电磁探伤与多臂井径组合测井仪地面控制系统

张生林　党博　陈龙　王斌　袁涛

摘要：在油田开采过程中，油水井不可避免地出现损坏，准确掌握套管损坏情况、研究其损坏机理及如何采取保护和修补措施变得十分迫切，电磁探伤与多臂井径组合测井仪正是为了及时检测套管状况为油水井作业、大修提供全面、准确的套管全貌而被油田采用。电磁探伤与多臂井径组合测井仪地面控制系统主要解决组合测井仪的数据处理、井下控制、井下供电、信号滤波等，在处理井下电磁探伤与多臂井径测试数据时，有着高效、快速的处理能力，并能够实时显示，实现了组合系统的控制与处理。

关键词：电磁探伤；多臂井径；地面控制系统

中图分类号：TE355 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0208-03

Ground Control System of Electromagnetic Flaw Detection and Multi Arm Caliper Combination Logging Tool

ZHANG Sheng-lin， DANG Bo， CHEN Long， WANG Bin， YUAN Tao

（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： During the development of oilfield， oil wells will inevitably cause damage. Accurately grasping the study the damage mechanism of casing damage， and how to take measures to protect and repair is very urgent.Size combination logging instrument electromagnetic defect detection and multi arm well is to detect the casing conditions for oil well operation and overhaul to provide comprehensive and accurate picture of the casing by using oil.The electromagnetic flaw detection with multi arm caliper logging instrument ground control system mainly solves the logging data processing， downhole control， underground power supply， signal filtering. In the processing of downhole electromagnetic flaw detection and multi arm caliper test data， with high efficiency and fast processing ability， it can achieve the control and display in real time.

Key words： electromagnetic flaw detection； multi arm caliper； ground control system

1 概述

受地層应力、化学腐蚀等多种因素的影响，油水井的套管会出现不同程度的损坏，直接影响到油水井的使用寿命。由于套管是通过水泥与地层胶结在一起的，很难从井中取出到地面，只能通过井下仪器对其进行检测，以便为套损井的修复提供依据[1]。

现有的套损检测技术主要有两种，电磁探伤和多臂井径仪。电磁探伤能够定性识别套管缺陷、确定其特点，定量的计算出套管的壁厚，但必须知道套管内径（或外径）；多臂井径仪是一种依靠测量机械臂伸缩量来获取套管内径信息，但无法感知套管壁厚的变化情况，无法测量套管外壁的腐蚀，更无法检测多层管柱。将两者结合在一起，优势互补能够更加全面的分析油水井套管信息，准确反映套管全貌[1]。因此，组合测井仪地面控制系统的实现对于组合仪套管检测意义重大，地面控制系统能够集中的处理井下信号传递、数据解码、井下供电、井下电机控制等，这为数据的高效处理提供了重要的基础。在本文中将详细阐述地面控制系统的工作原理并结合试验验证设计效果。

2 组合仪器工作原理

2.1 组合仪器的必要性

图1为油水井电磁测井物理模型，其理论模型是一种多层圆柱面层状介质中的电磁场问题[2]，图中1、2、3、4、5、6分别是空气、仪器外壳、井液、套管、水泥环、地层介质，电性参量依次为[{ε1，σ1，μ1}，{ε2，σ2，μ2}，{ε3，σ3，μ3}]，[{ε4，σ4，μ4}]，[{ε5，σ5，μ5}]，[{ε6，σ6，μ6}]，其中?为介电常数，σ为磁导率，μ为电导率，因为整个物理模型以井眼轴线对称，所以可以选用柱坐标系[（r，φ，z）]对其进行分析[3]。

由麦克斯韦电磁场理论可知，电场与磁场之间的微分形式关系如下：

[ ?×H（r，t）=J（r，t）+??tD（r，t） ?×E（r，t）=-??tB（r，t） ?·B（r，t）=0 ?·D（r，t）=ρ（r，t）]

其中[?]是微分运算符，[Η]是磁场强度（A/m），[Ε]是电场强度（V/m），B是磁感应强度（T），D是电位移矢量（C/[m2]），[ρ]是电荷体密度（C/[m3]），J是电流面密度（A/[m2]）。根据[Η]和B，E和D之间的联系，可以将其中的独立方程表示为：endprint

[D（r，t）=εE（r，t）B（r，t）=μH（r，t）J（r，t）=σE（r，t）]

由上述公式可知[ε]、[μ]、[σ]可以作为已知参数进行计算，因此依据电磁场反演出套管厚度变化需要对[r3、r4、r5]进行求解。又因为水泥环电阻率与套管电阻率相差很大，故可以忽略水泥环的影响。电磁探伤能够同时测得[r3、r4]的大小值，但一个方程不能够解出两个未知数，而井径仪能够很精确的测得[r3]的大小。因此，将电磁探伤仪与井径仪结合能够解决上述问题。

2.2 组合测井仪系统结构

图2是多臂井径仪与电磁探伤仪组合系统的总体设计，将两支仪器各自的供电系统、数据采集系统和地面系统融合为一个供电系统、遥传系统和地面系统，保留井径仪中的这三个单元，并在原有的基础上根据需求重新设计；一个系统只需要一个测温电路即可满足测温需求，所以井温电路可舍去一个，这里舍去多臂井径仪中的井温电路。各自保留多臂井径仪与电磁探伤仪的发射电路和接收电路，多臂井径仪的发射电路用来产生四十个位移传感器的激励信号，电磁探伤仪的发射电路用来产生三个磁探头的激励信号，而且接收到的信号不同，也不能共用一个接收电路[1]。

