CN109813800A - 基于光纤磁传感结合集磁面扫描套管缺陷检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损缺陷检测领域，是基于光纤磁传感结合集磁面扫描套管缺陷检测方法与装置，包括传感光源模块、阵列光电转换模块、两块永磁铁、光纤磁敏感头阵列、周向方位定位模块以及信号处理模块等，一方面通过两块永磁铁以同极性相对放置形成集磁面，扫描油气井套管；另一方面则将光纤磁敏感头呈一定阵列化排布，精确地感知集磁面周向方位上的磁场强度变化，实现油气井套管缺陷的高空间分辨精确定位检测。

Description

基于光纤磁传感结合集磁面扫描套管缺陷检测方法与装置

技术领域

本发明属于无损缺陷检测领域，涉及一种油气井套管缺陷检测装置，特别涉及一种光纤弱磁传感结合集磁面扫描的油气井套管缺陷检测方法。

背景技术

石油和天然气是目前使用的主要能源存之一，在其开采过程中，井下的套管起着传输和保护作用。由于腐蚀、磨损以及意外损伤等原因导致事故频频发生，不仅造成了巨大的经济损失，而且严重污染环境，危害人类的身体健康。

现有的铁磁性井下套管的检测方法主要有漏磁法。漏磁检测是以自动化为目的而发展起来的一种自动无损检测技术，与磁粉检测类似，漏磁检测常用的传感器有感应线圈、磁敏二极管(SMD)、磁带、磁通门、磁探头、霍尔元件等，在实际使用中这些传感器还存在如下问题：

1.这些传感器的灵敏度较低，为实现对微弱的漏磁信号探测，往往需要紧贴套管壁，传感器因运动磨损严重，传感器使用寿命非常短。

2.纵向空间分辨由探测模块体积、运动速度和数据采样速度决定，在阵列探测下，很难实现高采样率，即很难获得纵向高空间分辨缺陷检测。

3.感应线圈的原理是电磁感应原理，即闭合电路的导体在磁场切割磁力线运动时会产生电流，从而将磁信号转化为电信号，会产生电打火现象，安全程度低；

4.磁敏二极管因其温度系数和输出的非线性在一定程度上降低了测量精度；

5.磁带检测法装置复杂性程度高；

6.磁通门传感器只能检测缓变磁场和静态磁场，应用范围窄；

7.磁探头测量范围窄、磁导率非线性使其不能得到广泛应用；

8.霍尔元件器件比较脆、易损，灵敏度不够高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种光纤弱磁传感结合集磁面扫描的油气井套管缺陷检测装置，包括传感光源模块、光电转换模块、两块永磁铁、光纤磁敏感头阵列、周向方位定位模块以及信号处理模块等。特别涉及一种光纤弱磁传感结合集磁面扫描的油气井套管缺陷检测方法，一方面通过两块永磁铁以同极性相对放置形成集磁面，扫描油气井套管；另一方面则将光纤磁敏感头呈一定阵列化排布，精确地感知集磁面周向方位上的磁场强度变化，实现油气井套管缺陷的高空间分辨精确定位检测。

所述传感光源模块经光纤耦合器向所述光纤磁敏感头阵列输入一定功率和波长的光波信号；

所述两块永磁铁，以同极性相对放置，通过两磁铁强度和距离的调整形成集磁面，以一定速度沿深度方向扫描油气井套管，当遇到套管缺陷时，集磁面上磁场强度发生改变；所述光纤磁敏感头阵列设置在两块磁铁之间，位于集磁面上；所述周向方位定位模块，可以感知某个光纤磁敏感头的周向空间方位；所述光电转换模块将所述光信号转化为电信号；所述信号处理模块对光电转换模块输出的电信号进行处理，获得套管缺陷特征和定位。

进一步地，所述光纤耦合器与所述光纤磁敏感头阵列、传感光源及光电转换部件通过信号传输光纤连接。

进一步地，所述永磁铁、光纤磁敏感头阵列、周向方位定位模块同轴封装呈一体，在一定装置作用下，在油气井套管中沿深度方向移动。

进一步地，所述光纤磁敏感头由宽带啁啾光栅构成的F-P腔和超磁致伸缩材料构成全光纤磁敏感单元，通过光波相位解调处理获得外界磁场强度大小，具有体积微小、磁场探测灵敏度高的特点。

