CN210775333U - 瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，包括井下探测仪，还包括主机模块，所述井下探测仪通过第一传输电缆与主机模块电连接，所述主机模块包括主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块、电源，所述主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块均连接电源，所述主机数据存储模块与数据传输模块电连接，所述深度计算模块与深度存储模块电连接。本实用新型提高测井效率，快速准确完成多层管柱套损检测。

Description

瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统

技术领域

本实用新型涉及瞬变电磁探测技术领域，具体地说是瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统。

背景技术

目前，我国大多数油田已进入中后期，大多数油、气井经过长期的开发、注水等作业，以及遭到机械损伤和电化学腐蚀等诸多因素的影响，管柱出现裂缝、变形、缩径等各种不同程度的损伤现象，直接影响油、气井的正常生产和井内安全，甚至影响到附近井区的正常开采，需要套管损伤检测确定套管的损伤程度和位置，为套管的修补和更新提供依据，提高套损修复成功率及治理效率。

瞬变电磁法以法拉第电磁感应定律为基础，通过给发射线圈施加双极性阶跃信号或斜阶跃信号，在激励关断的间歇接收地层中随介质电阻率变化的二次涡流场，二次场呈指数规律衰减，其衰减形式主要取决于周围介质的导电性和体积规模。瞬变电磁套损检测技术不会对套管造成二次伤害，具有精准评价套管剩余壁厚、全井段连续快速测试、受井筒环境影响小的特点，广泛应用在套损检测领域。

为了隔离地层并保护井身结构，通常采用油管、套管等多层管柱来承受开采过程中产生的压力，此时，管柱层数的增多会给井下介质信息的反演和解释带来一定的难度，需要联合多个时刻的数据联合处理。论文《Auxiliary Sensor-Based Borehole TransientElectromagnetic System for the Nondestructive Inspection of MultipipeStrings》中提出，可以仿真出特定采样时刻各种多层管柱壁厚参数对应的感应电动势曲面，通过测得的感应电动势在该曲面上截取其对应的多层管柱壁厚参数组合，联合多个采样时刻取组合的交集即可确定当前的多层管柱壁厚参数。但是实际套损检测工作中，地层及套管的磁导率、电导率等参数无法确定，无法仿真出感应电动势曲面。在当管柱层数为一时，特定时刻下壁厚参数对应的感应电动势曲面降维为感应电动势曲线，这时可以通过测取特定采样时刻下套管和接箍两个不同壁厚下的感应电动势，利用指数函数性质标定感应电动势曲线。然而管柱层数增加时，特定时刻下壁厚参数对应的感应电动势维数增加，以两层管柱为例，其壁厚参数对应的为二维感应电动势曲面，这时两层管柱的套管和接箍两个壁厚可以组合成四种情况，这时仅通过四个点无法准确标定感应电动势曲面，且随着管柱层数的增加，标定的难度也会越来越高，壁厚检测的精度也会大打折扣。

与探测单层管柱相比，多层管柱探测径向范围更大，根据涡流扩散理论，需要较晚期的信号，因此发射周期较大。而且，在探测多层管柱时，需要时域多通道联合解释，且管柱越多，时域通道数也越多。因此在实际探测中，管柱层数越大，发射周期越长，时域采样点数越多，测井时间也越长。但井中一般并不是全井段布置多层套管，为此我们发明了一种新的瞬变电磁时域法多层管柱损伤检测系统及方法，解决了以上技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，提高测井效率，快速准确完成多层管柱套损检测。

为了达成上述目的，本实用新型采用了如下技术方案，瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，包括井下探测仪，还包括主机模块，所述井下探测仪通过第一传输电缆与主机模块电连接，所述主机模块包括主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块、电源，所述主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块均连接电源，所述主机数据存储模块与数据传输模块电连接，所述深度计算模块与深度存储模块电连接。

还包括上位机模块，所述主机模块通过第二传输电缆与上位机模块电连接。

所述上位机模块包括井下多层管柱基础参数输入模块、数据处理模块、上位机数据存储模块、上位机数据回放模块、成像显示模块，所述井下多层管柱基础参数输入模块与数据处理模块电连接，所述数据处理模块与成像显示模块电连接，所述数据处理模块与上位机数据存储模块电连接，所述上位机数据存储模块与上位机数据回放模块电连接，所述上位机数据回放模块与成像显示模块电连接。

