CN104481501B - 一种远场电磁涡流测井仪及其定量解释的刻度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种远场电磁涡流测井仪及其定量解释的刻度方法，将仪器停留在套管壁完好的井段，仪器上电工作后，先输入该井完好井段套管壁厚度D，仪器单片机控制器采集到参数D后，计算出比例系数K；然后仪器单片机发射从5Hz到43Hz连续变化的方波信号，方波信号随套管壁变化后经仪器接收线圈接收，经电路处理后送入控制器，控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，解释出的套管壁厚就可以去掉这些参数(σ、μ、d)的影响，使远场电磁涡流测井仪实现定量解释，并且仪器测量灵敏度有较大提高。
Description
技术领域
本发明属于井下套管井测井仪技术领域，特别是涉及一种远场电磁涡流测井仪及其定量解释的刻度方法。
背景技术
在石油开发领域中，当油田开发进入中晚期，井下套管受硫化氢、二氧化碳的腐蚀以及受地层应力、高温高压的作用，会出现不同程度的破损。按油田开发要求，套管在井下工作超过20年，就应该定期进行监测。当发现套管壁破损超过50％时，应及时进行修复。否则当套管壁破损出现断裂或穿孔时，不但很难修复，而且很可能会造成油井报废。因此，定量监测套管壁的破损和掌握其破损趋势非常重要。
目前，国内外应用远场电磁涡流测量套管壁厚的方法很多。这些仪器大多是通过应用电磁波在套管中传播时初相角的变化与传播距离之间的线性关系来计算套管厚度的。其中涉及的最主要的两个参数套管本身的电导率σ和磁导率μ受套管材料、批次、使用年数等因素影响很难确定其参数值。这些仪器均通过估算套管的电导率值和磁导率值来解释套管厚度的。因此，这些仪器均在定性或半定量解释水平上，均没有达到定量解释的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种远场电磁涡流测井仪及其定量解释的刻度方法，该方法主要解决了仪器测量结果受套管本身的电导率σ和磁导率μ影响的问题，避免了套管因套管材料、批次、使用年数等因素对测量结果造成的误差。通过本发明方法还可以保证仪器在最佳频率下工作，使仪器测量灵敏度有较大提高，实现了远场电磁涡流测井仪的定量解释。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种远场电磁涡流测井仪，包括设置于套管内的发射线圈和接收线圈；发射线圈通低频交流电，接收线圈置于远离发射线圈2～3倍管内径处的远场区；发射线圈在套管周围产生电磁场，并在发射线圈和接收线圈之间形成磁路；发射线圈和接收线圈均与单片机控制器相连，单片机控制器上还连接有用于测量电磁波相角信息的自动跟踪系统，单片机控制器根据接收线圈接收的信号、输入的所测井套管壁厚度以及电磁波的相角信息，解释出套管的实际厚度。
本发明进一步的改进在于：
自动跟踪系统包括信号驱动模块以及放大电路；信号驱动模块与放大电路均与单片机控制器相连，单片机控制器通过信号驱动模块与发射线圈相连，接收线圈通过放大电路与单片机控制器相连。
一种远场电磁涡流测井仪的定量解释刻度方法，包括以下步骤：
1)将测井仪停留在套管壁完好井段；
2)测井仪上电工作后，以毫米为单位输入完好井段套管壁厚度D，存入仪器的存储器中；
3)根据完好井段套管壁厚度D和相位差φ的正比例关系求出比例系数K，其中，φ＝K×D，φ＝300°；φ为测量信号与发射信号的相位差；
4)将比例系数K存入远场电磁涡流测井仪器的存储器中；
5)确定最佳工作频率f0；
6)测井时，用最佳工作频率f0作为仪器的发射频率，最后解释在最佳工作频率f0下的测井数据相位差φ，利用比例系数K，根据φ＝K×d解释出实际套管厚度d。
所述的步骤3)中，比例系数K的计算方法具体为：
按照电磁波在介质中传播时的公式：
B为在介质中传播距离为d时的磁通密度；B0为在进入介质前的磁通密度；d为传播距离；f为频率；μ为磁导率；σ为电导率；t为时间；
得到电磁波的相位变化φ与传播距离d的关系公式：
当时，
φ＝K×d (3)
根据仪器发射信号穿过套管金属时，发射信号相位变化φ与在套管内的传播距离d的线性关系φ＝K×d，令在套管内的传播距离d为完好井段套管壁厚度D，令发射信号的相位变化φ为300°，计算出比例系数K。