更进一步地，所述光电转换模块将将所述光纤磁敏感头输出的光信号转化为电信号，送入到所述信号处理模块进行处理获得缺陷特征和定位信息；所述周向方位定位模块获得某个光纤磁敏感头的周向方位信息。

本发明光纤弱磁传感结合集磁面扫描的油气井套管缺陷检测的工作原理是：当两块磁铁以同极性相对放置时，其发出的磁力线将被压缩形成平面，通过两磁铁强度和间隔距离调整形成薄的集磁面。集磁面扫描油气井套管，当遇到套管缺陷时，集磁面因缺陷磁力线发散导致磁场强度发生改变，再利用位于集磁面上的光纤磁敏感头输出的反应磁场强度变化的光波信号输出到光电转换模块，转化为电信号输出信号处理模块，信号处理模块通过对电信号分析，并结合周向方位定位模块，实现缺陷特征和位置信息输出。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

⑴通过将两块磁铁以同极性相对放置，将发出的磁力线压缩形成薄的集磁平面，利用集磁平面扫描油气井套管，其纵向空间分辨率仅决定于集磁面的厚度，相比现有技术能有效地提高纵向空间分辨率。

⑵采用集磁面扫描，并结合光纤微弱磁场传感器的高灵敏度探测，其磁场敏感元件不需要紧贴套管壁，整个测量装置的体积可以做小，一方面增减整个测量装置在套管中的通过率，可适应多种套管井井径测试而不需要更换床传感器阵列，另一方面则可大大增减传感器的使用寿命，降低使用维护成本。

⑶通过磁光转换部件将漏磁信息通过物理转化方式转化为安全可靠的光波信号，将波光信号利用信号传输光纤进行传输，抗电磁干扰能力强，不会产生电打火现象，安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施所述的管道缺陷漏磁检测装置的结构示意图。

图2为本发明光纤磁敏感头阵列排列示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

基于光纤磁传感结合集磁面扫描套管缺陷检测装置，包括传感光源模块、光电转换模块、两块永磁铁、光纤磁敏感头阵列以及周向方位定位模块；其中永磁铁、光纤磁敏感头阵列以及周向方位定位模块进行同轴封装固定，在油气井套管内上下移动，对套管进行深度方向扫描,两块永磁铁以同极性相对放置，通过两磁铁强度和距离的调整形成集磁面，集磁面扫描油气井套管，当遇到套管缺陷时，集磁面上磁场强度发生改变。

具体而言，所述光纤磁敏感头阵列包括多个光纤微弱磁场敏感头，呈一定的周向空间排列，实现套管360度周向集磁面磁场强度变化进行全方位探测，保证油气井套管缺陷全周向的高空间分辨率检测。

因套管缺陷所导致的集磁面磁场强度的微弱变化采用光纤微弱磁场敏感头进行探测，光纤微弱磁场敏感头位于两磁铁之间的集磁面上。

所述全光纤磁敏感单元由宽带啁啾光栅构成的F-P腔和超磁致伸缩材料制成，通过光波相位解调处理获得外界磁场强度大小。

对于不同口径的管道，可以通控制光纤磁敏感头数量，满足不同油气井套管管径的缺陷探测，并保证周向空间分辨率。

所述周向方位定位模块包括陀螺仪和耐压耐温封装结构。

所述光纤磁敏感头阵列为传感头两个一组连接形成于圆周面排列。

所述光纤磁敏感头阵列通过一个对磁场不敏感的固定部件固定在两个钕铁硼磁铁之间，在这个部件的中间打孔，将光纤磁敏感头固定在孔内

以图1为例，如图1中传感光源5发出的光波信号为具有谱宽和功率的光信号，且其输出的光信号为稳定性光信号；集磁面形成部件2永磁体采用同极性放置，通过调整磁场强度和间隔距离形成薄的集磁面；传感光源5经信号连接光缆8和光纤耦合模块4向光纤磁敏感探头阵列3输入光波信号，光纤磁敏感探头阵列3设置两磁铁间的集磁面上；集磁面扫描中因缺陷导致的磁场强度变化引起光纤磁敏感探头阵列3中返回的光波信号变化，光纤磁敏感探头阵列3将携带磁场变化的光波信号经经信号连接光缆8和光纤耦合模块4传输到阵列光电转换部件6，阵列光电转换部件6将光信号转化为电信号；电信号供信号处理模块7进行分析；周向方位定位模块9输出定位信息到信号处理模块7；信号处理模块7利用磁场变化信号和周向定位信息分析输出被测油气井套管缺陷特征和位置信息。

