基于电磁感应的多层管柱电磁探伤测井系统

设计背景与意义

油气田套管损坏（以下简称套损）问题是石油开发到一定时期遇到的普遍技术难题，国内外各油田均受到该问题的困扰。随着高压注采、超高压压裂等各种增产措施的应用和油田开发时间的增长、泥岩吸水蠕变、岩层滑动、油层出砂、油田开发过程中断层复活、射孔、天然地震、油层压实等原因，各油田油水井套管损坏问题将会越来越严重。

我国各大油田油井损伤非常严重，大庆油田1997年套管损坏576口井， 2001年套损井超过700口，整个油田已累计损坏超过8000口井，截至2003年4月，胜利油田共有套损井5400多口。

套损井的大量存在，不仅是固定资产的闲置浪费，还会导致地层压降逐渐加大，储量控制程度变差，进而造成油田水驱储量、可采储量不同程度的损失，因此，套损井是制约油田稳产的瓶颈问题，开展套损预防与治理技术的研究应用，弄清复杂地层套损机理，寻求相应的预防措施，延长套管使用寿命是目前世界各套损井油气田迫切需要解决的课题之一，对提高老油田整体开发效益具有重要意义。在这样的环境下，测井就显示出来重要的作用，被列为石油行业十大学科之一。

目前用于套管检测的工程测井仪的方法较多，包括井径仪、超声波成像仪及电磁检测仪等。其中井径仪对仪器居中要求很高，偏心会导致测量误差，而且该仪器对于套管严重错断的井不适用；超声波法受钻井液影响比较大，如果钻井液密度较大，则声波衰减严重，影响检测精度，检测前必须进行洗井和替换钻井液，增加了劳动强度。而电磁检测仪是根据电磁原理给出套管完整度的评价，它不受井内液体、套管积垢、结蜡以及井壁附着物的影响，且测量精度比较高。

俄罗斯多层管柱电磁探伤成像测井仪MID－K就是利用电磁理论进行探伤的。在国内，针对电磁探伤的研究也是一个热点，但是大部分都是集中于理论研究，所设计的电磁探伤测井系统的性能和检测精度还不是很好，因此我们想基于PIC32 32位单片机设计一个高性能和检测精度的电磁探伤测井系统。

瞬变电磁法套管检测基本原理

瞬变电磁法又称时间域电磁法，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和（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。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和的通路，这将减少感应电动势的衰减时间。

图 1 探头检测原理示意图

数学模型

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

图 2 有限导体的等效回路示意图

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

（1）

即

（2）

其中

为等效时间常数。

解微分方程(1)或(2)，得到瞬态电流方程为：

（3）

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。假设为斜阶跃变化的场，为双极性直流脉冲的关断时间，那么，磁通将在时间内从迅速减小到零，对于就可以表示为：

（4）

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给出，因此可以得到等效回路中感应电流表达式为：

（5）

由式（5）得到一次场脉冲间歇期间（）观测到的感应电压为

（6）

在的情况下

（7）

式中和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和有关，而阻抗和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。

信号的衰减特性

由公式（7）可以看出，接收到的感生电动势近似于指数衰减曲线。且根据电磁理论，钢管的厚度越大，感应电动势的衰减就缓慢，反之，感应电动势的衰减就较快。在感应电动势的衰减过程中，较小的时问段主要表示内管的变化，较大的时间段主要表示外管的变化，采用这种方法可以把内外管的影响区别开，这一点已从理论和实验两个方面给出了证明和验证。

在瞬变电磁法检测时，管柱上利用接收线圈观测到的感应电压的异常幅度衰减速度很大程度上决定于管柱的时间常数值。在值较大的情况下，尽管初始响应的幅值并不是很大，但信号的衰减相当缓慢，典型的衰减时间范围从100us至20ms，跨越近二个级次。在这么宽的时间范围内，信号衰减的规律如图 3所示，在早期，信号幅值高而且衰减速度很快；在晚期的信号很弱，衰减速度却慢的多。对于同一个观测信号而言，从早期到晚期的信号幅值从几伏变到几十微伏，此大的动态范围内的信号一般都要求准确测定。

图 3 瞬变电磁信号采样示意图

如此看来，瞬变信号在早、中、晚期的衰减速度差别相当大。为了在很宽的时间范围内不失真地准确确定瞬变衰减特性，除了在足够宽的时间范围内必须有足够的采样点外，各采样点之间的间隔及采样门宽应随观测点不同而有所改变。如图1.3所示，在早期，信号幅值高而且衰减速度快，因此采样时间间隔及门宽都必须相当窄才能保证足以精确地分辨信号的衰减特性；在晚期，采样间隔及门宽应增大，以适应弱信号衰变慢的特性。

