水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)

黨瑞榮，王 港，李 丹，王新亞，王炳友

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

在水平井油氣生產(chǎn)的過程中，注水壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，超過了巖石所受應(yīng)力的最大值，會(huì)導(dǎo)致骨架砂松散被流體帶出，出現(xiàn)嚴(yán)重的出砂現(xiàn)象[1，2]。產(chǎn)液中帶出大量的砂必定會(huì)對(duì)采油設(shè)備和管線造成不可逆的損壞，大大降低了它們的使用周期。出砂嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油管堵砂甚至井眼損壞、報(bào)廢油井等問題，存在著巨大的生產(chǎn)安全隱患，若不采取有效的防砂治砂措施會(huì)使生產(chǎn)井減產(chǎn)停產(chǎn)，最終造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失[3，4]。

目前防砂管柱常用檢測技術(shù)主要為印模法、井徑儀檢測法、光學(xué)成像法以及瞬變電磁法[5，6]。由于設(shè)備維護(hù)成本高、測量方式有限以及防砂管柱損傷的多樣性使得印模、機(jī)械測量等方法已無法滿足對(duì)管柱損傷的檢測。同時(shí)井下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境對(duì)聲波和光學(xué)成像有限制，使它們的測井效果不盡如人意。瞬變電磁測井法作為一種集快速下井檢測和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量于一體的高效測井手段受到廣泛的關(guān)注[7，8]。瞬變電磁探傷技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)防砂管柱損傷檢測的主要手段之一。瞬變電磁探測是將防砂管柱的損傷信息與接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢一一對(duì)應(yīng)起來，從而準(zhǔn)確反演出防砂管柱腐蝕、穿孔和縮徑等損傷信息[9]。

三維成像能夠直觀的展示防砂管柱損傷的深度位置、損傷類型和范圍。此系統(tǒng)是在單個(gè)接收探頭的基礎(chǔ)上發(fā)展的多探頭分向探測方法，大大提高了測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和損傷位置的定位能力，為進(jìn)一步解決防砂管柱損傷精細(xì)探測問題提供有力支持[10]。

本文從多探頭分向檢測系統(tǒng)和系統(tǒng)誤差校正算法分析出發(fā)，設(shè)計(jì)了多探頭硬件結(jié)構(gòu)、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路和接收信號(hào)放大電路，然后針對(duì)瞬變電磁法防砂管柱損傷數(shù)據(jù)的深度補(bǔ)償問題和三維數(shù)據(jù)反演整合成像問題進(jìn)行了深入的分析，并給出可靠的解決方案。該系統(tǒng)對(duì)管柱的損傷信息有直觀立體的展示，具有信息反演準(zhǔn)確、可視化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)測井信息解釋有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 儀器探頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 防砂管柱井下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的電磁探傷儀器大部分只有一個(gè)探頭，能對(duì)管柱徑向360 度的井下環(huán)境信息完整的檢測。它將該深度的管柱信息統(tǒng)一采集但無法對(duì)徑向的損傷信息進(jìn)行位置分辨，不僅導(dǎo)致反演管柱損傷信息難度增加，而且影響管柱的三維成像結(jié)果。為了使管柱信息具有辨別方向的能力，利用多探頭測井儀器可以通過機(jī)械手段分方向探測。將儀器的多探頭由上到下分別定義為分向探頭A、分向探頭B、分向探頭C、分向探頭D、分向探頭E、分向探頭F、分向探頭G、分向探頭H（見圖1）。

圖1 井下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 多探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先將分向探頭分別裝入八個(gè)開口隔磁材料的儀器套筒中，然后分別固定裝入分向探頭儀器套筒的開口角度，最終八個(gè)分向探頭將管柱徑向360 度等分為45 度的八個(gè)探測區(qū)域（見圖2）。各分向探頭對(duì)特定探測區(qū)域的損傷信息更好的區(qū)分和探測，對(duì)處于不同深度的分向探頭進(jìn)行深度校正后整體分析，確定新的感應(yīng)電動(dòng)勢信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)防砂管柱損傷的準(zhǔn)確定位和三維成像。

圖2 多探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 系統(tǒng)誤差校正

由于防砂管柱探測儀器在井下工作長時(shí)間處于高溫高壓特殊環(huán)境下，會(huì)使儀器受外部環(huán)境干擾的可能性和AD 采集數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性增加，采到的測井?dāng)?shù)據(jù)異常點(diǎn)干擾了防砂管柱成像解釋。因此，去除這些異常點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理中必要的一步。本文提出一種通過程序快速消除測井曲線中出現(xiàn)深度跳躍和電動(dòng)勢異常的方法，即自適應(yīng)異常點(diǎn)剔除法。算法（見圖3）。在一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢衰減期間AD 采樣器對(duì)其等時(shí)差間隔采樣，共十條采樣數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行兩類異常點(diǎn)剔除操作，異常點(diǎn)剔除后的測井曲線在保留原始管柱信息的基礎(chǔ)上，使得探測信息更加清晰明確。