所述的步骤5)中，确定最佳工作频率的具体方法是：
a)初始化测井仪的发射频率f＝5Hz；
b)测井仪单片机控制器发射频率为f的方波信号；
c)单片机控制器检测接收经电路处理后的接收线圈接收的信号；
d)单片机控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，并判断相位差φ是否为300°；
e)若φ为300°，则单片机控制器将此发射频率锁定，此频率即为该油井套管条件下，仪器的最佳工作频率f0；
f)否则，单片机控制器改变发射频率，使发射频率f＝f+1Hz；重复步骤b)～f)，直到从5～43Hz中选出该油井套管条件下的仪器的最佳工作频率f0。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、测量结果不受套管本身的电导率σ和磁导率μ影响：
通过本刻度方法,使仪器在最佳频率下工作，去掉了套管材料电导率和磁导率的影响，利用最佳K值解释出的套管壁厚度就不再受套管材料电导率σ和磁导率μ的影响。
2、测量分辨率高：
所测套管壁厚度一定时，对应的初相角变化区间越大，测量的分辨率就越高。当初相角变化超过300°时，测量结果会由于干扰引起测量误差。因此，用本方法刻度时，将测量曲线的初相角变化范围定为0～300°，仪器具有较高的分辨率。
3、实现远场电磁涡流测井仪的定量解释。
通过本方法刻度，远场电磁涡流测井仪测量出的曲线，既不受套管材料电导率σ和磁导率μ的影响，又可以工作在最灵敏的状态。也只有经过这样的刻度，才能完成精确的定量解释。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明电磁波穿过铁磁套管时幅度衰减曲线；
图3为本发明电磁波穿过铁磁套管时相位滞后曲线；
图4为本发明最佳频率的工作原理图；其中，图4-1为发射频率小于最佳工作频率f0时，初相角变化范围；图4-2为发射频率大于最佳工作频率f0时，初相角变化范围；图4-3为发射频率等于最佳工作频率f0时，初相角变化范围；
图5为频率自动跟踪系统电路工作原理；
图6为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细的说明：
参见图1，本发明远场电磁涡流测井仪，包括设置于套管4内的发射线圈1和接收线圈3；发射线圈1通低频交流电，接收线圈3置于远离发射线圈1的2～3倍管内径处的远场区；发射线圈1在套管4周围产生电磁场，并在发射线圈1和接收线圈3之间形成磁路5；发射线圈1和接收线圈3均与单片机控制器相连，单片机控制器上还连接有用于测量电磁波相角信息的自动跟踪系统，自动跟踪系统包括信号驱动模块以及放大电路；信号驱动模块与放大电路均与单片机相连，单片机通过信号驱动模块与发射线圈1相连，接收线圈3通过放大电路与单片机相连。单片机控制器根据接收线圈3接收的信号、输入的所测井套管壁厚度以及电磁波的相角信息，解释出套管的实际厚度。
本发明还公开了一种远场电磁涡流测井仪的定量解释刻度方法，包括以下步骤：
1)将测井仪停留在套管壁完好井段；
2)测井仪上电工作后，以毫米为单位输入完好井段套管壁厚度D；
3)测井仪单片机控制器采集到参数D后，存入仪器的存储器中；
4)根据完好井段套管壁厚度D和相位差φ＝300°时，利用测量信号与发射信号的相位差φ与套管壁厚度参数d的正比关系求出其比例系数K，其中φ＝K×d；比例系数K的计算方法具体为：
按照电磁波在介质中传播时的公式：
B为在介质中传播距离为d时的磁通密度；B0为在进入介质前的磁通密度；d为传播距离；f为频率；μ为磁导率；σ为电导率；t为时间；
得到电磁波的相位变化φ与传播距离d的关系公式：
当时，
φ＝K×d (3)
根据仪器发射信号穿过套管金属时，发射信号相位变化φ与在套管内的传播距离d的线性关系φ＝K×d，令在套管内的传播距离d为完好井段套管壁厚度D，令发射信号的相位变化φ为300°，计算出比例系数K。
