一種過油管低頻渦流套損檢測儀的製作方法

2023-12-11 15:42:17

專利名稱：一種過油管低頻渦流套損檢測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於對油水井套管損傷進行檢測的儀器，尤其是一種利用低頻渦流原理可以對套管損傷進行過油管檢測的過油管低頻渦流套損檢測儀。
背景技術：
目前，用於油水井套損檢測的方法、儀器很多，如機械井徑系列檢測儀器是通過與套管壁接觸的機械測量臂測量套管內徑變化獲得套損信息的。超聲成像測井儀則是利用超聲波的傳播特性和套管內壁對超聲波的反射特性來獲取套損資料的。但是利用這兩種測量儀器所獲取的測量結果反映的均是套管內壁的表面情況，無法對套管內部缺陷和外壁損傷作出判斷，而且，該測量結果受井壁附著物及井內介質的影響較大，因此精度較低。磁測井儀是一種利用磁場原理進行檢測儀器，它雖然可對整個套管壁作出準確的測量，且其測量結果不受井壁非金屬附著物及井內介質的影響，但是目前這種儀器外徑均較大，只能在套管中進行檢測而無法利用其進行過油管套損檢測。
實用新型內容為了克服現有的油管套損檢測領域中存在的測量儀器所獲取的測量結果反映的均是套管內壁的表面情況而無法對套管內部缺陷和外壁損傷作出判斷不足，本實用新型提供了一種利用低頻渦流原理對套管損傷進行檢測的過油管低頻渦流套損檢測儀，該種過油管低頻渦流套損檢測儀具有可利用渦流檢測原理檢測出套管的內部缺陷和外壁損傷的特點，且該檢測儀可以在不取出油管的條件下對套管的缺陷進行檢測，大大節約了檢測成本。
本實用新型的技術方案是該種過油管低頻渦流套損檢測儀，包括儀器頭、測量探頭、扶正器，其中測量探頭中的測量部分由具有激勵脈衝信號輸出端的激勵脈衝形成單元、具有激勵脈衝信號輸入端和磁感應電信號輸出端的渦流及電測量信號生成單元以及具有磁感應電信號輸入端和測量信號輸出端的測量信號處理及編碼發送單元構成，所述渦流及電測量信號生成單元包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，激勵線圈與接收線圈繞同一鐵芯纏繞，激勵線圈的兩端作為渦流及電測量信號生成單元的激勵脈衝信號輸入端，接收線圈的兩端連接至差動放大器的兩輸入端，差動放大器的輸出端作為渦流及電測量信號生成單元的磁感應電信號輸出端，激勵脈衝信號輸出端與激勵脈衝信號輸入端相電連接，磁感應電信號輸出端與磁感應電信號輸入端相電連接。
在測量探頭中如果分別放置沿其軸向和徑向的兩組線圈，則可以獲得管壁上的縱向裂縫和周向裂縫的反映，因此也可以使得所述渦流及電測量信號生成單元由兩組線圈構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，其中一組線圈沿測量探頭的軸向放置，另一組線圈沿測量探頭的徑向放置。
此外為更準確測得管壁上的縱向裂縫及壁厚的變化，可以沿測量探頭的軸向平行放置兩組線圈，使其中一組線圈具有較大的體積和較長的長度，可以發出較強的能量，因此能夠具有較大的探測深度可以穿透油管探測套管結構，該線圈作為過油管檢測的主要傳感器。另一組線圈是前一線圈的輔助線圈，結構及放置方式與該線圈相同，只是長度和體積小些，因而穿透能力不強，主要用於對油管壁或單套管壁上縱向裂縫、壁厚變化的輔助測量。在這個進一步完善的技術方案中，所述渦流及電測量信號生成單元由三組線圈構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，其中二組線圈沿測量探頭的軸向放置，另一組線圈沿測量探頭的徑向放置，沿測量探頭軸向放置的二組線圈具有不同的長度和體積。
本實用新型具有如下有益效果由於採取上述方案的儀器通過一組檢測線圈產生低頻電磁激勵，該種電磁波可以穿透油管在周圍的金屬套管中激發出渦流信號，該渦流信號受金屬管的電磁性能及形態等因素影響，因此該渦流信號即包含了金屬管的狀況信息，同時金屬管中流動的渦流激發出一個二次磁場，該二次磁場使得檢測線圈中感應出包含有金屬管狀況的電壓信號，對該電壓信號進行信號相位、幅度變化等的綜合分析後即可得到有關金屬管材的位置、結構等的相關狀態信息，因此利用本實用新型也就可以在油管中直接進行測量，在大大節約了測量成本的情況下獲得有關測量對象內部缺陷和外壁損傷的真實信息。


