CN106194092A - 高压磨料射流海上套管切割状态判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高压磨料射流切割技术领域，公开了一种电磁与声波相结合的高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，具体为切割工具上安装电磁探头和声波传感器并连接于地面监测系统，地面监测系统由电源、电压调节模块、电磁监测模块、声波监测模块、数据采集模块、计算机组成；电磁监测模块向电磁探头发射正弦波信号，并对其接收到的感应电动势进行调理，而后由数据采集模块采集为感应电动势的幅值；同时声波监测模块对声波信号进行调理，并由数据采集模块采集为其在特定频率段的功率谱密度；计算机通过感应电动势的幅值和特定频率段的功率谱密度判断当前套管是否被切透。本发明在减少误判的同时提高切割效率、缩短作业周期、降低作业成本。
Description
技术领域
本发明涉及高压磨料射流切割技术领域，具体的说，是涉及一种电磁与声波相结合的高压磨料射流海上套管切割状态判别方法。
背景技术
海上油气井在钻井和生产过程中，必须通过隔水管将井筒延伸到海上平台，但由于油气井的寿命是有限的，一些特定用途的探井在完成了预定的功能后也不再使用，根据《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》和《中华人民共和国海洋倾废管理条例》等有关法律法规，不论是何种用途的油气井，如果已经报废或不再使用，必须拆除海平面到海底泥线处的套管等管柱，并回收到陆地，以消除高出泥线的套管对海上航行和其他的海上作业可能带来的危害和隐患。
一般情况下，海上套管有多层，各层之间的环形空间填充有水泥，从而将各层套管胶结在一起并形成一个整体，回收前必须将各层套管全部切断。由于海上作业费用昂贵，提高切割效率是降低成本的关键，但海洋石油套管切割系统复杂，切割效率受到多种因素的影响，包括射流压力、喷嘴直径、喷嘴个数、切割头转速、切割持续时间、喷距、磨料质量分数、磨料种类等。提高切割效率的关键是如何判断水下套管已被切断，尤其是高压磨料射流沿套管内壁旋转并逐点切割的过程中，如何判断某一切割点是否已经被切断。由于在切割过程中磨料含量、高压射流的压力等不可能始终保持一致，从而导致有些点在相同的时间内可能被切断，而另一些点则没有被切断，如果不能准确地判断各点是否已经被切断，可能导致不停地环绕切割，直到所有点全部被切断为止，这就造成了切割时间的延长和成本的增加。因此寻求一种准确判断某一切割点是否被切断的方法就显得特别重要。
美国专利US5381631涉及一种小直径并能下入套管内部的磨料切割机械系统，包括进料管线、混料室、磨料喷嘴、旋转控制系统等，但没有涉及到如何监测套管在某一切割点是否被切断的具体判别和实施方法。
Bostjan Jurisevic等人(Bostjan Jurisevic，Mihael Junkar，and MihaelJunkar，Monitoring of abrasive water jet(AWJ)cutting using sound detection[J],INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY，2004,24:733–737)阐述了一种水基射流磨料切割声波监测系统，其中声波传感器安装在被切割的工件上，其作用是调节切割头与工件的距离，以在不同厚度的工件上，切割出相同深度和相同宽度的切割痕迹，其控制的对象是切割头与被切割工件间的距离，前提条件是除了工件的厚度可变外，其他所有的切割参数均保持为定值。
Yasuyuki Nakamura等(Yasuyuki Nakamura，Kazuya Sano，and YoshituguMorishita,The Study on Abrasive Water Jet for Predicting the CuttingPerformance and Monitoring the Cutting Situation in the Water[J])研究了Fugen核电站压力管和压力排管式堆容器的切割问题，主要涉及磨料供给率对切割效果的影响，认为通过对声波和振动信号的监测有可能是一种判断压力管是否被切断的可行方法，但没有给出具体的判别方法和实施方案，也不涉及多层管柱和多种介质。