从(1)式可以看出：电磁波在介质中传播时，电磁波初相角产生滞后，滞后的初相角φ与介质的电导率σ、磁导率μ、仪器发射频率f以及在介质中传播的距离d有关。因此，当套管材料和仪器发射频率固定后，初相角φ的变化与传播距离d呈线性关系。即当套管的电导率σ、磁导率μ和发射频率f确定后，电磁波初相角φ的变化与电磁波的传播距离d成正比。
在仪器刻度时，首先将仪器下井后停在套管无破损的完好井段(离套管接箍和井口的距离应大于3米)，然后应用仪器的频率自动跟踪系统，将发射频率从5hz到43hz连续扫描，同时检测接收信号的初相角φ，当初相角φ变化300°时，锁定发射频率f，该频率f就是在测量这种套管时的最佳工作频率。根据这种套管的正常实际厚度和相位差300°，由公式(3)计算出的K值就是测量该套管壁时的最佳K值，单位量纲为(度/毫米)。这样，用最佳工作频率作为仪器的发射频率，用最佳K值作为公式(3)的K值，根据检测信号初相角φ的变化，利用公式(3)来解释套管的实际厚度，解释结果就不再受套管材料电导率σ、磁导率μ的影响。也就是说，通过改变发射频率f来补偿套管电导率σ、磁导率μ的变化，以保证π、f、σ、μ乘积的平方根即仪器测量时的K值为最佳K值。
由公式(3)知，测量信号初相角φ的变化与所测套管壁厚度d成正比。因此，测量信号的初相角φ的变化范围与仪器测量精度有关。套管壁厚度一定时，对应的初相角变化区间越大，测量的分辨率就越高。但当初相角变化超过300°时，会因为干扰使曲线回零，造成曲线跳尖。因此，将测量信号的初相角φ的变化范围定为0～300°。这样，仪器在最佳频率下工作时，具有较高的测量灵敏度。
5)将比例系数K存入远场电磁涡流测井仪器的存储器中；
6)确定最佳工作频率f0；
确定最佳工作频率的具体方法是：
a)初始化测井仪的发射频率f＝5Hz；
b)测井仪单片机控制器发射频率为f的方波信号；
c)单片机控制器检测接收经电路处理后的接收线圈接收的信号；
d)单片机控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，并判断相位差φ是否为300°；
e)若φ为300°，则单片机控制器将此发射频率锁定，此频率即为该油井套管条件下，仪器的最佳工作频率f0；
f)否则，单片机控制器改变发射频率，使发射频率f＝f+1Hz；重复步骤b)～f)，直到从5～43Hz中选出该油井套管条件下的仪器的最佳工作频率f0。
7)测井时，用最佳工作频率f0作为仪器的发射频率，最后解释测井数据相位差φ时，利用比例系数K，根据φ＝K×d解释出套管的实际厚度。
本发明的原理：
如图1所示远场电磁涡流测井仪的工作原理：
远场电磁涡流测井仪包括发射线圈1和接收线圈3。发射线圈1通低频交流电，接收线圈3置于远离发射线圈1的2～3倍管内径处的远场区。发射线圈1在套管4周围产生电磁场，总磁场按照磁场的物理行为被分为直接磁场和间接磁场。由于直接磁场是自由空间磁场和套管内部感应产生的次级磁场的总和，它不包含有关管壁厚度的任何信息。提供管壁厚度信息的是间接磁场。在间接磁场中，低频信号的相位变化与套管内的传播距离大致呈线性关系。因此，通过测量接收线圈中信号的初相角变化就可以解释出套管壁厚度。
在使用时，将仪器停留在套管壁完好的井段，仪器上电工作后，先输入该井完好井段套管壁厚度D，仪器单片机控制器采集到参数D后，根据仪器发射信号穿过套管金属时，发射信号相位变化φ与在套管内的传播距离d的线性关系(公式3)，令在套管内的传播距离d为完好井段套管壁厚度D，令发射信号的相位变化φ为300°，计算出比例系数K；将比例系数K存入仪器的存储器中，然后仪器单片机发射从5Hz到43Hz连续变化的方波信号，方波信号随套管壁变化后经仪器接收线圈接收，经电路处理后送入控制器，控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，两信号的相位差，即发射信号的相位变化φ，会随发射频率的变化从0°到360°变化，当相位差φ变化到300°时，频率自动跟踪系统会将发射频率锁定，此频率即为该油井套管条件下，仪器工作的最佳频率f0；测井时，使用f0作为工作频率，最后解释测井数据相位差φ时，利用比例系数K，根据公式(3)解释出的套管壁厚就可以去掉这些参数(σ、μ、d)的影响，使远场电磁涡流测井仪实现定量解释，并且仪器测量灵敏度有较大提高。
