CN102518422A - 检测并识别油田井下套管现态受力的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测并识别油田井下套管现态受力的方法。该方法首先检测井下套管的历史综合受力状况；第二，将磁记忆检测仪下放到目的测量井段下端，启动磁处理器，沿井下套管向上运动，对套管内剩磁进行磁中和处理；第三，井下套管磁中和处理后，测量拾取漏磁场法向分量Hy，地面处理系统将采样数据序列用汉宁滤波器进行数字滤波，用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，用去噪的信号

Description

检测并识别油田井下套管现态受力的方法

技术领域

本发明涉及油田油水井技术领域，具体的是一种油田井下套管现态受力的检测并识别方法。

背景技术

随着油田的不断开发，套损井数量正逐年增加，套损程度越来越严重。但是现阶段的套损检测技术仅限于对已经发生的套管损伤及历史综合受力情况进行判断，却不能对可能造成套管损伤的现态受力作出判断与识别，不能有效指导前期的套损预测与预防，这样就不能实现通过对新井或近期投产的油、水井套管进行检测，以指示出套损危险等级，指导开发方案的制定与调整。

发明内容

为了解决现有背景技术中的不足，本发明提供一种检测并识别油田井下套管现态受力的方法，该方法利用铁磁构件的磁记忆特性，可以准确可靠的探测与识别被测对象上以应力集中为特征的危险部位现态受力，并能半定量评价套管所受应力的分布状况，给出危险等级，从而达到早期预测及预防套损发生的目的，能为油田避免巨大的套损经济损失。

本发明的技术方案是：该检测并识别油田井下套管现态受力的方法具体实现步骤为：

（1）将金属套管磁处理及磁记忆检测仪在收紧极板托架情况下，下放到目的测量井段下端，由地面控制打开极板托架，使传感器推靠在套管壁表面，沿着井下套管向上以600米/小时速度匀速运动拾取漏磁场的法向分量Hy，得到数据序列为                                               

；

（2）利用金属套管磁处理及磁记忆检测仪将采样数据序列

进行完曼码编码后通过测井电缆发送给地面处理系统；

（3）地面处理系统将解调出的采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用于剔除数据中的短促干扰信号和无意义的孤立野值点，汉宁滤波器滤波后输出的数据序列；

（4）对数据序列

采用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，进行多尺度正交小波分解时，设尺度为，获得各尺度的小波分解系数W _j,k （

），选取相应的阈值，用非线性域值函数方法，即软阈值或者硬阈值方法，作用于小波分解系数

，得到新的小波系数W ^’ _j,k ；用新的小波系数W ^’ _j,k 进行信号重构，得到去噪的信号

；

（5）用去噪的信号

绘制出磁记忆数据和梯度曲线，根据曲线进行特征量提取，提取磁记忆信号的峰峰值或者K值，即梯度值，此时检测数据反映了井下套管的历史最大受力状况；

（6）再次将检测仪下放到目的测量井段下端，由地面控制启动磁处理器，沿着井下套管向上以600米/小时速度匀速运动对套管内剩磁进行磁中和处理；

（7）井下套管磁中和处理后，间隔一定时间以后，再次将检测仪下放到目的测量井段，沿井下套管运动拾取漏磁场法向分量Hy，地面处理系统将采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，用去噪的信号

绘制出磁记忆数据和梯度曲线，此时检测数据反映了井下套管的现态受力状况；

（8）将所获取的历史综合受力和现态受力的磁记忆信号峰峰值与四级半定量化评价井下套管应力分布状况表相对照，判断油井套管所受应力情况并预测套管损害的危险程度。

本发明具有如下有益效果：由于采取上述方法后，可以准确的探测被测套管上以应力集中为特征的危险部位历史综合受力和识别现态受力，并能半定量评价套管所受应力的分布状况，从而给出危险等级。对达到三级危险以上的应力集中套管井段定期进行检测，并指导开发方案的制定与调整，因此可以为油田避免巨大的套损经济损失，对油田的产能建设和油田的可持续发展具有重要意义。

附图说明：

图1是本发明所使用的金属套管磁处理及磁记忆检测仪的结构示意图；

图2是地磁场中套管应力集中区磁记忆响应分布图；

图3是加力130kN磁中和处理前加力存在时磁记忆响应图；

图4是加力130kN磁中和处理后加力存在时磁记忆响应图；

图5是加力130kN撤掉以后再磁中和处理后的磁记忆响应图；

图6是拉15丙264井磁中和处理前660米附近磁记忆响应曲线图；

图7是拉15丙264井磁中和处理后660米附近磁记忆响应曲线图；

图8是拉15丙264井磁中和处理前800米附近磁记忆响应曲线图；

图9是拉15丙264井磁中和处理后800米附近磁记忆响应曲线图。

图1中1-仪器头，2-扶正器，3-磁处理器，4-电路筒，5-测量器，6-极板大支撑臂，7-极板托架，8-传感器，9-连杆。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

