CN102004128A

CN102004128A - 套管损伤强磁记忆检测装置

Info

Publication number: CN102004128A
Application number: CN 201010512153
Authority: CN
Inventors: 樊建春; 张来斌; 温东; 孙秉才; 张静; 齐丽娟; 张光伟
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-04-06

Abstract

一种套管损伤强磁记忆检测装置，所述的装置包括：传感器支架，所述传感器支架具有调整螺杆、一端具有螺纹段的中心轴、多根弓形弹簧测量臂及传感器；密封短节，所述的密封短节具有螺纹孔、电缆密封插头及螺纹环，所述螺纹孔配合在所述中心轴的螺纹段上；电路短节，具有内部电路、电路保护筒、带有螺纹段的下接头、上接头，所述密封短节的螺纹环配合在所述下接头的螺纹段上。该套管损伤强磁记忆检测装置利用了铁磁性材料的磁记忆特性，能够准确的检测到金属材料的应力集中部位以及应力集中程度的大小，通过分析应力集中程度的大小可以判断套管应力的分布情况，达到早期诊断的目的。

Description

套管损伤强磁记忆检测装置

技术领域

本发明是关于管道检测技术，特别是关于一种油井套管损伤检测技术，具体的讲是关于一种套管损伤强磁记忆检测装置。

背景技术

油井是油田生产重要的基础设施，油井套管的损坏直接影响油气产量、注水效果及油水井的使用寿命。油井筒套管的缺陷形式存在着多样性，一般分类为：沿井筒套管周向上的横向缺陷及沿井筒套管轴线方向的纵向缺陷，横向缺陷主要包括管壁的腐蚀、裂纹、孔洞等；纵向缺陷主要包括纵向裂纹、折叠、偏磨和劈缝等。

由于很难对井筒套管直接取样，对井筒套管失效或损坏的分析一般比较困难。早期井筒套管的失效或损坏分析一般是对下井前检验发现的缺陷，或下井过程中发生的损坏或事故进行分析，或对钻井作业中已下井筒套管井段因钻杆柱遇卡、磨损而间接发现的井筒套管损伤进行分析，或者因完井试压压力不稳而通过井筒套管柱进行的分析。

生产开发期的井筒套管失效都是以井下隐蔽形式出现，危害大。在非生产条件下，常采用打铅印、超声波井下电视测井仪测试方法、多臂井径测定仪测量、噪声测试等测量方法检查或验证井筒套管的失效或损坏；在生产条件下，则采用振动测试方法、源距声波地应力场监测方法等检查或验证井筒套管的失效或损坏。从无损检测的角度上看，目前研究套管损伤问题分为三个层次：一是在井身结构已经损坏并在生产中有异常表现后进行检查；二是井身结构产生变形而在生产中还未发现异常时的普查；三是在井身结构未变形、未损坏前进行变化趋势预测。当前的工程测井技术已经能够解决前两种情况，但此时套损已经影响了油田的正常开发，造成了严重的损失。因此，在套管损伤防治中，及时地发现潜在的套管损坏，并采取有效的预防措施，对油田的可持续开发具有重大的工程和经济意义。

发明内容

本发明提供一种套管损伤强磁记忆检测装置，从套管损伤的根源对其损伤状态做出早期评定，以预防套损的发生，指导和检验套损井的治理和修复。

为了实现上述目的，在一实施例中，本发明提供一种套管损伤强磁记忆检测装置，传感器支架，所述传感器支架具有调整螺杆、一端具有螺纹段的中心轴、多根弓形弹簧测量臂及传感器；密封短节，所述的密封短节具有螺纹环、电缆密封插头及带有螺纹孔的下接头，所述螺纹孔配合在所述中心轴的螺纹段上；电路短节，具有内部电路、电路保护筒、带有螺纹段的下接头、上接头，所述密封短节的螺纹环配合在所述下接头的螺纹段上。

本发明实施例的有益技术效果：该套管损伤强磁记忆检测装置利用了铁磁性材料的磁记忆特性，能够准确的检测到金属材料的应力集中部位以及应力集中程度的大小，通过分析应力集中程度的大小可以判断套管应力的分布情况，达到早期诊断的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例的套管损伤强磁记忆检测装置示意图；

