CN111197471B - 井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法 - Google Patents

井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法，模型包括七层介质，分别为铁芯、空气、基管、过滤层、保护层、水泥环和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，(μ4,ε4,σ4)，(μ5,ε5,σ5)，(μ6,ε6,σ6)，(μ7,ε7,σ7)，外径分别为r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，其中地层半径r7为无穷大，井下仪器上的发射线圈中心位于坐标原点处；井下仪器上的接收线圈位于z轴正方向，接收线圈中心点坐标为(0,0,z)。该井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法能够进行防砂筛管井下防砂筛管情况的精确检测及定位分析，操作简单可靠。

Description

井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法
技术领域
本发明涉及瞬变电磁检测技术领域，特别是涉及到一种井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法。
背景技术
我国疏松砂岩油藏分布范围较大、储量大、产量占有重要的地位。出砂在油气藏开采中危害极大，防砂筛管是目前应用最多的防砂方式，对防砂的效果、成本和油井的产量有很大的影响。因井下冲蚀、环境腐蚀或注气不均匀等因素导致筛管破损防砂失效的事故时有发生，瞬变电磁防砂筛管检测方法可以准确定位防砂筛管破损位置，及时采取有效补救措施，提高油气藏开采质量。
瞬变电磁法也称时间域电磁法(Time domain electromagnetic methods)，简称TEM，其原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，向被测介质发射瞬变的一次脉冲电磁场，一次磁场在遇到周围介质时产生涡流环，从而形成二次磁场。在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场，通过分析接收信号的衰减规律反演地层电导率信息。
现有的瞬变电磁法损伤检测技术主要用来检测油管、套管等均匀管柱的损伤状况。在申请号为200910254664.X的中国专利申请“多功能井下电磁探伤仪”，以及论文Fu Y,Yu R,Peng X,et al.Investigation of casing inspection through tubing withpulsed eddy current[J].Nondestructive Testing and Evaluation,2012,27(4):353-374.就提出了油管和油管外套管损伤检测的方法，该方法主要仍是通过选择合适的时间切片，利用该时间切片获得感应电动势的值来反演管柱厚度，估计管柱的损伤状况。这种方法的优势是算法相对简单，但缺点是防砂筛管存在通孔、网眼、侧向缝隙等孔洞，分布并不均匀，无法通过公式直接反演出真实的厚度，误差很大。专利《一种阵列式瞬变电磁法多层管柱损伤检测系统及方法》201710042334.9 提出了一种瞬变电磁多层管柱检测系统，该系统是基于阵列式瞬变电磁的多层管柱损伤检测方法。该技术能够在一定程度上克服相关技术的限制，但是该技术主要用于生产套管的破损检测，对于防砂筛管，这种存在通孔、网眼、侧向缝隙等孔洞的特殊管件，该技术仍然无法对其进行有效的检测。因此，本发明提出一种井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法，解决了以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可进行井下筛管情况的精确刻度的井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现：井下筛管瞬变电磁检测计算模型，该井下筛管瞬变电磁检测计算模型包括七层介质，分别为铁芯、空气、基管、过滤层、保护层、水泥环和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，(μ4,ε4,σ4)，(μ5,ε5,σ5)，(μ6,ε6,σ6)，(μ7,ε7,σ7)，外径分别为r1，r2，r3，r4，r5，r6，，r7其中地层半径r7为无穷大，井下仪器上的发射线圈中心位于坐标原点处；井下仪器上的接收线圈位于z轴正方向，接收线圈中心点坐标为(0,0,z)。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在该井下筛管瞬变电磁检测计算模型中，井下仪器上的发射线圈通过发射瞬变电磁信号在地层中产生一次瞬变磁场，地层中的介质在其激励下产生感应涡流，感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场即二次场，利用井下仪器上的接收线圈观测二次场，通过对感应二次场信息的提取和分析，检测防砂筛管的损伤状况。
