基于電磁感應的多層管柱電磁探傷測井系統(tǒng)

設(shè)計背景與意義

油氣田套管損壞（以下簡稱套損）問題是石油開發(fā)到一定時期遇到的普遍技術(shù)難題，國內(nèi)外各油田均受到該問題的困擾。隨著高壓注采、超高壓壓裂等各種增產(chǎn)措施的應用和油田開發(fā)時間的增長、泥巖吸水蠕變、巖層滑動、油層出砂、油田開發(fā)過程中斷層復活、射孔、天然地震、油層壓實等原因，各油田油水井套管損壞問題將會越來越嚴重。

我國各大油田油井損傷非常嚴重，大慶油田1997年套管損壞576口井， 2001年套損井超過700口，整個油田已累計損壞超過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，還會導致地層壓降逐漸加大，儲量控制程度變差，進而造成油田水驅(qū)儲量、可采儲量不同程度的損失，因此，套損井是制約油田穩(wěn)產(chǎn)的瓶頸問題，開展套損預防與治理技術(shù)的研究應用，弄清復雜地層套損機理，尋求相應的預防措施，延長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，對提高老油田整體開發(fā)效益具有重要意義。在這樣的環(huán)境下，測井就顯示出來重要的作用，被列為石油行業(yè)十大學科之一。

目前用于套管檢測的工程測井儀的方法較多，包括井徑儀、超聲波成像儀及電磁檢測儀等。其中井徑儀對儀器居中要求很高，偏心會導致測量誤差，而且該儀器對于套管嚴重錯斷的井不適用；超聲波法受鉆井液影響比較大，如果鉆井液密度較大，則聲波衰減嚴重，影響檢測精度，檢測前必須進行洗井和替換鉆井液，增加了勞動強度。而電磁檢測儀是根據(jù)電磁原理給出套管完整度的評價，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，且測量精度比較高。

俄羅斯多層管柱電磁探傷成像測井儀MID－K就是利用電磁理論進行探傷的。在國內(nèi)，針對電磁探傷的研究也是一個熱點，但是大部分都是集中于理論研究，所設(shè)計的電磁探傷測井系統(tǒng)的性能和檢測精度還不是很好，因此我們想基于PIC32 32位單片機設(shè)計一個高性能和檢測精度的電磁探傷測井系統(tǒng)。

瞬變電磁法套管檢測基本原理

瞬變電磁法又稱時間域電磁法，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)生感應電流和（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。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和的通路，這將減少感應電動勢的衰減時間。

圖 1 探頭檢測原理示意圖

數(shù)學模型

用圖 2所示的包含等效電感Lc和等效電阻Rc的單匝環(huán)路來等效感應電流環(huán)路，兩者具有相似的規(guī)律

圖 2 有限導體的等效回路示意圖

其中，emf為感應電動勢，為感應電流，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(shè)為斜階躍變化的場，為雙極性直流脈沖的關(guān)斷時間，那么，磁通將在時間內(nèi)從迅速減小到零，對于就可以表示為：

（4）

依據(jù)法拉第電磁感應定律，在等效回路中產(chǎn)生的感應電動勢由給出，因此可以得到等效回路中感應電流表達式為：

（5）

由式（5）得到一次場脈沖間歇期間（）觀測到的感應電壓為

（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位置、管柱的幾何形狀有關(guān)，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(guān)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。

信號的衰減特性

由公式（7）可以看出，接收到的感生電動勢近似于指數(shù)衰減曲線。且根據(jù)電磁理論，鋼管的厚度越大，感應電動勢的衰減就緩慢，反之，感應電動勢的衰減就較快。在感應電動勢的衰減過程中，較小的時問段主要表示內(nèi)管的變化，較大的時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，這一點已從理論和實驗兩個方面給出了證明和驗證。

