套管损伤探测仪信号采集系统研究⋆

沈鹏征，李楠楠，刘 斌

（1 西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西西安 710065；2 长庆油田分公司第六采油厂，陕西西安 710065）

0 引言

套管损伤是国内各油田遇到的普遍问题，套管损坏的油气井轻者不能正常生产，重者则关井，甚至报废，以致影响油田稳产和采收率。随着油田规模的扩大和套损井数的增加，对油田的生产和发展是极其不利的，其经济损失也是不容忽视的，因而检测油气井下套管的损坏情况就成为避免油田经济损失的重要方法。本文介绍的信号采集方法通过多路磁探头对套管的损伤进行探测，提高了对井下瞬变电磁信号的检测能力，可获得信噪比较高的二次场信号，能完整、准确地反映套管损伤信息，可以为套管的修复和所采取的预防措施提供科学依据，是一种典型的井下瞬变小信号的采集方法。系统利用PIC 单片机对采集过程进行控制，电路简单，控制简便，采样精度高，信号抗干扰能力强。

1 信号采集的原理及方法

本系统以瞬变电磁法为理论基础，对3个磁探头（纵向长探头A，横向探头B，横向探头C）进行分时采集。磁探头由发射线圈和接收线圈两部分组成，工作过程分为发射、电磁感应和接收3部分。将磁探头置于套管中，给探头的发射线圈通以双极性矩形脉冲信号，在脉冲的间歇期间，探头的接收线圈记录产生的、随时间变化的感应电动势，由于在探头发射线圈上提供的是双极性脉冲电流，当发射线圈中电流脉冲突然关断时，将在周围产生磁场，该磁场称为一次场。根据导体中的电磁渗透理论，其磁力线穿过套管，在套管中产生涡流i即二次场。在脉冲电流的间歇期间，套管中产生涡流i在探头的接收线圈中产生感应电动势ε。当油管或套管出现孔洞、裂缝，特别是纵向裂缝，这将改变感应电动势ε的幅度，在测井曲线上表现出异常，从而通过检测感应电动势ε的变化进行套管损伤的探测。通过对发射波形的间歇时间对接收线圈上的感应信号进行采集，从而对套管损伤进行识别。

瞬变信号在早、中、晚期的衰减速度差别相当大。为了不失真地准确确定瞬变衰减特性，采样的间隔及采样门宽应在不同时期有所改变。在早期，信号的幅度高而且衰减速度快，因此采样时间间隔及门宽都必须相当窄才能保证足以精确地分辨信号的衰减特性；在晚期，采样间隔及门宽应增大，以适应弱信号慢衰减的特性[1]。

在脉冲间歇期间井下分时采集3个磁探头信号，磁探头信号是按指数形式衰减。在3个磁探头中，横向短探头B与横向短探头C，信号幅值高而且衰减速度快，而纵向长探头A 信号衰减慢，因此在脉冲间歇早期采集横向短探头B 和C上的接收信号，并且采样时间间隔及门宽都必须相当窄，才能精确地分辨信号的衰减特性，采用等间隔采样；而在晚期采集纵向长探头A上的接收信号，采用非等间隔采样，采样方式如图1所示。

图1 接收信号采样方法

2 硬件设计

井下信号采集系统主要由前置放大电路、可变增益放大电路、积分电路和AD 采样电路组成。

2.1 前置放大电路

接收线圈接收的信号动态范围大，在早期衰减快，幅值大，而在中晚期信号衰减慢，幅值小，只有毫伏甚至达到微伏级，因此需要对接收信号进行放大、降低噪声干扰、提高信号灵敏度，。为了提高瞬变电磁信号数据采集的精度，减少系统的噪声，而且还要同时满足输入阻抗、共模抑制比、电路工作点稳定性等多种要求，在信号检测系统中采用了前置放大电路。前置放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强共模干扰抑制能力，低温漂、低失调电压和稳定增益可调等特点。电路如图2所示。

