基于瞬变电磁法的多层管柱检测技术研究

　　1　引言

　　套管损坏将直接影响油水井的使用寿命及油气田产量,目前的套管检测仪只能在单层管柱下检测,对套管进行检测时,需要起下油管,作业费用高,工作效率低。多层管柱检测系统研究可以克服上述缺点,为套管损坏的预防、大修、报废及套损机理分析提供依据,从而确保油田的稳产及持续发展。

　　2　检测原理[2-5]

　　2.1　基本原理

　　瞬变电磁法(transient electromagnetic methods),又称时间域电磁法(time domain electromagneticmethods),它是根据电磁感应理论向发射线圈中通以双极性直流脉冲,当发射线圈中的电流发生变化时,必将在其周围产生磁场,该磁场称为一次磁场。根据导体中的电磁渗透理论,其磁力线穿过油管进入套管,在油管和套管中分别产生感应电流io和iC(如图1所示)。在直流电脉冲结束后,二次磁场在接收线圈中产生感应电动势ε。若套管或者油管存在裂缝特别是纵向裂缝时,将部分或全部切断感应电流io和iC的通路,这将改变感应电动势ε的幅度。

　　2.2　数学建模

　　用图2所示的包含等效电感LC和等效电阻RC的单匝环路来等效感应电流环路,两者具有相似的规律。

　　其中,emf为感应电动势,iC(t)为感应电流,RC为管柱的等效电阻,LC为管柱的等效电感。假设等效回路切断一次场的磁通量为Φ1,则等效回路的瞬态方程为:

　　由于在实际工作中激励源波形在线圈中发生变化,发射波形多为斜阶跃波。假设H1为斜阶跃变化的场,tof为双极性直流脉冲的关断时间,那么,磁通将在tof时间内从Φ1迅速减小到零,对于dΦ1dt就可以表示为:

　　依据法拉第电磁感应定律,在等效回路中产生的感应电动势由Φ1/tof给出,因此可以得到等效回路中感应电流表达式为:

　　式中MTCMCR分别为发射线圈与等效回路、等效回路与接收线圈之间的互感系数,它们与发射线圈、接收线圈与管柱之间相对位置、管柱的几何形状有关,当线圈及管柱确定以后,该参数视为常数;接收线圈的感应电动势与管柱的阻抗LC和RC有关,而阻抗LC和RC又是由管柱的几何形状、内径、外径、电导率以及磁导率等参数所确定的,从而能够在接收线圈中感应电动势与上述参数之间建立一种函数关系,通过接收线圈的感应电动势来判断管柱的几何形状、大小和电磁参数的变化,这亦是利用瞬变电磁法对管柱进行检测的原理。

　　3　总体设计

　　对于导电性差的导体,其时间常数τ值较小,衰减速度较快;反之,对于导电性好的导体,时间常数τ值较大,衰减速度慢。可以得出如下结论:当套管存在裂缝、孔洞或磨损时,接收线圈中感应信号的衰减速度要快一些,感应电动势存在异常。通过对感应信号的采样和分析,就可以得到套管损坏的位置、程度等信息[3]。根据以上得出的结论,系统总体设计如图3所示。