本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：井下筛管瞬变电磁检测方法，该井下筛管瞬变电磁检测方法采用井下筛管瞬变电磁检测计算模型，包括：步骤1：建立标准筛管测试模板；步骤2，将电磁检测装置下入井内，进行井下破损筛管检测；步骤3，根据井下筛管瞬变电磁检测计算模型，进行井下筛管损伤情况刻度。
本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
在步骤1中，首先，将连接好的电磁检测装置置于标准筛管底部；其次，上提电磁检测装置，同时进行标准筛管的检测数据采集；第三，进行数据分析计算处理瞬变电磁响应的多个采样时刻信号，其中采样时刻从10ms开始间隔5ms至60ms结束，得到标准筛管的不同时刻测试模板；在此基础上，对同类筛管样件进行重复检测，完善和优化标准筛管测试模板。
在步骤2中，将电磁检测装置下入井内，通过上提电缆，对整个井下破损筛管进行检测数据的采集，获取瞬变电磁响应的多个采样时刻信号。
在步骤3中，首先，按照井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程，根据井下筛管瞬变电磁检测计算模型，对瞬变电磁响应的多个采样时刻信号的采集数据进行计算处理，将测量的感应电动势与模板中标准感应电动势之差与判决阈值进行比较，初步判断筛管的是否存在破损，再与标准筛管测试模板相比较最终刻度井下防砂筛管的损伤情况。
在步骤3中，井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程包括：在接收当前深度的检测数据之前，对前一段深度内感应电动势求均值E，频率F、方差σ。根据当前深度防砂筛管的先验知识估计感应电动势的经验值范围 (0，Umax)，取
Figure GDA0001969294620000031
通过逐次代入
Figure GDA0001969294620000032
的值使当前深度加前一段深度的感应电动势的均值
Figure GDA0001969294620000033
频率
Figure GDA0001969294620000034
方差
Figure GDA0001969294620000035
逼近所述前一段深度内感应电动势的
Figure GDA0001969294620000036
求当前深度的实测感应电动势和预测感应电动势的差，如果小于一定阈值则认为没有损伤，如果大于一定阈值则认为存在损伤，并通过上述井下筛管瞬变电磁检测计算模型获得的感应电动势公式具体刻度损伤情况。
本发明中的井下筛管瞬变电磁检测计算模型及检测方法，首先通过建立标准筛管测试模板，再结合井下筛管瞬变电磁测试分析结果，实时并有效检测井下防砂筛管的损伤情况。即可进行井下筛管情况的精确刻度，该方法可为井下防砂筛管损伤的实时高精度检测提供重要依据。与现有技术相比，本发明建立了标准筛管测试模板，可以对标准筛管通过对标准筛管进行电磁检测进行测试，可建立标准筛管测试模板，为井下防砂筛管的检测提供了更真实、可靠的对比依据数据库。本发明通过电磁检测数据能够进行防砂筛管井下防砂筛管情况的精确检测及定位分析，克服了以往的检测方法难以对筛管这类特殊管件的井下检测难点，操作简单可靠。
附图说明
图1为本发明的井下筛管瞬变电磁检测计算模型的一具体实施例的结构图；
图2为本发明的一具体实施例中井下筛管瞬变电磁检测计算模型整体框架图；
图3为本发明的一具体实施例中井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程图；
图4为本发明的一具体实施例破损筛管井下检测示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
如图1所示，图1为本发明的井下筛管瞬变电磁检测计算模型的结构图。