图2 前置放大电路

IN129是由3运放组合而成的集成放大器，具有较高的共模抑制比、温度稳定性好、放大频带宽、噪声系数小，而且精度高、使用简易、噪声低等优点。R1、C1和R2、C2分别接到输入线上组成一阶低通滤波器，滤除输入线上的高频噪声。同时，R1和R2又分别是限流电阻，避免过大的输入电流烧毁IN129。D1～D4为保护二极管钳制输入信号使其保持在电源电压范围内（-12V～+12V），保护后级的仪表放大器。IN129的放大结构简单，增益可调范围大，只需要调节外部的增益电阻Rg即可改变测量放大器的闭环增益。

2.2 可变增益放大电路

在本采集系统中，接收的二次场信号微弱、动态范围宽，前期信号与中晚期信号，可能会相差几个数量级，早期信号幅值大，中晚期信号幅值小。当接收早期的大信号时，应调低放大器的增益，以防止放大器和后级电路引起饱和失真，避免早期信号出现截止；当接收中晚期的小信号时，应调高放大器的增益，使系统噪声系数最小，以达到最高接收灵敏度。因此，为了避免信号出现截止现象，以及信号的分时采集，在前置放大电路后面加一个可变增益放大电路。电路由高速4路单刀单掷模拟开关ADG202ATQ与运算放大器组成，由PIC 单片机控制选择磁探头信号的通道以及不同的放大倍数，这样可以减小信号的动态范围，从而使三个磁探头的信号均能实现有效的检测，同时减少了信号的噪声干扰，电路如图3所示。

图3 可变增益放大电路

PIC 单片机通过控制开关U1的选通，来实现3个磁探头的分时采集，通过对控制开关U2的选通改变运放的输入电阻，从而改变放大器的增益，减小信号的动态范围，实现对瞬变信号的早、中、晚期进行分时、有效的采集处理。

2.3 积分电路

我们所采集的有用信号主要集中在信号的晚期，晚期瞬变信号幅度微弱，衰减速度慢，所以我们采取模拟积分采样方式，通过PIC 单片机控制对信号进行分时积分采样，对晚期的弱信号进行累加，提高了信号的信噪比、采样的精度与分辨率，精简了电路结构。其工作原理是：通过PIC单片机控制模拟开关U3的关断来选择不同的积分电阻，U4作为模拟积分取样的时标信号用来确定取样的起始时间、取样宽度以及取样次数，信号经过电阻连接到运算放大器OP27的反向输入端口。信号靠电容C1来积累电压，在测量结束的瞬间U3关闭，在OP27的输出端的电压停止增大。由于电容的放电回路被切断，在OP27的输出端的电压长时间保持恒值。由于积分过程中的高频滤波作用，这种电路采样精度最高。用AD 采样该电压，采样后用单片机控制U4的一路开关导通，对电容器放电并对数据进行存储，以便进行下一个信号的积分取样。电路如图4所示。

图4 积分采样电路

2.4 A/D采样

图5 AD 转换电路

3 软件设计

本采集系统主要是通过PIC 单片机控制硬件电路，对磁探头信号进行分时采集。软件的设计直接关系到信号采集的准确性和可靠性。程序的控制主要包括对磁探头信号的选取、可变增益放大器和积分电路的控制及A/D 数据采集。软件主要是通过对模拟开关的控制，以达到信号的分时采集，并对采集的信号进行存储以便后续处理。其流程图如图6所示。

图6 软件流程图

最终的采样结果如图7所示，图中所示为可变增益与积分电路的波形。由于信号是接到积分电路的反相输入端，所以输出信号与输入信号反相。由图可知，系统达到了预期的设计效果。

图7 采样的最终信号

4 结论

本文对井下瞬变信号的采集进行了研究，对瞬变电磁信号的特点、采样原理和采样方法进行了介绍，在此基础上设计了相关的硬件电路和软件。硬件电路由前置放大电路、可变增益放大电路、积分电路和AD 采样电路组成，软件主要由PIC 单片机进行控制和处理。电路完成了调试，参数符合预期的要求，经过实验室模拟和井下实验，本系统具有采样精度和信噪比高，抗干扰能力强，电路实现简单、可靠性高的特点，能准确反应井下套管损伤的信息。

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