CN2708312Y - 一种过油管低频涡流套损检测仪 - Google Patents

Abstract

一种用于对油水井套管损伤进行检测的过油管低频涡流套损检测仪。主要解决现有的套损检测仪只能对套管内壁的表面情况进行检测却无法对套管的内部缺陷和外壁损伤作出检测的问题。其特征在于：测量探头(30)中的测量部分由激励脉冲形成单元(11)、涡流及电测量信号生成单元(22)以及测量信号处理及编码发送单元(44)构成，涡流及电测量信号生成单元(22)包括激励线圈、中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，激励线圈与接收线圈绕同一铁芯缠绕，激励线圈的两端作为涡流及电测量信号生成单元(22)的激励脉冲信号输入端(2)。具有可利用涡流检测原理检测出套管的内部缺陷和外壁损伤的特点，并且可以进行过油管检测，节约了测量成本。

Description

一种过油管低频涡流套损检测仪

技术领域：

本实用新型涉及一种用于对油水井套管损伤进行检测的仪器，尤其是一种利用低频涡流原理可以对套管损伤进行过油管检测的过油管低频涡流套损检测仪。

背景技术：

目前，用于油水井套损检测的方法、仪器很多，如机械井径系列检测仪器是通过与套管壁接触的机械测量臂测量套管内径变化获得套损信息的。超声成像测井仪则是利用超声波的传播特性和套管内壁对超声波的反射特性来获取套损资料的。但是利用这两种测量仪器所获取的测量结果反映的均是套管内壁的表面情况，无法对套管内部缺陷和外壁损伤作出判断，而且，该测量结果受井壁附着物及井内介质的影响较大，因此精度较低。磁测井仪是一种利用磁场原理进行检测仪器，它虽然可对整个套管壁作出准确的测量，且其测量结果不受井壁非金属附着物及井内介质的影响，但是目前这种仪器外径均较大，只能在套管中进行检测而无法利用其进行过油管套损检测。

实用新型内容：

为了克服现有的油管套损检测领域中存在的测量仪器所获取的测量结果反映的均是套管内壁的表面情况而无法对套管内部缺陷和外壁损伤作出判断不足，本实用新型提供了一种利用低频涡流原理对套管损伤进行检测的过油管低频涡流套损检测仪，该种过油管低频涡流套损检测仪具有可利用涡流检测原理检测出套管的内部缺陷和外壁损伤的特点，且该检测仪可以在不取出油管的条件下对套管的缺陷进行检测，大大节约了检测成本。

本实用新型的技术方案是：该种过油管低频涡流套损检测仪，包括仪器头、测量探头、扶正器，其中测量探头中的测量部分由具有激励脉冲信号输出端的激励脉冲形成单元、具有激励脉冲信号输入端和磁感应电信号输出端的涡流及电测量信号生成单元以及具有磁感应电信号输入端和测量信号输出端的测量信号处理及编码发送单元构成，所述涡流及电测量信号生成单元包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，激励线圈与接收线圈绕同一铁芯缠绕，激励线圈的两端作为涡流及电测量信号生成单元的激励脉冲信号输入端，接收线圈的两端连接至差动放大器的两输入端，差动放大器的输出端作为涡流及电测量信号生成单元的磁感应电信号输出端，激励脉冲信号输出端与激励脉冲信号输入端相电连接，磁感应电信号输出端与磁感应电信号输入端相电连接。

在测量探头中如果分别放置沿其轴向和径向的两组线圈，则可以获得管壁上的纵向裂缝和周向裂缝的反映，因此也可以使得所述涡流及电测量信号生成单元由两组线圈构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，其中一组线圈沿测量探头的轴向放置，另一组线圈沿测量探头的径向放置。

此外为更准确测得管壁上的纵向裂缝及壁厚的变化，可以沿测量探头的轴向平行放置两组线圈，使其中一组线圈具有较大的体积和较长的长度，可以发出较强的能量，因此能够具有较大的探测深度可以穿透油管探测套管结构，该线圈作为过油管检测的主要传感器。另一组线圈是前一线圈的辅助线圈，结构及放置方式与该线圈相同，只是长度和体积小些，因而穿透能力不强，主要用于对油管壁或单套管壁上纵向裂缝、壁厚变化的辅助测量。在这个进一步完善的技术方案中，所述涡流及电测量信号生成单元由三组线圈构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，其中二组线圈沿测量探头的轴向放置，另一组线圈沿测量探头的径向放置，沿测量探头轴向放置的二组线圈具有不同的长度和体积。

