用恒流源检测套管内涂层破损方法

高建民,肖圣,秦力,孙玲,秦晓红,马秀妮

(1.中国石油集团测井有限公司生产测井中心,陕西西安710077;2.中国石油集团测井有限公司技术中心,陕西西安710077)

0 引 言

近年来,为了解决套管内腐蚀问题,一些油田开始应用内涂层套管。这种涂层常使用环氧酚醛树脂基材料,具有高电阻率的特性[1-3],在油田油气生产过程中,油气井产出的油气、地层水和注水井注入液会对套管内涂层造成腐蚀[4-6]。涂层质量下降或破损后,套管内侧电阻率明显下降。目前检测套管内涂层破损的方法有微电极法、单电极法[7-9]和交变电压源供电测量[10]等,这些检测方法的测量电极基本都安装在外凸支撑臂上,测井作业有一定的风险,不利于提高测井成功率。

本文开发出一种交变恒流源供电测量套管内涂层破损的方法。把交变恒流源施加在仪器发射探头和仪器上部钢壳(回路电极)之间,仪器上部钢壳通过电缆外铠后在地面与套管短接,通过测量发射探头与仪器钢壳之间的电压,来判断套管内涂层破损程度;同时测量套管内井液的电阻率,根据井液电阻率的大小自动设置恒流源电流。为验证方法的有效性,制作发射探头模型,进行室内模拟测量,选用1.25、4.30、50.00 g/L的3种不同井液浓度的氯化钠溶液进行模拟测量,实验都得到了良好的测量效果;对测量数据进行分析,得出仪器制造要点。在机械结构设计上,把发射探头直接安装在仪器本体上,使仪器整体表面没有凸出部分,降低测井作业风险。

1 仪器机械结构设计

仪器机械结构见图1。仪器下端壳体使用聚醚酮树脂(PEK)工程塑料,PEK是一种特种工程塑料,它的硬度、抗拉强度、弯曲强度、耐磨性能都比较好,可以承受井下高温,耐油、防腐蚀性强,耐强弱酸碱等腐蚀液体和气体,绝缘性能优良。

测量套管内涂层的4个发射探头周向均匀分布在仪器下端PEK外壳上,通过螺纹安装在图1所示的发射探头孔内,发射探头和测量井液电阻率的连线通过皮囊下端密封塞进入皮囊PEK接头,连接在承压盘(钢体)的密封插针上,进入承压盘后通过航空插头连接到仪器线路骨架上,承压盘和皮囊下接头之间腔体内充填起平衡作用的硅油;使用PEK材料的主要目的是,确保发射探头的发射电流在沿着仪器周围井液或破损套管流到上部仪器钢体外壳(回路电极)的过程中没有分流,确保测量的信号真实有效。

图1 仪器机械结构图

井液电阻率的测量探头安装在仪器PEK壳体最下端,探头内安装的7个电极均匀分布,用来测量井液电阻率;井液电阻率的探头上端3个井液窗口均匀分布在仪器外周,可实现井液电阻率探头内的液体和井内液体互通;测量井内液体的电阻率,仪器可根据测得的井液电阻率大小调节涂层发射探头的恒流源电流,确保仪器在不同井液矿化度时,测量信号最大化;在处理测量数据时,可以根据井液电阻率的大小,提取有效数据,进一步提高仪器分辨套管涂层破损的能力。

2 室内模拟测量发射探头模型

2.1 测量原理

室内模拟测量发射探头模型的测量原理见图2。在仪器A、B两点间施加恒流源,C点为破损点。当仪器向左移动,B点未到C点时,电流从A点通过井液到B点,设VAB为发射探头到回路电极的电压值,R为A、B两点之间的阻抗,I为恒流大小,根据欧姆定律VAB=IR。当B点经过破损点C点后,A点发出的电流从C点分为2路,一路通过井液到达B点;另一路通过套管破损点及测井电缆外铠到B点,C点的电阻R破由C点的破损面积决定(套管的体电阻很小,可忽略),VAB=I(R井液∥R破),当仪器A点越接近C点,测量电压VAB越小,当A、B两点到达A′、B′时,VAB最低。仪器通过C点后VAB逐渐上升,比较仪器B点未到C点时的VAB值与A点经过C点时的VAB值,可以判断破损点的情况。