电磁探伤与多臂井径组合是通过串联的方式连接，但在仪器内部，分为独立供电、采集、传输和共同供电、采集、传输。仪器内部组合测井时，作为组合仪同时下入井筒进行探测套管损伤情况[1]。井径仪控制器控制井径仪测量臂和扶正器的工作并采集数据，根据遥传短节给出的命令，将采集的数据发送给遥传短节；电磁探伤仪的控制器与井径仪的控制器负责同样的工作，如图3。

3 控制系统设计

3.1 控制系统设计方案

系统方案如图4所示，其主要由两部分组成，分别是井下遥传模块和井上调制解调模块，井下与井上的数据通信主要依靠单芯电缆实现双向传输[4]。遥传系统中数据有两个流向，分别为下传控制信息流向和上传测井信息流向，它们是半双工工作。地面向井下发送的命令的过程和井下向地面发送的测井信息的过程是一样的。

当井下数据经过遥传短节中的DSP主控芯片处理后，先要对信号进行放大，在电缆的传输过程中会给信号带来很大的噪声以及衰减。因此，地面控制系统需要对耦合后的信号进行滤波、放大以及曼彻斯特解码等处理，才能进入主控芯片ARM进行采集转换，并将解析结果上传至上位机进行实时显示。

由于地面控制系统不仅需要解码井下数据，还需要对井下多臂井径仪的扶正器以及测量臂进行控制。因此井上指令经过电缆传输到井下时，还需要对信号进行处理，当井下接收到下传指令后才会开启井径仪的测量臂以及扶正器。

3.2 井径仪电机控制

在组合仪中，井径仪系统工作的实现都是通过测量臂的张开与闭合来实现，在本系统中采用高低温直流电机机组来达到控制测量臂的目的，其额定电压110V，允许的最大扭矩20N.M，额定转速6-8r/min。对于井下电机的控制通过井上发送信号指令进行，其具体控制流程如图5。

整个控制流程的实现主要通过井上计量电路准确记录探测仪器下潜深度来完成，当仪器下潜深度在电脑上位机中达到指定位置时，闭合机箱按钮便会给井上主控芯片一段持续电压，井上芯片在接收到这段电压后便会给井下发送电机开启的命令。当测量结束时，断开井上机箱按钮，井上主控芯片未检测到电压脉冲便会给井下发送结束指令，井径仪闭合测量臂。

3.3 数据通信控制

对应于上述整体方案，上传数据通信控制部分结构如图6所示。电磁探伤与多臂井径组合仪测量数据经过遥传短节处理后，信号经变压器耦合至电缆；地面控制系统将信号通过变压器耦合下来，首先经过一级放大、高通滤波、降噪以及二级放大，经过处理后的信号需要经过双差分比较器才能进入解码器进行解码输出。

在信号进入主芯片ARM中，内部控制程序需要对进入信号进行初始判断，当识别信号是下降沿触发时开启芯片内部A/D进行信号采集，由于采集数据量较大，需要将采集到的初始信号经过DMA缓存处理后进入CPU中，大量的数据需要进行数制转换，转换后的数据通过串口上传至上位机软件通过Labview进行显示。

井径仪的测量数据每帧数据多达68个字节，再加电磁探伤仪的测量数据是每帧53个字节，在这样数据量大的情况下，数据采用串行传输；为了便于将两者数据进行区分，需要对每帧数据设置帧头与帧尾，以便于解析的有效完成。

4 系统应用

多臂井径仪与电磁探伤数据信号经过井下遥传短节处理，采用曼彻斯特编码技术将数据进行处理，编码后图形如下图7所示，对每一字节采用先发低位后发高位的顺序进行编码处理。

发送的数据通过变压器耦合到电缆传输，信号会衰减且带有大量噪声，在经过井上控制系统滤波放大处理后，信号如图8所示。

信号通过滤波放大等处理后进入主控芯片ARM前，其解码图形如图9所示与图7井下发送圖形完全一致，因此接下来只需要ARM对信号分析处理；由于在信号的采集过程中通过下降沿识别，因此需要对信号进行反码处理，如下图10。

5 总结

按照多臂井径仪与电磁探伤组合仪的应用要求，确定出地面控制系统的性能指标，基于曼彻斯特编码技术研制了信号的传输方式、确定信号滤波放大参数、以及使用ARM对信号分析解码；基于井径仪的性能特征研制了测量臂张开闭合的控制方式等。结果表明该控制系统能够达到控制组合仪性能指标要求，可以比较详细和准确的反映套管变形信息。通过本设计的研究，也可以在别的系统环境中使用该控制系统并提供一些设计思路，有一定的实际意义。

参考文献：

[1] 张娜娜. 多臂井径仪套管探伤技术研究[D].西安石油大学，2015.

[2] 徐建华. 层状媒质中的电磁场与电磁波[M]. 石油工业出版社，1997.

[3] 张文辉. 油水井电磁测井仪器刻度及校正技术研究[D].西安石油大学，2016.

[4] 尹国平. 井下套管探伤组合仪地面信息采集系统研制[D].西南石油大学，2009.

[5] 郝花丽. 井径与电磁组合式油水井管柱探伤技术研究[D].西安石油大学，2017.

[6] 陈福利，柴细元，金勇，等. 多臂井径测井检测套损及其评价方法[J]. 测井技术，2005（1）：79-81+90.

[7] 宋建军，马学岐，韩波. 四十臂井径及电磁探伤组合测井与应用[J]. 内蒙古石油化工，2014，40（12）：35-37.

[8] 王莱雪，杨云杰，李超. 用多臂井径和电磁探伤组合进行套损井检测[J]. 石油仪器，2013，27（3）：36-37+40+8-9.endprint