新型雙遠場電磁聚焦測厚儀系統(tǒng)

錢慧芳，羅 卉

（西安工程大學 電子信息學院,陜西 西安710048）

許多老油田套管損傷井呈逐年增多趨勢，并向區(qū)域性發(fā)展，這將嚴重影響油田的產(chǎn)量。吉林油田套管存在問題的井數(shù)約占全部的 20%[1]；青海油田，2006年調(diào)研的數(shù)據(jù)有280口套損井，2009年權(quán)威部門統(tǒng)計的數(shù)據(jù)是308口套損井[2]；塔河油田工程測井、施工作業(yè)過程中，共計發(fā)現(xiàn)有58口井存在不同程度套損現(xiàn)象，約占總數(shù)的5.3%[3]。利用測井技術(shù)進行檢測，評價套管的損傷程度，認識和預防套損區(qū)域的擴大，及時采取措施有重要意義。

目前國內(nèi)外對石油套管厚度檢測的方法主要有利用聲波測量、利用光學照相技術(shù)測量、利用井徑測量和利用電磁原理測量等。文獻[4-5]利用聲波測量雖然有很高的測量精度，但在油井的惡劣環(huán)境中會因套管表面不潔而降低準確度；利用光學照相技術(shù)測量雖然能直觀地了解井下套管的狀況，但受井液的可見度限制較大；文獻[6]利用井徑測量在套管變形部位儀器易遇阻，且無法檢測到套管外壁的腐蝕；利用電磁原理測量可以檢測出油、水井套管內(nèi)外徑變化，破裂、腐蝕部分，但精度有限。所以，目前國內(nèi)外的測井儀都只能做到定性或半定量分析，完全定量分析一直是個技術(shù)難題。

針對以上技術(shù)問題，新型雙遠場電磁聚焦測厚儀首先根據(jù)發(fā)射電磁場原理，改變了線圈電磁場在石油套管內(nèi)外的分布，以提高儀器的檢測靈敏度，采用了遠場低頻雙發(fā)射及陣列接收探頭的結(jié)構(gòu)，以提高儀器水平方向的分辨率。再根據(jù)本文檢測算法確定套管實際變化的大小、深度和形狀等參數(shù)，以實現(xiàn)定量分析。

1 系統(tǒng)基本原理

儀器首先由兩只相同的相距約為5～7倍所測套管內(nèi)徑的發(fā)射線圈，發(fā)射出一定頻率的電磁信號，使其在套管壁內(nèi)外形成均勻分布的電磁場，再由兩層均勻分布的40組陣列接收探頭接收隨套管厚度變化的信號，然后通過40道輸入放大器對每道接收信號進行放大和40道帶通濾波器對每道接收信號中干擾信號進行抑制，最后利用電纜將接收信號上傳至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行一系列數(shù)據(jù)處理等工作，最終得出套管的壁厚。

2 系統(tǒng)硬件設計

雙遠場電磁聚焦測厚儀主要由發(fā)射單元、接收單元和電子電路3部分組成。儀器芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 儀器芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the instrument core

2.1 發(fā)射單元

發(fā)射單元包括兩個發(fā)射線圈。兩只發(fā)射線圈與發(fā)射磁場順向排列，線圈相距約5-7倍所測套管內(nèi)徑。為了使接收線圈處的磁場均勻分布，兩發(fā)射線圈內(nèi)側(cè)均裝有高導磁率的導磁片。通過雙線圈定距離順向發(fā)射和導磁片的均磁作用，使磁場在套管壁內(nèi)外平行均勻分布，提高儀器的檢測靈敏度。

2.2 接受單元

接收單元包括40組接收線圈，兩個發(fā)射線圈對稱設置于40組接收線圈兩側(cè)。40組接收線圈分兩層均勻分布，每層20組，每層相鄰的接收線圈組相差18o,每組線圈采用差分相連。兩層之間相對應的線圈組相差9o，當通過軟件延遲后，就相當于在一個平面上，按9o平均分布了40組接收探頭，使儀器的水平測量分辨率為9o。

2.3 電子電路

電子電路由發(fā)射電路、接收電路、數(shù)字控制電路、VGA放大電路、輔助測量電路、開關(guān)電源電路組成。發(fā)射電路主要產(chǎn)生穿透能力強的40 Hz和2 Hz正弦波；接收電路主要由40道輸入放大器、40道40 Hz的帶通濾波器和40道2 Hz的帶通濾波器組成，這樣可以分辨出套管破損的通孔和破損槽的區(qū)別，也可以定量測量出套管破損定量變化；數(shù)字控制電路是儀器工作的控制核心，它通過時序控制使儀器發(fā)射、接收、刻度、測量和信號傳輸有序的進行；VGA放大電路主要保證接收信號均工作在線性狀態(tài)；輔助測量電路主要用于測量溫度和方位傾角，測量溫度是為了進行溫度漂移校正用，測量方位傾角是為了計算出套管破損的具體位置；開關(guān)電源電路是把+18 V直流電分別變?yōu)?0 V、±15 V和5 V的直流電分別供發(fā)射單元、接收單元和電子電路用,為了提高轉(zhuǎn)換效率，采用開關(guān)電源變換。系統(tǒng)硬件功能框圖如圖2所示。