2.2 模拟测量模型

构建模拟测量模型时,由于测量条件所限,将模拟测量模型与实际测井环境内外倒置,由于套管内侧涂层破损后,测量的电阻率大小主要由破损的面积决定,而套管均为钢体材料,电阻率很小,因此,可以忽略内外倒置产生的测量影响;由于4个发射探头的供电各自独立,模型的发射探头对称分布在仪器外周,如果仪器未居中,某个方向的发射探头测量信号小,对面发射探头的测量信号相应增加,4道信号测量数值总和基本不变,对测量结果影响不大。

模型外壳选用直径分别为40、50、70 mm的PVC管,其下端用绝缘材料封堵,模型中间放置普通圆形钢管模拟套管,钢管外表用绝缘收缩管收紧,下端同样用绝缘材料封堵;在包着收缩管的4根钢管上进行局部切割,切去面积分别为1、4、9、25 mm2的收缩管,来模拟涂层破损面积,破损点到钢管底部的距离大于发射探头到回路电极之间的距离;用PVC管制作模拟测量骨架,骨架上安装模拟供电发射探头和回路电极,回路电极与钢管用导线短接,回路电极与模拟供电发射探头的距离可以调节。

模拟测量时,在PVC管内注入已知浓度的氯化钠溶液,供电后先测量模拟骨架移动前发射探头和回路电极的电压值,移动模拟骨架通过破损点,测量发射探头和电极回路的电压值,这两者之间的差值一方面可以指示破损位置,另一方面可以粗略反映破损面积的大小;更换不同浓度的氯化钠溶液,调节发射探头与供电回路之间的距离,反复测量,分析数据后可以得出制作涂层测量仪器的最佳方案。室内模拟测量模型见图3。

图3 模拟测量模型

3 电路设计

由于油田产液井与注水井的井液电阻率不同,各个区块井群内井液电阻率也不同,为得到最佳测量结果,将根据井液电阻率的测量结果确定不同井的恒流供电大小。测量时把不同井液的矿化度分为1.25、4.30、50.00 g/L这3个档次,不同矿化度的井液仪器恒流源输出不同,保证测量信号在不限幅的情况下最大化。电路主要分为电源及恒流供电部分、隔离电路和数据转换部分、测量控制和数据传输部分(见图4)。

图4 电路框图

3.1 电源及恒流供电部分

仪器线路供电电源由DC/DC模块实现,产生3组相互隔离的低压电源供仪器使用。供电后激励信号单元产生一个正弦交变信号,分别供给恒流控制单元、发射探头恒流源单元和井液电阻率测量单元,井液电阻率测量单元供电电流恒定不变。CPU在上电初始,先测量井液电阻率的大小,再给恒流控制单元提供一个控制信号,改变发射探头恒流输出大小,使测量电路在不同矿化度井内采集的信号大小合适,数据可靠。实验选用浓度为1.25、4.30、50.00 g/L的氯化钠溶液进行测量,根据3种不同浓度溶液选择相应的恒流电流。

3.2 隔离电路及数据转换部分

隔离电路的功能是将发射探头电路与后一级转换电路隔离,防止井筒漏电或其他较大的干扰源进入转换电路,导致电路损坏。测量VAB电压值作为反映涂层破损的信号,经过隔离电路后进入AC/DC转换电路,AC/DC变换电路把测量的交变信号VAB变换为直流信号,送入A/D转换电路。A/D转换电路为12位串行A/D转换器,采集到的5道信号分时序传入CPU并储存。

