾 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) h z ( j + ) - - 丽- 再i 弘+ - 锦( 和) + 哆+ k ( 和) - i c o s 舡气) 哝( 2 - 2 0 ) 2 2 2 接收线圈的响应 前文的结果是建立在发射端为阶跃信号的情况下推导出来的，在实际测量中，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【1 0 1 1 】，如图2 - 3 所示。 斗一t ： 圈2 - 3 发射汲形 其傅立叶级数表达式为式2 - 2 1 ： 办( t ) = 4 h o k 删驾蒜笋c o s 【( 2 m ( 2 - 2 ) 式中为发射电压的幅值，艿：i 2 d ，丁为脉冲系列的重复周期，d 是单个脉冲的持 续时间，( 0 0 = 等。对于瞬变电磁法套管检测技术的媒介模型来说，发射线圈和接收线 圈同轴，因此，z = z o 。而且我们考虑的只是介质1 ( 井眼) 中接收线圈上的场强分布情 况，因此只需求出即可也。( f ) 即可。 埸( 力= 埸h ( t ) = 蠹潜啪一醐e z ( 丑d + 舶( 纠+ 与k ( 五张 由式2 i 可以得到接收线圈e 的电动势： 9 西安石油大学硕士学位论文 啦吨警= 嘲王埸( 力岱 = 学潜嘞一剃e z h k ( 纠+ 铂( 纠+ 尽k ( 纠 唾 2 - 2 3 其中虬、& 分别为接收线圈的匝数和面积。 通过以上公式的推导，在发射波形为双极性方波的情况下，接收线圈的响应如图2 - 4 所示。信号在基准电平处进行采集，在阶跃电平处进行发送。 。 t - l 队 。 h 厂厂 d 图2 - 4 接收线圈的响应 找出不同类型套管损伤的前提在于信号的级别，信号级别取决于队。及金属质量。 寻找损伤可以根据原始数据来进行( 跟踪不同的信号级别) ，或者也可以对损伤谱进行计 算，损伤谱计算如式2 2 4 所示。 d ( f ) = 占7 0 ) s o ( 2 - 2 4 ) 其中s ( r ) ：掣，p = , u o m ，m 为套管厚度。 印 本系统可以研究单管( 中心管) 或同时研究两管或三管结构，例如油管及生产管和 技术管，指出损伤及腐蚀区。另外还配备灵敏度温度计和自然伽马测井仪器，在记录损 伤谱的同时，还可记录井眼温度和地层中自然伽马射线情况。它们与损伤谱一起使用以 便更精确的找出射孔区以及套管的孔洞性损伤部分。 2 3瞬变电磁接收信号的特点介绍 2 3 1 接收信号的动态范围 利用瞬变电磁法检测套管质量时，接收线圈中观测到的感应电压幅值及衰减速度很 大程度上决定于管柱的时间常数f 值。在f 值较大的情况下，尽管初始响应的幅值并不 是很大，但信号的衰减相当缓慢，典型的衰减时间范围从1 0 0 一2 0 0 p s 至l o - 2 0 m s ，跨 越近二个级次。在这么宽的时间范围内，信号衰减的规律如图2 5 所示。在早期，信号 幅值高而且衰减速度很快，在晚期的信号很弱，衰减速度却慢的多。对于同一个观测信 号而言，从早期到晚期的信号要求准确测定。显然，并不是每一个观测信号都是如此， 异常的幅值除了与f 值有关外，还与管柱的形状及观测信号位置等几何因子关【1 0 1 。 1 0 第二章瞬变电磁法套管检测技术的理论研究 图2 5 瞬变电磁信号采样示意图 2 3 2 接收信号的衰减特性 如图2 5 所示，瞬变信号在早、中、晚期的衰减速度差别相当大。