套管损伤探测仪信号噪声和干扰的分析与解决方法

沈鹏征，马桥斌

（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）

0 引言

套管损伤探测仪根据电磁感应原理给发射线圈供一直流脉冲，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。它可以准确地检测出油气井井下套管的损坏状况、方位和种类，能为套损机理的分析、套损的预测提供准确的依据，对油田的稳产及发展起着重要的作用[1]。但是由于电路的噪声和外界的干扰，将会严重的影响测井资料的解释精度和准确性，造成测井信息不准确，不能为套损情况提出科学、可靠的信息。本文将分析电路信号的噪声和外界的干扰对测井原始数据的影响，并提出相应的解决措施。

1 电路信号的噪声

1.1 磁探头原始信号的去噪

在套管损伤探测仪中，磁探头（传感器）是其核心部件，它由发射线圈和接收线圈两部分组成，探头设计的好坏直接影响系统的整体性能。由于套管中的磁信号非常微弱，受到井下的干扰非常大，如果不能解决好探头的噪声干扰影响，将给电路及其测量带来较大误差，甚至会因噪声淹没正常的测量信号而使电路不能正常工作，无法得到可靠的测井资料。基于以上原因本系统采用差动式的线圈绕制方法来抑制原始信号的噪声。绕制方式如图1所示。

由于套管内部的轻微腐蚀和磁探头运动的不平稳性，磁探头在检测套管的过程中噪声非常大，缺陷信号很容易被淹没，而用这种方法绕制的线圈可以有效地减少这些噪声的影响，而且能在降低噪声的同时增加灵敏度，对套管相对应的局部区域腐蚀敏感且具有空间分辨率[2]。在接收线圈中部引一根导线接地，来实现接收信号的差分输入，可以很好地消除接收信号中的噪声，实验证明，利用这种方式绕制的线圈具有较高的灵敏度，抗噪声能力强。

图1 探头线圈绕制示意图

1.2 前置放大器的噪声影响

由传感器采集的井下信号非常的微弱，必须对信号进行前置放大，降低噪声干扰、提高信号灵敏度。而前置放大电路则是引入噪声的主要部件之一，是整个电路中噪声的主要来源，其影响最为严重，因此合理地设计低噪声前置放大电路至关重要[3]。前置放大器必须噪声小、增益稳定、精确、抗干扰能力强，共模抑制比高。因此在设计前置放大器时应采用精密电阻，且电路的闭环增益不能太大，可以采用负反馈改善放大器的性能,这样能有效防止放大器噪声性能恶化。同时，要进行合理的布局布线，减少放大电路与其他电路的公共部分, 采用独立的电源,采用合理的屏蔽和接地技术，可以最大限度地降低外部干扰和耦合等噪声。要特别注意信号传输线的正确接地，放大器输入信号回路的正确接地，去耦电容的合理选用，从而减少与其他电路之间的直接耦合。通过这些措施能够有效地改善电路的稳定性，能大大降低了噪声的影响。图2为磁探头采集到的原始信号，图3为进行改善后的前置放大电路输出信号，从图中可以看出进行改善后信号的噪声明显减小，基本消除了原始信号噪声的干扰。

图2 探头原始信号

图3 改善后的前置放大电路输出信号

1.3 DC—DC电源的噪声影响

仪器井下供电是由170V的直流电经过单芯电缆传输到井下的，再经过DC—DC模块转换为±12 V和+5 V为磁探头和电路供电。DC—DC模块在电压转换中存在较为严重的开关干扰。其中，模块的输出电压纹波对系统的影响至为重要。在实际的测试中，不同公司的DC—DC模块的输出电压纹波存在着很大的差异，输出电压的纹波会严重影响井下电磁信号的质量，这直接影响套管信息探测的准确性，造成测井数据的不准确，严重影响仪器的正常工作。因此，选用纹波小的DC—DC模块对测井信号的质量至关重要，并可以在DC—DC模块接入电路前做相应的处理，相关的措施如下：