3.3 测量控制和数据传输部分

CPU在供电后,先测量井液电阻率的数值,根据井液电阻率的大小,调节发射探头恒流源输出电流的大小;提供A/D转换时钟,控制A/D转换的次序,把A/D转换后的数据加上地址位后送到现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA);FPGA完成二进制数据到曼彻斯特码的编码工作,通过驱动电路和耦合电路上传至遥传。

4 模拟测量及结果分析

4.1 测量过程

对不同浓度的氯化钠溶液施加不同的恒流电流,调节发射探头到回路电极之间间距分别为10、20、30 cm。更换不同直径的PVC管,依次记录骨架上测量探头经过破损点前后的电压值,计算4个探头经过破损点前后电压平均值的差值,汇总后得到图5。

图5 3种溶液浓度下的测量数据

图5为模型在3种不同浓度氯化钠溶液、3种不同直径PVC管径中、测量3种发射探头到回路电极间距的数据,经过计算后得到的未破损与破损后之间的差值。表1为在直径40 mm PVC管内3种不同浓度的氯化钠溶液中,模拟涂层完好、涂层破损和无涂层的测量数据,验证了仪器设计思路有效。

表1 模拟套管完好、破损和无涂层测量结果

4.2 测量结果分析

由图5可见,当装载氯化钠溶液的PVC管直径较小(40 mm)时,测量得到未破损与破损后之间的差值均大于大直径PVC管中的测量数据。小直径的PVC管在装入溶液后,发射探头与回路电极间的溶液阻抗比大直径PVC管内氯化钠溶液阻抗大。由于破损点到回路电极的阻抗和氯化钠溶液阻抗是并联关系,破损点的阻抗变化能引起总阻抗较大的变化,采集的信号变化明显。而发射探头与回路电极之间的距离变大,提高了信号变化程度,得到的信号进一步增强。但是信号增强后,如果不改变恒流电流大小,在高电阻率的氯化钠溶液里,会引起信号限幅,使得采集的信号差值变小,所以根据氯化钠溶液浓度的不同,改变恒流源的输出电流,使信号在不限幅的情况下,仪器获得较大响应。

表1中,钢管下部用收缩管全部密封,模拟套管未破损;钢管中部的收缩管存在几个较大的破损点,模拟套管破损;钢管的上部没有收缩管,模拟无涂层。使用的PVC管直径为40 mm,在3种不同浓度氯化钠溶液内,改变恒流源输出电流后,得到的测量数据见表1,涂层完好位置的测量数值远大于涂层完全破损和部分涂层破损位置的数值。

综上分析得到:①通过测量氯化钠溶液的电阻率,对不同浓度的氯化钠溶液采取不同的恒流供电电流,得到的测量数值响应良好;②发射探头与回路电极的距离越大,仪器响应越大;③在同一种溶液浓度的容器内,测量仪器与容器之间的间隙越小,得到的测量信号就越大。

5 结 论

(1)针对油田套管内涂层破损情况的检测问题,采用把激励电极安装在仪器的外壳上,其表面无凸出电极,降低了测井作业风险,提高了测井成功率。使用PEK材料制作仪器外壳,恒流供电不会分流,测量的信号真实有效。

(2)将模拟测量模型与实际测井环境内外倒置,制作了模拟测量模型,使试验在室内可以进行,模型的操作简单有效,节约时间和成本。

(3)在电路设计上,采用先测量井液电阻率,根据测量的井液电阻率,给探头提供合适的恒流供电电流,获得的测量信号较大,提高了仪器分辨破损的能力。

(4)从模拟测量数据和理论分析来看,仪器根据不同井内的井液电阻率设置恒流源输出大小,降低仪器外径与套管之间的间隙,合理调节发射探头与回路电极的距离,可以增加仪器的测量分辨率。另外,得到的测量数据不仅能明确地指示出破损点,一定程度上也可以反映破损面积的大小,该方法能进一步满足套管涂层破损的检测要求。