所述数据处理模块为深度壁厚多参数数据处理模块。

所述井下探测仪包括电磁探头、发射接收模块、放大滤波模块、信号采集模块、单片机，所述发射接收模块、信号采集模块均电连接单片机，所述发射接收模块电连接电磁探头，所述放大滤波模块电连接电磁探头数据输出端，所述信号采集模块电连接连接放大滤波模块数据输出端。

所述单片机还电连接探测仪数据传输模块，探测仪数据传输模块再电连接主机数据存储模块。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

本实用新型的瞬变电磁时域法多层管柱损伤检测系统通过构建井下瞬变电磁多层管柱模型，利用实测数据中时域多通道联合估计井下模型参数、仿真拟合感应电动势曲面，通过仿真感应电动势曲面和实测感应电动势的反复验证修改，最终标定感应电动势曲面，在测井过程中，根据井中套管布置的先验信息，调整发射周期和采样点数，提高测井效率，快速准确完成多层管柱的套损检测，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。本发明通过井中套管布置的先验信息，可以调整测井仪器在多层管柱井段，延长发射周期，增加采样点数，在单层管柱井段，缩短发射周期，减少采样点数，从而提高测井效率，缩短测井时间。

附图说明

图1为本实用新型的瞬变电磁时域法多层管柱损伤检测系统的一具体实施例的结构图；

图2为本实用新型的一具体实施例中井下探测仪模块示意图；

图3为本实用新型的一具体实施例中地面主机模块示意图；

图4为本实用新型的一具体实施例中上位机模块示意图；

图5为本实用新型的一具体实施例中瞬变电磁多层管柱探测模型图；

图6为本实用新型的一具体实施例中瞬变电磁时域法多层管柱损伤检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，图1为本实用新型的瞬变电磁时域法多层管柱损伤检测系统的结构图。

该系统由井下探测仪1、传输电缆2、主机模块3和上位机模块4几部分组成。井下探测仪1和主机模块3之间通过传输电缆2相连，通过传输电缆2将井下探测仪1下放至井中对介质信息进行探测，将测得的原始测试信号进行预处理后传给地面主机模块3，主机模块3对采集的深度信息和包含多层管柱的探测信息进行存储及处理，并上传至上位机模块4，主机模块3和上位机模块4之间通过数据线相连。上位机模块4根据井下探测仪1所处深度，联合井下套管布置先验信息，确定当前深度下的套管层数和壁厚的大致信息，计算瞬变电磁信号发射周期和时域采样通道数，并经过主机模块3和传输电缆2发送给井下探测仪1。

如图2所示，井下探测仪由电磁探头11、发射接收部分12、放大滤波部分13、信号采集部分14、数据传输部分15和单片机部分16组成。发射接收部分12控制电磁探头11的发射和接收，放大滤波部分13对接收的信号进行放大滤波，信号采集部分15对放大滤波后信号采集，转换为数字信号。数据传输部分15用来接收主机模块3发送的命令，并将编码后的采样数据发送给主机模块3。单片机部分16根据主机模块3下发的指令，控制发射接收部分12的发射周期和信号采集部分的采样点数及各点的采样时间，并对采样的数据进行编码，传输给数据传输部分15。

传输电缆2为多芯电缆，用于为井下探测仪1供电和传输主机模块3下发给井下探测仪1的命令信息和井下探测仪1发送给主机模块3的测井数据。

如图3所示，主机模块3由数据存储部分32、数据传输部分33、深度计算部分34、深度存储部分35和电源部分31组成，电源部分31用于为井下探测仪供电，深度计算部分34用于计算井下探测仪所处的深度，并将计算的深度信息传输到深度存储部分35进行存储；数据存储部分32完成对井下探测仪原始测试信号的存储，数据传输部分33用于将上位机模块下发的命令发送给井下探测仪1，将深度信息和井下的探测数据发送给上位机模块4。

如图4所示，上位机模块4由井下多层管柱基础参数输入部分41、数据处理部分42、成像显示部分43组成。其中井下多层管柱基础参数输入部分41用来输入井况信息，包括井号和套管布置信息等，其中套管布置信息包括各深度下的套管层数和原始壁厚。井下多层管柱基础参数输入可以通过键盘等硬件进行输入，数据处理部分42用来接收主机模块3发送的数据信息，其中包括测井数据，深度信息，数据处理部分42保存测井数据，并根据当前深度和套管布置先验信息计算发射周期和采样点数并发送给主机模块3，同时，根据测井数据联合仿真标定的感应曲面确定各层管柱壁厚，并发送给成像显示部分43。成像显示部分43用来以曲线形式显示仪器测取的各个深度的原始数据和根据原始测试数据反演的多层管柱壁厚。对于存储的井下探测信号，测井结束后还可以进行数据回放，通过设置待回放原始测试数据的存储路径，点击软件界面的“查询”按钮调取数据，并通过成像模块进行显示。这种软件在本领域内已经是常用的公知技术。