John W.Brandon等发表的论文(John W.Brandon,Bob Ramsey,and JamesMacfarlane，Abrasive Water-Jet and Diamond Wire-Cutting Technologies Used inthe Removal of Marine Structures[C]，2000Offshore Technology Conference heldin Houston,Texas,1–4May 2000.)介绍了两种切割油井套管的系统，包括磨料射流切割系统和金刚石线切割系统，其中磨料射流切割系统是在地面进行监测的，监测内容包括携带磨料的水介质的压力、磨料密度、喷嘴位置、喷嘴转速，这些监测内容对保障切割系统的正常工作是必要的，但未见给出套管是否被切断的具体判别方法，且切割的套管是单管，与隔水管的结构也不尽相同。
国内专利磨料射流系统(CN104271316A)，主要涉及一种用于工厂生产用途的磨料射流切割系统，该系统通过压力传感器监测流动回路中的压力，以便调节压力和磨料，没有考虑被切割介质的切割状态，因此将其应用在隔水管仍然存在重复切割的问题。专利悬浮磨料水射流切割装备(CN104175230A)，主要涉及7轴智能机器人悬浮磨料水射流3D切割装备，该专利基本不涉及传感器以及相关控制部分。
国内对磨料射流切割系统的研究包括磨料粒子种类，磨料射流速率，磨料混合方式等，没有提出磨料切割效果的监测方法。
在判决套管是否被切断的研究方面，中国石油大学博士学位论文《磨料射流切割水下套管技术研究》提出的方法是减慢旋转速度，在各切割点上切割足够长的时间后再移动到连续的下一个点进行切割。对于判别是否被切断，该论文提出的方法有两种，一是以单位时间内的切割深度进行判别，但由于前述的流体速度、压力、磨料含量等不同，在固定的时间内达到的切割深度也不同，因而这种计算方法很难准确判别被切割的对象是否被切断。该论文提出的另一种方法是边切割边在套管的上端施加向上的拉力，当拉力大于套管重力的2倍时，认为没有被切断，否则就意味着套管已经被切断并直接将其从海底提升出来。这种方法存在的主要问题是只知道是否完全被切断，而在未切断的情况下，并不知道哪一点未被切透。
由以上现有技术可知，目前还缺少一种水下套管是否被切断的实时监测和判别方法，以提升磨料切割的效率，降低切割成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电磁与声波相结合的高压磨料射流海上多层套管切割状态判别方法，用于判别水下多层套管是否被切断。
本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，包括如下步骤：
(1)磨料切割系统中切割工具的喷头上安装电磁探头，切割工具的支撑杆上径向均布地安装至少两个声波传感器，所述电磁探头和所述声波传感器连接于地面监测系统；所述地面监测系统由电源、电压调节模块、电磁监测模块、声波监测模块、数据采集模块、计算机组成，所述电磁探头和所述声波传感器分别通过所述电磁监测模块和所述声波监测模块连接所述数据采集模块，所述数据采集模块连接所述计算机；
(2)所述磨料切割系统对泥线以下的套管进行高压磨料射流切割，所述电源通过所述电压调节模块为所述电磁监测模块、所述声波监测模块和所述数据采集模块供电；
(3)所述电磁监测模块向所述电磁探头发射正弦波信号，并对所述电磁探头接收到的感应电动势进行调理，之后由数据采集模块采集为感应电动势的幅值；
同时，所述声波监测模块对所述声波传感器检测到的声波信号进行调理，并由数据采集模块采集为其在特定频率段的功率谱密度；
(4)数据采集模块将电磁探头接收到的感应电动势的幅值和声波信号在特定频率段的功率谱密度传输给计算机，计算机判断套管是否被切透，判断方法为当所述电磁探头接收的感应电动势的幅值由大到小变化并保持为恒定值，并且声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度保持为恒定值后突然降低并保持新的恒定值时，则判断当前套管已被切透。
