多分量瞬变电磁法套损检测系统

（西安石油大学，光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安，710065）

多分量瞬变电磁法套损检测系统

陈嘉辉,李志强,张文辉

（西安石油大学，光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安，710065）

研究了一种基于多分量瞬变电磁法的套损检测系统，由探测单元、发射单元、接收单元、采集传输单元和地面单元组成。本系统在1个垂直探头和8个水平探头中分别发射双极性方波作为瞬变电磁激励信号，在发射信号的间歇接收套管上产生的感应信号，根据探头接收到感应信号的异常变化，来识别套损类型，判断套损位置。

瞬变电磁；多分量探头；套损检测；检测系统

0 引言

套管损伤是困扰油田高效开采最严重的问题之一。油气开采往往处恶劣的自然环境，以及人为作业和地质作用相互复杂影响，势必会对井下套管造成各种损伤，导致套管出现程度不同的损坏，会直接影响到油水井的后续作业。多分量瞬变电磁套损检测系统以瞬变电磁法为基础，通过接收套管上产生的二次场可检测套管电阻率的变化，进而达到套损检测的目的。瞬变电磁法研究的是纯异常响应，避免了激励磁场带来的干扰，具有更精确的探测能力与分辨能力。

图1 井下模型

1 理论基础

建立图1所示模型，各层分别为空气、套管、水泥环、地层，电性参量为。根据电磁场理论，将线圈等效为磁偶极子源，引入矢量磁势F，设，由Maxwell方程组得到。有源区域，F满足方程：

其中k2=-iωµσ，k 为介质的波数。，其中M为发射线圈的磁矩，M=NtIS，Nt为发射线圈匝数，I 为发射电流，S为发射线圈的面积。n为轴线方向单位向量。

无源区域F满足方程：

求解上述方程，介质1中，接收线圈接收到的感应磁场大小为有源区解与无源区解的和：

探头接收到的时域感应电动势大小为：

其中NR为接收线圈匝数，SR为接收线圈的面积，µr为磁芯的有效磁导率。

3 系统设计

系统框图如图2所示。

图2 系统框图

供电单元包括多绕组变压器、整流单元、井下供电单元、地面供电单元。多绕组变压器将220V交流电转换成多路低压交流电，经整流单元将交流转换成直流电。其中一路通过电缆传输至井下，其余部分由地面供电单元转换后为测深单元和地面单元供电。发射单元主控芯片产生激励信号，驱动电路对激励信号进行功率放大，通过输出电路加载到探头上。由于接收到的感应信号一般都很微弱，因此需要接收单元前置放大电路对接收到的感应信号进行放大，再由滤波电路进行滤波，去除噪声，可变增益放大电路对滤波过的瞬变电磁早、中、晚期感应信号放大时倍数可调，再放大后输入到采集单元转换成数字信号后输入到主控芯片进行编码处理，经耦合变压器通过电缆传输给地面单元，保证后续的数据处理。测深单元通过光电编码器记录电缆下放时码盘转动的脉冲信号，输出至主控芯片对脉冲信号进行计数，传输至地面单元，提供检测系统的深度信息。地面单元接收到从电缆上传的井下信号，由耦合变压器分离出来有效信号，经过滤波处理后再经比较输出电路后，输出方波信号通过串口通信转换上传至上位机，在上位机中进行数据计算和实时显示。

4 试验分析

套管损伤检测时所得到的数据为电压值，应该把测量到的电压值转换成缺陷值，因此需要找出精确的转换关系。主要采用刻度方法来完成相关的转换。建立各个探头检测的电压值和套管缺陷的大小的转换关系，为测井资料解释提供相关依据。

表1 不同缺陷类型对应信号变化

表1中可看到套管的孔洞损伤能被探头检测出，水平探头检测横向裂缝比垂直探头明显，而垂直探头检测纵向裂缝比水平探头明显。孔洞或裂缝的大小可由曲线相对应变化规律确定。利用多分量瞬变电磁套损检测系统现场检测结果如图6所示。

图6 现场试验结果

图6的（1）中信号噪声较小，曲线较平滑，表示套管质量良好，无损伤，信号的增大表示该处为套管接箍。（2）中部分信号噪声较大，曲线波动明显，该处为射孔段。（3）中部分信号噪声较小，曲线波动平稳，此处为腐蚀段。通过与井史资料对比，系统检测结果吻合，达到了设计要求和检测目的。

5 结束语

本系统是一种非接触式的测量装置，根据多分量磁芯探头产生的感应电动势及其异常变化来确定套管损伤的类型和位置，是一种新型、实用的套损检测方法，经测试证明本系统使用方便、检测能力较强。

[1] 刘青昕.油田套管状况测井及套管应力检测方法研究[D].北京:中国地质大学,2006.

[2] 李文魁.井下套管柱理论分析与损伤修复技术[M].北京：石油工业出版社，2010.5 .

[3] 牛之琏.时间域电磁原理[M].长沙：中南大学版社，2007，1.

[4] Kaufman A.A, Karinsky A.D and Wightman W.E.Influence of an inductive effect on measurements of resistivity through casing. Geogrophysics,1996, 61(1):34~42.

[5] 赵峰.油气井多层管柱电磁探伤技术研究[D] .西安：西安石油大学，2007.

[6] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001.

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

国家自然基金项目“基于线源的井间剩余油探测理论和方法”资助，项目编号41174160。