用恒流源檢測套管內涂層破損方法

高建民,肖圣,秦力,孫玲,秦曉紅,馬秀妮

(1.中國石油集團測井有限公司生產測井中心,陜西西安710077;2.中國石油集團測井有限公司技術中心,陜西西安710077)

0 引 言

近年來,為了解決套管內腐蝕問題,一些油田開始應用內涂層套管。這種涂層常使用環(huán)氧酚醛樹脂基材料,具有高電阻率的特性[1-3],在油田油氣生產過程中,油氣井產出的油氣、地層水和注水井注入液會對套管內涂層造成腐蝕[4-6]。涂層質量下降或破損后,套管內側電阻率明顯下降。目前檢測套管內涂層破損的方法有微電極法、單電極法[7-9]和交變電壓源供電測量[10]等,這些檢測方法的測量電極基本都安裝在外凸支撐臂上,測井作業(yè)有一定的風險,不利于提高測井成功率。

本文開發(fā)出一種交變恒流源供電測量套管內涂層破損的方法。把交變恒流源施加在儀器發(fā)射探頭和儀器上部鋼殼(回路電極)之間,儀器上部鋼殼通過電纜外鎧后在地面與套管短接,通過測量發(fā)射探頭與儀器鋼殼之間的電壓,來判斷套管內涂層破損程度;同時測量套管內井液的電阻率,根據井液電阻率的大小自動設置恒流源電流。為驗證方法的有效性,制作發(fā)射探頭模型,進行室內模擬測量,選用1.25、4.30、50.00 g/L的3種不同井液濃度的氯化鈉溶液進行模擬測量,實驗都得到了良好的測量效果;對測量數(shù)據進行分析,得出儀器制造要點。在機械結構設計上,把發(fā)射探頭直接安裝在儀器本體上,使儀器整體表面沒有凸出部分,降低測井作業(yè)風險。

1 儀器機械結構設計

儀器機械結構見圖1。儀器下端殼體使用聚醚酮樹脂(PEK)工程塑料,PEK是一種特種工程塑料,它的硬度、抗拉強度、彎曲強度、耐磨性能都比較好,可以承受井下高溫,耐油、防腐蝕性強,耐強弱酸堿等腐蝕液體和氣體,絕緣性能優(yōu)良。

測量套管內涂層的4個發(fā)射探頭周向均勻分布在儀器下端PEK外殼上,通過螺紋安裝在圖1所示的發(fā)射探頭孔內,發(fā)射探頭和測量井液電阻率的連線通過皮囊下端密封塞進入皮囊PEK接頭,連接在承壓盤(鋼體)的密封插針上,進入承壓盤后通過航空插頭連接到儀器線路骨架上,承壓盤和皮囊下接頭之間腔體內充填起平衡作用的硅油;使用PEK材料的主要目的是,確保發(fā)射探頭的發(fā)射電流在沿著儀器周圍井液或破損套管流到上部儀器鋼體外殼(回路電極)的過程中沒有分流,確保測量的信號真實有效。

圖1 儀器機械結構圖

井液電阻率的測量探頭安裝在儀器PEK殼體最下端,探頭內安裝的7個電極均勻分布,用來測量井液電阻率;井液電阻率的探頭上端3個井液窗口均勻分布在儀器外周,可實現(xiàn)井液電阻率探頭內的液體和井內液體互通;測量井內液體的電阻率,儀器可根據測得的井液電阻率大小調節(jié)涂層發(fā)射探頭的恒流源電流,確保儀器在不同井液礦化度時,測量信號最大化;在處理測量數(shù)據時,可以根據井液電阻率的大小,提取有效數(shù)據,進一步提高儀器分辨套管涂層破損的能力。

2 室內模擬測量發(fā)射探頭模型

2.1 測量原理

室內模擬測量發(fā)射探頭模型的測量原理見圖2。在儀器A、B兩點間施加恒流源,C點為破損點。當儀器向左移動,B點未到C點時,電流從A點通過井液到B點,設VAB為發(fā)射探頭到回路電極的電壓值,R為A、B兩點之間的阻抗,I為恒流大小,根據歐姆定律VAB=IR。當B點經過破損點C點后,A點發(fā)出的電流從C點分為2路,一路通過井液到達B點;另一路通過套管破損點及測井電纜外鎧到B點,C點的電阻R破由C點的破損面積決定(套管的體電阻很小,可忽略),VAB=I(R井液∥R破),當儀器A點越接近C點,測量電壓VAB越小,當A、B兩點到達A′、B′時,VAB最低。儀器通過C點后VAB逐漸上升,比較儀器B點未到C點時的VAB值與A點經過C點時的VAB值,可以判斷破損點的情況。