附圖1是本實用新型的外觀示意圖；附圖2是本實用新型的組成示意圖；附圖3是本實用新型中激勵脈衝形成單元的電路原理圖；附圖4是本實用新型中渦流及電測量信號生成單元的電路原理圖；附圖5是本實用新型中測量信號處理及編碼發送單元的電路原理圖；附圖6是本實用新型中渦流及電測量信號生成單元的測量原理圖；附圖7是本實用新型在油管中對試件的響應曲線圖；附圖8是本實用新型在套管中對試件的響應曲線圖；附圖9是本實用新型在油、套雙層管中對試件的響應曲線圖；圖中1-激勵脈衝信號輸出端，2-激勵脈衝信號輸入端，3-磁感應電信號輸出端，4-磁感應電信號輸入端，5-檢測結果信號輸出端，11-激勵脈衝形成單元，22-渦流及電測量信號生成單元，44-測量信號處理及編碼發送單元，10-儀器頭，20-扶正器，30-測量探頭。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步說明如圖1所示，該種過油管低頻渦流套損檢測儀，包括儀器頭10、測量探頭30、扶正器20以及一些能夠作為數據傳輸使用的電纜，儀器頭10中間為空心，其要作用是作為信號傳輸線及控制線的安置空間，扶正器20通常是安裝在測量探頭30的兩端，其作用是保證測量探頭在油管內處於垂直狀態而不發生偏斜，電纜的作用是將測量後的信號傳輸至井上的處理用計算機以便得到最終的結果表現形式。上述這些部分非本技術方案的關鍵部分，本技術方案的關鍵之處在於如圖2所示，測量探頭30中的測量部分由具有激勵脈衝信號輸出端1的激勵脈衝形成單元11、具有激勵脈衝信號輸入端2和磁感應電信號輸出端3的渦流及電測量信號生成單元22以及具有磁感應電信號輸入端4和測量信號輸出端5的測量信號處理及編碼發送單元44構成，激勵脈衝信號輸出端1與激勵脈衝信號輸入端2相電連接，磁感應電信號輸出端3與磁感應電信號輸入端4相電連接，測量信號輸出端5是將測量信號通過電纜向處理用計算機傳輸的埠。
如圖3所示，本實用新型中的激勵脈衝形成單元11是由單片機和能夠在單片機控制下交替進行導通、截止操作的功率開關所構成。單片機所提供的控制信號為周期固定的矩形方波，功率開關則在其控制下產生了帶有尖峰的低頻脈衝激勵電流。利用本單元所形成的脈衝電流作為激勵電流的原因在於由渦流檢測原理可知，要想實現過油管檢測，必須提供強大的低頻激勵能量，對小直徑儀器更是如此，若採用常規激勵方法，受儀器尺寸限制，難以提供所需功率，所以考慮選用脈衝激勵方法，因為它能在導通和截止的瞬間提供強大的激勵功率。本圖中的三個激勵脈衝信號輸出端A1、B1、C1是分別為三組激勵線圈提供激勵信號的輸出端。
如圖4所示，所述渦流及電測量信號生成單元22包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，激勵線圈與接收線圈繞同一鐵芯纏繞，激勵線圈的兩端作為渦流及電測量信號生成單元22的激勵脈衝信號輸入端2，本圖中的三個激勵脈衝信號輸入端A2、B2、C2是三組激勵線圈接受激勵信號的激勵脈衝信號輸入端，接收線圈的兩端連接至差動放大器的兩輸入端，差動放大器的輸出端作為渦流及電測量信號生成單元22的磁感應電信號輸出端3，本圖中的三個磁感應電信號輸出端A3、B3、C3分別是三組接收線圈對包含有測量對象信息的電場信號進行接收後經差動放大器處理後所輸出的磁感應電信號輸出端。
本單元採用這種結構設計與組件選擇，其原因在於如圖6所示，渦流及電測量信號生成單元22中的激勵線圈在脈衝電流的激勵下產生低頻電磁激勵，在油管周圍的金屬管中即可激發出渦流信號，金屬管中渦流的流動和分布狀況，即幅度、相位和方向，受金屬管的電磁性能及形態等因素影響，即該渦流信號包含了金屬管的狀況信息；反過來，金屬管中流動的渦流也會激發一個二次磁場，並在檢測線圈中感應出電壓信號，當然，該感應電壓信號也包含有金屬管的狀況信息。再通過對這個信號相位、幅度變化等的綜合分析，最終得到有關金屬管材的位置、結構等相關狀態信息。