在瞬變電磁法檢測時，管柱上利用接收線圈觀測到的感應電壓的異常幅度衰減速度很大程度上決定于管柱的時間常數(shù)值。在值較大的情況下，盡管初始響應的幅值并不是很大，但信號的衰減相當緩慢，典型的衰減時間范圍從100us至20ms，跨越近二個級次。在這么寬的時間范圍內(nèi)，信號衰減的規(guī)律如圖 3所示，在早期，信號幅值高而且衰減速度很快；在晚期的信號很弱，衰減速度卻慢的多。對于同一個觀測信號而言，從早期到晚期的信號幅值從幾伏變到幾十微伏，此大的動態(tài)范圍內(nèi)的信號一般都要求準確測定。

圖 3 瞬變電磁信號采樣示意圖

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

此外，為了保證采樣的精確性，必須對早、中、晚期進行不同倍數(shù)的放大，以適應衰減曲線動態(tài)范圍差異大的特點。

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)動模塊IR2110，多路模擬開關(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)實現(xiàn)功能

位于井下的PIC32單片機通過MOSFET驅(qū)動模塊在發(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產(chǎn)生衰減感應電動勢，單片機控制多路開關(guān)和可變增益放大電路，對不同時期的衰減曲線選擇不同放大倍數(shù)和采樣頻率進行采樣，將采樣數(shù)據(jù)和溫度等輔助信息封裝成幀，通過CAN總線與PC終端通信，并最終在PC的用戶界面上繪制測井曲線和井壁厚度譜。

以上述理論為基礎(chǔ)，在實際應用中通過測得感生曲線，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井曲線，即可將不同層管柱的損傷分離出來。這就是運用電磁法對多層管柱探傷的原理。

硬件電路的設(shè)計

電源設(shè)計

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單片機工作需要的+3.3V電源，運放OP07、驅(qū)動芯片IRS2110等需要的±15V電源，驅(qū)動IGBT的+12V驅(qū)動電源，以及雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894需要的工作電壓5V和高精度基準電壓2.5V。

電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電磁探傷測井儀的電源系統(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)過直流穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為直流電。通過電纜將直流電送至井下，在井下通過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15V的交流電，經(jīng)過整流橋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二極管兩端都并聯(lián)了一個0.1u的電容，能夠很好地吸收二極管的開關(guān)噪聲，減少后級電路對前級電路的干擾，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15V電壓轉(zhuǎn)換電路

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

圖 7 正負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，采樣時需要一個高精度的2.5V基準電壓，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MC1403芯片，MC1403的輸出電壓波動在25mV以內(nèi)，能夠達到1%的精度，且應用電路簡單，性價比高。如圖 14所示為精密基準電壓轉(zhuǎn)換電路。

圖 9 2.5V精密基準電壓轉(zhuǎn)換電路

發(fā)射機模塊

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,這可由全橋電路產(chǎn)生實現(xiàn)，如圖 10所示:

圖 10 雙極性脈沖產(chǎn)生電路

當S1，S4開啟，S2，S3斷開時,負載發(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S2，S3開啟，S1，S4斷開時,負載發(fā)射線圈兩端電壓為-U,產(chǎn)生雙極性方波的負1/4周期波形。

故可通過控制開關(guān)周期性地開啟和斷開，來獲得雙極性脈沖。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，測井速度為144m/h，則一個測量周期T = 1cm/(4cm/s) = 250ms。因此，我們將每段脈沖寬度定為125ms。

發(fā)射機模塊的實現(xiàn)

四路單刀單擲應該具備開啟/關(guān)斷可靠，延遲小，驅(qū)動電路簡單的特點，同時具備一定的功耗特性。綜合以上各點考慮，我們選用IR公司的小功率MOSFET管IRF630N。

相應的驅(qū)動芯片我們選用同是IR公司的IRS2110。其為高速雙通道電壓型開關(guān)驅(qū)動器，配置簡單，只需2塊芯片就能驅(qū)動整個全橋電路，節(jié)約成本。