套管損傷探測(cè)儀信號(hào)噪聲和干擾的分析與解決方法

沈鵬征，馬橋斌

（西安石油大學(xué) 光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710065）

0 引言

套管損傷探測(cè)儀根據(jù)電磁感應(yīng)原理給發(fā)射線圈供一直流脈沖，在脈沖電流的間歇期間，套管中產(chǎn)生渦流i在探頭的接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε。當(dāng)油管或套管出現(xiàn)孔洞、裂縫, 特別是縱向裂縫，這將改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的幅度, 在測(cè)井曲線上表現(xiàn)出異常, 從而通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε的變化進(jìn)行套管損傷的探測(cè)。它可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出油氣井井下套管的損壞狀況、方位和種類，能為套損機(jī)理的分析、套損的預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確的依據(jù)，對(duì)油田的穩(wěn)產(chǎn)及發(fā)展起著重要的作用[1]。但是由于電路的噪聲和外界的干擾，將會(huì)嚴(yán)重的影響測(cè)井資料的解釋精度和準(zhǔn)確性，造成測(cè)井信息不準(zhǔn)確，不能為套損情況提出科學(xué)、可靠的信息。本文將分析電路信號(hào)的噪聲和外界的干擾對(duì)測(cè)井原始數(shù)據(jù)的影響，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 電路信號(hào)的噪聲

1.1 磁探頭原始信號(hào)的去噪

在套管損傷探測(cè)儀中，磁探頭（傳感器）是其核心部件，它由發(fā)射線圈和接收線圈兩部分組成，探頭設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)的整體性能。由于套管中的磁信號(hào)非常微弱，受到井下的干擾非常大，如果不能解決好探頭的噪聲干擾影響，將給電路及其測(cè)量帶來較大誤差，甚至?xí)蛟肼曆蜎]正常的測(cè)量信號(hào)而使電路不能正常工作，無法得到可靠的測(cè)井資料?；谝陨显虮鞠到y(tǒng)采用差動(dòng)式的線圈繞制方法來抑制原始信號(hào)的噪聲。繞制方式如圖1所示。

由于套管內(nèi)部的輕微腐蝕和磁探頭運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)性，磁探頭在檢測(cè)套管的過程中噪聲非常大，缺陷信號(hào)很容易被淹沒，而用這種方法繞制的線圈可以有效地減少這些噪聲的影響，而且能在降低噪聲的同時(shí)增加靈敏度，對(duì)套管相對(duì)應(yīng)的局部區(qū)域腐蝕敏感且具有空間分辨率[2]。在接收線圈中部引一根導(dǎo)線接地，來實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的差分輸入，可以很好地消除接收信號(hào)中的噪聲，實(shí)驗(yàn)證明，利用這種方式繞制的線圈具有較高的靈敏度，抗噪聲能力強(qiáng)。

圖1 探頭線圈繞制示意圖

1.2 前置放大器的噪聲影響

由傳感器采集的井下信號(hào)非常的微弱，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大，降低噪聲干擾、提高信號(hào)靈敏度。而前置放大電路則是引入噪聲的主要部件之一，是整個(gè)電路中噪聲的主要來源，其影響最為嚴(yán)重，因此合理地設(shè)計(jì)低噪聲前置放大電路至關(guān)重要[3]。前置放大器必須噪聲小、增益穩(wěn)定、精確、抗干擾能力強(qiáng)，共模抑制比高。因此在設(shè)計(jì)前置放大器時(shí)應(yīng)采用精密電阻，且電路的閉環(huán)增益不能太大，可以采用負(fù)反饋改善放大器的性能,這樣能有效防止放大器噪聲性能惡化。同時(shí)，要進(jìn)行合理的布局布線，減少放大電路與其他電路的公共部分, 采用獨(dú)立的電源,采用合理的屏蔽和接地技術(shù)，可以最大限度地降低外部干擾和耦合等噪聲。要特別注意信號(hào)傳輸線的正確接地，放大器輸入信號(hào)回路的正確接地，去耦電容的合理選用，從而減少與其他電路之間的直接耦合。通過這些措施能夠有效地改善電路的穩(wěn)定性，能大大降低了噪聲的影響。圖2為磁探頭采集到的原始信號(hào)，圖3為進(jìn)行改善后的前置放大電路輸出信號(hào)，從圖中可以看出進(jìn)行改善后信號(hào)的噪聲明顯減小，基本消除了原始信號(hào)噪聲的干擾。

圖2 探頭原始信號(hào)

圖3 改善后的前置放大電路輸出信號(hào)

1.3 DC—DC電源的噪聲影響

儀器井下供電是由170V的直流電經(jīng)過單芯電纜傳輸?shù)骄碌?，再?jīng)過DC—DC模塊轉(zhuǎn)換為±12 V和+5 V為磁探頭和電路供電。DC—DC模塊在電壓轉(zhuǎn)換中存在較為嚴(yán)重的開關(guān)干擾。其中，模塊的輸出電壓紋波對(duì)系統(tǒng)的影響至為重要。在實(shí)際的測(cè)試中，不同公司的DC—DC模塊的輸出電壓紋波存在著很大的差異，輸出電壓的紋波會(huì)嚴(yán)重影響井下電磁信號(hào)的質(zhì)量，這直接影響套管信息探測(cè)的準(zhǔn)確性，造成測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響儀器的正常工作。因此，選用紋波小的DC—DC模塊對(duì)測(cè)井信號(hào)的質(zhì)量至關(guān)重要，并可以在DC—DC模塊接入電路前做相應(yīng)的處理，相關(guān)的措施如下：