本实用新型具有如下有益效果：由于采取上述方案的仪器通过一组检测线圈产生低频电磁激励，该种电磁波可以穿透油管在周围的金属套管中激发出涡流信号，该涡流信号受金属管的电磁性能及形态等因素影响，因此该涡流信号即包含了金属管的状况信息，同时金属管中流动的涡流激发出一个二次磁场，该二次磁场使得检测线圈中感应出包含有金属管状况的电压信号，对该电压信号进行信号相位、幅度变化等的综合分析后即可得到有关金属管材的位置、结构等的相关状态信息，因此利用本实用新型也就可以在油管中直接进行测量，在大大节约了测量成本的情况下获得有关测量对象内部缺陷和外壁损伤的真实信息。

附图说明：

附图1是本实用新型的外观示意图；

附图2是本实用新型的组成示意图；

附图3是本实用新型中激励脉冲形成单元的电路原理图；

附图4是本实用新型中涡流及电测量信号生成单元的电路原理图；

附图5是本实用新型中测量信号处理及编码发送单元的电路原理图；

附图6是本实用新型中涡流及电测量信号生成单元的测量原理图；

附图7是本实用新型在油管中对试件的响应曲线图；

附图8是本实用新型在套管中对试件的响应曲线图；

附图9是本实用新型在油、套双层管中对试件的响应曲线图；

图中1-激励脉冲信号输出端，2-激励脉冲信号输入端，3-磁感应电信号输出端，4-磁感应电信号输入端，5-检测结果信号输出端，11-激励脉冲形成单元，22-涡流及电测量信号生成单元，44-测量信号处理及编码发送单元，10-仪器头，20-扶正器，30-测量探头。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，该种过油管低频涡流套损检测仪，包括仪器头10、测量探头30、扶正器20以及一些能够作为数据传输使用的电缆，仪器头10中间为空心，其要作用是作为信号传输线及控制线的安置空间，扶正器20通常是安装在测量探头30的两端，其作用是保证测量探头在油管内处于垂直状态而不发生偏斜，电缆的作用是将测量后的信号传输至井上的处理用计算机以便得到最终的结果表现形式。上述这些部分非本技术方案的关键部分，本技术方案的关键之处在于：如图2所示，测量探头30中的测量部分由具有激励脉冲信号输出端1的激励脉冲形成单元11、具有激励脉冲信号输入端2和磁感应电信号输出端3的涡流及电测量信号生成单元22以及具有磁感应电信号输入端4和测量信号输出端5的测量信号处理及编码发送单元44构成，激励脉冲信号输出端1与激励脉冲信号输入端2相电连接，磁感应电信号输出端3与磁感应电信号输入端4相电连接，测量信号输出端5是将测量信号通过电缆向处理用计算机传输的端口。

如图3所示，本实用新型中的激励脉冲形成单元11是由单片机和能够在单片机控制下交替进行导通、截止操作的功率开关所构成。单片机所提供的控制信号为周期固定的矩形方波，功率开关则在其控制下产生了带有尖峰的低频脉冲激励电流。利用本单元所形成的脉冲电流作为激励电流的原因在于由涡流检测原理可知，要想实现过油管检测，必须提供强大的低频激励能量，对小直径仪器更是如此，若采用常规激励方法，受仪器尺寸限制，难以提供所需功率，所以考虑选用脉冲激励方法，因为它能在导通和截止的瞬间提供强大的激励功率。本图中的三个激励脉冲信号输出端A1、B1、C1是分别为三组激励线圈提供激励信号的输出端。

如图4所示，所述涡流及电测量信号生成单元22包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，激励线圈与接收线圈绕同一铁芯缠绕，激励线圈的两端作为涡流及电测量信号生成单元22的激励脉冲信号输入端2，本图中的三个激励脉冲信号输入端A2、B2、C2是三组激励线圈接受激励信号的激励脉冲信号输入端，接收线圈的两端连接至差动放大器的两输入端，差动放大器的输出端作为涡流及电测量信号生成单元22的磁感应电信号输出端3，本图中的三个磁感应电信号输出端A3、B3、C3分别是三组接收线圈对包含有测量对象信息的电场信号进行接收后经差动放大器处理后所输出的磁感应电信号输出端。

