CN202280455U - 高精度井下电磁测厚井径仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高精度井下电磁测厚井径仪，包括磁保护套、线圈组件、控制单元、测厚单元、固定组件以及测厚驱动单元；线圈组件和控制单元均位于磁保护套内，测厚单元设置在固定组件上，固定组件连接磁保护套和测厚驱动单元；厚单元包括多个测厚传感器；线圈组件包括高频电磁线圈和中频电磁线圈，高频电磁线圈位于中频电磁线圈的上方，中频电磁线圈位于控制单元的上方，控制单元通过固定组件与测厚单元连接。本实用新型解决了现有的电磁测厚井径仪单发单收、只可以作为定性分析、且所测厚度是一个相对值的技术问题，本实用新型所提供的在实施测量井径的过程中，有的分辨率和很高的精度，可计算出不同扇区的绝对壁厚。

Description

高精度井下电磁测厚井径仪

技术领域

本实用新型涉及一种井况测量仪器，尤其涉及一种石油测井行业油井内高精度井下电磁测厚井径仪。

背景技术

电磁法检测可确定套管的厚度、井径、裂缝、变形、错断、内外壁腐蚀、射孔质量、多层管柱的缺陷。电磁检测仪是一种无损、非接触式的仪器，它不受井内液体、套管积垢、结蜡及井壁附着物的影响，测量精度较高。由于电磁法检测有其独特的优点，因此成为目前最广泛应用的套管损坏检测技术之一。

国内外利用电磁法对套管进行厚度检测的仪器较多，基本上可分为两大类：第一类：只有一个传感器线圈，单发单收，测量精度可以达到±0.5mm，但只可以作为定性分析，因为该壁厚测量值为周壁厚的平均值，如俄罗斯的电磁探伤仪EMTS和MID-K，可以测量多层套管，测出的厚度是一个周壁厚均值；如斯伦贝谢公司的多频电磁波测厚仪(METT)，该仪器以三种不同的频率工作，高频测量不受钢管厚度的影响，只与套管内径发生联系；中频测量依金属的内径、电导率和磁导率而定；低频测量对应常规仪器的测量，依据上述两种参数和钢的厚度而定，所测厚度也是一个周壁厚的平均值；第二类，通过传感器阵列将套管分为多个扇区，单发多收，可以对准确测量套管各个扇区的壁厚，所测的厚度为一个相对值，如英国SONDEX公司的MTT。

发明内容

为了解决现有的电磁测厚井径仪单发单收、只可以作为定性分析、且所测厚度是一个相对值的技术问题，本实用新型提供一种高精度井下电磁测厚井径仪，其在实施测量井径的过程中，拥有很高的分辨率和很高的精度，并且可以根据计算出的套管电磁特性计算出不同扇区的绝对壁厚。

本实用新型的技术方案是：

一种高精度井下电磁测厚井径仪，其特殊之处在于：包括磁保护套、线圈组件、控制单元、测厚单元、固定组件以及测厚驱动单元；

所述线圈组件和控制单元均位于磁保护套内，所述测厚单元设置在固定组件上，所述固定组件连接磁保护套和测厚驱动单元；

所述测厚单元包括多个测厚传感器；

所述线圈组件包括高频电磁线圈和中频电磁线圈，所述高频电磁线圈4位于中频电磁线圈5的上方，所述中频电磁线圈5位于控制单元2的上方，所述控制单元2通过固定组件与测厚单元连接。

上述控制单元包括DSP处理器、供电电源、程序控制增益单元、通道选择单元以及多个采集通道，所述供电电源给测厚单元和DSP处理器供电，所述DSP处理器控制高频电磁线圈所述DSP处理器控制测厚驱动单元的发射频率，所述测厚传感器通过采集通道、程序控制增益单元与DSP处理器连接，所述DSP处理器通过通道选择单元选择采集通道。

上述测厚驱动单元为低频电磁线圈。

上述固定组件包括传感器基座、板簧固定座、中心轴以及绕中心轴圆周分布的多个板簧，所述传感器基座与磁保护套固定连接，所述中心轴固定在传感器基座上，所述板簧的两端分别固定在传感器基座和板簧固定座上，所述中心轴上套接有拉伸弹簧和固定有拉簧固定座，所述拉伸弹簧的一端固定在拉簧固定座上，所述拉伸弹簧的另一端驱动板簧固定座沿中心轴运动，所述测厚传感器一对一的设置在板簧中部。