防砂筛管一般包括基管、过滤层和保护层。所述基管上设有多个通孔，每个通孔的内部均对应设有过滤单元；所述过滤层设置在基管外部，用于过滤砂石，所述保护层设置在过滤层外部，保护层上设有多个凹槽，每个凹槽的侧壁上开设有侧向缝隙。为简化模型，令基管、过滤层和保护层建模为电导率、磁导率和介电常数各不相同的均匀介质，建立井下筛管瞬变电磁检测计算模型如图1所示，各层介质分别为铁芯、空气、基管、过滤层、保护层、水泥环和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为 (μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，(μ4,ε4,σ4)，(μ5,ε5,σ5)，(μ6,ε6,σ6)，(μ7,ε7,σ7)，外径分别为 r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，其中地层半径r7为无穷大。发射线圈中心位于坐标原点处；接收线圈位于z轴正方向，接收线圈中心点坐标为(0,0,z)。
本发明的计算方法可参考图2井下筛管瞬变电磁检测计算模型整体框架图，井下仪器上的发射线圈通过发射瞬变电磁信号在地层中产生一次瞬变磁场，地层中的介质在其激励下产生感应涡流，感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场即二次场，利用井下仪器上的接收线圈观测二次场，通过对感应二次场信息的提取和分析，检测防砂筛管的损伤状况。下面分别在上述模型中对一次场和二次场进行求解。
根据麦克斯韦方程：
Figure GDA0001969294620000051
Figure GDA0001969294620000052
其中D为电位移矢量，E为电场强度矢量，J为电流密度，B为磁感应强度矢量，H为磁场强度矢量。
将通电的发射线圈视作等效电流环，对发射线圈整个圆环做积分，并引入变量x和λ，满足x2＝λ2+k2，其中k2＝μ0εω2-iμ0σω，根据上述麦克斯韦方程可以求得接收线圈内部的一次磁场为：
Figure GDA0001969294620000053
其中，N为发射线圈的匝数；I为发射电流，K1(*)为第二类1阶复宗量贝塞尔函数；I0(*)表示第一类0阶复宗量贝塞尔函数。
引入矢量式A，使
Figure GDA0001969294620000054
则根据法拉第电磁感应定律和麦克斯韦方程可知，二次场服从以下公式：
Figure GDA0001969294620000055
采用分离变量法进行求解，在第j层介质中的二次场矢量势大小可表示为：
Figure GDA0001969294620000056
其中，I1(*)表示第一类1阶复宗量贝塞尔函数，Cj和Dj为待定系数。
则根据各层介质中的矢量磁势分量表达式，并结合矢量磁势与场量关系式，以及复宗量贝塞尔函数的微分性质可求得各层介质中二次场电场强度、二次场磁场强度为
Figure GDA0001969294620000057
Figure GDA0001969294620000058
其中，K0(*)表示第二类0阶复宗量贝塞尔函数
根据磁场的边界条件，在r＝rj处，二次场电场强度、二次场磁场强度连续：
Ej＝Ej+1 (8)
Hj＝Hj+1 (9)
则将r＝rj和公式(6)、公式(7)带入上述公式，可得第j层介质待定系数Cj和Dj和可得第j+1层介质待定系数Cj+1和Dj+1之间的递推公式为：
Figure GDA0001969294620000061
其中，
Figure GDA0001969294620000062
上式可进一步化简为：
Figure GDA0001969294620000063
其中，
Figure GDA0001969294620000064
Pj11＝-μj+1xjK0(xjrj)I1(xj+1rj)-μjxj+1K1(xjrj)I0(xj+1rj) (12)
Pj12＝-μj+1xjK0(xjrj)K1(xj+1rj)+μjxj+1K1(xjrj)K0(xj+1rj) (13)
Pj21＝-μj+1xjI0(xjrj)I1(xj+1rj)+μjxj+1I1(xjrj)I0(xj+1rj) (14)
Pj22＝-μj+1xjI0(xjrj)K1(xj+1rj)-μjxj+1I1(xjrj)K0(xj+1rj) (15)
qj1＝[-xjμj+1K0(xjrj)I1(xj+1rj)-μjxj+1K1(xjrj)I0(xj+1rj)]K1(xj+1r0) (16)
qj2＝[-μj+1xjI0(xjrj)I1(xj+1rj)+μjxj+1I1(xjrj)I0(xj+1rj)]K1(xj+1r0) (17)
