CN102495130B - 一种钻具井口磁通量检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻具井口磁通量检测装置，涉及石油钻具井口无损检测仪器的设计与制造技术领域，包括电流脉冲发生器、初级线圈、次级线圈、仪表放大电路、滤波电路、A/D转换器和上位机，其中：所述的电流脉冲发生器与初级线圈连接，次级线圈安装在初级线圈内部，次级线圈内设置有待检测的钻具，次级线圈的导线与仪表放大电路连接，仪表放大电路与滤波电路连接，滤波电路与A/D转换器连接，A/D转换器与上位机连接。同时本发明还公开了上述检测装置的检测方法，本发明尤其适用于在钻具没有裂纹、孔洞和刺穿时，能有效检测钻具因磨损或腐蚀产生的截面积变化，对于依赖钻具杆体壁厚变化而进行的质量分级，具有直接和直观的作用。

Description

一种钻具井口磁通量检测装置与方法

技术领域

    本发明涉及石油钻具井口无损检测仪器的设计与制造技术领域，确切地说涉及钻具井口磁通量检测装置与方法。

背景技术

钻具检测通常采用漏磁、超声波、涡流和肉眼观察等方法，着重于裂纹、孔洞、刺穿，这些方法对于钻具内外表面磨损的检测而言，并不是最有效的方法。

现有场站钻具自动无损检测技术中，自动漏磁探伤成为自动化程度较高的检测方法，如公告号为CN101419192A，公告日为2009年4月29日的中国专利文献公开了导磁构件超强磁化漏磁检测方法与装置。

该专利采用单一穿过式磁化线圈对钻杆进行局部单一轴向超强磁化，激发出其上纵、横向伤的泄漏磁场并利用磁敏元件阵列加以拾取，实现其上纵、横向伤的全面检出，再通过信号求和比较法进行纵、横向伤检测信号区分并对其进行信号幅值补偿，实现同损伤当量的纵、横向伤等信号幅值与灵敏度的统一判断。

该装置的组成包括：穿过式线圈，磁敏组件、信号识别补偿组件和数据采集卡。该专利将传统的检测方法进行简化和统一，实现钻具与检测单元之间简单的直进式相对搜查运动，实现高速高效自动连续探伤，能完成自身难以作旋转运动的钻具纵、横向伤的全面检测。

但上述技术方案仍然存在以下缺陷：

在钻井过程中，钻具裂纹、孔洞、刺穿是判废的主要方法，上述技术方案只能在钻具具有裂纹、孔洞、刺穿等情况时，才能实现检测。而在没有裂纹、孔洞和刺穿时，磨损则是钻具质量分级的主要方法，而磨损并不是上述专利文献为代表的漏磁检测的强项，不能有效的检测钻具因磨损或腐蚀产生的截面积变化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种钻具井口磁通量检测装置，本发明尤其适用于在钻具没有裂纹、孔洞和刺穿时，能有效检测钻具因磨损或腐蚀产生的截面积变化，对于依赖钻具杆体壁厚变化而进行的质量分级，具有直接和直观的作用。

同时，本发明还提出了采用上述检测装置进行井口磁通量检测的方法。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种钻具井口磁通量检测装置，其特征在于：包括电流脉冲发生器、初级线圈、次级线圈、仪表放大电路、滤波电路、A/D转换器和上位机，其中：所述的电流脉冲发生器与初级线圈连接，次级线圈安装在初级线圈内部，次级线圈内设置有待检测的钻具，次级线圈的导线与仪表放大电路连接，仪表放大电路与滤波电路连接，滤波电路与A/D转换器连接，A/D转换器与上位机连接。

所述仪表放大电路、滤波电路和A/D转换器组成信号调理电路。

所述的初级线圈和次级线圈安装在防水防爆散热外壳内。

一种钻具井口磁通量检测方法，其特征在于步骤包括：

第1步：将自动卡瓦卡持住钻柱接箍下方，然后吊装在转盘转台内；

第2步：将检测装置安装在自动卡瓦上；

第3步：通过检测装置的电流脉冲发生器向初级线圈提供脉冲电流；

第4步：利用次级线圈获得钻具内外表面磨损和腐蚀情况；初级线圈通电瞬时，会在次级线圈中产生瞬时电流，得到一个瞬时电压，电磁感应产生的电流强度以及电压的大小依赖于钻具材料的磁导率和截面积，钻具内外表面磨损或腐蚀严重会导致截面积发生变化，因此测得的磁通量也会变化，即电磁感应产生的电流以及电压都会变化，其曲线可反映出钻杆内外表面磨损和腐蚀情况。

