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基于瞬變電磁法的多層管柱檢測技術研究
發布時間：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,作業費用高,工作效率低。多層管柱檢測系統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,從而確保油田的穩產及持續發展。
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),它是根據電磁感應理論向發射線圈中通以雙極性直流脈沖,當發射線圈中的電流發生變化時,必將在其周圍產生磁場,該磁場稱為一次磁場。根據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生感應電流io和iC(如圖1所示)。在直流電脈沖結束后,二次磁場在接收線圈中產生感應電動勢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的單匝環路來等效感應電流環路,兩者具有相似的規律。
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,則等效回路的瞬態方程為:
由于在實際工作中激勵源波形在線圈中發生變化,發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時間內從Φ1迅速減小到零,對于dΦ1dt就可以表示為:
依據法拉第電磁感應定律,在等效回路中產生的感應電動勢由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分別為發射線圈與等效回路、等效回路與接收線圈之間的互感系數,它們與發射線圈、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,該參數視為常數;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、內徑、外徑、電導率以及磁導率等參數所確定的,從而能夠在接收線圈中感應電動勢與上述參數之間建立一種函數關系,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τ值較大,衰減速度慢。可以得出如下結論: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]。根據以上得出的結論,系統總體設計如圖3所示。
為了能實現多層管柱的檢測,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,主要用于計算內外管柱厚度,檢測內外管的縱向裂縫,確定內外管的腐蝕情況。
(2)縱向短軸探頭也采用內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,與縱向長軸探頭結合判斷雙層管柱的縱縫、射孔、腐蝕情況,并用于計算內外管的厚度。
(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溫度有關系,所以增加一個溫度探頭用來檢測井內流體溫度場的變化。
由于瞬變電磁信號動態范圍大,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。
下面給出部分數據采集程序:
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次讀取十六位數據
{
SSPBUF=0;
do{;}while(SSPIF==0);
SSPIF=0;
dataarry[2-i]=SSPBUF;}//數據保存
數據采集后,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,計算機對數據進行校正、曲線顯示和數據處理。
4結論
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,實現對多層管柱結構下套管狀況的檢測,具有廣泛的應用前景。
摘自：中國計量測控網
