基于電磁感應(yīng)的多層管柱電磁探傷測(cè)井系統(tǒng)

設(shè)計(jì)背景與意義

油氣田套管損壞（以下簡(jiǎn)稱套損）問(wèn)題是石油開(kāi)發(fā)到一定時(shí)期遇到的普遍技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外各油田均受到該問(wèn)題的困擾。隨著高壓注采、超高壓壓裂等各種增產(chǎn)措施的應(yīng)用和油田開(kāi)發(fā)時(shí)間的增長(zhǎng)、泥巖吸水蠕變、巖層滑動(dòng)、油層出砂、油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中斷層復(fù)活、射孔、天然地震、油層壓實(shí)等原因，各油田油水井套管損壞問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

我國(guó)各大油田油井損傷非常嚴(yán)重，大慶油田1997年套管損壞576口井， 2001年套損井超過(guò)700口，整個(gè)油田已累計(jì)損壞超過(guò)8000口井，截至2003年4月，勝利油田共有套損井5400多口。

套損井的大量存在，不僅是固定資產(chǎn)的閑置浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致地層壓降逐漸加大，儲(chǔ)量控制程度變差，進(jìn)而造成油田水驅(qū)儲(chǔ)量、可采儲(chǔ)量不同程度的損失，因此，套損井是制約油田穩(wěn)產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題，開(kāi)展套損預(yù)防與治理技術(shù)的研究應(yīng)用，弄清復(fù)雜地層套損機(jī)理，尋求相應(yīng)的預(yù)防措施，延長(zhǎng)套管使用壽命是目前世界各套損井油氣田迫切需要解決的課題之一，對(duì)提高老油田整體開(kāi)發(fā)效益具有重要意義。在這樣的環(huán)境下，測(cè)井就顯示出來(lái)重要的作用，被列為石油行業(yè)十大學(xué)科之一。

目前用于套管檢測(cè)的工程測(cè)井儀的方法較多，包括井徑儀、超聲波成像儀及電磁檢測(cè)儀等。其中井徑儀對(duì)儀器居中要求很高，偏心會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差，而且該儀器對(duì)于套管嚴(yán)重錯(cuò)斷的井不適用；超聲波法受鉆井液影響比較大，如果鉆井液密度較大，則聲波衰減嚴(yán)重，影響檢測(cè)精度，檢測(cè)前必須進(jìn)行洗井和替換鉆井液，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。而電磁檢測(cè)儀是根據(jù)電磁原理給出套管完整度的評(píng)價(jià)，它不受井內(nèi)液體、套管積垢、結(jié)蠟以及井壁附著物的影響，且測(cè)量精度比較高。

俄羅斯多層管柱電磁探傷成像測(cè)井儀MID－K就是利用電磁理論進(jìn)行探傷的。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)電磁探傷的研究也是一個(gè)熱點(diǎn)，但是大部分都是集中于理論研究，所設(shè)計(jì)的電磁探傷測(cè)井系統(tǒng)的性能和檢測(cè)精度還不是很好，因此我們想基于PIC32 32位單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)高性能和檢測(cè)精度的電磁探傷測(cè)井系統(tǒng)。

瞬變電磁法套管檢測(cè)基本原理

瞬變電磁法又稱時(shí)間域電磁法，它是根據(jù)電磁感應(yīng)理論向發(fā)射線圈中通以雙極性直流脈沖，當(dāng)發(fā)射線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，必將在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為一次磁場(chǎng)。

根據(jù)導(dǎo)體中的電磁滲透理論，其磁力線穿過(guò)油管進(jìn)入套管，在油管和套管中分別產(chǎn)生感應(yīng)電流和（如圖 1所示）。在直流電脈沖結(jié)束后，二次磁場(chǎng)在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。若套管或者油管存在裂縫特別是縱向裂縫時(shí)，將部分或全部切斷感應(yīng)電流和的通路，這將減少感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減時(shí)間。

圖 1 探頭檢測(cè)原理示意圖

數(shù)學(xué)模型

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(lái)等效感應(yīng)電流環(huán)路，兩者具有相似的規(guī)律

圖 2 有限導(dǎo)體的等效回路示意圖

其中，emf為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為感應(yīng)電流，為管柱的等效電阻，為管柱的等效電感。假設(shè)等效回路切斷一次場(chǎng)的磁通量為，則等效回路的瞬態(tài)方程為：

（1）

即

（2）

其中

為等效時(shí)間常數(shù)。

解微分方程(1)或(2)，得到瞬態(tài)電流方程為：

（3）

由于在實(shí)際工作中激勵(lì)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(shè)為斜階躍變化的場(chǎng)，為雙極性直流脈沖的關(guān)斷時(shí)間，那么，磁通將在時(shí)間內(nèi)從迅速減小到零，對(duì)于就可以表示為：