其中，所述地面监测系统中，所述电源用于通过所述电压调节模块向所述电磁监测模块、所述声波监测模块、所述数据采集模块供电；所述电磁监测模块用于向所述电磁探头发送正弦波信号，同时接收和调理所述电磁探头测得的感应电动势，并传送给所述数据采集模块；所述声波监测模块用于接收和调理所述声波传感器测得的声波信号，并传送给所述数据采集模块；所述数据采集模块用于对感应电动势和声波信号进行采集后传送到计算机；所述计算机用于结合电磁探头接收的感应电动势的幅值和声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度，判断套管是否被切透。
其中，所述磨料切割系统包括置于井筒内的所述切割工具，所述切割工具由液压管线供给含有磨料的高压射流，所述切割工具的喷头上安装有所述电磁探头，所述切割工具的支撑杆上径向均布地安装至少两个声波传感器，所述电磁探头的连接导线和所述声波传感器的连接导线汇集后由多芯电缆与地面监测系统相连。
其中，多层套管之间为水泥环，最外侧套管外面为地层。
其中，所述电磁探头由铁芯、发射线圈、绝缘套、接收线圈、无磁外壳组成，并通过设置于无磁外壳的固定孔安装在所述切割工具的喷头上；所述发射线圈绕制在所述铁芯外部，所述发射线圈和所述铁芯共同设置于所述绝缘套中，所述接收线圈绕制在所述绝缘套外部，所述铁芯、所述发射线圈、所述绝缘套以及所述接收线圈共同安装在所述无磁外壳中。
其中，步骤(3)中所述电磁监测模块产生幅值恒定的低频正弦波信号，并进行驱动和放大后施加到电磁探头的发射线圈上；
其中，低频正弦波信号的频率f应满足：
式中μ是套管的磁导率(H/m)，σ是套管的电导率(S/m)，δ是各层套管壁厚的总和(m)，f是低频信号的频率(Hz)；
其中，步骤(3)中所述电磁监测模块对所述电磁探头接收到的感应电动势进行的调理包括放大和滤波。
其中，步骤(3)中所述数据采集模块对采集到的感应电动势进行数字相敏检波，以从相位上消除所述发射线圈在所述接收线圈中产生的直接耦合，得到所述电磁探头接收到的感应电动势的幅值。
其中，步骤(3)中所述声波监测模块对所述声波传感器检测到的声波信号进行调理包括对各所述声波传感器的声波信号同步采集，比较后选择信号幅值最大的声波传感器的声波信号进行放大。
其中，步骤(3)中所述数据采集模块对放大后的声波信号进行数据采集，包括时频转换以将采集后的数字信号变换到频率域，并选取特定频率段的功率谱密度。
本发明的有益效果是：
本发明对两种不同体制的监测结果进行有机组合，以准确判别套管是否被切透，进一步减少误判的同时，提高切割效率，缩短作业周期，降低作业成本。本发明的电磁监测采用无磁外壳保护内部探头不受切割环境的影响，同时有效降低了金属外壳对探头的影响，相对于传统的电磁监测技术更加稳定、可靠；并且电磁监测模块通过在地面监测系统分别使用驱动放大和信号放大，实现电磁探头和电磁监测模块分离的超远距离电磁监测。本发明的声波监测通过分析声波信号的功率谱密度对套管是否被切断进行判断，既利用了声波信号的频率信息，又利用了声波信号的幅值信息，特别是通过分析特征频率段的功率谱密度，可以使判断流程更加简单、高效；另外，通过采用两个以上声波传感器同时监测，进一步有效降低误判概率。
附图说明
图1是磨料切割系统的结构示意图；
图2是地面监测系统的结构框图；
图3是电磁探头的结构示意图；
图4是电磁监测的信号处理流程图；
图5是完好套管涡流分布图；
图6是套管局部被切断时的涡流分布图；
图7是多层套管切割过程中电磁探头接收到的感应电动势波形图；
图8是声波监测的信号处理流程图；
图9是磨料撞击在套管上的频谱图；
图10是磨料撞击在水泥环上的频谱图；
图11是磨料撞击不同介质时特定频率段的功率谱密度图。
图1中：1、第一层套管；2、第二层套管；3、第三层套管；4、第二水泥环；5、第一水泥环；6、井液；7、地层；8、井底；9、切割工具；10、喷头；11、电磁探头；12、泥线；13、第一声波传感器；14、多芯电缆；15、液压管线；16、第二声波传感器；17、第一声波传感器连接导线；18、第一声波传感器连接导线；19、电磁探头连接导线；
图3中：20、铁芯；21、绝缘套；22、接收线圈；23、发射线圈；24、接收线圈第一引出端；25、发射线圈第一引出端；26、接收线圈第二引出端；27、发射线圈第二引出端；28、固定孔；29、无磁外壳；