图2为本发明实施例的套管损伤强磁记忆检测装置示意图；

图3为本发明实施例的强磁记忆传感器的组成示意图；

图4为本发明实施例的形弹簧测量臂的结构示意图；

图5为本发明实施例的电路板上的组成示意图；

图6为本发明实施例图2中C部分的放大示意图；

图7为本发明实施例密封短节200的剖视图；

图8为本发明实施例电缆密封插头的结构示意图；

图9为磁记忆信号的切向分量及法向分量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

现有的套管检测技术只能检测出已有损伤而无法对套管的早期损伤情况进行检测，为了对套管的早期损伤情况进行检测，本发明设计了一种应用于油井套管损伤检测的套管损伤强磁记忆检测装置，以通过强磁记忆传感器检测套管内应力集中程度来判断套管的损伤状况。该检测装置利用了铁磁性材料的磁记忆特性，能够准确的检测到金属材料的应力集中部位以及应力集中程度的大小，通过分析应力集中程度的大小可以判断套管应力的分布情况，达到早期诊断的目的，可以避免由于套管应力集中而引起的破坏造成的巨大经济损失。

如图1所示，本发明提供一种套管损伤强磁记忆检测装置，所述的装置包括：传感器支架100，密封短节200及电路短节300组成。

如图2所示，所述传感器支100架具有调整螺杆101、一端具有螺纹段1021的中心轴102、多根弓形弹簧测量臂103及位于多根弓形弹簧测量臂6中强磁记忆传感器(图2中未示出)。所述弓形弹簧测量臂的条数为18，均匀分布在所述中心轴的周围，本发明弓形弹簧测量臂的条数也可以少于18条。

所述的密封短节200具有螺纹环203、电缆密封插头202及带有螺纹孔201的下接头204，所述螺纹孔201配合在所述中心轴的螺纹段1021上。

电路短节300具有内部电路(图2中未示出)、电路保护筒301、带有螺纹段3021的下接头302、上接头303，所述密封短节的螺纹环203配合在所述下接头302的螺纹段3021上。

所述传感器支架100下端和电路短节300上端分别连接两个灯笼式弹簧片扶正器(未在示意图中标出，属于测井仪器的标准配件)，扶正器的作用是利用弹簧片的弹性作用力，使检测装置在井筒内部居中，其中电路短节300上端的扶正器内部有单芯导线，一端与检测装置的上接头连接，一端与电缆连接。

如图3所示，所述强磁记忆传感器具有：强磁记忆传感器探头301、放大器302、探头供电电源303、集成稳压电源304及电压跟随器305，所述强磁记忆传感器301探头检测井筒内壁微弱磁记忆特征信号，经过放大器302放大，进入所述电压跟随器304，所述电压跟随器304由高输入阻抗的放大器组成，用以滤除磁记忆特征信号中夹杂的噪声干扰信号，然后通过电缆传送到所述电路短节200。

所述探头供电电源303为超低噪声集成电压源，其具有低温漂、宽供电电压、线性度好等特点，该电源不仅为磁记忆传感器探头供电，还为放大器302提供+5V的基准电压，使放大器302工作于单电源供电模式，减少传感器供电电源数，降低了穿墙电缆密封的难度。所述强磁记忆传感器探头301是该检测装置的关键，由于磁记忆信号微弱，普通的磁记忆传感器探头无法感应到微弱的磁场，目前市场上的传感器探头由霍尔元件、磁阻元件、强磁阻元件。由于霍尔元件成本高，灵敏度低不宜选择。磁阻元件体积大不容易集成，价格昂贵等不宜选择。而强磁阻元件具有灵敏度高、体积小、价格便宜、温度特性好，可耐温达150℃，特别适合井下的工作环境，成为该仪器的首选，其传感器对比关系如下表1。

特性	强磁阻	霍尔元件	磁阻
				尺寸大小	小	小	大
信号电平	大	小	中
				灵敏度	高	低	高
温度稳定性	高	低	中
				功耗	低	低	高
价格	低	低	高