（4）

依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在等效回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由給出，因此可以得到等效回路中感應(yīng)電流表達(dá)式為：

（5）

由式（5）得到一次場(chǎng)脈沖間歇期間（）觀測(cè)到的感應(yīng)電壓為

（6）

在的情況下

（7）

式中和分別為發(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(duì)位置、管柱的幾何形狀有關(guān)，當(dāng)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)與管柱的阻抗和有關(guān)，而阻抗和又是由管柱的幾何形狀、內(nèi)徑、外徑、電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率等參數(shù)所確定的，從而能夠在接收線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與上述參數(shù)之間建立一種函數(shù)關(guān)系，通過(guò)接收線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)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(duì)管柱進(jìn)行檢測(cè)的原理。

信號(hào)的衰減特性

由公式（7）可以看出，接收到的感生電動(dòng)勢(shì)近似于指數(shù)衰減曲線。且根據(jù)電磁理論，鋼管的厚度越大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減就緩慢，反之，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減就較快。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的衰減過(guò)程中，較小的時(shí)問(wèn)段主要表示內(nèi)管的變化，較大的時(shí)間段主要表示外管的變化，采用這種方法可以把內(nèi)外管的影響區(qū)別開(kāi)，這一點(diǎn)已從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面給出了證明和驗(yàn)證。

在瞬變電磁法檢測(cè)時(shí)，管柱上利用接收線圈觀測(cè)到的感應(yīng)電壓的異常幅度衰減速度很大程度上決定于管柱的時(shí)間常數(shù)值。在值較大的情況下，盡管初始響應(yīng)的幅值并不是很大，但信號(hào)的衰減相當(dāng)緩慢，典型的衰減時(shí)間范圍從100us至20ms，跨越近二個(gè)級(jí)次。在這么寬的時(shí)間范圍內(nèi)，信號(hào)衰減的規(guī)律如圖 3所示，在早期，信號(hào)幅值高而且衰減速度很快；在晚期的信號(hào)很弱，衰減速度卻慢的多。對(duì)于同一個(gè)觀測(cè)信號(hào)而言，從早期到晚期的信號(hào)幅值從幾伏變到幾十微伏，此大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的信號(hào)一般都要求準(zhǔn)確測(cè)定。

圖 3 瞬變電磁信號(hào)采樣示意圖

如此看來(lái)，瞬變信號(hào)在早、中、晚期的衰減速度差別相當(dāng)大。為了在很寬的時(shí)間范圍內(nèi)不失真地準(zhǔn)確確定瞬變衰減特性，除了在足夠?qū)挼臅r(shí)間范圍內(nèi)必須有足夠的采樣點(diǎn)外，各采樣點(diǎn)之間的間隔及采樣門寬應(yīng)隨觀測(cè)點(diǎn)不同而有所改變。如圖1.3所示，在早期，信號(hào)幅值高而且衰減速度快，因此采樣時(shí)間間隔及門寬都必須相當(dāng)窄才能保證足以精確地分辨信號(hào)的衰減特性；在晚期，采樣間隔及門寬應(yīng)增大，以適應(yīng)弱信號(hào)衰變慢的特性。

此外，為了保證采樣的精確性，必須對(duì)早、中、晚期進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，以適應(yīng)衰減曲線動(dòng)態(tài)范圍差異大的特點(diǎn)。

系統(tǒng)方案

系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖 4 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要包括Microchip公司的微控制器PIC32MX7F512L ，MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊IR2110，多路模擬開(kāi)關(guān)HI-201，CAN收發(fā)器芯片CTM8251A，以及雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

位于井下的PIC32單片機(jī)通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊在發(fā)射線圈中產(chǎn)生雙極性方波，使得接收線圈由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生衰減感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，單片機(jī)控制多路開(kāi)關(guān)和可變?cè)鲆娣糯箅娐?，?duì)不同時(shí)期的衰減曲線選擇不同放大倍數(shù)和采樣頻率進(jìn)行采樣，將采樣數(shù)據(jù)和溫度等輔助信息封裝成幀，通過(guò)CAN總線與PC終端通信，并最終在PC的用戶界面上繪制測(cè)井曲線和井壁厚度譜。

以上述理論為基礎(chǔ)，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)測(cè)得感生曲線，曲線衰減越快且劃分為早期中期和晚期等三段曲線，用迭代的算法繪制早期和晚期的測(cè)井曲線，即可將不同層管柱的損傷分離出來(lái)。這就是運(yùn)用電磁法對(duì)多層管柱探傷的原理。