从图1看出：电磁波从发射器到接收器的传播路径中，经历了两轮的衰减和相移。因此，在实际测井时，测量信号的初相角计算公式应考虑电磁波第一次穿透套管壁时的相位移φ1。
从图2看出：当电磁波传播进入套管壁时，其幅度按指数关系衰减。其中，图中灰色区域为套管介质，白色区域为空气
从图3看出：当电磁波传播进入套管壁时，电磁波的初相角按线性关系滞后。其中，图中灰色区域为套管介质，白色区域为空气。
从图4看出：当发射线圈的发射频率小于最佳工作频率f0时，在测量相同厚度的套管壁时，测量信号的初相角变化范围相对于最佳工作频率f0时小。因此，测量灵敏度小于发射频率为f0时。当发射线圈的发射频率大于最佳工作频率f0时，测量信号的初相角可能会因为大于360°而回零，使测得的信号初相角错误。如图4-2所示，使测得的初相角为130°，在使用解释软件解释套管厚度时，就无法确定套管的厚度是d1，还是d4。因此，必须保证测量信号的初相角不产生回零，否则，造成多解而无法解释套管厚度。本刻度方法为避免因干扰引起的信号回零，将测量信号的初相角的变化范围定为0-300°。利用仪器的频率自动跟踪系统，将发射频率锁定为最佳工作频率f0。其中，图中灰色区域为套管介质，白色区域为空气。
从图5看出：频率自动跟踪系统包括单片机、信号驱动、发射线圈、接收线圈、放大电路五部分。将仪器下到井下完好井段进行刻度时，首先通过单片机的输入接口以毫米为单位输入要测套管的正常壁厚，然后单片机发出5hz的方波信号，经过信号驱动对单片机发出的方波信号进行功率放大，使其满足发射线圈的功率要求。发射线圈通方波信号后在套管周围产生一个磁场，磁场的磁通量受套管控制，磁通量在接收线圈中产生感应电压。感应电压经放大电路放大足够倍数后变成矩形波。通过单片机检测发射信号和放大电路输出信号的过零点，根据信号周期计算出两信号之间的相位差。最后，判断相位差是否为300°，若为300°，则此频率为仪器的最佳工作频率，否则，单片机发出的频率加1，重新按上述步骤设定工作频率，直到从5～43Hz中选出最佳工作频率。
如图6所示，本发明具体的刻度过程如下：
1.将仪器停留在套管壁完好井段；
2.仪器上电工作后，以毫米为单位输入完好井段套管壁厚度D；
3.仪器单片机控制器采集到参数D后，存入仪器的存储器中；
4.根据仪器发射信号穿过套管金属时，发射信号相位变化φ与在套管内的传播距离d的线性关系(公式3)，令在套管内的传播距离d为完好井段套管壁厚度D，令发射信号的相位变化φ为300°，计算出比例系数K，该K值即是测量该套管壁时的最佳K值；
5.将比例系数K存入远场电磁涡流测井仪器的存储器中。
6.确定最佳工作频率：
a初始化仪器发射频率f＝5Hz；
b仪器单片机控制器发射频率为f的方波信号；
c单片机控制器检测接收经电路处理后的接收线圈接收的信号；
d单片机控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，并判断相位差φ是否为300°；
e若φ为300°，则单片机控制器将此发射频率锁定，此频率即为该油井套管条件下，仪器的最佳工作频率f0；
f否则，单片机控制器改变发射频率，使发射频率f＝f+1Hz；重复步骤b～f，直到从5～43Hz中选出该油井套管条件下的仪器的最佳工作频率f0；
7.当进行实际测井时，用最佳工作频率f0作为仪器的发射频率，最后解释测井数据相位差φ时，利用比例系数K，根据公式(3)解释出套管的实际厚度。
8.根据公式(3)解释出的套管厚度需除以2，才为套管的实际厚度。
对于不同直径和不同壁厚的套管都可以按以上方法进行刻度，测井前，只要求先输入套管型号。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种远场电磁涡流测井仪的定量解释刻度方法，该方法基于一种远场电磁涡流测井仪，所述远场电磁涡流测井仪包括设置于套管(4)内的发射线圈(1)和接收线圈(3)；发射线圈(1)通低频交流电，接收线圈(3)置于远离发射线圈(1)2～3倍管内径处的远场区；发射线圈(1)在套管(4)周围产生电磁场，并在发射线圈(1)和接收线圈(3)之间形成磁路(5)；发射线圈(1)和接收线圈(3)均与单片机控制器相连，单片机控制器上还连接有用于测量电磁波相角信息的自动跟踪系统，单片机控制器根据接收线圈(3)接收的信号、输入的所测井套管壁厚度以及电磁波的相角信息，解释出套管的实际厚度；自动跟踪系统包括信号驱动模块以及放大电路；信号驱动模块与放大电路均与单片机控制器相连，单片机控制器通过信号驱动模块与发射线圈(1)相连，接收线圈(3)通过放大电路与单片机控制器相连；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)将测井仪停留在套管壁完好井段；