如图4所示，所述弓形弹簧测量臂103包括：弓形弹簧片1031、传感器封装壳1032、传感器座1033及电缆卡钩1034；所述传感器封装壳1032通过传感器座1033固定在所述弓形弹簧片1031上，用于放置所述强磁记忆传感器；所述电缆卡钩1034具有小孔，可以用于固定连接所述强磁记忆传感器的电缆线。

所述传感器封装壳1032是用来保护强磁记忆传感器，将强磁记忆传感器放入传感器封装壳1032内后，用一种耐150℃的高温胶将其封住，其空间必须用胶充满充实，两端用金属塞将其塞住，固定在弓形弹簧的卡槽内部，保证传感器能在高压环境下工作。所述磁记忆传感器封装壳以及弓形弹簧材料为不导磁的金属材料。

如图2所示，所述的调整螺杆101包括：弹簧1012及调整螺母1011，所述调整螺母1011通过调整所述弹簧1012的弹力调节弓形弹簧片1031的弯曲度。所述调整螺母1011的上端具有一螺纹段1013。所述中心轴102的另一端具有一螺纹孔1022，配合在所述调整螺母1011的螺纹段1013上。

弓形弹簧片1031的弯曲度的大小是根据所测量井套管内径的大小而定，由于套管在地层中受到地层压力等的挤毁，会发生变径，为保证检测装置在套管内的通过性，所述弹簧片1012的起缓冲作用，防止弓形弹簧测量臂发生塑性变形折断，产生测井事故。所述中心轴102是一根光轴，能够使安装弓形弹簧的滑块来回滑动自如。

所述内部电路放置在所述电路保护筒301，所述下接头302及上接头303通过密封圈将所述电路保护筒301密封住。下接头302及上接头303上安装的O形密封圈是仪器密封的关键，该仪器选用耐高温、耐腐蚀、高硬度的氟橡胶材料O形圈，为了保证密封的可靠性，分别安装了两道密封圈，如果第一道密封圈毁坏，第二道可以起到密封作用。所述电路保护筒301为高强度的合金材料，材料性能良好，耐腐蚀耐高温。

所述内部电路包括：电路板及电路板骨架304(如图2所示)，所述电路板固定在所述电路板骨架304上。

如图5所示，所述电路板上具有放大滤波电路501、A/D模数转换器502、DSP信号处理器503、温度传感器504、MCU控制器505、AMI调制解调器506、仪器电源507、仪器总线508、遥传短节509、电缆总线510。

图6为图2中C部分的放大示意图(放大比例为1∶5)，如图6所示所述密封短节200还包括：卡簧601、两个开环602及开环垫603，所述两个开环602卡在所述密封短节200的下接头204的外表面，并且所述两个开环602的一端604卡在所述密封短节200的螺纹环203与所述下接头204之间；所述卡簧601将所述开环602垫紧箍在所述下接头204外围，防止所述螺纹环203滑脱。

开环602、卡簧601、螺纹环203用来连接电路短节300和传感器支架100，实现以螺纹环203的旋转运动转换为传感器支架100的直线运动，为安装和拆卸带了了方便。

卡簧601、两个开环602及开环垫60的作用是为了传递力。所述螺纹环203的作用是利用自身的旋转代替检测装置壳体的旋转，旋转一个轻巧的螺纹环比旋转又长又重的检测装置壳体省力很多，可改变力的方向，与壳体螺纹咬合后，将转动变成了轴向上的移动，设有扳手孔605，通过扳手孔605可以放大旋转时的力矩。螺纹环203的螺纹采用梯形螺纹，该螺纹一是具有螺纹牙宽厚，螺纹强度大，容隙较大的特性，可以减少螺纹之间“咬死”的可能性；二是因为大的螺距在旋长相同时可以减少旋转圈数，缩短连接时间。

图7为密封短节200的剖视图；如图7所示，密封短节200的中心有一空心柱701，用于传输与电缆密封插头202连接的电缆线，以将强磁记忆传感器的信号传输到电路短节300中。