上述测厚传感器包括承压外壳、以及设置在承压外壳内的测厚线圈和电路板、与承压外壳固定密封连接的堵头、与堵头连接的单芯导线以及插针，所述电路板的一端与测厚线圈连接，所述电路板的另一端与单芯导线连接，所述单芯导线的另一端与插针连接。

上述控制单元包括还包括放大单元，所述一级放大单元和二级放大单元，所述一级放大单元设置在采集通道和程序控制增益单元之间，所述二级放大单元设置在测厚传感器和采集通道之间；

所述一级放大单元包括至少两个串联的放大器；

所述二级放大单元包括多个放大器，所述放大器与测厚传感器一对一设置。

上述板簧和测厚传感器均有10-16个。

上述高频电磁线圈和中频电磁线圈之间距离为350mm-400mm。

上述测厚传感器12和测厚驱动线圈13之间距离为500mm-600mm。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型采用采用高频线圈与中频线圈结合的结构：用高频线圈测量套管的内径，加上金属屏蔽罩后，屏蔽罩内会产生涡流，该涡流产生的磁场又反作用于高频线圈。从高频线圈角度看，屏蔽罩使线圈电感量减小，Q值降低。屏蔽罩尺寸越小，对线圈的影响就越大。磁井径回路中特定等效参数是线圈与套管内表面之间的距离(井径)的函数，与套管的电磁特性无关，由此测得套管井径；用中频线圈测量套管的电磁特性，主要是在高频线圈测得的套管内径基础上计算出准确的套管电磁特性，如电导率和磁导率。根据计算出的电导率、磁导率和传感器阵列测得的各扇区套管壁厚，可计算出套管各个扇区的绝对壁厚。

2、本实用新型采用10-16个测厚传感器紧贴管壁，分时采集10-16个测厚传感器信号和高频线圈探头信号、中频线圈探头信号，提高了仪器对套管等金属管柱周向的分辨精度。

4本实用新型在其实施测量井径的过程中，拥有很高的分辨率和很高的精度，通过测得的不同井段的井径，精确地计算出不同井段的套管的电磁特性；通过传感器阵列测量套管壁厚，提高了周向套管的分辨率，并且可以根据计算出的套管电磁特性计算出不同扇区的绝对壁厚，能够对套管厚度进行定量分析。

5、本实用新型高精度井下电磁测厚井径仪正常生产过程中进行测井，不受管内流体、套管表面结蜡和污垢的影响，可对纵向裂缝和横向裂缝作出判断。

6、高精度井下电磁测厚井径仪可以根据所测井径数据和测厚数据判断是套管外部损伤还是内部损伤。如果厚度数据有异常而井径数据正常，则是外部损伤；如果厚度数据有异常而井径数据也有异常，则是内部损伤。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的测厚传感器的结构示意图；

图3为本实用新型控制单元的原理示意图；

其中附图标号为：1-磁保护套，2-控制单元，3-测厚驱动单元，4-高频电磁线圈，5-中频电磁线圈，6-传感器基座，8-板簧，9-主轴，10-拉伸弹簧，11-板簧固定座，12-测厚传感器，13-测厚驱动线圈，14-拉簧固定座，1201-上堵头，1202-承压护管，1203-下堵头，1204-毛细管，1205-毛细管护帽，1206-插针护帽，1207-防插入挡块，1208-插针绝缘护套，1209-插针，1210-单芯导线，1211-传感器电路板，1212-连接体，1213-感应线圈，1214-磁芯护帽，1215-铜柱，1216-销钉，1217-密封圈，1218-接触弹簧。

具体实施方式

如图1、图2所示，高精度井下电磁测厚井径仪包括磁保护套1、线圈组件、控制单元2、测厚单元、固定组件以及测厚驱动单元，线圈组件和控制单元均位于磁保护套内，测厚单元设置在固定组件上，固定组件连接磁保护套和测厚驱动单元，测厚单元包括多个测厚传感器，线圈组件包括高频电磁线圈和中频电磁线圈，高频电磁线圈4位于中频电磁线圈5的上方，中频电磁线圈5位于控制单元2的上方，控制单元2通过固定组件与测厚单元连接，测厚驱动单元为低频电磁线圈。

控制单元包括DSP处理器、供电电源、程序控制增益单元、通道选择单元以及多个采集通道，供电电源给测厚单元和DSP处理器供电，DSP处理器控制高频线圈的发射频率，然后采集高频线圈上接收线圈的感应电动势，DSP处理器控制中频线圈的发射频率，然后采集中频线圈上接收线圈的感应电动势，DSP处理器通过I/O口控制测厚驱动单元的发射频率，测厚传感器通过采集通道、程序控制增益单元与DSP处理器连接，DSP处理器通过通道选择单元选择采集通道。