第5步：仪表放大电路将次级线圈因电磁感应产生的电流或电压进行放大；

第6步：滤波电路对放大后的信号进行滤波处理；

第7步：A/D转换电路将信号数字化处理，输入上位机；

第8步：计算磁通量Φ如下：

式中：B为初级线圈产生的磁场磁感应强度，ds为钻具截面积的微分，Φ为穿过钻具整个截面积S的磁通量；

如果钻具由初级线圈固定大的磁场H所饱和，钻具的磁化强度（M）为一个恒定值。除开钻杆加厚过渡区，磁通变化与钻具的截面积是成比例的。利用图2将磁通量积分测得的平均壁厚和直接测得的壁厚进行对比，可看出磁通量与钻具截面积成比例。

在上述技术方案的基础上，控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到控制钻具磁导率使其为最大值。

与现有技术相比，本发明所达到的技术效果如下：

1、本发明采用电流脉冲发生器、初级线圈、次级线圈、仪表放大电路、滤波电路、A/D转换器和上位机组成的井口磁通量检测装置，特别适用于在钻具没有裂纹、孔洞和刺穿时，能有效检测钻具因磨损或腐蚀产生的截面积变化，对于依赖钻具杆体壁厚变化而进行的质量分级，具有直接和直观的作用。

2、采用本检测方法，检测工艺简单，不但适用于在钻具具有裂纹、孔洞、刺穿等情况时的漏磁检测。也适用于在钻具没有裂纹、孔洞和刺穿时的因磨损或腐蚀产生的截面积变化。

3、本发明中，通过控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到控制钻具磁导率使其为最大值，这样的技术方案，磁通量等于磁导率与磁场强度的乘积，钻具因磨损和腐蚀时截面积发生变化，所能感应的磁场强度发生变化，因此可用电磁传感器即次级线圈测定截面积的变化。为使次级线圈能够感应到钻具磁通量的变化，要求初级线圈提供足够强的磁场，通常磁化强度愈强，初级线圈的体积也愈大。当初级线圈对钻具施加磁场时，只有当钻具的磁导率达到最大值即Pm处时，输出的磁通量信号才比较明显，测量结果才能达到理想，因此磁通量传感器的控制要求是使钻具的磁导率工作在最大值Pm处，即通过控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到了控制钻具磁导率使其为最大值的目的。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明，其中：

图1为本检测装置的结构示意图

图2为磁通量与钻具截面积成比例的示意图

图3为钻具的磁化特性曲线和磁导率随磁场强度变化的曲线。

图中标记：

1-初级线圈，2-次数线圈，3-电流脉冲发生器，4-仪表放大电路，5-滤波电路，6-A/D转换器，7-钻具，①磁导率曲线，②磁化特性曲线。

具体实施方式

实施例1

参照说明书附图1，本发明公开了一种钻具井口磁通量检测装置，包括电流脉冲发生器、初级线圈、次级线圈、仪表放大电路、滤波电路、A/D转换和上位机。所述的初级线圈在外侧，为钻具提供脉冲磁场，脉冲电流发生器为初级线圈提供脉冲电流。所述次级线圈安装在初级线圈内部，次级线圈的导线与仪表放大电路连接。所述仪表放大电路、滤波器和A/D转换器组成信号调理电路，次级线圈导线与仪表放大电路连接，仪表放大电路与滤波电路连接，滤波电路与A/D转换器连接，A/D转换器与上位机连接。

同时，更优的，在具体应用时，应当注意以下技术个问题：

（1）将初级线圈和次级线圈安装在防爆防水散热外壳内，形成磁通传感器，将其安装在钻具井口无损检测装置上。

（2）考虑到漏磁、涡流等无损检测对钻具磁导率的影响，起钻时，宜将磁通传感器放在最下方，下钻时，宜将磁通检测放在其他检测传感器最上方。

（3）对于不同规格的钻具，调整初级线圈脉冲电流的大小，得到不同的磁通量积分，在上位机中建立数据库。

（4）测量时，对于不同规格钻具，调用数据库中相应的磁通量积分曲线，便于准确判断钻具鐾厚变化。

实施例2

本发明提供的钻具井口磁通量检测方法，其特征在于步骤包括：

第1步：将自动卡瓦卡持住钻柱接箍下方，然后吊装在转盘转台内；

第2步：将检测装置安装在自动卡瓦上；

第3步：通过检测装置的电流脉冲发生器向初级线圈提供脉冲电流；

第4步：利用次级线圈获得钻具内外表面磨损和腐蚀情况；初级线圈通电瞬时，会在次级线圈中产生瞬时电流，得到一个瞬时电压，电磁感应产生的电流强度以及电压的大小依赖于钻具材料的磁导率和截面积，钻具内外表面磨损或腐蚀严重会导致截面积发生变化，因此测得的磁通量也会变化，即电磁感应产生的电流以及电压都会变化，其曲线可反映出钻杆内外表面磨损和腐蚀情况。