为了在很宽的时 间范围内不失真地确定瞬变衰减特性，除了在足够宽的时间范围内必须有足够的采样点 外，各采样点之间的间隔及采样门宽f 。应随观测点不同而有所改变。在早期，信号幅值 高而且衰减速度快，因此采样时间间隔及门宽都必须相当窄才能保证足以精确地分辨信 号的衰减特性；在晚期，采样间隔及门宽应增大，以适应弱信号衰变慢的特性【1 2 】。 2 3 3 接收信号的频带 瞬变电磁方法实际上是宽频的电磁系统。在理论上，其频谱可以无限延伸，其中包 括了频域电磁方法的整个频带( i o h z , - 一6 k h z ) 。实际上由于随着谐波次数的增高而能量变 弱，例如重复频率为3 5 7 h z 的双极性矩形脉冲系列，高于1 0 0 次谐波的发送能量实际上 已小于基波的1 1 0 0 0 。另外，对于非调谐式的宽带接收装置而言，频带过宽会使系统的 信噪比下降。考虑到上述两方面的因素，接收装置的通频带一般选在o 一- - 5 k h z 的范围。 由于瞬变电磁法检测仪的检测受到外部噪声电平限制，在已选定了信号频带的情况下， 应采取措施提高仪器的检测灵敏度、抗干扰能力及对数据进行滤波处理，或增大发送功 率等，以提高晚期采样点数据的信噪比【1 3 1 。 2 4 小结 本章主要是在瞬变电磁法套管检测技术基本原理的基础上，建立了包括两层介质 模型，导出了该模型下的电磁场理论公式，并对井中接收线圈所观测到的电磁激励响应 进行了分析。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，根据理论推 导得到接收线圈中感应电动势同套管内径、壁厚、电导率、磁导率以及温度等参数之间 的关系。通过分析接收信号的特点，为以后的探头设计以及套管质量检测系统的总体设 计打下了基础。 阿安也油大学硕十学位论文 第三章系统的总体方案设计 本章根据瞬变电磁信号的特点，设计了套管检测系统的总体方案。此系统是个组合 测井，研究范围包括温度、伽马、电磁测井以及深度系统等内容。电磁测井作为整个系 统核心，它包括探头的设计、硬件电路的设计和软件的设计与调试等内容，实现了对套 管损伤的检测。另外，温度、伽马测井和深度系统同样作为整体系统不可缺少的一部分， 本章对此也一并做出了阐述。 3 1 套管检测系统仪器结构及组成 套管检测系统仪器是按照组合测井进行设计，本节主要对仪器的机械系统结构及组 成做个简介。 如图3 1 所示，该仪器由多个探头和上、下扶正器及电路组成。多个探头包括温度 探头、自然伽马探头、纵向探头a 、横向探头b 、横向探头c 。电路模块合理的穿插在探 头之间，对探头信号进行采集处理；扶币器可以保持仪器处于套管的正中央，起到良好 的扶正作用【。 图3 1 套管检测系统仪嚣结构及组成 该仪器采用p i c 单片机智能控制，电路简单，维护方便。而且，它的机械结构 简洁明了、密封性好、易于使用和保养、大大提高了仪器的可靠性。在传输线路上 集成了电磁信号、温度和伽马探测信号，一支仪器可进行组合测井。 器 头头头戈 头器 正 探探探探 螺正瓣淼慧暴 一 一嘞瑚瑚 一巧 ( ( 1禾抄|-|wrp 第三章系统的总体方案设计 3 2 套管检测系统的总体设计 瞬变电磁法套管检测系统电路总体设计框图如图3 2 所示。 温度探头 _ 叫温度采集模块 伽马探头 _ 叫伽马采集模块 纵向探头a 横向探头b 横向探头c 信 号 产 生 电 路 井下电源系统 编il 编 翟l 电l 嚣 笔冈翟 路li 路 井上电源系统 富 口 通 信 电 路 地 面 终 端 系 统 曲 线 绘 制 图3 - 2 套管检测系统电路总体设计框图 由图3 2 可知，系统电路包括电磁信号模块、温度信号和伽马信号模块。