图6中：30—32、涡流；33、裂缝；
图7中：线段41—45；
图11中：线段51—56；
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参照图1，磨料切割系统通过液压管线15对井下切割工具9供给含有磨料的高压射流，磨料为一定直径的砂粒或其他固体颗粒，携带磨料的高压流体为水，由水和磨料组成的高压射流通过切割工具9的喷头10切割第一层套管1、第二层套管2、第三层套管3组成的多层套管。第一层套管1、第二层套管2之间胶结有第一水泥环5，第二层套管2、第三层套管3之间胶结有第二水泥环4，第三层套管3外面为地层7。切割工具9置于充满井液6的井筒内，喷头10所对应的切割点在泥线12以下、井底8以上，以保证能够切透海底下方的套管。用于监测切割状态的敏感器件包括安装在切割工具9喷头10上的电磁探头11，以及按径向均匀布局地安装在切割工具9的支撑杆中间位置的第一声波传感器13和第二声波传感器16，电磁探头连接导线19、第一声波传感器连接导线17、第一声波传感器连接导线18汇总到一起后，由多芯电缆14与地面监测系统相连。
参照图2，地面监测系统由电源、电压调节模块、电磁监测模块、声波监测模块、数据采集模块、计算机组成。电源用于通过电压调节模块向电磁监测模块、声波监测模块、数据采集模块提供合适的电压；电磁监测模块用于向电磁探头11发送正弦波信号，同时接收和调理电磁探头11测得的感应电动势，并传送给数据采集模块；声波监测模块用于接收和调理第一声波传感器13和第二声波传感器16测得的声波信号，并传送给数据采集模块；数据采集模块对感应电动势和声波信号进行采集后传送到计算机中，计算机分别识别电磁探头11接收到的感应电动势的幅值和声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度，从电磁与声波两方面结合判断套管是否被切透。
地面监测系统的作用一是向井下的电磁探头11发送正弦波信号，二是接收井下的电磁探头11和第一声波传感器13、第二声波传感器16传输到地面的信号并进行处理和判决，以通过电磁和声波相结合的方法识别套管是否被切透。具体实施步骤如下：
(1)由电源经电压调节模块产生合适的电压，对电磁监测模块、声波监测模块和数据采集模块供电。
(2)由电磁监测模块向电磁探头11发射幅度恒定的低频正弦波信号，并对电磁探头11接收到的感应电动势进行调理，调理后的感应电动势由数据采集模块采集为感应电动势的幅值；
同时，由声波监测模块对第一声波传感器13和第二声波传感器16检测到的声波信号进行调理，调理后的声波信号由数据采集模块采集为其在特定频率段的功率谱密度。
(3)计算机分别识别数据采集模块传输的感应电动势的幅值和声波信号在特定频率段的功率谱密度，两方面结合判断套管是否被切透。
可见，本发明采用了两种监测判别体制，一是电磁监测法，二是声波监测法，但由于受到环境噪声、磨料射流速度、磨料颗粒大小等多种因素的影响，任何一种单一的方法都有可能出现误判，因而本发明对二者进行组合判决，只有当二者给出的判决结果一致且全部为当前套管被切透时，才认为当前套管被切透了，否则将继续切割。
(一)电磁监测法：用于电磁监测的敏感器件是电磁探头，主要由铁芯20、发射线圈23、接收线圈22组成，发射线圈23上施加已知幅值和已知频率的正弦波信号，向被切割套管发射电磁信号，并在套管上产生涡流，该涡流产生二次场并被接收线圈22以感应电动势的形式所接收。涡流的变化体现了切割过程中被切割套管壁厚的变化，所以接收线圈22接收到的感应电动势也就体现了被切割套管的壁厚变化。切割深度越深，壁厚越薄，涡流越小，当套管被切透后，涡流不再变化，保持现有的最小值，这时接收线圈接收到的感应电动势的幅值也不再变化，保持当前最小的感应电动势值的幅值。
具体地，参照图3，电磁探头11由铁芯20、发射线圈23、绝缘套21、接收线圈22、无磁外壳29组成，并通过设置于无磁外壳29的固定孔28安装在图1所示的喷头10上。发射线圈23绕制在铁芯20外部，发射线圈23和铁芯20共同设置于绝缘套21中，接收线圈22绕制在绝缘套21外部，铁芯20、发射线圈23、绝缘套21以及接收线圈22共同安装在无磁外壳29中。为了便于安装，在不改变铁芯20、发射线圈23、接收线圈22、绝缘套21等电磁探头11内部结构的情况下，无磁外壳29的外形可以是圆形和方形。发射线圈23的发射线圈第一引出端25和发射线圈第二引出端27、接收线圈22的接收线圈第一引出端24和接收线圈第二引出端26均与电磁监测模块相连，电磁监测模块的正弦波发生电路为发射线圈23提供幅值恒定的低频正弦波信号，该低频正弦波信号产生的电磁波能够穿透各层套管，低频正弦波信号的频率f应满足：