在第一介质(铁芯)中，当r→0时，K0(xr),K1(xr)趋于无穷，但磁场强度应为有限值，因此D1应为0。在地层中，当rn→∞时，I0(xr),I1(xr)趋于无穷，但磁场强度趋于0，因此地层中二次场表达式中的系数C7应为0。则根据上式可推导出系数C1的值：
Figure GDA0001969294620000071
其中，P＝P1·P2·…··Pn，O1＝M1Q1，O2＝M1P1·R2，
Figure GDA0001969294620000072
Figure GDA0001969294620000073
根据所述接收探头所处第一层介质的磁场强度，对接收线圈的面积求积分获取所述接收线圈接收到的感应电动势：
Figure GDA0001969294620000074
式中，NR表示接收线圈的匝数。由于瞬变电磁激励信号的频谱为 J(ω)＝-1/iω，因此利用Gaver-Stehfest数值拉普拉斯逆变换，可进一步求得仪器探头居中时接收线圈感应电动势的时域解形式为：
Figure GDA0001969294620000075
式中，
Figure RE-BDA0001846817000000076
sn＝nln2/t，M和Kn分别为G-S方法的阶数和滤波 系数。
式中，NR表示接收线圈匝数。
由公式可知，所述井下筛管瞬变电磁检测计算模型中，基管、过滤层、保护层的厚度变化均会在接收线圈中的感应电动势中有所体现，但是由接收感应电动势直接求解防砂筛管每层的厚度在现阶段是无法实现的。利用在同一采样时刻点，管柱厚度随着感应电动势幅值的增加而单调增加这一规律，结合上述模型，可以简单刻度防砂筛管整体的剩余厚度，为防砂筛管损伤情况判断提供一定的基础。
由于防砂筛管各层管柱中通孔、网眼、侧向缝隙等孔洞分布具有一定的规律性，因此接收线圈感应电动势会呈现出有规律的波动，利用这种波动的规律性和防砂筛管布置的先验知识可以联合判断出防砂筛管是否具有损伤。
具体实现方法如下：
具体的井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程图如图3所示。在接收当前深度的检测数据之前，对前一段深度内感应电动势求均值E，频率F、方差σ。根据当前深度防砂筛管的先验知识估计感应电动势的经验值范围 (0，Umax)，取
Figure GDA0001969294620000081
通过逐次代入
Figure GDA0001969294620000082
的值使当前深度加前一段深度的感应电动势的均值
Figure GDA0001969294620000083
频率
Figure GDA0001969294620000084
方差
Figure GDA0001969294620000085
逼近所述前一段深度内感应电动势的
Figure GDA0001969294620000086
求当前深度的实测感应电动势和预测感应电动势的差，如果小于一定阈值则认为没有损伤，如果大于一定阈值则认为存在损伤，并通过上述井下筛管瞬变电磁检测计算模型获得的感应电动势公式具体刻度损伤情况，同时兼顾实时性和准确性，能够有效提高检测效率和检测精度。
下面对上述事例实施方式中的检测方法的各个步骤进行更详细的说明。
步骤1：建立标准筛管测试模板。
首先，将连接好的电磁检测装置置于标准筛管底部；其次，上提电磁检测装置，同时进行标准筛管的检测数据采集；第三，进行数据分析计算处理瞬变电磁响应的多个采样时刻信号，其中采样时刻从10ms开始间隔5ms至 60ms结束，得到标准筛管的不同时刻测试模板。在此基础上，对同类筛管样件进行重复检测，完善和优化标准筛管测试模板。同样，利用该方法，可以建立多种标准筛管的测试模板。
步骤2：井下破损筛管检测，参考图4。
将电磁检测装置下入井内，通过上提电缆，对整个井下破损筛管进行检测数据的采集，获取瞬变电磁响应的多个采样时刻信号。
步骤3：井下筛管损伤情况刻度。
首先，按照防砂筛管损伤检测计算模型流程(参考图3井下筛管瞬变电磁检测计算模型流程图)，根据井下筛管瞬变电磁检测计算模型(参考图1)，对瞬变电磁响应的多个采样时刻信号的采集数据进行计算处理，将测量的感应电动势与模板中标准感应电动势之差与判决阈值进行比较，初步判断筛管的是否存在破损，再与标准筛管测试模板相比较最终刻度井下防砂筛管的损伤情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，非用以限定本发明的专利范围，其他运用本发明的专利精神的等效变化，均应俱属本发明的专利范围。

Claims (2)