地磁场中的金属套管在工作异常载荷的作用下，应力集中区表面会形成磁记忆响应的漏磁场分布形式，磁场的切向分量Hx会出现最大值，而法向分量Hy的符号会发生改变，且具有过零值点，如图2所示，图中横坐标X轴为扫描行程距离（mm）、纵坐标Y轴为漏磁场磁场强度（A/m）。磁记忆检测即通过漏磁场的法向分量Hy的过零点和K值，即法向分量Hy的梯度变化量，来反映构件的应力集中情况。

图3、图4和图5是套管在室内加力和利用磁处理器3进行磁中和处理的试验。图3是加力130kN磁中和处理前加力存在时磁记忆响应峰峰值。图4是加力130kN磁中和处理后加力存在时磁记忆响应峰峰值。比较图3和图4看出，在套管受力存在情况下，磁中和处理对磁记忆响应峰峰值几乎无影响。比较图3、图4和图5看出，在套管受力撤掉后（即撤销130kN加力），磁记忆响应峰峰值也消失。该试验结果证明了磁记忆响应现象具有这样一种特性——历史受力及磁污染产生的磁记忆响应可以被磁中和处理掉，而现态受力的磁记忆响应不能被磁中和处理掉。这也证明了利用磁记忆检测仪和磁处理器，进行油田井下套管现态受力磁记忆响应检测与识别方法的可行性。

图1所示这种金属套管磁处理及磁记忆检测仪，包括仪器头1，仪器头1通过扶正器2连接有磁处理器3，磁处理器3下方为电路筒4以及测量器5；其中仪器头1的作用在于和测井电缆及电缆头连接，而扶正器2的作用就是利用弹簧片使得仪器在井下套管内居中。磁处理器4的作用是对井下套管进行磁中和处理。电路筒4的内部空间则是为了放置电路板。

测量器5由极板大支撑臂6、极板托架7、传感器8、连杆9构成，其中传感器8固定于极板托架7上的嵌入槽中。

仪器传感器的数量为8个，分别安装在均匀分布于仪器四周的8个极板托架上，而每两个极板大支撑臂之间成45度夹角，这样便于采集、处理信号。

将上述检测仪在收紧极板托架情况下，就可以下放到目的测量井段，由地面控制其中的电机正转后，打开极板托架，使传感器推靠在套管壁表面，沿着井下套管径向匀速运动，之后就可以按照下面的步骤完成对套管受力情况的检测与识别了。

（1）利用金属磁记忆检测仪拾取漏磁场的法向分量Hy，经过内部电路的放大、滤波、A/D模数转换等完成采样，采样得到的数据序列为

；

（2）利用金属磁记忆检测仪将采样数据序列进行完脉冲调制编码后通过测井电缆发送给地面处理系统；

（3）地面处理系统将解调出的采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用于剔除数据中的短促干扰信号和无意义的孤立野值点，汉宁滤波器滤波后输出的数据序列

；

汉宁滤波器，其表达式为

=

                       (1)

=        

式中  

是传感器采样的数据序列；

为数字滤波后的输出（剔除数据中的短促干扰信号和无意义的孤立野值点后的数据），

为汉宁窗函数；

（4）对数据序列

采用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，进行多尺度正交小波分解时，设尺度为

，获得各尺度的小波分解系数W _j,k （

），选取相应的阈值，用非线性域值函数方法，即软阈值或者硬阈值方法，作用于小波分解系数

，得到新的小波系数W ^’ _j,k ；用新的小波系数W ^’ _j,k 进行信号重构，得到去噪的信号

。

具体的说，小波分析具有良好的时域特性，在时域和频域同时具备定位能力。对高频分量采取逐渐精细的时域和空域步长，可以聚焦到被处理信号的任何细节，具有多分辨率的特性，在降低噪声的同时能够较好地保留边缘。因此，小波变换在信号或图像降低噪声、压缩、编码等领域应用广泛。

小波是函数空间L ² （R）中满足下述“容许性条件”的一个函数或者信号

：

C _Ψ  =

 < ∞                    (2)