2 儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)的整體電路結(jié)構(gòu)（見圖4），由DSPIC 控制激勵(lì)信號(hào)使發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生雙極性瞬變脈沖信號(hào)給發(fā)射線圈提供激勵(lì)，由此產(chǎn)生的激勵(lì)一次磁場擴(kuò)散至周圍的防砂管柱上會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)渦流繼而產(chǎn)生二次場，八個(gè)分向探頭接收的二次場信號(hào)后通過差分放大后進(jìn)入AD 采集，DSPIC 將AD 采集處理后的信號(hào)編碼耦合到電纜上，由地面機(jī)箱接收耦合到電纜上的井下信號(hào)并交由井上軟件信號(hào)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和存儲(chǔ)。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 電動(dòng)勢和深度異常點(diǎn)算法流程圖

圖4 井下儀器整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)為有效的抑制噪聲的干擾和一次場對(duì)二次場的耦合干擾，采用周期性的雙極性矩形脈沖信號(hào)作為發(fā)射線圈的激勵(lì)源。本系統(tǒng)選用具有體積小、速度快可驅(qū)動(dòng)同一橋臂兩路的芯片IR2110 作為橋路驅(qū)動(dòng)（見圖5），通過將DSPIC 的激勵(lì)信號(hào)分別加載到高端輸入和低端輸入，在H 橋中間的輸出A 和輸出B 產(chǎn)生一個(gè)雙極性激勵(lì)信號(hào)供發(fā)射線圈產(chǎn)生一次場。

2.2 接收放大電路

由于八個(gè)分探頭探測到的井周介質(zhì)二次場信號(hào)強(qiáng)度微弱且呈指數(shù)衰減，衰減時(shí)間由幾十微秒到幾百微秒，幅值從一伏左右衰減到毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)，使得對(duì)原始信號(hào)的采樣和分析難度增加，因此需要用差動(dòng)放大電路對(duì)二次場信號(hào)做適當(dāng)?shù)姆糯筇幚恚ㄒ妶D6），用兩個(gè)運(yùn)算放大器作為輸入端，并采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)將接收到的二次場信號(hào)和井下噪聲同等放大，用第三個(gè)運(yùn)算放大器做差分放大既提高了二次場信號(hào)的強(qiáng)度又保證了放大電路共模抑制的能力，起到了很好地噪聲抑制能力，很好的處理了采樣原始信號(hào)。

圖6 接收放大電路

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

3.1 原始數(shù)據(jù)分析

八個(gè)分向探頭沿井深方向依次排列，不同高度的各個(gè)分向探頭在進(jìn)行防砂管柱探測時(shí)相同深度的各個(gè)損傷信息存在延時(shí)偏差，因此需要將分向探頭的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行深度校正，否則會(huì)影響成像結(jié)果的準(zhǔn)確性。井下管柱接箍之間的距離是固定的，八個(gè)分向探頭對(duì)相同位置接箍的探測也會(huì)在測量時(shí)間上產(chǎn)生一定的偏差?？梢悦黠@的看出八個(gè)分向探頭的不同接箍深度數(shù)據(jù)存在有規(guī)律的差異（見圖7），影響后續(xù)反演成像的結(jié)果。以某一分向探頭為基準(zhǔn)，對(duì)其余的分向探頭進(jìn)行深度偏移誤差校正，校正后結(jié)果（見圖8）。校正后的八個(gè)探頭所測得的接箍深度位置幾乎一致，接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢峰值銳利，能清晰的指明接箍深度信息，進(jìn)一步提高了三維成像解釋的準(zhǔn)確度。

3.2 數(shù)據(jù)分析

圖7 深度校正前數(shù)據(jù)

圖8 深度校正后數(shù)據(jù)

套管在250～280 m 深度處多探頭瞬變電磁法水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)檢測到的管柱曲線發(fā)生變化（見圖9），從圖中可以清楚的看到套管不同深度接箍的位置分布和不同類型的管柱損傷信息。在250 m 和280 m 左右防砂管柱的接箍下方出現(xiàn)1～2 mm 黃色扇形腐蝕，在263～270 m 處防砂管柱的接箍下方出現(xiàn)了1～2 mm 的黃色腐蝕區(qū)域和兩個(gè)縮徑的紅色扇形區(qū)域，由此可以得出在多探頭瞬變電磁法水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)下多探頭分向檢測對(duì)管柱損傷的類型和區(qū)域有很好的判斷和定位能力，提高了對(duì)防砂管柱的精細(xì)化探測能力。

圖9 防砂管柱壁厚成像圖

4 結(jié)論

通過對(duì)水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了井下分向探頭結(jié)構(gòu)、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)電路和接收放大電路，對(duì)防砂管柱損傷探測的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正、分探頭深度進(jìn)行補(bǔ)償處理，運(yùn)用三維立體成像算法，實(shí)現(xiàn)了防砂管柱的三維成像。結(jié)合測試結(jié)果分析可知，采用水平井防砂管柱三維成像系統(tǒng)多探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的測井?dāng)?shù)據(jù)更能全面的還原防砂管柱的損傷信息，使防砂管柱損傷的描述準(zhǔn)確可靠、定位明確，在防砂管柱探傷領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景和價(jià)值。