2)测井仪上电工作后，以毫米为单位输入完好井段套管壁厚度D，存入仪器的存储器中；
3)根据完好井段套管壁厚度D和相位差φ的正比例关系求出比例系数K，其中，φ＝K×D，φ＝300°；φ为测量信号与发射信号的相位差；
4)将比例系数K存入远场电磁涡流测井仪器的存储器中；
5)确定最佳工作频率f0，其具体方法如下：
a)初始化测井仪的发射频率f＝5Hz；
b)测井仪单片机控制器发射频率为f的方波信号；
c)单片机控制器检测接收经电路处理后的接收线圈接收的信号；
d)单片机控制器将接收信号与发射信号进行相位比较，并判断相位差φ是否为300°；
e)若φ为300°，则单片机控制器将此发射频率锁定，此频率即为该套管条件下，仪器的最佳工作频率f0；
f)否则，单片机控制器改变发射频率，使发射频率f＝f+1Hz；重复步骤b)～f)，直到从5～43Hz中选出该套管条件下的仪器的最佳工作频率f0；
6)测井时，用最佳工作频率f0作为仪器的发射频率，最后解释在最佳工作频率f0下的测井数据相位差φ，利用比例系数K，根据φ＝K×d解释出实际套管厚度d。
2.根据权利要求1所述的远场电磁涡流测井仪的定量解释刻度方法，其特征在于：所述的步骤3)中，比例系数K的计算方法具体为：
按照电磁波在介质中传播时的公式：
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<mi>B</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mn>0</mn>
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<mrow>
<mo>-</mo>
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<mrow>
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<mi>f</mi>
<mi>&mu;</mi>
<mi>&sigma;</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
</msup>
<mo>&times;</mo>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>f</mi>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
<mi>d</mi>
<msqrt>
<mrow>
<mi>&pi;</mi>
<mi>f</mi>
<mi>&mu;</mi>
<mi>&sigma;</mi>
</mrow>
</msqrt>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
B为在介质中传播距离为d时的磁通密度；B0为在进入介质前的磁通密度；d为传播距离；f为频率；μ为磁导率；σ为电导率；t为时间；
得到电磁波的相位差φ与传播距离d的关系公式：
<mrow>
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<mo>-</mo>
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当时，
φ＝K×d (3)
根据仪器发射信号穿过套管金属时，发射信号相位差φ与在套管内的传播距离d的线性关系φ＝K×d，令在套管内的传播距离d为完好井段套管壁厚度D，令发射信号的相位差φ为300°，计算出比例系数K。
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