第5步：仪表放大电路将次级线圈因电磁感应产生的电流或电压进行放大；

第6步：滤波电路对放大后的信号进行滤波处理；

第7步：A/D转换电路将信号数字化处理，输入上位机；

第8步：计算磁通量Φ如下：

式中：B为初级线圈产生的磁场磁感应强度，ds为钻具截面积的微分，Φ为穿过钻具整个截面积S的磁通量；

如果钻具由初级线圈固定大的磁场H所饱和，钻具的磁化强度（M）为一个恒定值。除开钻杆加厚过渡区，磁通变化与钻具的截面积是成比例的。利用图2将磁通量积分测得的平均壁厚和直接测得的壁厚进行对比，可看出磁通量与钻具截面积成比例。

实施例3

本检测方法的最佳实施方式为，控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到控制钻具磁导率使其为最大值。具体是：传感器参数的控制。磁通量等于磁导率与磁场强度的乘积，钻具因磨损和腐蚀时截面积发生变化，所能感应的磁场强度发生变化，因此可用电磁传感器即次级线圈测定截面积的变化。为使次级线圈能够感应到钻具磁通量的变化，要求初级线圈提供足够强的磁场，通常磁化强度愈强，初级线圈的体积也愈大。当初级线圈对钻具施加磁场时，只有当钻具的磁导率达到最大值即Pm处时，输出的磁通量信号才比较明显，测量结果才能达到理想，因此磁通量传感器的控制要求是使钻具的磁导率工作在最大值Pm处，即通过控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到控制钻具磁导率使其为最大值的目的。图3为钻具的磁化特性曲线和磁导率随磁场强度变化的曲线，图中P _m点为其最大磁导率点，M为磁化曲线上的点。其余同实施例2。

Claims (5)

1.一种钻具井口磁通量检测装置，其特征在于：包括电流脉冲发生器、初级线圈、次级线圈、仪表放大电路、滤波电路、A/D转换器和上位机，其中：所述的电流脉冲发生器与初级线圈连接，次级线圈安装在初级线圈内部，次级线圈内设置有待检测的钻具，次级线圈的导线与仪表放大电路连接，仪表放大电路与滤波电路连接，滤波电路与A/D转换器连接，A/D转换器与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的钻具井口磁通量检测装置，其特征在于：所述仪表放大电路、滤波电路和A/D转换器组成信号调理电路。

3.根据权利要求1所述的钻具井口磁通量检测装置，其特征在于：所述的初级线圈和次级线圈安装在防水防爆散热外壳内。

4.实现如权利要求1所述钻具井口磁通量检测装置的检测方法，其特征在于步骤包括：

第1步：将自动卡瓦卡持住钻柱接箍下方，然后吊装在转盘转台内；

第2步：将检测装置安装在自动卡瓦上；

第3步：通过检测装置的电流脉冲发生器向初级线圈提供脉冲电流；

第4步：利用次级线圈获得钻具内外表面磨损和腐蚀情况：初级线圈通电瞬时，会在次级线圈中产生瞬时电流，得到一个瞬时电压，电磁感应产生的电流强度以及电压的大小依赖于钻具材料的磁导率和截面积，钻具内外表面磨损或腐蚀严重会导致截面积发生变化，因此测得的磁通量也会变化，即电磁感应产生的电流以及电压都会变化，其曲线可反映出钻杆内外表面磨损和腐蚀情况；

第5步：仪表放大电路将次级线圈因电磁感应产生的电流或电压进行放大；

第6步：滤波电路对放大后的信号进行滤波处理；

第7步：A/D转换电路将信号数字化处理，输入上位机；

第8步：计算磁通量Φ如下：

式中：B为初级线圈产生的磁场磁感应强度，ds为钻具截面积的微分，Φ为穿过钻具整个截面积S的磁通量。

5.根据权利要求4所述的钻具井口磁通量检测装置的检测方法，其特征在于：控制初级线圈脉冲电流来控制磁场强度，达到控制钻具磁导率使其为最大值。