本单元采用这种结构设计与组件选择，其原因在于：如图6所示，涡流及电测量信号生成单元22中的激励线圈在脉冲电流的激励下产生低频电磁激励，在油管周围的金属管中即可激发出涡流信号，金属管中涡流的流动和分布状况，即幅度、相位和方向，受金属管的电磁性能及形态等因素影响，即该涡流信号包含了金属管的状况信息；反过来，金属管中流动的涡流也会激发一个二次磁场，并在检测线圈中感应出电压信号，当然，该感应电压信号也包含有金属管的状况信息。再通过对这个信号相位、幅度变化等的综合分析，最终得到有关金属管材的位置、结构等相关状态信息。

在这里，我们可以将涡流及电测量信号生成单元称为传感器，其设计要根据仪器尺寸、检测对象来定。脉冲涡流检测技术传感器通常可设计为激励线圈和接收线圈共同组成的螺线管式传感器。由于检测对象是油管和套管组成的双层管柱，而且两者均是铁磁性导电管柱，其趋肤效应较强，所以要求产生的磁场应有较大的强度、较低的频率才能产生有效穿透。因此在设计时，激励线圈匝数应多些、体积可相应大些；对于接收线圈，由于脉冲涡流的激励电流衰减很快，基本上不影响涡流磁场的接收，所以，可以与发射线圈相距很近，以提高接收信号幅度；总之，传感器结构比较简单、紧凑，不易损坏，这是该方法的又一个优点。

对于激励方波频率，由频谱理论可知，方波信号中基波的频率等于方波频率，基波是方波的主要部分，幅度较大，对检测对象深部缺损的检测通常由基波来完成；可利用涡流渗透方程，结合检测对象特性来选择方波激励频率。对本项目的油套管检测对象来说，由涡流渗透方程可以得到激励频率与渗透深度及电导率、磁导率的关系式：

$\mathrm{\δ}=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{\mathrm{\ω\μ\σ}}}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\πf}{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}},$ $f=\frac{1}{\mathrm{\π}{\mathrm{\δ}}^2{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}$

式中μ₀＝4π×10^-7亨利

代入油套管相关参数：μ_r＝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。考虑到磁导率的变化及提高穿透深度，实际值可比此值更低些。

因为套损的基本类型可被分为纵向裂缝、横向裂缝以及壁厚减薄三种基本类型，所以如果在测量探头30中分别放置沿其轴向和径向的两组线圈，则可以获得管壁上的纵向裂缝和周向裂缝的较精确的数据反映，因此也可以使得所述涡流及电测量信号生成单元22由两组线圈构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，其中一组线圈沿测量探头30的轴向放置，另一组线圈沿测量探头30的径向放置。

此外为更准确测得管壁上的纵向裂缝及壁厚的变化，可以沿测量探头30的轴向平行放置两组线圈，使其中一组线圈具有较大的体积和较长的长度，可以发出较强的能量，因此能够具有较大的探测深度可以穿透油管探测套管结构，该线圈作为过油管检测的主要传感器。另一组线圈是前一线圈的辅助线圈，结构及放置方式与该线圈相同，只是长度和体积小些，因而穿透能力不强，主要用于对油管壁或单套管壁上纵向裂缝、壁厚变化的辅助测量。图3至图5中所示的具体应用例就是这样一个得到了进一步完善的技术方案，在此方案中所述涡流及电测量信号生成单元22由三组线圈A、B、C构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，我们可以将其称为涡流检测仪包含了A、B、C三组传感器，每组传感器为一个同轴螺线管线圈，包括一个激励线圈和一个具有中心抽头(抽头接地可减小干扰)的接收线圈、线圈骨架、高频铁氧体磁芯。激励线圈负责产生激励磁场，以便在周围金属管柱中产生涡流信号，接收线圈则负责接收管壁涡流形成的二次磁场，形成传感器响应信号。为了增强线圈的激励能量，提高接收灵敏度，传感器线圈均带有磁芯。传感器制作选用了高强度、高温聚酰亚胺漆包线，高频铁氧体磁芯、耐高温、低膨胀骨架材料—聚四氟乙烯，从而确保了传感器的高温指标。其中主线圈A沿仪器轴线放置，可探测管壁上的纵向裂缝及壁厚的变化；其长度和体积均较大，能量强，有较大的探测深度，能穿透油管，探测套管结构，是过油管检测的主要传感器。另一与其方向、结构及放置方式相同的C线圈是辅助线圈，只是长度和体积小些，因而穿透能力不强，主要用于对油管壁或单套管壁上纵向裂缝、壁厚变化的辅助测量。B线圈与A、C不同，它垂直于轴向方向放置，对管壁上的周向裂缝比较敏感，同时测量管壁的厚度变化。