（1）合理的屏蔽与隔离措施；

（2）采用合理的电源线滤波器；

（3）输入加电感抑制高频；

（4）输出加大电容器滤波和共模电感线圈，吸收输出纹波。

通过这些方法可以有效地减小输出电压的纹波，为后续进一步采取措施抑制、消除电路干扰噪声提供条件。图4为DC—DC模块的输出未做处理与做过处理后的输出电压纹波图形对比，未经过处理的DC—DC输出的纹波包含有高频噪声信号，经过处理后的DC—DC输出纹波中绝大部分高频信号被滤除。

图4 DC—DC模块输出纹波对比图形

1.4 仪器布线的影响

仪器布线的好坏不仅直接影响到电路的可靠性，还将会影响系统抗噪声的能力，合理的布线，可以将电磁噪声有效的减小。改善措施：（1）尽量使用粗的电源导线，电源导线应远离地线和信号线。缩短电路板之间连接导线的距离，必要时应采取适宜的屏蔽措施，并尽量做到两信号线之间加一根地线；（2）接地是抑制噪声的重要方法，正确的接地能够有效地抑制外来干扰, 同时可提高测试系统的可靠性, 减少系统自身产生的干扰因素。由于仪器工作在低频段，所以采用一点接地。接地时应将模拟地、数字地分开，地线应尽量的短和粗。

2 信号干扰问题及处理方法

仪器工作在最佳状态时其系统本身的抗干扰能力最强，在这个基础上再分析干扰信号来源与特点,并采取相应的措施来抑制或减小干扰的影响。

2.1 电缆的干扰

井下数据是通过耦合变压器将数据耦合到单芯电缆上，单芯电缆实现了井下供电和传输数据的同时进行。但在实际的测井中由于电缆的使用问题引起了很大的干扰：(1)仪器在中原油田的测井过程中，由于电缆的挤压，造成了仪器的短路，影响了正常的测井工作；(2)在测井工作中，由于电缆的振动，造成了数据曲线的抖动，无法得到稳定的测井数据。同时，在室内试验时由于耦合变压器屏蔽外壳的破损，引起干扰信号的传入，影响了数据的准确性。因此，在实际的测井过程中，应避免电缆的挤压，在测井过程中应防止电缆的抖动，确保井上和井下耦合变压器的完好无损。

2.2 电源的干扰

石油测井现场的供电条件一般都较为恶劣。同时, 在附近的大型交流电力设备的启停会引起线路电压、电流的波动，同时会产生频率很高的浪涌电压，如果这些干扰信号沿着交流电源线进入仪器内部, 将会干扰其正常工作, 电源的不稳定、不纯净, 极易影响仪器的正常运行，甚至使其无法工作，从而影响了系统的测井数据的准确度。合理地解决好电源的干扰问题，使仪器获得干净的电源是首先要考虑的问题。解决的方法如下:(1)使用独立电源，使电源功率稳定；（2）如果要和其他设备共用电源,一定要使用电源稳压器，提供稳定不变的输出电压；（3）使用电源滤波器，减少较高频率信号的干扰。图 5 所示的曲线为测井的一段数据，曲线产生了严重的干扰，经过检查，认为可能是由电源干扰引起的，经过采用独立电源后，干扰基本上被消除了。

图5 测井曲线对比图

2.3 人为干扰的影响

不良的接触，不完善的接地线，车载电器的开关等因素对测井曲线的影响非常大，这些人为干扰会严重影响资料的后续解释。因此，在测井工作中应采取良好的接地线，检查保养电缆接头和其他接触部位，禁止使用车载空调,电水壶等电器[5]。另外，在测井过程中应该按照仪器规定的测井速度来进行测井作业，尽量保持测井速度的均匀，防止因速度的变化，造成测井曲线发生畸变，影响测井资料的精度。

3 结论

套管损伤探测仪可以准确地检测出套管的损伤情况，能为套损井的治理和修复提供可靠的依据。本文通过对仪器电路噪声信号和干扰来源的分析和研究，提出了一系列相关的解决措施，经过实验证明取得了良好的效果，有效地提高了测井资料质量和解释的可靠性。

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