式中  R ^*  = R - ｛0｝,表示非零实数全体；ω为频域自变量；

也称为小波母函数。对于任意的函数或者信号

，其小波变换定义为

W _f （a,b）=

                 =  

             （3）

式中  a为尺度函数；b为平移函数；

为小波函数的共轭函数。

因此，对任意的函数

，它的小波变换是一个二元函数。这是小波变换和Fourier变换很不相同的地方。常用的二进离散小波变换，函数

的二进离散小波变换记为

，定义为

 =

W _f （2 ^k ,b）=

            （4）

被处理的信号

的离散序列

经过低通和高通分解及二抽取，得到了二进尺度下的一组离散小波系数（细节信息）和离散近似信息（低频），即小波变换能把信号分解到表示不同频带的各个尺度上，并且重构过程是可逆的。

噪声和信号在小波变换下具有不同的特性：①噪声几乎是处处奇异的。在小波变换下，噪声的平均幅值与尺度因子2 ^j 成反比，平均模极大值个数与2 ^j 成反比。即噪声的能量随尺度的增大迅速减小。信号多数情况下光滑性要好一些，在较小的若干尺度上，信号的小波变换随尺度的增大幅值不会减小；②噪声在不同尺度上的小波变换是高度不相关的。信号的小波变换则一般具有很强的相关性，相邻尺度上的局部模极大值几乎出现在相同的位置上，并且有相同的符号。

小波指数下降消除噪声方法是指对于含噪声的观测信号（即数字滤波后的采样数据序列）

，在小波域的模型为

                       （5）

式中 

为高斯白噪声，零均值；

为噪声强度；。

从污染的观测数据

中获得原始信号

，对磁记忆信号来说尤其重要。通常利用俄罗斯动力诊断公司提出的梯度极大值判断准则判断套管应力集中区域的位置，若数据有噪声，则求到的梯度值会严重偏离真实值，失去了磁记忆的特有“记忆功能”。

小波非线性滤波方法大致可分为以下3个步骤：

①、对，进行多尺度正交小波分解(设尺度为

)，获得各尺度的小波分解系数W _j,k （

）；

②、选取相应的阈值，用非线性域值函数方法(软阈值或者硬阈值方法)作用于小波分解系数

，得到新的小波系数W ^’ _j,k ；具体方法是将第一层、第二层的分解后小波分解系数强制为零，即W _1,k  = 0、W _2,k  = 0，其他小波分解系数不变，这样得到新的小波系数W ^’ _j,k  。

③、用新的小波系数W ^’ _j,k 进行信号重构，得到去噪的信号

。

为了提高信噪比，采用指数下降小波消噪方法。对于小波变换的高频系数，绝对值小的噪声成分较多，绝对值大的噪声成分较少。因此，可以让绝对值大的系数基本不变，除以一个大于1接近于1的降噪因子，较小的系数较大的降噪因子。

W ^’ _j,k  = W _j,k /d                                  （6）

d = exp(-

/a+b)+1                      （7）

=                          （8）

式中  

为常数，

，一般取

=2；

为

的均值；

为

的标准差。

    参数a和b为

                           （9）

  

                           （10）

得到W ^’ _j,k 后，通过小波逆变换即可重构

（即去处噪声的原始信号）。

（5）用去噪的信号绘制出磁记忆数据和梯度曲线，根据曲线进行特征量提取，提取磁记忆信号的峰峰值或者K值，即梯度值，此时检测数据反映了井下套管的历史最大受力状况；

（6）再次将检测仪下放到目的测量井段，由地面控制启动磁处理器，沿着井下套管向上以600米/小时速度匀速运动对套管内剩磁进行磁中和处理；

（7）井下套管磁中和处理后，间隔适当时间以后，再次将检测仪下放到目的测量井段，沿井下套管运动拾取漏磁场法向分量Hy，地面处理系统将采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，用去噪的信号

绘制出磁记忆数据和梯度曲线，此时检测数据反映了井下套管的现态受力状况；

（8）将所获取的井下套管历史受力和现态受力磁记忆信号峰峰值与四级半定量化评价井下套管应力分布状况表相对照，判断油井套管所受应力情况并预测套管损害的危险程度。

目前，这种检测仪已经成功地在油田进行了20多井次的现场试验。

下面以拉15丙264井现场测井资料为例进行具体应用实验：

图6是拉15丙264井磁中和处理前660米附近磁记忆响应曲线图，图7是拉15丙264井磁中和处理后660米附近磁记忆响应曲线图。比较图6和图7，图7中的磁污染造成的异常起伏经过磁中和处理处理后，在图7中显示已经全部消除掉。图6和图7中634米、644米、654米、664米处曲线剧烈波动是套管接箍处，套管接箍处由于钻机的拧紧产生巨大的应力集中，由于套管接箍处现态受力存在，接箍处磁记忆峰峰值响应在磁中和处理前后没有什么变化。从图中可以看出在661米附近八个探头分别出现不同程度的磁记忆响应峰峰值，比较图6和图7磁中和处理前后几乎无任何变化，说明该井在661米处有应力集中现象，套管在此处一直处于受力状态，很明显此处即是现态受力情况下的应力集中区域。在661米处的磁记忆峰峰值响应提取出八个通道（八个磁敏传感器测量的数据）的磁记忆峰峰值列出表1。