其中，光纤耦合模块4为多个普通的光纤耦合器则称，阵列光电转换部件6由多个光电探测器和相关电路构成，光电探测器可以选用本领域中常用的光电导探测器或光伏探测器。

其中，信号处理模块7由信号放大电路、多通道A/D数据模块、嵌入式计算机、存储模块、USB接口等构成；信号处理模块7中设有磁场信号处理算法、阵列磁探测套管三维磁成像算法，对缺陷信号进行处理、分析、判断，从而检测出被测管道缺陷的尺寸和位置信息。

本实施例中，光纤磁敏感头阵列通过一个对磁场不敏感的固定部件固定在两个钕铁硼磁铁之间，在这个部件的中间打孔，将光纤磁敏感头固定在孔内。

本实施例中，对B部分(光纤耦合模块4、传感光源5、阵列光电转换部件6、信号处理模块7)进行整体封装，可放置在地面，通过光缆与前端***连接，也可随A部分(同轴封装固定梁1、永磁体2、光纤磁敏感探头阵列3、周向方位定位模块9)放置井下。

对于部件3光纤磁敏感头阵列，对本申请作进一步地详细说明，本申请的示意及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.基于光纤磁传感结合集磁面扫描套管缺陷检测装置，包括传感光源模块、光电转换模块、两块永磁铁、光纤磁敏感头阵列以及周向方位定位模块；其中永磁铁、光纤磁敏感头阵列以及周向方位定位模块进行同轴封装固定，在油气井套管内上下移动，对套管进行深度方向扫描,其特征在于：两块永磁铁以同极性相对放置，通过两磁铁强度和距离的调整形成集磁面，集磁面扫描油气井套管，当遇到套管缺陷时，集磁面上磁场强度发生改变。

2.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述光纤磁敏感头阵列包括多个光纤微弱磁场敏感头，呈一定的周向空间排列，实现套管360度周向集磁面磁场强度变化进行全方位探测，保证油气井套管缺陷全周向的高空间分辨率检测。

3.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：因套管缺陷所导致的集磁面磁场强度的微弱变化采用光纤微弱磁场敏感头进行探测，光纤微弱磁场敏感头位于两磁铁之间的集磁面上。

4.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述全光纤磁敏感单元由宽带啁啾光栅构成的F-P腔和超磁致伸缩材料制成，通过光波相位解调处理获得外界磁场强度大小。

5.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：对于不同口径的管道，可以通控制光纤磁敏感头数量，满足不同油气井套管管径的缺陷探测，并保证周向空间分辨率。

6.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述周向方位定位模块包括陀螺仪和耐压耐温封装结构。

7.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述光纤磁敏感头阵列为传感头两个一组连接形成于圆周面排列。

8.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述光纤磁敏感头阵列通过一个对磁场不敏感的固定部件固定在两个钕铁硼磁铁之间，在这个部件的中间打孔，将光纤磁敏感头固定在孔内。

9.根据权利要求1所述的套管缺陷检测装置，其特征在于：所述光纤耦合模块、传感光源、阵列光电转换部件、信号处理模块进行整体封装，可放置在地面，通过光缆与前端***连接，也可随同轴封装固定梁、永磁体、光纤磁敏感探头阵列、周向方位定位模块放置井下。

10.一种光纤弱磁传感结合集磁面扫描的油气井套管缺陷漏磁检测方法，其特征在于，采用如下的测量步骤和信号处理方法：

⑴同轴封装成一体的永磁铁、光纤磁敏感头阵列、周向方位定位模块在一定装置的拖动下，在油气井套管中沿深度方向移动，实现套管的全方位扫描；

⑵光纤磁敏感头阵列的每一个敏感头均输出一条特性曲线，随着沿套管深度方向的扫描，整个阵列的输出形成二维图像；

⑶阵列输出的二维图像中的某条特性曲线所体现的缺陷对应的周向空间方位由周向方位定位模块的同步输出确定；

⑷阵列输出的二维图像中的某条特性曲线所体现的缺陷对应的深度信息由检测装置的下井速度或其它测井装置的深度信息获得。