所述电缆密封插头202为24芯电缆密封插头，如图8所示，24芯电缆密封插头包括公接头801及母接头802，24芯电缆密封插头上套有两道O形密封圈803，起到密封作用。母接头802后套有耐高温耐腐蚀的橡胶套804，所述橡胶套804的尾端开有24个穿线的小孔(图未示出)，导线805能够穿过小孔。该24芯电缆密封插头能在高温150℃，高压150MP的环境下使用，其作用一是作为强磁记忆传感器与电路短节200内部短路之间的接线端子，为传感器供电以及传输传感器采集的信号；二是保护电路短节200内部的电路，使内部电路与井筒内部液体隔绝，防止其进入电路短节内部短路而烧毁处理电路。橡胶套的作用是使电缆与插头的连接处与井筒内部的液体隔绝，防止短路。

在图5中，放大滤波电路501中的放大电路是将强磁记忆传感器检测到的18路磁记忆信号进行放大，放大到A/D模数转换器502所需要的电平转换。由于套管内表面磁记忆信号强度微弱，而放大器302的放大倍数不宜过高，因为绝大多数的集成化放大器302的共模抑制比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大。而放大器302作为磁记忆信号前置放大器时，受运放本身输入失调电压的影响，前级增益不可能太大，因此需要将磁记忆信号再次放大，以达到A/D模数转换器502所需要的信号电平。

放大滤波电路501中的滤波电路为有源低通滤波器，用以滤除高频的信号干扰。由于磁记忆信号是低频随机信号，应防止出现高频干扰信号，需要在电路设计时加入滤波电路，滤波器为集成有源滤波电路，其滤波器的截止频率、滤波器类型和滤波曲线可以根据实际情况，通过编程调节。

所述A/D模数转换器502为逐次逼近的16位模数转换电路。为了提高测量精度，选用了16位逐次逼近型模数转换(ADC)，单电源供电，降低了供电的难度。所述模数转换器功耗低，采样速度高，可达1MSPS，16-bit采样ADC以及一个通用SPI兼容的串行端口，而且封装尺寸小，特别适合测井仪器小型化的要求。基准源电压可由外部提供，独立于电源电压，其功耗随着速率呈线性变化。

DSP信号处理器503、温度传感器504、MCU控制器505是该检测装置的核心组成部分。所述DSP信号处理器503的作用一是控制A/D模数转换器502开启停止；二是从A/D模数转换器502的SPI口读取转换后的磁记忆传感器的测量值，并对信号进行数字压缩处理，然后传送至MCU控制器505；三是读取温度传感器504测量值，对强磁记忆传感器测量信号进行温度补偿；四是接收MCU控制器505发送的控制指令。所述MCU控制器505的作用一是与地面仪器之间通信，接收地面控制指令，并且向地面仪器返回校验码，地面仪器通过校验码可以判断指令执行正确与否；二是与DSP信号处理器503之间的通信，从地面接收的指令传送到DSP信号处理器503，DSP信号处理器503控制数据的采集与接收，接收DSP信号处理器50处理后的磁记忆信号。

所述AMI调制解调器506、仪器电源507、仪器总线508、遥传短节509、电缆总线510属于该检测装置的信号传输系统。其中AMI(Alternative Mark Inversion)码的全称是传号交替反转码，是通信编码中的一种，为极性交替翻转码，分别用一个高电平和低电平表示两个极性，编码规则为消息代码中的0对应传输码中的0，消息代码中的1对应传输码中的+1、-1交替变换。调制是将磁记忆传感器采集到的信号调制为AMI码，而解调是将从地面传输的信息解调为原信号指令。所述仪器电源507是为整个井下电路提供电能。所述仪器总线508为信息交换的通道。所述遥传短节509是将AMI编码后的信号通过单芯测井铠装电缆传送到地面系统。电缆总线510是指测井铠装电缆。

发明是依据磁记忆检测原理而设计开发的，磁记忆检测原理是铁磁性工件受到工作载荷和地磁场的相互作用，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，会在应力与变形集中区形成漏磁场，如图9所示，其磁记忆信号切向分量H_p(x)具有最大值，而磁记忆信号法向分量H_p(y)具有过零点。由于套管在井筒内受到地层压力、内部液体的压力、腐蚀等的影响，会存在应力集中，本发明采用测量切向分量H_p(x)来确定其应力集中程度的大小，从而判断套管的损伤程度。