式中μ是套管的磁导率(H/m)，σ是套管的电导率(S/m)，δ是各层套管壁厚的总和(m)，f是低频信号的频率(Hz)。
参照图4-图7，电磁监测的具体过程是：
(1)按照关系式(1)计算发射频率阈值，由电磁监测模块的正弦波发生电路产生幅值恒定且频率小于该阈值的正弦波信号，电磁监测模块对产生的正弦波信号进行驱动和放大。
(2)电磁监测模块将驱动和放大后的正弦波信号施加到电磁探头11的发射线圈23上。
(3)发射线圈23发射电磁信号，并在切割的套管上产生涡流。
(4)对完好无损的套管，涡流30是图5所示的完整的圆形回线，对已经被切割或局部被完全切断的套管，即存在裂缝33的情况，其涡流回线是由图6所示分布在损伤部位两侧的涡流32和完全包络损伤部位的涡流31组成。
套管上的涡流会产生二次场，经电磁感应产生电磁场，在图3所示电磁探头11的接收线圈22上产生感应电动势，该感应电动势的幅值取决于涡流的分布，其关系是：
V1>V2>V3 (2)
V1—电磁探头11接收线圈22接收到的完好套管上的涡流形成的感应电动势，
V2—电磁探头11接收线圈22接收到的有损伤套管上的涡流形成的感应电动势，
V3—电磁探头11接收线圈22接收到的局部完全切透的套管上的涡流形成的感应电动势。
(5)如图4所示，电磁探头11的接收线圈22接收到的感应电动势可能较小，并伴随有噪声，因此需要电磁监测模块对感应电动势进行放大，并经滤波电路滤除发射频率以外的频率成份。
(6)如图4所示，数据采集模块对放大和滤除噪声后的感应电动势进行数据采集，采集时需要对驱动放大后施加到发射线圈23中的正弦波和经过滤波后的接收线圈22中的感应电动势进行同步采样，以消除发射线圈23发射的正弦波直接耦合到接收线圈22中产生的感应电动势。也就是说，数据采集模块对采集到的感应电动势进行数字相敏检波，从相位上消除发射线圈23在接收线圈22中产生的直接耦合。
(7)如图4所示，由数据采集后的感应电动势的幅值判别套管是否被切透。具体的判别过程如下：
1)经相敏检波得到涡流产生的感应电动势后，根据感应电动的幅值变化情况就可由关系式(2)判断某一层套管的局部切割点是否被切透。当局部套管被切透后，磨料将切割该层套管后面的水泥环或地层，这时套管上的涡流维持不变，因而关系式(2)中的V3保持不变。
3)图7给出了多层套管的判决过程，刚开始切割套管时，由于套管都完好无损，所形成的涡流最大，此时采集到的感应电动势为V1，当开始切割第一层套管1时，第一层套管1上产生的涡流将随着切割过程的进行而逐渐减小，因此，我们采集到的感应电动势也随之逐渐减小，如图7中曲线段41所示，当完全切割完第一层套管1后，将对第一层套管1与第二层套管2之间的第一水泥环5进行切割，由于水泥环的电导率较小，因此在水泥环中产生的涡流也非常小，此时，采集到的感应电动势V2仍然取决于套管上的涡流，而该涡流基本保持不变，所以感应电动势V2也仍保持不变，如图7中的直线线段42所示。切割完第一水泥环5之后将继续切割第二层套管2，具体的切割过程的状态同切割第一层套管1一样，采集到的感应电动势逐渐减小，如图7中曲线段43所示；然后将对第二层套管2与第三层套管3之间的第二水泥环4进行切割，采集到的感应电动势V3保持不变，如图7中的直线线段44所示。切割完第二水泥环4之后将继续切割第三层套管3，同样采集到的感应电动势逐渐减小，如图7中曲线段45所示。依此类推，直至切完所有的套管，当切割完最后一层套管后，此时由于产生的涡流不再变化，因此采集到的感应电动势V4也没有变化，因此可判断该切割点已被切透。
(二)声波监测法：声波监测由周向布局于井下切割工具上的多只超声波传感器组成，用于监测磨料撞击的介质产生的声波信号，以判别套管是否被切断。其判别的基本原理和依据是：当磨料撞击在金属套管上时，由于套管的硬度远大于水泥环或地层，磨料与套管的碰撞时间短，产生声波信号的功率谱密度较大，表示套管没有被切透。反之，当套管被切断后，磨料将撞击到水泥环或地层上，由于水泥环或地层的硬度远小于金属套管，所以碰撞时间长，产生声波信号的功率谱密度较小，表明该切割位置的套管已经被切透。