其中，电 磁信号的探测是主体，温度信号和伽马信号的探测起辅助作用，以便更加完善、精确的 探测到井下套管的质量缺陷。组合测井的每部分都包括探头、硬件和软件，而硬件和软 件部分是个总体系统，相互之间都有一定的联系。因此，套管检测系统由探头部分、硬 件系统和软件系统组成。 3 2 1 探头部分 在裸眼井测井中，测井信号的形式大体可分为两种：模拟信号和放射性脉冲信号。 本系统中，井下信号分为电磁、温度和自然伽马信号三大部分。其中电磁和温度信号属 于模拟信号，自然伽马信号是放射性脉冲信号，因而探头也由这三部分组成：磁探头、 温度探头和自然伽马探测器。磁探头包括一个纵向探头、两个横向探头，纵向探头主要 用于计算管柱厚度，检测管柱的纵向裂缝、腐蚀情况；两个横向探头相互垂直，主要用 于探测内层管柱的横缝、射孔、腐蚀等。温度探头采用电阻温度传感器，用来检测井内 流体温度场的变化，确定出口液的位置。自然伽马探测器探测井身周围自然伽马强度， 用于校深。 3 2 2 硬件部分 套管检测系统的硬件部分可分为井下硬件系统和井上硬件系统两部分。由图3 - 2 中 可见，探头测得的井下信号通过电缆传输到井上。因此，井下硬件由温度采集模块、伽 马采集模块、信号产生电路、信号处理电路、编码传输电路以及井下电源系统组成；井 上硬件包括编码解码电路、地面控制电路、串口通信电路、测深电路和地面供电系统。 信号从井下传到井上，经过井上处理传到终端，最终得出套管质量的曲线图。 在井下，信号产生电路输出具有一定频率的双极性直流脉冲加到三个磁探头的发射 线圈两端，电流的突然变化，使得发射线圈产生一次磁场。一次磁场在周围传播过程中， 西安石油大学硕士学位论文 经过套管产生涡流，由于涡流随时间变化，因而在其周围又产生二次场。二次场信号被 接收线圈检测到以后，经过信号处理电路后再进行a d 采样，将模拟信号转换为数字信 号，送往p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机进行数据的处理，再由编码电路处理后送到电缆上进行传输。 温度信号经过采集、放大处理后同三个探头的电磁信号一块进行a d 采样，通过单片机 的处理传到地面。而自然伽马信号由传感器采得后，通过计数率电路将其转换为脉冲数， 同其它信号一起送往单片机进行数据处理和上传。电路板上所需的电源均由井下电源系 统提供。 在地面上，接收到的信号经过解码电路解码后和测深电路测得的深度信号一块送到 单片机进行处理，最终信号通过串口通信电路传输到计算机进行数据存储和处理。而电 路所需的电源由井上电源系统提供，同时井上电源系统还提供了1 7 0 v 直流电，作为井下 电源系统的根源。 3 2 3 软件部分 套管检测系统软件程序也是由井下系统和地面系统两部分组成。井下系统和地面系 统均分若干部分组成，每部分采用模块化和子程序设计，井下系统和地面系统程序总体 设计框图如图3 - 3 和图3 - 4 所示。 图3 - 3 井下系统软件设计框图 井下系统软件程序的工作过程如图3 3 所示：首先对硬件电路进行初始化，然后控 制相应的硬件电路产生发射信号，每发射一个脉冲后，经过一定的时间，对信号进行采 样，启动a i d 转换，把a d 转换的数据经过数据编码后通过电缆向地面传输。周期性重 复以上操作，直到采样完成为止。 地面系统软件程序的工作过程如图3 4 所示：首先对硬件电路进行初始化，然后接 收井下系统传输的数据，同时接收深度信号，当接收完深度信号时，对接收到的信号进 行处理，把处理后的数据通过串口传输到计算机。