在這裡，我們可以將渦流及電測量信號生成單元稱為傳感器，其設計要根據儀器尺寸、檢測對象來定。脈衝渦流檢測技術傳感器通常可設計為激勵線圈和接收線圈共同組成的螺線管式傳感器。由於檢測對象是油管和套管組成的雙層管柱，而且兩者均是鐵磁性導電管柱，其趨膚效應較強，所以要求產生的磁場應有較大的強度、較低的頻率才能產生有效穿透。因此在設計時，激勵線圈匝數應多些、體積可相應大些；對於接收線圈，由於脈衝渦流的激勵電流衰減很快，基本上不影響渦流磁場的接收，所以，可以與發射線圈相距很近，以提高接收信號幅度；總之，傳感器結構比較簡單、緊湊，不易損壞，這是該方法的又一個優點。
對於激勵方波頻率，由頻譜理論可知，方波信號中基波的頻率等於方波頻率，基波是方波的主要部分，幅度較大，對檢測對象深部缺損的檢測通常由基波來完成；可利用渦流滲透方程，結合檢測對象特性來選擇方波激勵頻率。對本項目的油套管檢測對象來說，由渦流滲透方程可以得到激勵頻率與滲透深度及電導率、磁導率的關係式=2=1fr0,]]>f=12r0]]>式中μ0＝4π×10-7亨利代入油套管相關參數μr＝100，σ＝0.2476×107s/m，油套管壁厚之和Td＝7.22+5.5＝12.73mm，可得f＝6.33Hz。考慮到磁導率的變化及提高穿透深度，實際值可比此值更低些。
因為套損的基本類型可被分為縱向裂縫、橫向裂縫以及壁厚減薄三種基本類型，所以如果在測量探頭30中分別放置沿其軸向和徑向的兩組線圈，則可以獲得管壁上的縱向裂縫和周向裂縫的較精確的數據反映，因此也可以使得所述渦流及電測量信號生成單元22由兩組線圈構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，其中一組線圈沿測量探頭30的軸向放置，另一組線圈沿測量探頭30的徑向放置。
此外為更準確測得管壁上的縱向裂縫及壁厚的變化，可以沿測量探頭30的軸向平行放置兩組線圈，使其中一組線圈具有較大的體積和較長的長度，可以發出較強的能量，因此能夠具有較大的探測深度可以穿透油管探測套管結構，該線圈作為過油管檢測的主要傳感器。另一組線圈是前一線圈的輔助線圈，結構及放置方式與該線圈相同，只是長度和體積小些，因而穿透能力不強，主要用於對油管壁或單套管壁上縱向裂縫、壁厚變化的輔助測量。圖3至圖5中所示的具體應用例就是這樣一個得到了進一步完善的技術方案，在此方案中所述渦流及電測量信號生成單元22由三組線圈A、B、C構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，我們可以將其稱為渦流檢測儀包含了A、B、C三組傳感器，每組傳感器為一個同軸螺線管線圈，包括一個激勵線圈和一個具有中心抽頭(抽頭接地可減小幹擾)的接收線圈、線圈骨架、高頻鐵氧體磁芯。激勵線圈負責產生激勵磁場，以便在周圍金屬管柱中產生渦流信號，接收線圈則負責接收管壁渦流形成的二次磁場，形成傳感器響應信號。為了增強線圈的激勵能量，提高接收靈敏度，傳感器線圈均帶有磁芯。傳感器製作選用了高強度、高溫聚醯亞胺漆包線，高頻鐵氧體磁芯、耐高溫、低膨脹骨架材料—聚四氟乙烯，從而確保了傳感器的高溫指標。其中主線圈A沿儀器軸線放置，可探測管壁上的縱向裂縫及壁厚的變化；其長度和體積均較大，能量強，有較大的探測深度，能穿透油管，探測套管結構，是過油管檢測的主要傳感器。另一與其方向、結構及放置方式相同的C線圈是輔助線圈，只是長度和體積小些，因而穿透能力不強，主要用於對油管壁或單套管壁上縱向裂縫、壁厚變化的輔助測量。B線圈與A、C不同，它垂直於軸向方向放置，對管壁上的周向裂縫比較敏感，同時測量管壁的厚度變化。
如圖5所示，該測量信號處理及編碼發送單元44由兩個模擬開關、一個運算放大器、一個模/數轉換器、一個單片機以及一個信號放大耦合電路所組成。
將圖3、圖4、圖5中所示內容相結合，本技術方案中所述的工作過程可被描述如下在IC1單片機所發出的0、1電平的控制下，由功率開關IC2、IC4、IC6產生的激勵電通過A、B、C三組激勵線圈，激發電磁場在金屬管壁中產生渦流，渦流形成的二次磁場被傳感器次級接收線圈接收，再經差動放大後，形成響應輸出信號由磁感應電信號輸出端A3、B3、C3送至測量信號處理及編碼發送單元44的磁感應電信號輸入端A4、B4、C4。在這裡單片機按照預先設定的程序控制AD7510模擬開關選擇不同線圈輸出的信號進行處理，並通過另一AD7510模擬開關和運算放大器組成的程控放大器，對信號進行進一步處理，然後送到AD574模數轉換器，在此將模擬信號轉換成數位訊號存入同一單片機內，經該單片機處理後形成編碼信號，由驅動電路驅動後經傳輸電纜向地面計算機發送。
