多分量瞬變電磁法套損檢測系統

（西安石油大學，光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安，710065）

多分量瞬變電磁法套損檢測系統

陳嘉輝,李志強,張文輝

（西安石油大學，光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安，710065）

研究了一種基于多分量瞬變電磁法的套損檢測系統，由探測單元、發射單元、接收單元、采集傳輸單元和地面單元組成。本系統在1個垂直探頭和8個水平探頭中分別發射雙極性方波作為瞬變電磁激勵信號，在發射信號的間歇接收套管上產生的感應信號，根據探頭接收到感應信號的異常變化，來識別套損類型，判斷套損位置。

瞬變電磁；多分量探頭；套損檢測；檢測系統

0 引言

套管損傷是困擾油田高效開采最嚴重的問題之一。油氣開采往往處惡劣的自然環境，以及人為作業和地質作用相互復雜影響，勢必會對井下套管造成各種損傷，導致套管出現程度不同的損壞，會直接影響到油水井的后續作業。多分量瞬變電磁套損檢測系統以瞬變電磁法為基礎，通過接收套管上產生的二次場可檢測套管電阻率的變化，進而達到套損檢測的目的。瞬變電磁法研究的是純異常響應，避免了激勵磁場帶來的干擾，具有更精確的探測能力與分辨能力。

圖1 井下模型

1 理論基礎

建立圖1所示模型，各層分別為空氣、套管、水泥環、地層，電性參量為。根據電磁場理論，將線圈等效為磁偶極子源，引入矢量磁勢F，設，由Maxwell方程組得到。有源區域，F滿足方程：

其中k2=-iωμσ，k 為介質的波數。，其中M為發射線圈的磁矩，M=NtIS，Nt為發射線圈匝數，I 為發射電流，S為發射線圈的面積。n為軸線方向單位向量。

無源區域F滿足方程：

求解上述方程，介質1中，接收線圈接收到的感應磁場大小為有源區解與無源區解的和：

探頭接收到的時域感應電動勢大小為：

其中NR為接收線圈匝數，SR為接收線圈的面積，μr為磁芯的有效磁導率。

3 系統設計

系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

供電單元包括多繞組變壓器、整流單元、井下供電單元、地面供電單元。多繞組變壓器將220V交流電轉換成多路低壓交流電，經整流單元將交流轉換成直流電。其中一路通過電纜傳輸至井下，其余部分由地面供電單元轉換后為測深單元和地面單元供電。發射單元主控芯片產生激勵信號，驅動電路對激勵信號進行功率放大，通過輸出電路加載到探頭上。由于接收到的感應信號一般都很微弱，因此需要接收單元前置放大電路對接收到的感應信號進行放大，再由濾波電路進行濾波，去除噪聲，可變增益放大電路對濾波過的瞬變電磁早、中、晚期感應信號放大時倍數可調，再放大后輸入到采集單元轉換成數字信號后輸入到主控芯片進行編碼處理，經耦合變壓器通過電纜傳輸給地面單元，保證后續的數據處理。測深單元通過光電編碼器記錄電纜下放時碼盤轉動的脈沖信號，輸出至主控芯片對脈沖信號進行計數，傳輸至地面單元，提供檢測系統的深度信息。地面單元接收到從電纜上傳的井下信號，由耦合變壓器分離出來有效信號，經過濾波處理后再經比較輸出電路后，輸出方波信號通過串口通信轉換上傳至上位機，在上位機中進行數據計算和實時顯示。

4 試驗分析

套管損傷檢測時所得到的數據為電壓值，應該把測量到的電壓值轉換成缺陷值，因此需要找出精確的轉換關系。主要采用刻度方法來完成相關的轉換。建立各個探頭檢測的電壓值和套管缺陷的大小的轉換關系，為測井資料解釋提供相關依據。

表1 不同缺陷類型對應信號變化

表1中可看到套管的孔洞損傷能被探頭檢測出，水平探頭檢測橫向裂縫比垂直探頭明顯，而垂直探頭檢測縱向裂縫比水平探頭明顯?？锥椿蛄芽p的大小可由曲線相對應變化規律確定。利用多分量瞬變電磁套損檢測系統現場檢測結果如圖6所示。

圖6 現場試驗結果

圖6的（1）中信號噪聲較小，曲線較平滑，表示套管質量良好，無損傷，信號的增大表示該處為套管接箍。（2）中部分信號噪聲較大，曲線波動明顯，該處為射孔段。（3）中部分信號噪聲較小，曲線波動平穩，此處為腐蝕段。通過與井史資料對比，系統檢測結果吻合，達到了設計要求和檢測目的。

5 結束語

本系統是一種非接觸式的測量裝置，根據多分量磁芯探頭產生的感應電動勢及其異常變化來確定套管損傷的類型和位置，是一種新型、實用的套損檢測方法，經測試證明本系統使用方便、檢測能力較強。

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Multi-component Transient electromagnetic method Casedamage Detection System

Chen Jiahui,Li Zhiqiang,Zhang Wenhui
(Xi'an Petroleum University,Key Laboratory of opto electronic gas logging and testing,Xi'an,Shaanxi, 710065)

A Case-damage Detection System based on Multi-component Transient electromagnetic method is established,which consists of detection unit, transmission unit,reception unit,collection transmission unit and ground unit.This system includes a vertical probe and eight horizontal probes,the probes are used to transmit bipolar square wave signals,and receive induction signals produced on the case at intermittence times. Case damage types and locations can be identified by detecting abnormal changes of the induction signals.

Transient electromagnetic method;Multi-component probes;Case damage detection; Detection system

國家自然基金項目“基于線源的井間剩余油探測理論和方法”資助，項目編號41174160。