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基于瞬變電磁法的多層管柱檢測技術研究
發(fā)布時間：2017-09-01
1引言
套管損壞將直接影響油水井的使用壽命及油氣田產(chǎn)量,目前的套管檢測儀只能在單層管柱下檢測,對套管進行檢測時,需要起下油管,作業(yè)費用高,工作效率低。多層管柱檢測系統(tǒng)研究可以克服上述缺點,為套管損壞的預防、大修、報廢及套損機理分析提供依據(jù),從而確保油田的穩(wěn)產(chǎn)及持續(xù)發(fā)展。
2檢測原理[2-5]
2.1基本原理
瞬變電磁法(transient electromagnetic methods),又稱時間域電磁法(time domain electromagneticmethods),它是根據(jù)電磁感應理論向發(fā)射線圈中通以雙極性直流脈沖,當發(fā)射線圈中的電流發(fā)生變化時,必將在其周圍產(chǎn)生磁場,該磁場稱為一次磁場。根據(jù)導體中的電磁滲透理論,其磁力線穿過油管進入套管,在油管和套管中分別產(chǎn)生感應電流io和iC(如圖1所示)。在直流電脈沖結(jié)束后,二次磁場在接收線圈中產(chǎn)生感應電動勢ε。若套管或者油管存在裂縫特別是縱向裂縫時,將部分或全部切斷感應電流io和iC的通路,這將改變感應電動勢ε的幅度。
2.2數(shù)學建模
用圖2所示的包含等效電感LC和等效電阻RC的單匝環(huán)路來等效感應電流環(huán)路,兩者具有相似的規(guī)律。
其中,emf為感應電動勢,iC(t)為感應電流,RC為管柱的等效電阻,LC為管柱的等效電感。假設等效回路切斷一次場的磁通量為Φ1,則等效回路的瞬態(tài)方程為:
由于在實際工作中激勵源波形在線圈中發(fā)生變化,發(fā)射波形多為斜階躍波。假設H1為斜階躍變化的場,tof為雙極性直流脈沖的關斷時間,那么,磁通將在tof時間內(nèi)從Φ1迅速減小到零,對于dΦ1dt就可以表示為:
依據(jù)法拉第電磁感應定律,在等效回路中產(chǎn)生的感應電動勢由Φ1/tof給出,因此可以得到等效回路中感應電流表達式為:
式中MTCMCR分別為發(fā)射線圈與等效回路、等效回路與接收線圈之間的互感系數(shù),它們與發(fā)射線圈、接收線圈與管柱之間相對位置、管柱的幾何形狀有關,當線圈及管柱確定以后,該參數(shù)視為常數(shù);接收線圈的感應電動勢與管柱的阻抗LC和RC有關,而阻抗LC和RC又是由管柱的幾何形狀、內(nèi)徑、外徑、電導率以及磁導率等參數(shù)所確定的,從而能夠在接收線圈中感應電動勢與上述參數(shù)之間建立一種函數(shù)關系,通過接收線圈的感應電動勢來判斷管柱的幾何形狀、大小和電磁參數(shù)的變化,這亦是利用瞬變電磁法對管柱進行檢測的原理。
3總體設計
對于導電性差的導體,其時間常數(shù)τ值較小,衰減速度較快;反之,對于導電性好的導體,時間常數(shù)τ值較大,衰減速度慢。可以得出如下結(jié)論:當套管存在裂縫、孔洞或磨損時,接收線圈中感應信號的衰減速度要快一些,感應電動勢存在異常。通過對感應信號的采樣和分析,就可以得到套管損壞的位置、程度等信息[3]。根據(jù)以上得出的結(jié)論,系統(tǒng)總體設計如圖3所示。
為了能實現(xiàn)多層管柱的檢測,設計了三個磁探頭,其中:
(1)縱向長軸探頭采用內(nèi)通式變壓器互感線圈,穿透能力比較強,信號衰減速度比較慢,能夠探測雙層管柱,主要用于計算內(nèi)外管柱厚度,檢測內(nèi)外管的縱向裂縫,確定內(nèi)外管的腐蝕情況。
(2)縱向短軸探頭也采用內(nèi)通式變壓器互感線圈,信號衰減速度比較快,主要用來探測單層管柱,與縱向長軸探頭結(jié)合判斷雙層管柱的縱縫、射孔、腐蝕情況,并用于計算內(nèi)外管的厚度。
(3)橫向探頭采用放置式變壓器互感線圈,主要用于探測內(nèi)層管柱的橫縫、射孔、腐蝕等。由于管柱的電導率等特性同井內(nèi)溫度有關系,所以增加一個溫度探頭用來檢測井內(nèi)流體溫度場的變化。
由于瞬變電磁信號動態(tài)范圍大,三路信號的初始值不同,衰減時間也不同(如圖4所示),所以采用了可變增益放大與分時不等間隔采樣相結(jié)合的辦法,縱向短軸探頭和橫向短軸探頭信號初始值大,衰減時間比較短,所以在信號的早期就進行密集采樣,而縱向長軸探頭信號衰減時間長,就在信號的晚期進行采樣,并且采樣間隔比較大。
下面給出部分數(shù)據(jù)采集程序:
RD0=1;RD1=0;RC1=0;//通道選擇
asm("nop");RC1=1; //選通信號
do {;}
while (INTF==0); //掃描信號
INTF=0;
for (i=0;i<2;i++)//分2次讀取十六位數(shù)據(jù)
{
SSPBUF=0;
do{;}while(SSPIF==0);
SSPIF=0;
dataarry[2-i]=SSPBUF;}//數(shù)據(jù)保存
數(shù)據(jù)采集后,進行編碼上傳到地面上,由地面的微處理器通過RS232接口上傳給計算機,計算機對數(shù)據(jù)進行校正、曲線顯示和數(shù)據(jù)處理。
4結(jié)論
綜上所述,瞬變電磁法是在斷電后測量純二次場,沒有一次場背景,簡化了對檢測對象所產(chǎn)生異常的研究;采取不同的裝置形式,可以相應地提高橫向、縱向分辨能力,實現(xiàn)對多層管柱結(jié)構(gòu)下套管狀況的檢測,具有廣泛的應用前景。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