下面三張圖表是將本檢測儀分別放入標準油管、套管、油套雙層管，並在外部放置試件時的到的響應。試件為長100mm、寬15mm、厚度3mm的電工純鐵條。這裡，對接收線圈的感應電壓進行了放大處理，並通過採樣電路採集了不同時刻的電壓值，形成了如附圖7至附圖9的響應曲線。
可以看出，無論是油管、套管還是油套雙層管外的試件，利用本實用新型進行檢測均有較好的響應。對油管或套管外的試件，由於離傳感器線圈只間隔了一層管壁，除了基波產生的磁場外，還有較多高頻諧波磁場穿過管壁進入試件，所以，試件的響應隨時間變化是逐漸減小的，如附圖7、附圖8所示；對油套雙層管則不同，高頻諧波磁場基本被衰減掉了，所以試件感應基波磁場產生的響應信號所佔比例是逐漸增多的，所以附圖9中試件響應是逐漸增強的。
本實用新型利用了脈衝激勵方式下的低頻脈衝渦流檢測技術，利用較小的平均功率產生強大的瞬時脈衝電流，形成強的脈衝磁場，具有較大的探測深度，解決了小直徑傳感器不易產生強磁場的難題，滿足了儀器深穿透的要求；其簡便、高效的響應信號接收方式，簡化了傳感器設計，增大了接收信號幅度，提高了信號的信噪比，降低了信號調理電路的複雜程度，有利於儀器的小型化；對不同深度處缺損的響應差異則滿足了儀器區分多層管柱及其缺損的要求。
權利要求1.一種過油管低頻渦流套損檢測儀，包括儀器頭(10)、測量探頭(30)、扶正器(20)，其特徵在於測量探頭(30)中的測量部分由具有激勵脈衝信號輸出端(1)的激勵脈衝形成單元(11)、具有激勵脈衝信號輸入端(2)和磁感應電信號輸出端(3)的渦流及電測量信號生成單元(22)以及具有磁感應電信號輸入端(4)和測量信號輸出端(5)的測量信號處理及編碼發送單元(44)構成，所述渦流及電測量信號生成單元(22)包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，激勵線圈與接收線圈繞同一鐵芯纏繞，激勵線圈的兩端作為渦流及電測量信號生成單元(22)的激勵脈衝信號輸入端(2)，接收線圈的兩端連接至差動放大器的兩輸入端，差動放大器的輸出端作為渦流及電測量信號生成單元(22)的磁感應電信號輸出端(3)，激勵脈衝信號輸出端(1)與激勵脈衝信號輸入端(2)相電連接，磁感應電信號輸出端(3)與磁感應電信號輸入端(4)相電連接。
2.根據權利要求1所述的一種過油管低頻渦流套損檢測儀，其特徵在於所述渦流及電測量信號生成單元(22)由兩組線圈構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，其中一組線圈沿測量探頭(30)的軸向放置，另一組線圈沿測量探頭(30)的徑向放置。
3.根據權利要求1所述的一種過油管低頻渦流套損檢測儀，其特徵在於所述渦流及電測量信號生成單元(22)由三組線圈構成，每組線圈均包括一個激勵線圈、一個中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，其中二組線圈沿測量探頭(30)的軸向放置，另一組線圈沿測量探頭(30)的徑向放置，沿測量探頭(30)軸向放置的二組線圈具有不同的長度和體積。
專利摘要一種用於對油水井套管損傷進行檢測的過油管低頻渦流套損檢測儀。主要解決現有的套損檢測儀只能對套管內壁的表面情況進行檢測卻無法對套管的內部缺陷和外壁損傷作出檢測的問題。其特徵在於測量探頭(30)中的測量部分由激勵脈衝形成單元(11)、渦流及電測量信號生成單元(22)以及測量信號處理及編碼發送單元(44)構成，渦流及電測量信號生成單元(22)包括激勵線圈、中心抽頭的接收線圈以及一個差動放大器，激勵線圈與接收線圈繞同一鐵芯纏繞，激勵線圈的兩端作為渦流及電測量信號生成單元(22)的激勵脈衝信號輸入端(2)。具有可利用渦流檢測原理檢測出套管的內部缺陷和外壁損傷的特點，並且可以進行過油管檢測，節約了測量成本。
文檔編號G01N27/90GK2708312SQ20042000472
公開日2005年7月6日 申請日期2004年2月26日 優先權日2004年2月26日
發明者張友明, 劉興彬, 李少泉, 劉青昕, 陳茂龍, 汪剛, 王小榮, 張淑豔, 劉廣鎖 申請人:大慶油田有限責任公司