在一实施例中，实施测井前，在未存在损伤井段，测取两层管柱本体和接箍共四种组合情况的感应电动势曲线，利用实测数据中时域多通道联合估计井下模型参数、仿真拟合感应电动势曲面，通过仿真感应电动势曲面和实测感应电动势的反复验证修改，最终标定感应电动势曲面。在上位机模块4中录入被测井的套管布置先验信息，其中包括各深度下的套管层数和原始壁厚。实施过程中井下探测仪1下放至井中对多层管柱的损伤进行检测，上位机模块4根据井下探测仪1所处深度，联合井下套管布置先验信息，确定当前深度下的套管层数和壁厚的大致信息，计算瞬变电磁信号发射周期和时域采样通道数，并经过主机模块3和传输电缆2发送给井下探测仪1。井下探测仪1中数据发送接收部分15接收到这些探测参数并发送给单片机部分16，单片机部分16通过发射接收部分12控制电磁探头11按照指定周期发射信号，接收到的信号经放大滤波模块13的初步处理后，由单片机部分16控制信号采集部分14将模拟信号按照上位机模块4下发的时域采样通道数进行采样。数字采样信号经单片机模块16编码后通过传输电缆2上传至主机模块3。主机模块3中的数据传输部分33对数据解码发送给上位机模块4对解码数据进行数字信号处理，比对标定的各采样时刻对应的感应电动势曲面，确定各层管柱的壁厚信息，进行存储和显示。

采用瞬变电磁时域多通道多层管柱检测方法对多层管柱的损伤进行检测，管柱的层数和时域采样通道数，且为了保证感应电动势曲面标定精度和检测性能，时域采样通道数要远大于管柱层数。为了便于描述，以2层管柱，时域10个通道联合处理为例，进行说明。

多层管柱检测模型如图5所示，介质由里到外依次为磁芯、空气、仪器外壳、井液、套管1、水泥环1、套管2、水泥环2和地层，μ_j,ε_j,σ_j和r_j分别为第j层介质的磁导率、介电常数、电导率和半径为r_j，其中j＝1,2,…,J。则接收线圈的感应电动势在频域上可表示为

其中i²＝-1，ω为角频率，N_R为接收线圈的匝数，z为接收线圈和发射线圈之间的间距，H为接收线圈内的磁场强度，r＝[r₁ r₂]，μ＝[μ₁ μ₂]，ε＝[ε₁ ε₂]，σ＝[σ₁ σ₂]为各层介质的半径、磁导率、介电常数和电导率组成的矢量，当存在管柱层数增加时，矢量的维数会响应的增加。设关断时间为t_of,利用S阶G-S逆拉普拉斯变换可得时间域的感应电动势为

在实际应用时，各层介质的电磁参数以及几何参数无法确定，无法直接通过检测模型反演套管的壁厚。但若只存在一层套管，任意时刻的接收感应电动势和套管的壁厚关系为一条指数曲线，可以通过损伤段套管本体和接箍两个不同壁厚的实测感应电动势标定这条曲线，并通过这条曲线反演各处套管壁厚。但当套管数为2时，任意时刻的接收感应电动势和两层套管的壁厚关系为指数曲面，而两层套管的本体和接箍只能够组成4种壁厚组合，通过4个点标定一个指数曲面准确性较差。特别的是，两层套管时需要检测的壁厚为2个未知数，仅一个时刻的感应电动势无法求解2个未知数，需要两个时刻的感应电动势联合求解，因此需要标定两个时刻的感应电动势曲面，更加难以准确标定。而随着套管层数的增加，标定的难度也会越来越高。本实用新型提出一种瞬变电磁时域多通道多层管柱检测方法，通过时域上多个通道的感应电动势来估计各层介质的地层参数，从而标定各个时刻感应电动势曲面，实现多层管柱损伤检测。如图6所示，具体检测流程如下：