（1）合理的屏蔽與隔離措施；

（2）采用合理的電源線濾波器；

（3）輸入加電感抑制高頻；

（4）輸出加大電容器濾波和共模電感線圈，吸收輸出紋波。

通過這些方法可以有效地減小輸出電壓的紋波，為后續(xù)進(jìn)一步采取措施抑制、消除電路干擾噪聲提供條件。圖4為DC—DC模塊的輸出未做處理與做過處理后的輸出電壓紋波圖形對(duì)比，未經(jīng)過處理的DC—DC輸出的紋波包含有高頻噪聲信號(hào)，經(jīng)過處理后的DC—DC輸出紋波中絕大部分高頻信號(hào)被濾除。

圖4 DC—DC模塊輸出紋波對(duì)比圖形

1.4 儀器布線的影響

儀器布線的好壞不僅直接影響到電路的可靠性，還將會(huì)影響系統(tǒng)抗噪聲的能力，合理的布線，可以將電磁噪聲有效的減小。改善措施：（1）盡量使用粗的電源導(dǎo)線，電源導(dǎo)線應(yīng)遠(yuǎn)離地線和信號(hào)線?？s短電路板之間連接導(dǎo)線的距離，必要時(shí)應(yīng)采取適宜的屏蔽措施，并盡量做到兩信號(hào)線之間加一根地線；（2）接地是抑制噪聲的重要方法，正確的接地能夠有效地抑制外來干擾, 同時(shí)可提高測(cè)試系統(tǒng)的可靠性, 減少系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾因素。由于儀器工作在低頻段，所以采用一點(diǎn)接地。接地時(shí)應(yīng)將模擬地、數(shù)字地分開，地線應(yīng)盡量的短和粗。

2 信號(hào)干擾問題及處理方法

儀器工作在最佳狀態(tài)時(shí)其系統(tǒng)本身的抗干擾能力最強(qiáng)，在這個(gè)基礎(chǔ)上再分析干擾信號(hào)來源與特點(diǎn),并采取相應(yīng)的措施來抑制或減小干擾的影響。

2.1 電纜的干擾

井下數(shù)據(jù)是通過耦合變壓器將數(shù)據(jù)耦合到單芯電纜上，單芯電纜實(shí)現(xiàn)了井下供電和傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行。但在實(shí)際的測(cè)井中由于電纜的使用問題引起了很大的干擾：(1)儀器在中原油田的測(cè)井過程中，由于電纜的擠壓，造成了儀器的短路，影響了正常的測(cè)井工作；(2)在測(cè)井工作中，由于電纜的振動(dòng)，造成了數(shù)據(jù)曲線的抖動(dòng)，無法得到穩(wěn)定的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。同時(shí)，在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)由于耦合變壓器屏蔽外殼的破損，引起干擾信號(hào)的傳入，影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，在實(shí)際的測(cè)井過程中，應(yīng)避免電纜的擠壓，在測(cè)井過程中應(yīng)防止電纜的抖動(dòng)，確保井上和井下耦合變壓器的完好無損。

2.2 電源的干擾

石油測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)的供電條件一般都較為惡劣。同時(shí), 在附近的大型交流電力設(shè)備的啟停會(huì)引起線路電壓、電流的波動(dòng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率很高的浪涌電壓，如果這些干擾信號(hào)沿著交流電源線進(jìn)入儀器內(nèi)部, 將會(huì)干擾其正常工作, 電源的不穩(wěn)定、不純凈, 極易影響儀器的正常運(yùn)行，甚至使其無法工作，從而影響了系統(tǒng)的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。合理地解決好電源的干擾問題，使儀器獲得干凈的電源是首先要考慮的問題。解決的方法如下:(1)使用獨(dú)立電源，使電源功率穩(wěn)定；（2）如果要和其他設(shè)備共用電源,一定要使用電源穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定不變的輸出電壓；（3）使用電源濾波器，減少較高頻率信號(hào)的干擾。圖 5 所示的曲線為測(cè)井的一段數(shù)據(jù)，曲線產(chǎn)生了嚴(yán)重的干擾，經(jīng)過檢查，認(rèn)為可能是由電源干擾引起的，經(jīng)過采用獨(dú)立電源后，干擾基本上被消除了。

圖5 測(cè)井曲線對(duì)比圖

2.3 人為干擾的影響

不良的接觸，不完善的接地線，車載電器的開關(guān)等因素對(duì)測(cè)井曲線的影響非常大，這些人為干擾會(huì)嚴(yán)重影響資料的后續(xù)解釋。因此，在測(cè)井工作中應(yīng)采取良好的接地線，檢查保養(yǎng)電纜接頭和其他接觸部位，禁止使用車載空調(diào),電水壺等電器[5]。另外，在測(cè)井過程中應(yīng)該按照儀器規(guī)定的測(cè)井速度來進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，盡量保持測(cè)井速度的均勻，防止因速度的變化，造成測(cè)井曲線發(fā)生畸變，影響測(cè)井資料的精度。

3 結(jié)論

套管損傷探測(cè)儀可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出套管的損傷情況，能為套損井的治理和修復(fù)提供可靠的依據(jù)。本文通過對(duì)儀器電路噪聲信號(hào)和干擾來源的分析和研究，提出了一系列相關(guān)的解決措施，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明取得了良好的效果，有效地提高了測(cè)井資料質(zhì)量和解釋的可靠性。

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