儀器在測井時，所有測量波形均傳輸?shù)降孛鎯x器，再經(jīng)過軟件處理后，可還原為套管實際破損圖形。

圖2 系統(tǒng)硬件功能框圖Fig.2 Functional block diagram of the hardware system

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 測量波形簡述

由于測井行業(yè)工作環(huán)境的特殊性，經(jīng)常需要測井儀器深入地下上千米去完成測井工作，測得到的數(shù)據(jù)再通過電纜上傳至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，工作人員通過分析和處理采集到的數(shù)據(jù)，完成測井任務。數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，使得描述井下實際信息的數(shù)據(jù)傳輸應盡量快、少，并且準確。本儀器在一個測量周期內(nèi)采樣5個點，用于表征一個測量周期內(nèi)的井下實測信息，每一點的幅值表征該時刻下的套管厚度。

當儀器以一定速度向右移動經(jīng)過破損槽時產(chǎn)生的波形如圖3所示，圖中第一道信號和第二道信號波形分別是雙遠磁場電磁聚焦測厚儀的參考波形和實測波形。橫軸為測量井深，縱軸為各波形幅值。

圖3 破損槽接收信號波形圖Fig.3 Waveform diagram of damaged tank received signal

經(jīng)實驗分析知，當儀器檢測到通孔時，參考波為2 Hz時的實測波形較40 Hz時的實測波形變化幅度大；當儀器檢測到破損槽時，參考波為40 Hz時的實測波形幅度較2Hz時的實測波形變化幅度大。為了使實測波較容易的被檢測元件檢測到，參考波形采用分為40 Hz和2 Hz的方波，用于區(qū)分檢測到的破損為通孔還是破損槽。

3.2 套管破損判斷

從接收波形與參考信號波形之間的相位差，很容易知道套管破損槽的變化趨勢，是繼續(xù)減薄，還是開始變厚。其中如果從薄到厚，并在交界面位置時，其相位差接近0o；如果從厚到薄，并在交界面位置時，其相位差接近180o。再通過接收的波形的相對幅度變化，就可以知道減薄或變厚多少。如果套管破損為矩形槽，那么通過接收探頭接收波形的兩個最大值之間的距離就可以算出矩形槽的長度。儀器的水平測量分辨率為9o，那么通過檢測40道線圈中波形發(fā)生變化的個數(shù)，即知矩形槽的寬度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本文采用MATLAB的編程語言對新型雙遠場電磁聚焦測厚儀的實測波形數(shù)據(jù)進行處理，利用包絡線法快速、準確的提取實測波幅值的最大值，再繪制出的套管厚度曲線圖,然后提取出圖中表征套管厚度的數(shù)據(jù)并做統(tǒng)計，以表征實際套管厚度，最后根據(jù)對應的實際石油套管尺寸，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法，找到統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實際石油套管厚度的關(guān)系。軟件設計流程圖如圖4所示。

Samantha：I have lived with it whole life, you don’t have to 3)pretend.

圖4(a)中A-B為包絡線法的流程圖。

將雙遠場電磁聚焦測厚儀連續(xù)測得的5個數(shù)據(jù)作為一組；連續(xù)的n個最大值為一包數(shù)據(jù)(n=5、3、1)；n=5時，為計算方法一；n=3時，為計算方法二；n=1時，為計算方法三。

計算方法為：先求出n個最大值的平均值，再求出相鄰兩包數(shù)據(jù)的誤差ea。

誤差計算公式為：

ea= abs(maxmean2-maxmean1)/maxmean1

其中，maxmean2表示后一包數(shù)據(jù)的最大值的平均值，maxmean1表示前一包數(shù)據(jù)的最大值的平均值，abs為取絕對值函數(shù)。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

其中，ea的設定值的選取是通過實驗選取的，選取的規(guī)則是盡量能快速、準確的用最大值的平均值代替最大值，并且輸出的實測波形最大幅值的包絡線能較清楚的表征實測波形。