2.2 模擬測量模型

構建模擬測量模型時,由于測量條件所限,將模擬測量模型與實際測井環(huán)境內外倒置,由于套管內側涂層破損后,測量的電阻率大小主要由破損的面積決定,而套管均為鋼體材料,電阻率很小,因此,可以忽略內外倒置產生的測量影響;由于4個發(fā)射探頭的供電各自獨立,模型的發(fā)射探頭對稱分布在儀器外周,如果儀器未居中,某個方向的發(fā)射探頭測量信號小,對面發(fā)射探頭的測量信號相應增加,4道信號測量數(shù)值總和基本不變,對測量結果影響不大。

模型外殼選用直徑分別為40、50、70 mm的PVC管,其下端用絕緣材料封堵,模型中間放置普通圓形鋼管模擬套管,鋼管外表用絕緣收縮管收緊,下端同樣用絕緣材料封堵;在包著收縮管的4根鋼管上進行局部切割,切去面積分別為1、4、9、25 mm2的收縮管,來模擬涂層破損面積,破損點到鋼管底部的距離大于發(fā)射探頭到回路電極之間的距離;用PVC管制作模擬測量骨架,骨架上安裝模擬供電發(fā)射探頭和回路電極,回路電極與鋼管用導線短接,回路電極與模擬供電發(fā)射探頭的距離可以調節(jié)。

模擬測量時,在PVC管內注入已知濃度的氯化鈉溶液,供電后先測量模擬骨架移動前發(fā)射探頭和回路電極的電壓值,移動模擬骨架通過破損點,測量發(fā)射探頭和電極回路的電壓值,這兩者之間的差值一方面可以指示破損位置,另一方面可以粗略反映破損面積的大小;更換不同濃度的氯化鈉溶液,調節(jié)發(fā)射探頭與供電回路之間的距離,反復測量,分析數(shù)據后可以得出制作涂層測量儀器的最佳方案。室內模擬測量模型見圖3。

圖3 模擬測量模型

3 電路設計

由于油田產液井與注水井的井液電阻率不同,各個區(qū)塊井群內井液電阻率也不同,為得到最佳測量結果,將根據井液電阻率的測量結果確定不同井的恒流供電大小。測量時把不同井液的礦化度分為1.25、4.30、50.00 g/L這3個檔次,不同礦化度的井液儀器恒流源輸出不同,保證測量信號在不限幅的情況下最大化。電路主要分為電源及恒流供電部分、隔離電路和數(shù)據轉換部分、測量控制和數(shù)據傳輸部分(見圖4)。

圖4 電路框圖

3.1 電源及恒流供電部分

儀器線路供電電源由DC/DC模塊實現(xiàn),產生3組相互隔離的低壓電源供儀器使用。供電后激勵信號單元產生一個正弦交變信號,分別供給恒流控制單元、發(fā)射探頭恒流源單元和井液電阻率測量單元,井液電阻率測量單元供電電流恒定不變。CPU在上電初始,先測量井液電阻率的大小,再給恒流控制單元提供一個控制信號,改變發(fā)射探頭恒流輸出大小,使測量電路在不同礦化度井內采集的信號大小合適,數(shù)據可靠。實驗選用濃度為1.25、4.30、50.00 g/L的氯化鈉溶液進行測量,根據3種不同濃度溶液選擇相應的恒流電流。

3.2 隔離電路及數(shù)據轉換部分

隔離電路的功能是將發(fā)射探頭電路與后一級轉換電路隔離,防止井筒漏電或其他較大的干擾源進入轉換電路,導致電路損壞。測量VAB電壓值作為反映涂層破損的信號,經過隔離電路后進入AC/DC轉換電路,AC/DC變換電路把測量的交變信號VAB變換為直流信號,送入A/D轉換電路。A/D轉換電路為12位串行A/D轉換器,采集到的5道信號分時序傳入CPU并儲存。