周期性重复以上操作，直到所有数据 传输完成。 1 4 第三章系统的总体方案设计 开始 初始化 接收井下数据 接收深度信号 数据处理 向计算机传输数据 结束 图3 - 4 地面系统软件设计框图 地面终端系统也是套管检测软件系统中一个重要的组成部分，主要是利用d e l p h i 可 视化软件进行开发。通过智能软件，实现对三个磁探头、温度、伽马以及深度的数据进 行串口接收、保存、计算以及图形的显示和打印等功能，使得用户能够比较简单、直观 的获取套管损伤的准确信息。 3 3 小结 本章主要设计套管检测系统的总体方案，主要包括以下两个方面： ( 1 ) 主要对仪器的机械系统结构及组成作了介绍。系统结构主要有上、下扶正器和五个 探头以及相关的电路组成。 ( 2 ) 设计了系统的总体框图。采用多个不同类型的磁探头对套管的纵向、横向的各种损 伤进行全面系统的检测，并对硬件电路和软件设计作简要说明。 西安石油大学硕士学位论文 第四章套管检测系统探头的研究 套管检测系统属于磁测井系列，主要用来判断管柱的裂缝和孔洞，得到管柱的厚度。 同时该系统作为组合测井还附加了伽马和温度两个探头，用来校深和探测井内的介质温 度，辅助测井资料解释【1 4 1 。 探头可看做是探测器的传感器，而传感器的探测精度直接决定整个仪器的灵敏度， 所以探头的制作一般都是整个仪器的核心部分，因此传感器设计的好坏将直接影响到系 统的整体性能。为了能实现套管管柱的检测，本文设计了一个温度探头、一个自然伽马 探头和三个磁探头。温度探头采用铂电阻温度传感器，自然伽马探头则采用了光电倍增 管和碘化钠晶体进行测量；磁探头包括纵向长轴探头、横向短轴探头x 和横向短轴探头y 。 由于横向探头探测区域和范围为1 8 0 。，所以采取x 、y 方向的布局，这样便可以测得套管 的整体部位。 4 1 温度检测 4 1 1 温度检测基本知识 温度在测并系统中是一个很重要的物理参数，很多物质的物理性质与温度有着很大 的关系，如物体的尺寸、体积、密度、电导率等都随着温度不同而改变，因此可以利用 某些物质的一些随温度固定变化的特性测量温度。这样一来又出现了新的问题，如选定 了某一测温物质测量温度，认为它们的某一特性与温度保持线性关系，就不能再选另一 测温物质，并认为它的某一特性随温度线性变化了，那么以哪个为准呢? 这时就有一个 建立温度标准问题，开始人们孤立地建立了一些经验温标，即摄氏温标和华氏温标。后 来又发展了比较理想的热力学温标，现在又建立了使用方便并具有一定精度的协议性温 标一国际实用温标。 ( 1 ) 经验温标 早期温标的建立，大多是选定一个测量方法，人为的认为所选定测温物质的某一温 度特性与温度呈线性关系，除选定测温物质外，还要规定出分度方法。由于这些建立温 标的原则有很大的主观性，温标在很大程度上依赖于选定的测温物质，所以称为经验温 标，它包括摄氏温标和华氏温标。 摄氏温标是把标准大气压下纯水的冰融点定为0 度，纯水的沸点定为1 0 0 度的一种温 标。在o 度和1 0 0 度之间分为1 0 0 等份，每一份为一摄氏度，符号为。 华氏温标规定在大气压下，纯水的冰融点为3 2 度，纯水的沸点为2 1 2 度，中间划分为 1 8 0 等份，每一份为一华氏度，符号为下。摄氏温度t 与华氏温度f 之间有一定的关系式， 如式4 1 所示： 1 6 第四章套管检测系统探头的研究 f = 云p 一3 2 ) 。c 上述两种温标是依据液体( 水银) 受热后体积膨胀的性质建立的， 都将随物体的物理性质( 如水银的纯度) 及玻璃管材料的不同而不