具体地，参照图1，径向均匀布局且安装于井下切割工具9上的第一声波传感器13和第二声波传感器16是一种无源传感器，第一声波传感器13和第二声波传感器16的输出信号分别经第一声波传感器连接导线17、第一声波传感器连接导线18汇总到多芯电缆14上，并传输到地面监测系统。各声波传感器的作用于是感受磨料撞击介质产生的声波信号，该声波信号经井液6传递到各声波传感器。安装多只声波传感器的原因是考虑到切割工具9是不旋转的，而喷头是旋转的，因此不同位置处的声波传感器接收到的信号幅度是不同的，为了提高信噪比，将选择其中一只输出信号幅值最大的声波传感器进行分析，具体方式是对各声波传感器的信号进行同时采集，比较信号幅值后再选择其中的一路信号进行分析，以判别切割某一切割点是否被切透。
参照图8，声波监测的具体实施步骤是：
(1)声波监测模块对各声波传感器的声波信号同步采集，比较后选择信号幅值最大的声波传感器的声波信号作为被处理对象。
(2)声波传感器输出的声波信号是微弱信号，该声波信号需要采用声波监测模块进行放大。
(3)数据采集模块对放大后的声波信号进行数据采集，具体为接收声波监测模块所传输放大后的声波信号并进行时频转换，以将采集后的数字信号变换到频率域，然后选取特定频率段的功率谱密度。
(4)数据采集模块将特定频率段的功率谱密度传输给计算机，计算机以特定频率段的功率谱密度作为判决准则，判别套管是否被切透。如果没有被切透，则继续切割；如果已切透，则判别是否达到了规定的套管层数，如果层数不够，则继续循环前面的步骤直至达到规定的层数。
特定频率段是指磨料撞击到套管或者撞击水泥环(或地层)等两类硬度差异很大的介质时，所对应频率的功率谱密度差异最大的频率范围。
以特定频率段的功率谱密度作为判决准则的方法是在上述特定的频率范围内，功率谱密度差异很大，因而可根据功率谱密度判别出磨料是与什么介质撞击的，从而判别出套管是否被切透。
参照图9和图10，以实际测量的声波功率谱密度结果为例，对特定频率和特定频率的功率谱作进一步的说明。图9是套管未切透的功率谱图，图10是套管的功率谱图，二者的横轴相同均为频率，纵轴所述的全状态频域表示有高压水、磨料、真实套管等完整切割状态下得到的功率谱，且两图中的纵轴刻度也相同并进行了归一化。
当频率低于48kHz时，二者的功率谱密度基本相同，为了清楚地考察48kHz～1250kHz之间的频域波形，将其放大到了限幅状态。两图比较可知，在48kHz～80kHz范围内，图9的功率谱密度明显高于图10的功率谱密度，相差约4倍，分别是1×10-4和0.2×10-4。造成这种差异的原因是：套管被切透后，磨料撞击在水泥上，其介质的硬度远小于套管的金属材料，因而功率谱密度有了明显的降低。上述48kHz～80kHz频率段就是所述的特征频率，该特征频率所对应的功率谱密度就是所说的判别准则。在本实施例，套管切透与未切透的功率谱密度相差4倍。
功率谱密度由1×10-4到0.2×10-4的变化过程是一个突变过程，在本实施例中，只要磨料撞击在某一层的套管上，其功率谱密度就维持在1×10-4左右，当套管被切断后，磨料与水泥环撞击(对最后一层套管，磨料将与地层撞击，其幅度与撞击水泥的幅度基本相同)，功率谱密度将变化到0.2×10-4并维持这一功率谱密度，直到水泥环被切透而开始切割下一个切割点时，其功率谱密度再回到1×10-4。
上述过程可参照图11进一步说明，以三层套管为例，图中线段51、52、53分别表示切割第一层套管1、第二层套管2和第三层套管3时的功率谱密度，线段54、55分别表示切割水泥环，56表示切割地层7。其中线段54对应于第一层套管1和第二层套管2之间的第一水泥环5，线段55对应于第二层套管2和第三层套管3之间的第二水泥环4。
第一层套管1的切割时间是从t0开始，到t1时被切透，在此期间功率谱密度为1×10-4，如线段51所示。从t1开始切割第一层套管1和第二层套管1之间的第一水泥环5，并在t2时刻结束，此期间的功率谱密度如线段52所示。其他各线段与上述类同中，直到第三层套管3被切透。