3.3 測量控制和數(shù)據傳輸部分

CPU在供電后,先測量井液電阻率的數(shù)值,根據井液電阻率的大小,調節(jié)發(fā)射探頭恒流源輸出電流的大小;提供A/D轉換時鐘,控制A/D轉換的次序,把A/D轉換后的數(shù)據加上地址位后送到現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA);FPGA完成二進制數(shù)據到曼徹斯特碼的編碼工作,通過驅動電路和耦合電路上傳至遙傳。

4 模擬測量及結果分析

4.1 測量過程

對不同濃度的氯化鈉溶液施加不同的恒流電流,調節(jié)發(fā)射探頭到回路電極之間間距分別為10、20、30 cm。更換不同直徑的PVC管,依次記錄骨架上測量探頭經過破損點前后的電壓值,計算4個探頭經過破損點前后電壓平均值的差值,匯總后得到圖5。

圖5 3種溶液濃度下的測量數(shù)據

圖5為模型在3種不同濃度氯化鈉溶液、3種不同直徑PVC管徑中、測量3種發(fā)射探頭到回路電極間距的數(shù)據,經過計算后得到的未破損與破損后之間的差值。表1為在直徑40 mm PVC管內3種不同濃度的氯化鈉溶液中,模擬涂層完好、涂層破損和無涂層的測量數(shù)據,驗證了儀器設計思路有效。

表1 模擬套管完好、破損和無涂層測量結果

4.2 測量結果分析

由圖5可見,當裝載氯化鈉溶液的PVC管直徑較小(40 mm)時,測量得到未破損與破損后之間的差值均大于大直徑PVC管中的測量數(shù)據。小直徑的PVC管在裝入溶液后,發(fā)射探頭與回路電極間的溶液阻抗比大直徑PVC管內氯化鈉溶液阻抗大。由于破損點到回路電極的阻抗和氯化鈉溶液阻抗是并聯(lián)關系,破損點的阻抗變化能引起總阻抗較大的變化,采集的信號變化明顯。而發(fā)射探頭與回路電極之間的距離變大,提高了信號變化程度,得到的信號進一步增強。但是信號增強后,如果不改變恒流電流大小,在高電阻率的氯化鈉溶液里,會引起信號限幅,使得采集的信號差值變小,所以根據氯化鈉溶液濃度的不同,改變恒流源的輸出電流,使信號在不限幅的情況下,儀器獲得較大響應。

表1中,鋼管下部用收縮管全部密封,模擬套管未破損;鋼管中部的收縮管存在幾個較大的破損點,模擬套管破損;鋼管的上部沒有收縮管,模擬無涂層。使用的PVC管直徑為40 mm,在3種不同濃度氯化鈉溶液內,改變恒流源輸出電流后,得到的測量數(shù)據見表1,涂層完好位置的測量數(shù)值遠大于涂層完全破損和部分涂層破損位置的數(shù)值。

綜上分析得到:①通過測量氯化鈉溶液的電阻率,對不同濃度的氯化鈉溶液采取不同的恒流供電電流,得到的測量數(shù)值響應良好;②發(fā)射探頭與回路電極的距離越大,儀器響應越大;③在同一種溶液濃度的容器內,測量儀器與容器之間的間隙越小,得到的測量信號就越大。

5 結 論

(1)針對油田套管內涂層破損情況的檢測問題,采用把激勵電極安裝在儀器的外殼上,其表面無凸出電極,降低了測井作業(yè)風險,提高了測井成功率。使用PEK材料制作儀器外殼,恒流供電不會分流,測量的信號真實有效。

(2)將模擬測量模型與實際測井環(huán)境內外倒置,制作了模擬測量模型,使試驗在室內可以進行,模型的操作簡單有效,節(jié)約時間和成本。

(3)在電路設計上,采用先測量井液電阻率,根據測量的井液電阻率,給探頭提供合適的恒流供電電流,獲得的測量信號較大,提高了儀器分辨破損的能力。

(4)從模擬測量數(shù)據和理論分析來看,儀器根據不同井內的井液電阻率設置恒流源輸出大小,降低儀器外徑與套管之間的間隙,合理調節(jié)發(fā)射探頭與回路電極的距離,可以增加儀器的測量分辨率。另外,得到的測量數(shù)據不僅能明確地指示出破損點,一定程度上也可以反映破損面積的大小,該方法能進一步滿足套管涂層破損的檢測要求。