       位于661米处的应力集中区磁记忆峰峰值           表1

由表1看出，最大峰峰值为通道一：241 A/m , 按照外径139.7mm、壁厚7.62mm规格套管进行应力评价分级为一级，就是无危险级，已经产生应力集中现象，还没有产生变形。由于该井是试验井，早已经停产，不用采取任何处理措施。结合以前所测的井径资料，在661米处的确没有变形，建议对此井进行定期监测。

图8是拉15丙264井磁中和处理前800米附近磁记忆响应曲线图，图9是拉15丙264井磁中和处理后800米附近磁记忆响应曲线图。比较图8和图9，图8中的磁污染引起的异常起伏经过磁中和处理处理后，在图9中显示已经全部消除掉。尤其在图8的822.5米处，即823.6米处接箍上面1米左右），磁记忆响应峰峰值在磁中和处理后的图9中已经不存在了，说明该处是历史受力产生的磁记忆响应峰峰值，在历史受力消失情况下被磁中和处理掉了。图8和图9中792米、802米、804米、814米、823.6米处曲线剧烈波动是套管接箍处，套管接箍处由于钻机的拧紧产生巨大的应力集中，由于套管接箍处现态受力存在，接箍处磁记忆峰峰值响应在磁中和处理前后没有变化。该井的现场测井资料客观地说明在历史受力消除后，磁污染和历史受力产生的磁记忆峰峰值响应完全被磁中和处理掉，这也进一步说明了该方法在检测历史受力和现态受力磁记忆响应峰峰值方面的应用效果。 

该方法的现场测井资料客观地说明在历史受力消除后，磁污染和历史受力产生的磁记忆峰峰值响应完全被磁中和处理掉，这也进一步说明了该方法在检测历史受力和现态受力磁记忆响应峰峰值方面的应用效果。

Claims (1)

1. 一种检测并识别油田井下套管现态受力的方法，这种探测方法的具体实现步骤为：

（1）将金属套管磁处理及磁记忆检测仪在收紧极板托架情况下，下放到目的测量井段下端，由地面控制打开极板托架，使传感器推靠在套管壁表面，沿着井下套管向上以600米/小时速度匀速运动拾取漏磁场的法向分量Hy，得到数据序列为                                               

；

（2）利用金属套管磁处理及磁记忆检测仪将采样数据序列

进行完曼码编码后通过测井电缆发送给地面处理系统；

（3）地面处理系统将解调出的采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用于剔除数据中的短促干扰信号和无意义的孤立野值点，汉宁滤波器滤波后输出的数据序列

；

（4）对数据序列

采用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，进行多尺度正交小波分解时，设尺度为

，获得各尺度的小波分解系数W _j,k （

），选取相应的阈值，用非线性域值函数方法，即软阈值或者硬阈值方法，作用于小波分解系数

，得到新的小波系数W ^’ _j,k ；用新的小波系数W ^’ _j,k 进行信号重构，得到去噪的信号

；

（5）用去噪的信号

绘制出磁记忆数据和梯度曲线，根据曲线进行特征量提取，提取磁记忆信号的峰峰值或者K值，即梯度值，此时检测数据反映了井下套管的历史最大受力状况；

（6）再次将检测仪下放到目的测量井段下端，由地面控制启动磁处理器，沿着井下套管向上以600米/小时速度匀速运动对套管内剩磁进行磁中和处理；

（7）井下套管磁中和处理后，间隔一定时间以后，再次将检测仪下放到目的测量井段，沿井下套管运动拾取漏磁场法向分量Hy，地面处理系统将采样数据序列

用汉宁滤波器进行数字滤波，用Db4小波函数、分解层数选择4层进行指数小波降噪，用去噪的信号

绘制出磁记忆数据和梯度曲线，此时检测数据反映了井下套管的现态受力状况；

（8）将所获取的历史综合受力和现态受力的磁记忆信号峰峰值与四级半定量化评价井下套管应力分布状况表相对照，判断油井套管所受应力情况并预测套管损害的危险程度。

Images