圖4(a)中B-C為繪制套管厚度曲線的流程圖。

3.4 BP算法實現(xiàn)

1）增加數(shù)據(jù)影響因子——數(shù)據(jù)變化率

為了解決常規(guī)BP算法的訓練中，因?qū)崪y波形變化的不確定性帶來輸入的突變而造成的網(wǎng)絡不穩(wěn)定的問題，在本算法的訓練樣本中增加了樣本數(shù)據(jù)變化率。樣本數(shù)據(jù)變化率表征了套管實測波形的變化趨勢，給網(wǎng)絡權(quán)值的修正提供了一個方向性指導，以提高網(wǎng)絡訓練的穩(wěn)定性。

求數(shù)據(jù)變化率的公式為：

K(j)=(SA(j)-SA(j-1))/SA(j-1)

其中，SA(j)和SA(j-1)分別表示第j和第j-1個樣本數(shù)據(jù)，K(j)為第j-1個樣本到第j個樣本的數(shù)據(jù)變化率。

2）自適應學習率

通過分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡的誤差曲面可知，在誤差曲面平坦區(qū)域需要有較大的學習率，在誤差變化劇烈的區(qū)域需要有較小的學習率，從而加快算法的收斂速度，避免陷入局部極小值。而在常規(guī)BP算法中，學習率是一個固定的常數(shù)，而且它的值將直接影響到網(wǎng)絡的訓練時間。如果選擇太大，會降低網(wǎng)絡的穩(wěn)定性；如果選擇過小，網(wǎng)絡的訓練將會消耗很多時間。因此在網(wǎng)絡的訓練過程中，不同的網(wǎng)絡誤差需要不同的學習率調(diào)整權(quán)值更新。自適應調(diào)整學習率的算法為：

其中, W(k)為第k步時的權(quán)值， lr(k)為第k步時的學習率， △W(k)為第k步時的權(quán)值調(diào)整量， E(k)為網(wǎng)絡迭代第k次的均方誤差，ζ(1%＜ζ＜5%)為均方誤差比值預設值，ρ(0＜ρ＜1)為學習率減小因子， η(η>1)為學習率增大因子。BP算法流程圖如圖4(b)所示。

圖5 接箍處測井曲線及處理結(jié)果圖Fig.5 Logging curve and the processing resnlt of the coupling

接箍處測井曲線如圖5（a）所示，其中，左側(cè)40道曲線為參考波為2 Hz時的實測波形，右側(cè)40道曲線為參考波為40 Hz時的實測波形。因為每道曲線的同一處都發(fā)生了相同變化，說明油井水平方向上每一處套管壁厚相同，可判定此處為套管接箍。因為2 Hz的參考波和40 Hz的參考波對不同的孔徑幅值變化不同，所以40 Hz的參考波的實測波形幅值較2 Hz的變化明顯。圖5（b）是其中一道實測波形軟件處理結(jié)果，圖中波形幅值表征了這一水平方向上的套管接箍處的管壁厚度。

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果表明，該儀器根據(jù)發(fā)射電磁場原理，改變線圈電磁場在套管內(nèi)外的分布，使儀器在不同推靠系統(tǒng)的條件下，既能夠滿足儀器的測量精度又提高了儀器的水平的分辨率；采用的遠場低頻雙發(fā)射及陣列接收探頭的結(jié)構(gòu)，提高了儀器水平方向的分辨率；提出的包絡線法能夠快速準確地提取測得數(shù)據(jù)幅值；增加數(shù)據(jù)變化率的自適應BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法使儀器具有測量精度高、速度快的優(yōu)點。

[1]楊艷芬. 吉林油田套損井狀況及檢測技術(shù)[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(8):131.YANG Yan-fen. Casing damage well condition and detection technology of Jilin oilfield [J]. China New Technologies and Products, 2011(8):131.

[2]張順世,王俊民.青海油田套損現(xiàn)狀及綜合治理技術(shù)[J].青海石油,2009,27(4):1-5.ZHANG Shun-shi, WANG Jun-min. Casing damage status and comprehensive treatment technology of Qinghai oilfield[J].Qinghai Shiyou, 2009,27(4):1-5.

[3] 張春軼,鄧洪軍. 塔河油田油井套損現(xiàn)狀及主要影響因素[J].油氣田地面工程,2011,30(7):68-68.ZHANG Chun-yi, DENG Hong-jun. Oil well casing damage status and the main influencing factors of Tahe oilfield[J].Oil-Gasfield Surface Engineering, 2011,30(7):68-68.

[4] Paul S . Julie M. Albert T. Gas coupled Ultrasonic measurement of pipeline wall thickness[J]. Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME,2005,127(3):290-293.

[5] Yassen Y, Ismail M P, Jemain A A , et al. Reliability of ultrasonic measurement of thickness loss caused by corrosion[J]. Insight: Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2011,53(12): 658-663.

[6]馮新生，劉鑫.40臂井徑測井技術(shù)[J].今日科苑,2007(22):61-62.FENG Xin-sheng, LIU Xin . 40 arm caliper logging technology[J]. Modern Science, 2007(22):61-62.