(1)首先根据当前井况中管柱的层数，构建出瞬变电磁多层管柱探测模型，其中有空气、井液、金属管柱等多层介质；

(2)构建感应电动势正演方程，设m为管柱层数，每层管柱共半径、磁导率、介电常数和电导率4个未知量，则共有4m个未知量；

(3)分别对当前井况无损伤段各层套管的不同壁厚组合进行测量，以两层套管为例，可测量的情况可以分为3种，其一为两层套管均为本体的位置；其二，内层套管为接箍而外层套管为本体的位置；其三，内层套管为本体而外层管柱为接箍；

(4)对上述各种套管壁厚组合的实测曲线进行采样，采样点的总个数与未知量个数有关。设未知量为4m个，则至少需要4m个采样点才可以求解未知量，为使解更准确，可选取8m个采样点；

(5)根据选取的8m个采样点，可建立8m个方程，求解方程组可解得m层管柱共4m个未知量；

(6)将求解的未知量带入感应电动势正解方程，仿真出各层套管不同壁厚组合的感应电动势曲线。

(7)验证仿真出的感应电动势曲线与实测曲线是否一致，若存在误差，则将对应的测量数据与原方程组联立，重新求解出最优的4m个未知量。

(8)重复步骤(6)和步骤(7)直至仿真的感应电动势曲线与实测曲线完全一致。

(9)根据最终求解的4m个未知量，适度调整其中套管的壁厚参数，仿真出各时刻各种套管壁厚组合的感应电动势曲面，完成标定。

(10)在上位机模块中录入被测井的套管布置先验信息，其中包括各深度下的套管层数和原始壁厚。

(11)井下探测仪下放至井中对多层管柱的损伤进行检测，上位机模块根据井下探测仪所处深度，联合井下套管布置先验信息，确定当前深度下的套管层数和壁厚的大致信息，计算瞬变电磁信号发射周期和采样点数及其采样的时刻，并经过主机模块和传输电缆发送给井下探测仪。

(12)井下探测仪按照指定周期发射信号，接收到的信号经放大滤波后，按照上位机下发的采样方式进行采样，转换为数字信号并发送给主机模块。

(13)主机模块将接收的数据进行解码，比对标定的各采样时刻对应的感应电动势曲面，确定各层套管的壁厚信息，并发送给上位机模块。

(14)上位机模块保存各层套管的壁厚信息，并显示在显示屏上。

(15)下放至下一深度，重复步骤(11)至步骤(14)。

综上所述，本实用新型对无损伤的各层管柱的壁厚组合实测数据进行时域多通道采样，联立求解各层管柱的电磁参数和几何参数，并反复验证改善解的准确性。调整最终求得的各层管柱参数，仿真标定不同时刻各种套管壁厚情况下的感应电动势曲面。下井测试时，根据井下套管布置的先验信息，调整发射周期和采样方式，并将采样的数据与仿真标定的感应电动势曲面联合求解井下各层套管的壁厚信息。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，包括井下探测仪，其特征在于，还包括主机模块，所述井下探测仪通过第一传输电缆与主机模块电连接，所述主机模块包括主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块、电源，所述主机数据存储模块、数据传输模块、深度计算模块、深度存储模块均连接电源，所述主机数据存储模块与数据传输模块电连接，所述深度计算模块与深度存储模块电连接。

2.根据权利要求1所述的瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，其特征在于，还包括上位机模块，所述主机模块通过第二传输电缆与上位机模块电连接。

3.根据权利要求2所述的瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，其特征在于，所述上位机模块包括井下多层管柱基础参数输入模块、数据处理模块、上位机数据存储模块、上位机数据回放模块、成像显示模块，所述井下多层管柱基础参数输入模块与数据处理模块电连接，所述数据处理模块与成像显示模块电连接，所述数据处理模块与上位机数据存储模块电连接，所述上位机数据存储模块与上位机数据回放模块电连接，所述上位机数据回放模块与成像显示模块电连接。

4.根据权利要求3所述的瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，其特征在于，所述数据处理模块为深度壁厚多参数数据处理模块。

5.根据权利要求1或2或3所述的瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，其特征在于，所述井下探测仪包括电磁探头、发射接收模块、放大滤波模块、信号采集模块、单片机，所述发射接收模块、信号采集模块均电连接单片机，所述发射接收模块电连接电磁探头，所述放大滤波模块电连接电磁探头数据输出端，所述信号采集模块电连接连接放大滤波模块数据输出端。

6.根据权利要求5所述的瞬变电磁时域多通道多层管柱损伤检测系统，其特征在于，所述单片机还电连接探测仪数据传输模块，探测仪数据传输模块再电连接主机数据存储模块。

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