电磁与声波相结合的判别方式如下：参照图7，电磁探头11接收的感应电动势的幅值由大到小逐渐变化时，表示当前切割点处的套管处于被切割状态，当该层套管被切透后，感应电动势的幅值保持恒定值，表示正在切割的是两层套管中间的水泥环或者是最后一层套管外面的地层7。由此可知，电磁探头11接收的感应电动势的幅值由大到小变化并保持为恒定值时，是判断该层套管被切透的依据。
参照图11，声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度保持为恒定值且突然降低为原来的1/5并保持新的恒定值时，表示当前套管已被切透。
只有上述两个切透的依据同时满足时，则判断当前套管被切透，否则继续切割。
本发明的工作过程如下：
电磁探头11由无磁外壳29封装后安装在切割工具9的喷头10上，并在切割过程中与10喷头一起转动。电磁探头11的发射线圈23上施加有幅值固定且频率足够低的正弦波信号，以使该低频信号产生的电磁波能穿过多层套管，从而在各层套管中产生涡流。当套管完好无损时，该感应电动势的幅值是固定的。套管被切割过程中，厚度不断减小，感应电动势的幅值也随之减小，当感应电动势的幅值小于临界值时，套管就被切断，感应电动势的幅值不再减小，此时就判定套管被切透。当切割多层套管时，监测的感应电动势的幅值在维持一段时间后，将继续减小，其中维持的时间是切割两层套管之间的水泥环的过程，由于水泥环的电导率比套管低3-5个数量级，因此在水泥环中涡流场很小，所产生的二次场也会很小，相对于套管的厚度变化而言，切割水泥环的过程对电磁探头接收信号的影响很小，因而此时感应电动势的幅值基本维持不变。当水泥环被切透并开始切割下一层套管时，感应电动势的幅值继续减小，直到该层套管被切透后，感应电动势的幅值再维持到另一个不变的幅值的，依次循环，直到最后一层套管被切透。总而言之，根据感应电动势的幅值区分套管是否被切透的判别方法是：首先对接收线圈22接收到的感应电动势的幅值进行放大和滤波，滤除发射频率以外的频率成份，以消除噪声的影响，进而通过相敏检波得到涡流产生的感应电动势，并根据感应电动势的幅值变化判断某层套管是否被切透。当电磁探头11接收的感应电动势的幅值由大到小变化并保持为恒定值时，判断该层套管已被切透。
由安装在切割工具上的超声波传感器监测磨料与介质撞击后产生的声波信号，以判别磨料是撞击在套管上、水泥环上或者地层上。上述的超声波传感器是一种被动监测装置，本身不发射信号，切割过程中，噪声幅度也是不确定的，因而以磨料撞击不同介质所产生的特征频率范围内的功率谱幅度作为判别套管是否被切透的主要依据。磨料粒子随高压射流喷射到套管上时，将产生较高的功率谱幅度，所指的振动是指金属套管质点的振动，该信号经井筒内的流体传递到传感器后，根据传感器的输出信号就可识别介质，由于高压射流粒子撞击到套管上与撞击到套管切透后的水泥或地层时，其振动信号的功率谱密度是不同的，因而可根据传感器输出信号的功率谱密度判断套管上的任意切割点是否被切透。当声波信号在特定频率段的功率谱密度保持为恒定值且突然降低并保持新的恒定值时，表示当前套管已被切透。
两种监测方法对套管是否被切透的可能判断结果有4种组合：
1、电磁监测判断切透，声波监测判断未切透；
2、电磁监测判断未切透，声波监测判断切透；
3、电磁监测判断未切透，声波监测判断未切透；
4、电磁监测判断切透，声波监测判断切透。
判决的方法是只认为第4种结果表示套管被切透，对其他三种情况都表示未切透。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)磨料切割系统中切割工具的喷头上安装电磁探头，切割工具的支撑杆上径向均布地安装至少两个声波传感器，所述电磁探头和所述声波传感器连接于地面监测系统；所述地面监测系统由电源、电压调节模块、电磁监测模块、声波监测模块、数据采集模块、计算机组成，所述电磁探头和所述声波传感器分别通过所述电磁监测模块和所述声波监测模块连接所述数据采集模块，所述数据采集模块连接所述计算机；
(2)所述磨料切割系统对泥线以下的套管进行高压磨料射流切割，所述电源通过所述电压调节模块为所述电磁监测模块、所述声波监测模块和所述数据采集模块供电；
(3)所述电磁监测模块向所述电磁探头发射正弦波信号，并对所述电磁探头接收到的感应电动势进行调理，之后由数据采集模块采集为感应电动势的幅值；