如图5所示，该测量信号处理及编码发送单元44由两个模拟开关、一个运算放大器、一个模/数转换器、一个单片机以及一个信号放大耦合电路所组成。

将图3、图4、图5中所示内容相结合，本技术方案中所述的工作过程可被描述如下：在IC1单片机所发出的0、1电平的控制下，由功率开关IC2、IC4、IC6产生的激励电通过A、B、C三组激励线圈，激发电磁场在金属管壁中产生涡流，涡流形成的二次磁场被传感器次级接收线圈接收，再经差动放大后，形成响应输出信号由磁感应电信号输出端A3、B3、C3送至测量信号处理及编码发送单元44的磁感应电信号输入端A4、B4、C4。在这里单片机按照预先设定的程序控制AD7510模拟开关选择不同线圈输出的信号进行处理，并通过另一AD7510模拟开关和运算放大器组成的程控放大器，对信号进行进一步处理，然后送到AD574模数转换器，在此将模拟信号转换成数字信号存入同一单片机内，经该单片机处理后形成编码信号，由驱动电路驱动后经传输电缆向地面计算机发送。

下面三张图表是将本检测仪分别放入标准油管、套管、油套双层管，并在外部放置试件时的到的响应。试件为长100mm、宽15mm、厚度3mm的电工纯铁条。这里，对接收线圈的感应电压进行了放大处理，并通过采样电路采集了不同时刻的电压值，形成了如附图7至附图9的响应曲线。

可以看出，无论是油管、套管还是油套双层管外的试件，利用本实用新型进行检测均有较好的响应。对油管或套管外的试件，由于离传感器线圈只间隔了一层管壁，除了基波产生的磁场外，还有较多高频谐波磁场穿过管壁进入试件，所以，试件的响应随时间变化是逐渐减小的，如附图7、附图8所示；对油套双层管则不同，高频谐波磁场基本被衰减掉了，所以试件感应基波磁场产生的响应信号所占比例是逐渐增多的，所以附图9中试件响应是逐渐增强的。

本实用新型利用了脉冲激励方式下的低频脉冲涡流检测技术，利用较小的平均功率产生强大的瞬时脉冲电流，形成强的脉冲磁场，具有较大的探测深度，解决了小直径传感器不易产生强磁场的难题，满足了仪器深穿透的要求；其简便、高效的响应信号接收方式，简化了传感器设计，增大了接收信号幅度，提高了信号的信噪比，降低了信号调理电路的复杂程度，有利于仪器的小型化；对不同深度处缺损的响应差异则满足了仪器区分多层管柱及其缺损的要求。

Claims (3)

1、一种过油管低频涡流套损检测仪，包括仪器头(10)、测量探头(30)、扶正器(20)，其特征在于：测量探头(30)中的测量部分由具有激励脉冲信号输出端(1)的激励脉冲形成单元(11)、具有激励脉冲信号输入端(2)和磁感应电信号输出端(3)的涡流及电测量信号生成单元(22)以及具有磁感应电信号输入端(4)和测量信号输出端(5)的测量信号处理及编码发送单元(44)构成，所述涡流及电测量信号生成单元(22)包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，激励线圈与接收线圈绕同一铁芯缠绕，激励线圈的两端作为涡流及电测量信号生成单元(22)的激励脉冲信号输入端(2)，接收线圈的两端连接至差动放大器的两输入端，差动放大器的输出端作为涡流及电测量信号生成单元(22)的磁感应电信号输出端(3)，激励脉冲信号输出端(1)与激励脉冲信号输入端(2)相电连接，磁感应电信号输出端(3)与磁感应电信号输入端(4)相电连接。

2、根据权利要求1所述的一种过油管低频涡流套损检测仪，其特征在于：所述涡流及电测量信号生成单元(22)由两组线圈构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，其中一组线圈沿测量探头(30)的轴向放置，另一组线圈沿测量探头(30)的径向放置。

3、根据权利要求1所述的一种过油管低频涡流套损检测仪，其特征在于：所述涡流及电测量信号生成单元(22)由三组线圈构成，每组线圈均包括一个激励线圈、一个中心抽头的接收线圈以及一个差动放大器，其中二组线圈沿测量探头(30)的轴向放置，另一组线圈沿测量探头(30)的径向放置，沿测量探头(30)轴向放置的二组线圈具有不同的长度和体积。

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