套管损伤强磁记忆检测装置检测的方法如下：

(1)根据所检测井筒内径的大小，调节传感器支架100前端的调整螺母1011，从而来调节弓形弹簧片的弯曲程度，使传感器测量臂能够紧贴井筒内壁，以防止由于测量臂与井壁没有贴近而产生的提离效应对检测结果的影响。

(2)通过测井电缆绞车，将该检测装置下放到目的测量井段，由地面控制系统发送指令，测井绞车开始匀速的向上移动，磁记忆传感器开始采集井筒数据序列。

(3)电路短节300中内部电路将传感器采集到的数据序列通过滤波放大、A/D模数转换、数据压缩、AMI编码等一系列的处理后，通过测井电缆传送到地面系统。

(4)地面处理系统通过将井下传送上来的数据序列解调，还原为18路磁记忆传感器的原始信号，再对该信号进行数字滤波等一系列的信号处理，剔除信号中带有的噪声信号以及孤立的野值点，输出取噪后的数据序列。

(5)计算机将去噪后的数据序列利用所编写的软件，求出所测量的信号的梯度，然后绘制出梯度关系图，通过提取磁记忆信号的梯度特征值，判断套管损伤程度。

本发明的有益技术效果：

该套管损伤强磁记忆检测装置利用了铁磁性材料的磁记忆特性，能够准确的检测到金属材料的应力集中部位以及应力集中程度的大小，通过分析应力集中程度的大小可以判断套管应力的分布情况，达到早期诊断的目的。本发明利用套管损伤强磁记忆检测装置，采用了上述的检测方法，根据检测结果的梯度图，可以准确的判断出被测套管应力集中程度，从而诊断套管的损伤情况，为油田制定和调整开发方案有一定的指导意义，因此可以避免油田由于套管损坏而造成的经济损失。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种套管损伤强磁记忆检测装置，其特征在于，所述的装置包括：

传感器支架，所述传感器支架具有调整螺杆、一端具有螺纹段的中心轴、多根弓形弹簧测量臂及强磁记忆传感器；

密封短节，所述的密封短节具有螺纹环、电缆密封插头及带有螺纹孔的下接头，所述下接头的螺纹孔配合在所述中心轴的螺纹段上；

电路短节，具有内部电路、电路保护筒、带有螺纹段的下接头、上接头，所述密封短节的螺纹环配合在所述下接头的螺纹段上。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述强磁记忆传感器具有：强磁记忆传感器探头、放大器、探头供电电源及电压跟随器，所述强磁记忆传感器探头检测井筒内壁微弱磁记忆信号，经过放大器放大，进入所述电压跟随器，所述电压跟随器由高输入阻抗的放大器组成，用以滤除信号中夹杂的噪声干扰信号，然后通过电缆传送到所述电路短节。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述弓形弹簧测量臂包括：弓形弹簧片、传感器封装壳、传感器座及电缆卡钩；所述传感器封装壳通过传感器座固定在所述弓形弹簧片上，用于放置所述强磁记忆传感器；所述电缆卡钩用于固定连接所述强磁记忆传感器的电缆线。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的调整螺杆包括：弹簧及调整螺母，所述调整螺母通过调整所述弹簧的弹力调节弓形弹簧片的弯曲度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述调整螺母的上端具有一螺纹段。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述中心轴的另一端具有一螺纹孔，配合在所述调整螺母的螺纹段上。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部电路包括：电路板及电路板骨架，所述电路板固定在所述电路板骨架上。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述内部电路放置在所述电路保护筒，所述下接头及上接头通过密封圈将所述电路保护筒密封住。

9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述电路板上具有放大滤波电路、A/D模数转换器、DSP信号处理器、温度传感器、MCU控制器、AMI调制解调器、仪器总线、遥传短节、电缆总线。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述密封短节还包括：卡簧、两个开环及开环垫，所述两个开环卡在所述下接头的外表面，并且所述两个开环的一端卡在所述密封短节的螺纹环与所述下接头之间；所述卡簧将所述开环垫紧箍在所述下接头外围，防止所述螺纹环滑脱。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电缆密封插头为24芯电缆密封插头。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弓形弹簧测量臂的条数为18，均匀分布在所述中心轴的周围。