固定组件包括传感器基座、板簧固定座、中心轴以及绕中心轴圆周分布的多个板簧，传感器基座与磁保护套固定连接，中心轴固定在传感器基座上，所述板簧的两端分别固定在传感器基座和板簧固定座上，中心轴上套接有拉伸弹簧和固定有拉簧固定座，拉伸弹簧的一端固定在拉簧固定座上，拉伸弹簧的另一端驱动板簧固定座沿中心轴运动，测厚传感器一对一的设置在板簧中部。

如图3所示，测厚传感器的结构示意图，电磁测厚涡流探头包括上堵头1201、承压外壳1202、下堵头1203、毛细管1204、毛细管护帽1205、单芯插针护帽1206、防插入挡块1207、插针绝缘护套1208、插针1209，以及感应线圈1213、连接体1212和电路板1211等，感应线圈1213安装在承压外壳1202内部空腔中的上半部分，连接体12安装在承压外壳2中部空腔内，电路板11安装在承压外壳2下部空腔中，单芯导线1210安装在毛细管内，一端与电路板1211相连，另一端与插针1209相连，毛细管1204一端与下堵头1203相连，另一端与插针护帽1206连接，毛细管护帽1205内部插入毛细管1204，同时与插针护帽1206相连，插针护帽1206内部一端插入毛细管1204，与毛细管护帽相连，插针护帽1206另一端内安装有插针绝缘护套1208，防插入挡块1207和插针1209；

上堵头1、承压外壳2、下堵头3、毛细管4、毛细管护帽5、单芯插针护帽6组成探头的外部壳体，除承受外部压力，保护内部元件，同时还作为测量回路的地线。外部壳体各部件之间连接均采用焊接方式，且采用的焊接方法不能造成部件的机械变形、扭曲和穿孔，影响探头的耐压、防水性能，因而采用真空电子束焊、激光焊等高精密焊接方法；

插针1209、单芯导线1210、电路板1211、连接体1212的铜柱1215、感应线圈1213、与外部壳体组成信号测量回路，实现涡流信号的感应，变换和耦合；

插针护帽1206、防插入挡块1207、插针绝缘护套1208、插针1209组成单芯插头，可直接插入仪器探头安装孔内，实现探头的快速安装或替换；插针护帽1206外部设置有一道拆卸槽、两道密封圈1217和一道接触弹簧1218；拆卸槽的设置有利于探头的快速拆卸，借助于插入扳手，可快速实现探头的拆卸；两道密封圈1217的设置保证探头与仪器骨架组装后具有较强的耐压能力，同时防止水、油等渗入仪器与探头内部，造成仪器内部短路事故；接触弹簧1218的设置可保证探头安装时与仪器安装孔同轴，同时可以增大探头与仪器的接触面积；

电路板1211插入下堵头1203所留电路板插槽，电路板1211上焊接有弹簧铜片，可保证电路板1211与下堵头1203接触良好，同时保证探头外壳与电路板良好的共地；电路板1211、连接体1212、感应线圈1213、磁芯护帽1214和铜柱1215组成信号检测的核心部分，安装在承压外壳内部空腔中，彼此间通过胶结、销钉铆接等方式实现固定，保证在这些部件在组装完成时感应线圈1213的绕制漆包线不会断开，同时便于直接插入承压护管1202，可实现快速组装；磁芯护帽1214安装在感应线圈1213的磁芯上，可有效防止漆包线在绕制时脱落；高温绝缘护套一般为粉末状绝缘绝热材料，填充于承压护管内部未被检测核心部分占据的空间，保证探头具有的较强的防水性和高温性能。

本实用新型的工作过程：

控制单元2开启测厚驱动单元13(即低频电磁线圈)，并以频率8Hz-20Hz的方波驱动低频电磁线圈产生交变电磁场，对10～16个测厚传感器在测厚驱动信号周期内连续采样。低频电磁线圈是发射探头，感应线圈是接受探头。

控制单元2开启中频电磁线圈5，并以800Hz-10KHz方波驱动中频电磁线圈5，关闭中频电磁线圈后，测量中频电磁线圈5作为中频电磁探头的感应电动势。中频驱动线圈驱动后，对中频线圈探头进行采样。中频电磁线圈5既是发射探头也是接收探头。

控制单元2开启高频电磁线圈4，并以20KHz-650KHz方波驱动高频电磁线圈4，关闭高频电磁线圈4后，测量高频电磁线圈4作为高频电磁探头的电感量。高频驱动线圈驱动后，对高频线圈探头进行采样。高频电磁线圈4既是发射探头也是接收探头。