硬件電路的設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)包括井上和井下兩部分。井下儀器需要的電源包括PIC32單片機(jī)工作需要的+3.3V電源，運(yùn)放OP07、驅(qū)動(dòng)芯片IRS2110等需要的±15V電源，驅(qū)動(dòng)IGBT的+12V驅(qū)動(dòng)電源，以及雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894需要的工作電壓5V和高精度基準(zhǔn)電壓2.5V。

電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁探傷測(cè)井儀的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 9。該電源系統(tǒng)由地面變壓器、直流穩(wěn)壓電路以及多個(gè)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路組成。其中地面變壓器的作用是將220V交流電轉(zhuǎn)換為15V交流電，然后再經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為直流電。通過(guò)電纜將直流電送至井下，在井下通過(guò)DC/DC變壓轉(zhuǎn)換電路輸出井下儀器需要的12V、3.3V、±15V、5V、2.5V等電壓。

圖 5 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

直流穩(wěn)壓電路

本電源系統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電路如圖 6所示，T1為15V雙向變壓器，輸出有效值為正負(fù)15V的交流電，經(jīng)過(guò)整流橋2W10整流后，再由π型網(wǎng)絡(luò)濾波，輸出20V左右的直流電。其中在整流橋的每個(gè)二極管兩端都并聯(lián)了一個(gè)0.1u的電容，能夠很好地吸收二極管的開(kāi)關(guān)噪聲，減少后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的干擾，注意電容的耐壓值需大于變壓器輸出的電壓峰值的2倍以上，且必須為瓷片電容。在π型濾波電路中，電容的耐壓值也為輸入電壓的2倍，且電容值較大，交流成分能夠較好地被濾掉，輸出電壓比較平滑。

圖 6 變壓器和直流穩(wěn)壓電路

正負(fù)15V電壓轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)放OP07、IRS2110等芯片的工作電壓為±15V，利用7815和7915三端穩(wěn)壓芯片可以實(shí)現(xiàn)，如圖 7所示。其中二極管1N4001起到保護(hù)電路的作用。

圖 7 正負(fù)15V電壓轉(zhuǎn)換電路

12V、3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路

12V為MOSFET管IRF630N的開(kāi)啟工作電壓。如圖 8所示。

圖 8 12V、3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路

5V、2.5V精密基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換電路

AD7894是ADI公司的14Bits雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣時(shí)需要一個(gè)高精度的2.5V基準(zhǔn)電壓，而一般的穩(wěn)壓芯片未能提供如此高精度的輸出。我們選擇的是摩托羅拉公司的低電壓基準(zhǔn)MC1403芯片，MC1403的輸出電壓波動(dòng)在25mV以內(nèi)，能夠達(dá)到1%的精度，且應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。如圖 14所示為精密基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖 9 2.5V精密基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換電路

發(fā)射機(jī)模塊

雙極性脈沖產(chǎn)生原理

根據(jù)上述原理，基于瞬變電磁法(TEM)進(jìn)行電磁探傷,必須在發(fā)射線圈中雙極性電流脈沖作為激勵(lì),這可由全橋電路產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)，如圖 10所示:

圖 10 雙極性脈沖產(chǎn)生電路

當(dāng)S1，S4開(kāi)啟，S2，S3斷開(kāi)時(shí),負(fù)載發(fā)射線圈兩端電壓為+U,產(chǎn)生雙極性方波的正1/4周期波形；當(dāng)S2，S3開(kāi)啟，S1，S4斷開(kāi)時(shí),負(fù)載發(fā)射線圈兩端電壓為-U,產(chǎn)生雙極性方波的負(fù)1/4周期波形。

故可通過(guò)控制開(kāi)關(guān)周期性地開(kāi)啟和斷開(kāi)，來(lái)獲得雙極性脈沖。其理想波形如圖 11所示。

圖 11 全橋電路產(chǎn)生的理想波形

假定采樣間距為1cm，測(cè)井速度為144m/h，則一個(gè)測(cè)量周期T = 1cm/(4cm/s) = 250ms。因此，我們將每段脈沖寬度定為125ms。

發(fā)射機(jī)模塊的實(shí)現(xiàn)

四路單刀單擲應(yīng)該具備開(kāi)啟/關(guān)斷可靠，延遲小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)具備一定的功耗特性。綜合以上各點(diǎn)考慮，我們選用IR公司的小功率MOSFET管IRF630N。

相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片我們選用同是IR公司的IRS2110。其為高速雙通道電壓型開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，配置簡(jiǎn)單，只需2塊芯片就能驅(qū)動(dòng)整個(gè)全橋電路，節(jié)約成本。