1.井下筛管瞬变电磁检测计算模型，其特征在于，该井下筛管瞬变电磁检测计算模型包括七层介质，分别为铁芯、空气、基管、过滤层、保护层、水泥环和地层，对应的电导率、磁导率和介电常数分别为(μ1,ε1,σ1)，(μ2,ε2,σ2)，(μ3,ε3,σ3)，(μ4,ε4,σ4)，(μ5,ε5,σ5)，(μ6,ε6,σ6)，(μ7,ε7,σ7)，外径分别为r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，其中地层半径r7为无穷大，电磁检测装置上的发射线圈中心位于坐标原点处；电磁检测装置上的接收线圈位于z轴正方向，接收线圈中心点坐标为(0,0,z)；
在该井下筛管瞬变电磁检测计算模型中，电磁检测装置上的发射线圈通过发射瞬变电磁信号在地层中产生一次瞬变磁场，地层中的介质在其激励下产生感应涡流，感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场即二次场，利用电磁检测装置上的接收线圈观测二次场，通过对二次场信息的提取和分析，检测防砂筛管的损伤状况；
井下筛管瞬变电磁检测计算模型还包括：在接收当前深度的检测数据之前，对前一段深度内感应电动势求均值E、频率F、方差σ；根据当前深度防砂筛管的先验知识估计感应电动势的经验值范围(0，Umax)，取
Figure FDA0003383758210000011
通过逐次代入
Figure FDA0003383758210000012
的值使当前深度加前一段深度的感应电动势的均值
Figure FDA0003383758210000013
频率
Figure FDA0003383758210000014
方差
Figure FDA0003383758210000015
逼近所述前一段深度内感应电动势的均值E、频率F、方差σ，使得两组值的误差在设定的误差阈值内，即
Figure FDA0003383758210000016
进而得到预测的当前深度的感应电动势
Figure FDA0003383758210000017
求当前深度的实测感应电动势和预测感应电动势的差，如果小于一定阈值则认为没有损伤，如果大于一定阈值则认为存在损伤，并通过上述井下筛管瞬变电磁检测计算模型获得的感应电动势公式具体刻度损伤情况。
2.井下筛管瞬变电磁检测方法，其特征在于，该电磁检测方法采用权利要求1所述的井下筛管瞬变电磁检测计算模型，包括以下步骤：
步骤1：建立标准筛管测试模板；
步骤2，将电磁检测装置下入井内，进行井下破损筛管检测；
步骤3，根据井下筛管瞬变电磁检测计算模型，进行井下筛管损伤情况刻度；
在步骤1中，首先，将连接好的电磁检测装置置于标准筛管底部；其次，上提电磁检测装置，同时进行标准筛管的检测数据采集；第三，进行数据分析计算处理瞬变电磁响应的多个采样时刻信号，其中采样时刻从10ms开始间隔5ms至60ms结束，得到标准筛管的不同时刻测试模板；在此基础上，对同类筛管样件进行重复检测，完善和优化标准筛管测试模板；
在步骤2中，将电磁检测装置下入井内，通过上提电缆，对整个井下破损筛管进行检测数据的采集，获取瞬变电磁响应的多个采样时刻信号；
在步骤3中，首先，按照井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程，根据井下筛管瞬变电磁检测计算模型，对瞬变电磁响应的多个采样时刻信号的采集数据进行计算处理，将测量的感应电动势与标准筛管测试模板中标准感应电动势之差与判决阈值进行比较，初步判断筛管的是否存在破损，再与标准筛管测试模板相比较最终刻度井下防砂筛管的损伤情况；
井下筛管瞬变电磁检测计算模型的计算流程包括：在接收当前深度的检测数据之前，对前一段深度内感应电动势求均值E、频率F、方差σ；根据当前深度防砂筛管的先验知识估计感应电动势的经验值范围(0，Umax)，取
Figure FDA0003383758210000021
通过逐次代入
Figure FDA0003383758210000022
的值使当前深度加前一段深度的感应电动势的均值
Figure FDA0003383758210000023
频率
Figure FDA0003383758210000024
方差
Figure FDA0003383758210000025
逼近所述前一段深度内感应电动势的均值E、频率F、方差σ，使得两组值的误差在设定的误差阈值内，即
Figure FDA0003383758210000026
进而得到预测的当前深度的感应电动势
Figure FDA0003383758210000027
求当前深度的实测感应电动势和预测感应电动势的差，如果小于一定阈值则认为没有损伤，如果大于一定阈值则认为存在损伤，并通过上述井下筛管瞬变电磁检测计算模型获得的感应电动势公式具体刻度损伤情况。
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