此外，为了保证采样的精确性，必须对早、中、晚期进行不同倍数的放大，以适应衰减曲线动态范围差异大的特点。

系统方案

系统架构图

图 4 系统框图

系统主要包括Microchip公司的微控制器PIC32MX7F512L ，MOSFET驱动模块IR2110，多路模拟开关HI-201，CAN收发器芯片CTM8251A，以及双极性模数转换器AD7894。

系统实现功能

位于井下的PIC32单片机通过MOSFET驱动模块在发射线圈中产生双极性方波，使得接收线圈由于电磁感应产生衰减感应电动势，单片机控制多路开关和可变增益放大电路，对不同时期的衰减曲线选择不同放大倍数和采样频率进行采样，将采样数据和温度等辅助信息封装成帧，通过CAN总线与PC终端通信，并最终在PC的用户界面上绘制测井曲线和井壁厚度谱。

以上述理论为基础，在实际应用中通过测得感生曲线，曲线衰减越快且划分为早期中期和晚期等三段曲线，用迭代的算法绘制早期和晚期的测井曲线，即可将不同层管柱的损伤分离出来。这就是运用电磁法对多层管柱探伤的原理。

硬件电路的设计

电源设计

电源系统包括井上和井下两部分。井下仪器需要的电源包括PIC32单片机工作需要的+3.3V电源，运放OP07、驱动芯片IRS2110等需要的±15V电源，驱动IGBT的+12V驱动电源，以及双极性模数转换器AD7894需要的工作电压5V和高精度基准电压2.5V。

电源系统结构

电磁探伤测井仪的电源系统结构如图 9。该电源系统由地面变压器、直流稳压电路以及多个DC/DC电压转换电路组成。其中地面变压器的作用是将220V交流电转换为15V交流电，然后再经过直流稳压电路转换为直流电。通过电缆将直流电送至井下，在井下通过DC/DC变压转换电路输出井下仪器需要的12V、3.3V、±15V、5V、2.5V等电压。

图 5 电源系统结构框图

直流稳压电路

本电源系统的直流稳压电路如图 6所示，T1为15V双向变压器，输出有效值为正负15V的交流电，经过整流桥2W10整流后，再由π型网络滤波，输出20V左右的直流电。其中在整流桥的每个二极管两端都并联了一个0.1u的电容，能够很好地吸收二极管的开关噪声，减少后级电路对前级电路的干扰，注意电容的耐压值需大于变压器输出的电压峰值的2倍以上，且必须为瓷片电容。在π型滤波电路中，电容的耐压值也为输入电压的2倍，且电容值较大，交流成分能够较好地被滤掉，输出电压比较平滑。

图 6 变压器和直流稳压电路

正负15V电压转换电路

运放OP07、IRS2110等芯片的工作电压为±15V，利用7815和7915三端稳压芯片可以实现，如图 7所示。其中二极管1N4001起到保护电路的作用。

图 7 正负15V电压转换电路

12V、3.3V电压转换电路

12V为MOSFET管IRF630N的开启工作电压。如图 8所示。

图 8 12V、3.3V电压转换电路

5V、2.5V精密基准电压转换电路

AD7894是ADI公司的14Bits双极性模数转换器，采样时需要一个高精度的2.5V基准电压，而一般的稳压芯片未能提供如此高精度的输出。我们选择的是摩托罗拉公司的低电压基准MC1403芯片，MC1403的输出电压波动在25mV以内，能够达到1%的精度，且应用电路简单，性价比高。如图 14所示为精密基准电压转换电路。

图 9 2.5V精密基准电压转换电路

发射机模块

双极性脉冲产生原理

根据上述原理，基于瞬变电磁法(TEM)进行电磁探伤,必须在发射线圈中双极性电流脉冲作为激励,这可由全桥电路产生实现，如图 10所示:

图 10 双极性脉冲产生电路

当S1，S4开启，S2，S3断开时,负载发射线圈两端电压为+U,产生双极性方波的正1/4周期波形；当S2，S3开启，S1，S4断开时,负载发射线圈两端电压为-U,产生双极性方波的负1/4周期波形。

故可通过控制开关周期性地开启和断开，来获得双极性脉冲。其理想波形如图 11所示。

图 11 全桥电路产生的理想波形

假定采样间距为1cm，测井速度为144m/h，则一个测量周期T = 1cm/(4cm/s) = 250ms。因此，我们将每段脉冲宽度定为125ms。

发射机模块的实现

四路单刀单掷应该具备开启/关断可靠，延迟小，驱动电路简单的特点，同时具备一定的功耗特性。综合以上各点考虑，我们选用IR公司的小功率MOSFET管IRF630N。

相应的驱动芯片我们选用同是IR公司的IRS2110。其为高速双通道电压型开关驱动器，配置简单，只需2块芯片就能驱动整个全桥电路，节约成本。