同时，所述声波监测模块对所述声波传感器检测到的声波信号进行调理，并由数据采集模块采集为其在特定频率段的功率谱密度；
(4)数据采集模块将电磁探头接收到的感应电动势的幅值和声波信号在特定频率段的功率谱密度传输给计算机，计算机判断套管是否被切透，判断方法为当所述电磁探头接收的感应电动势的幅值由大到小变化并保持为恒定值，并且声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度保持为恒定值后突然降低并保持新的恒定值时，则判断当前套管已被切透。
2.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，所述地面监测系统中，所述电源用于通过所述电压调节模块向所述电磁监测模块、所述声波监测模块、所述数据采集模块供电；所述电磁监测模块用于向所述电磁探头发送正弦波信号，同时接收和调理所述电磁探头测得的感应电动势，并传送给所述数据采集模块；所述声波监测模块用于接收和调理所述声波传感器测得的声波信号，并传送给所述数据采集模块；所述数据采集模块用于对感应电动势和声波信号进行采集后传送到计算机；所述计算机用于结合电磁探头接收的感应电动势的幅值和声波传感器输出的声波信号在特定频率段的功率谱密度，判断套管是否被切透。
3.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，所述磨料切割系统包括置于井筒内的所述切割工具，所述切割工具由液压管线供给含有磨料的高压射流，所述切割工具的喷头上安装有所述电磁探头，所述切割工具的支撑杆 上径向均布地安装至少两个声波传感器，所述电磁探头的连接导线和所述声波传感器的连接导线汇集后由多芯电缆与地面监测系统相连。
4.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，多层套管之间为水泥环，最外侧套管外面为地层。
5.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，所述电磁探头由铁芯、发射线圈、绝缘套、接收线圈、无磁外壳组成，并通过设置于无磁外壳的固定孔安装在所述切割工具的喷头上；所述发射线圈绕制在所述铁芯外部，所述发射线圈和所述铁芯共同设置于所述绝缘套中，所述接收线圈绕制在所述绝缘套外部，所述铁芯、所述发射线圈、所述绝缘套以及所述接收线圈共同安装在所述无磁外壳中。
6.根据权利要求5所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述电磁监测模块产生幅值恒定的低频正弦波信号，并进行驱动和放大后施加到电磁探头的发射线圈上；
其中，低频正弦波信号的频率f应满足：
式中μ是套管的磁导率(H/m)，σ是套管的电导率(S/m)，δ是各层套管壁厚的总和(m)，f是低频信号的频率(Hz)。
7.根据权利要求5所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述电磁监测模块对所述电磁探头接收到的感应电动势进行的调理包括放大和滤波。
8.根据权利要求5所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述数据采集模块对采集到的感应电动势进行数字相敏检波，以从相位上消除所述发射线圈在所述接收线圈中产生的直接耦合，得到所述电磁探头接收到的感应电动势的幅值。
9.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述声波监测模块对所述声波传感器检测到的声波信号进行调理包括对各所述声波传感器的声波信号同步采集，比较后选择信号幅值最大的声波传感器的声波信号进行放大。
10.根据权利要求1所述的一种高压磨料射流海上套管切割状态判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述数据采集模块对放大后的声波信号进行数据采集，包括时频转换以将采集后的数字信号变换到频率域，并选取特定频率段的功率谱密度。
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