测厚传感器12的探头距离测厚驱动线圈13中心的距离为500mm-600mm之间。高频电磁线圈4中心和中频电磁线圈5中心之间距离为350mm-400mm之间。本实用新型磁保护套为耐高压、耐高温、无磁、高硬度材料。

正常施工时，10-16个测厚传感器紧贴管壁，分时采集10-16个测厚传感器信号和高频线圈探头信号、中频线圈探头信号。

高精度井下电磁测厚井径仪，测厚驱动线圈的驱动频率为8Hz～20Hz。

高精度井下电磁测厚井径仪，中频线圈的驱动频率为800Hz～10KHz。

高精度井下电磁测厚井径仪，高频线圈的驱动频率为20KHz～650KHz。

本实用新型的工作原理：

本实用新型通过传感器阵列将套管分成多个扇区，测量电磁波相位移，根据相位移与套管的平均厚度的线性关系测量套管不同扇区的壁厚。用高频线圈测量套管的内径，加上金属屏蔽罩后，屏蔽罩内会产生涡流，该涡流产生的磁场又反作用于高频线圈。从高频线圈角度看，屏蔽罩使线圈电感量减小，Q值降低。屏蔽罩尺寸越小，对线圈的影响就越大。磁井径回路中特定等效参数是线圈与套管内表面之间的距离(井径)的函数，与套管的电磁特性无关，由此测得套管井径。用中频线圈测量套管的电磁特性，主要是在高频线圈测得的套管内径基础上计算出准确的套管电磁特性，如电导率和磁导率。根据计算出的电导率、磁导率和传感器阵列测得的各扇区套管壁厚，可计算出套管各个扇区的绝对壁厚。

以上所述，仅是本实用新型的较佳方案，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上所述所做的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：包括磁保护套、线圈组件、控制单元、测厚单元、固定组件以及测厚驱动单元；

所述线圈组件和控制单元均位于磁保护套内，所述测厚单元设置在固定组件上，所述固定组件连接磁保护套和测厚驱动单元；

所述测厚单元包括多个测厚传感器；

所述线圈组件包括高频电磁线圈和中频电磁线圈，所述高频电磁线圈(4)位于中频电磁线圈(5)的上方，所述中频电磁线圈(5)位于控制单元(2)的上方，所述控制单元(2)通过固定组件与测厚单元连接。

2.根据权利要求1所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述控制单元包括DSP处理器、供电电源、程序控制增益单元、通道选择单元以及多个采集通道，所述供电电源给测厚单元和DSP处理器供电，所述DSP处理器控制高频电磁线圈，所述DSP处理器控制测厚驱动单元的发射频率，所述测厚传感器通过采集通道、程序控制增益单元与DSP处理器连接，所述DSP处理器通过通道选择单元选择采集通道。

3.根据权利要求1所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述测厚驱动单元为低频电磁线圈。

4.根据权利要求1或2或3所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述固定组件包括传感器基座、板簧固定座、中心轴以及绕中心轴圆周分布的多个板簧，所述传感器基座与磁保护套固定连接，所述中心轴固定在传感器基座上，所述板簧的两端分别固定在传感器基座和板簧固定座上，所述中心轴上套接有拉伸弹簧和固定有拉簧固定座，所述拉伸弹簧的一端固定在拉簧固定座上，所述拉伸弹簧的另一端驱动板簧固定座沿中心轴运动，所述测厚传感器一对一的设置在板簧中部。

5.根据权利要求4所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述测厚传感器包括承压外壳、以及设置在承压外壳内的测厚线圈和电路板、与承压外壳固定密封连接的堵头、与堵头连接的单芯导线以及插针，所述电路板的一端与测厚线圈连接，所述电路板的另一端与单芯导线连接，所述单芯导线的 另一端与插针连接。

6.根据权利要求5所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述控制单元包括还包括放大单元，所述一级放大单元和二级放大单元，所述一级放大单元设置在采集通道和程序控制增益单元之间，所述二级放大单元设置在测厚传感器和采集通道之间；

所述一级放大单元包括至少两个串联的放大器；

所述二级放大单元包括多个放大器，所述放大器与测厚传感器一对一设置。

7.根据权利要求6所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述板簧和测厚传感器均有10-16个。

8.根据权利要求7所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述高频电磁线圈和中频电磁线圈之间距离为350mm-400mm。

9.根据权利要求7所述的高精度井下电磁测厚井径仪，其特征在于：所述测厚传感器(12)和测厚驱动线圈(13)之间距离为500mm-600mm。 

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