交流激勵下套管缺陷特征響應有限元仿真研究

梁坤

摘要：套管井中，在直流激勵下，套管腐蝕模型的仿真主要是判斷套管是否有腐蝕和判別套管腐蝕的類型，從得到的仿真結(jié)果是不能夠判別腐蝕是在套管的內(nèi)壁還是外壁。為了進一步判別需要通過加載交流激勵，利用COMSOL多物理場仿真軟件對套管腐蝕進行建模仿真，分析其電場響應。仿真結(jié)果表明：控制交流激勵電流的作用范圍也就是說可以改變交流激勵電流的頻率能夠判別套管腐蝕的位置。

關(guān)鍵詞：交流激勵；COMSOL建模；電場響應

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0248-02

1 引言

金屬套管在石油測井過程中主要用于支撐井壁和保護井內(nèi)設(shè)備；同時，為了保證油、氣井的正常工作而隔開各層流體。但是，受到井下惡劣環(huán)境的影響如地層應力變化，氣體、腐蝕性液體、溫度的變化等套管腐蝕的現(xiàn)象不可避免。為了不影響油井的正常工作，判別套管的腐蝕損壞情況尤為重要。本文利用交流激勵的趨膚效應，通過加載不同頻率的交流激勵同時選擇在電場和磁場模式下從而來判別套管腐蝕的位置。利用COMSOL多物理場仿真軟件對套管腐蝕進行建模仿真得到缺陷套管的腐蝕模型，分析缺陷套管的電流密度曲線。仿真結(jié)果表明：改變激勵電流的頻率從而控制電流的作用范圍，可以檢測出套管缺陷為內(nèi)壁或外壁判別套管腐蝕位置。

2 趨膚效應

交變電流流過金屬套管時，由于交變流電流產(chǎn)生隨時間變化的電磁場，因此電流密度和電場強度在徑向沿套管截面積的分布不均勻呈現(xiàn)指數(shù)衰減，該現(xiàn)象稱為趨膚效應。趨膚深度是電磁波場強振幅衰減到套管表面處e-1=0.368的深度。趨膚深度隨激勵信號的頻率增大而越顯著。

趨膚深度的大小：

3 均勻腐蝕

在其他仿真條件如電導率、磁導率不變，同時套管參數(shù)如厚度、長度等不改變的前提下只改變腐蝕的位置即內(nèi)壁、外壁。

以套管外壁腐蝕為例進行說明。套管外壁在交流激勵下的腐蝕的X-Y切面電流密度模如圖2所示，其中圖a交流激勵的頻率f=2Hz，此時趨膚深度為15.90990mm，內(nèi)外壁的趨膚效應并不明顯，盡管在不同腐蝕段內(nèi)但是電流密度均勻分布的，其中套管中間腐蝕嚴重，剩余的壁厚最薄。在此區(qū)域內(nèi)電流密度最大顏色顯示為紅色。改變頻率，增大交流激勵的頻率f=15Hz，趨膚深度為5.80948mm，此時趨膚效應明顯，如圖2（b）所示。在套管內(nèi)壁的電流密度值大于套管外壁的電流密度值，圖中套管內(nèi)壁的顏色為紅色，在非腐蝕段，電流密度均勻分布但是在腐蝕段，電流密度不是均勻的。

為了進一步說明交流激勵下，不同頻率的電流對腐蝕的影響，在其他仿真條件和套管參數(shù)不改變的前提下給出不同頻率的電流密度分布曲線。如圖3所示為套管均勻內(nèi)壁腐蝕和套管外壁腐蝕模型的電流密度分布在不同的交流激勵頻率時。當交流激勵的頻率增大，套管內(nèi)壁的電流密度大于套管外壁的電流密度，可以得出此時的激勵作用范圍在內(nèi)壁。當交流激勵的頻率增加f=3，趨膚深度小于套管厚度所測信號已經(jīng)不能反映套管外壁情況，此時檢測到套管外壁的電流密度約為0。如圖3（a），f=2Hz時，可以檢測到異常信號，但是隨著交流激勵頻率的增大并且達到一定的值時，異常不再明顯，而且異常不會再隨頻率的變化而發(fā)生變化。（b）中的內(nèi)壁腐蝕情況，f=2Hz時，可以檢測到異常信號，而且隨著交流激勵頻率的增大，此時交流激勵電流的主要作用在內(nèi)壁，套管內(nèi)壁腐蝕時電流密度是非正?？蓽y。

可以得到結(jié)論：結(jié)合趨膚效應原理，通過仿真，控制變量在不同頻率的交流激勵電流作用的條件下，可以由不同的電流密度分布變化來區(qū)分套管內(nèi)壁、外壁腐蝕。

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