电磁测井技术发展现状

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  摘要:电磁测井技术是一种在线检测油管和套管中缺陷的无损检测技术,近些年在油田中获得了成功的应用。本文首先分析电磁测井原理,介绍电磁测井技术的研究现状;其次,比较典型电磁探伤测井仪的结构、性能、原理和应用状况;最后讨论电磁测井技术的技术关键和发展前景。
  关键词:电磁测井 电磁感应 激励信号 多层管柱
  中图分类号:TE35文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0110-03
  
  1前言
  
  在石油开采过程中,管道很容易出现裂缝 、错断、变形,如果不及时检测并加以修复,将造成严重的管道毁坏,直接影响油田的生产;因此,油田非常重视油管和套管的检查。目前油田主要使用离线法检测油管和套管,由于不是实时检测,该方法不能在泄漏发生前及时发现管道的损伤。离线检测法对早期故障的检测较有效,但是不能随时掌握管道的健康状况,此外还需要将油管和套管分开检测。
  电磁测井法是近些年出现的新型测井技术,它依照电磁学中的电磁感应原理,在线检测油管和套管中的损伤,在油田中获得了一定的应用,本文系统地介绍电磁探伤测井技术的原理,对目前市场上使用的电磁探伤仪进行比较,分析电磁探伤测井技术的
  发展状况,讨论电磁测井技术的前景和发展方向。
  
  2电磁测井原理
  
  电磁测井技术的理论基础是电磁场理论,根据电磁场理论有:
  式(1)为麦克斯韦方程组,它描述了作为统一的电磁场的两个方面——电场和磁场的相互关系,以及电场、磁场本身所具有的规律,电场、磁场与其所处媒质的关系,表明了电场和磁场相互依存、相互制约和相互转化。电磁探伤技术运用了电磁互生——变化的磁场产生电场,变化的电场产生磁场的原理,并基于法拉第电磁感应定律:
  式中:为磁通量 S为线圈截面积 B为磁场强度。
  基于法拉第电磁感应定律,电磁测井的原理图如图1所示。图1(a)的纵向测量原理:当发射线圈通以短时间的直流脉冲电流时,在线圈周围产生很强的稳定磁场,根据导体中的电磁渗透理论,其磁力线穿过油管进入套管,在油管和套管壁上分别产生感应电流I1和I2,
  在直流电脉冲结束后,次生磁场在接收线圈中产生感应电动势。在油管或套管的电磁特性发生变化时,感应电流I1和I2发生改变;当油管或套管出现孔洞、裂缝,特别是纵向裂缝,将切断感应电流I1和I2在管壁上的回路,这将改变感应电动势的幅度,在测井曲线上表现出异常。
  图1 电磁测井原理图
  图1(b)的横向测量原理:发射线圈产生的磁场强度比较弱,其磁力线只能穿过第1层管柱,在管壁上感应出电流I1,接收线圈检测由I1产生的感应电动势。当管壁上的损伤部位进入探头的探测区域时,特别是裂缝,将切断感应电流的回路,从而影响感应电动势的幅度。由于探头只能按某一固定方向扫描,横缝要比纵缝落入探测区的几率大,因此,横向探头主要用来探测横缝。
  电磁探伤技术利用通入的激励信号的暂态过程来检测油管套管的损坏情况。当钢管(油套管)厚度变化或存在缺陷时,感应电动势将发生变化,通过分析和计算,在单套、双套管柱结构下,可判断管柱的裂缝和孔洞,得到管柱的壁厚。
  单层管柱结构,感应电动势函数表达式为
   f( (2)
  在管柱无损伤的情况下,套管磁导率、电导率套管外径D和井内温度t都已知,只有套管壁厚T未知,因此测得感生电动势时,以(2)式计算出管壁厚度。在管柱有损伤的情况下,套管磁导率、电导率将发生变化,测得的感生电动势的变化反映了套管的损坏情况,可以根据(2)式计算出管壁厚度,但这一结果是损坏部位套管壁厚的均匀响应。
  双层管柱(如有油管和套管)结构时
   f(T1,T2,D1,D2) (3)
  式中: T1、T2为内外管柱的厚度在正常情况下,钢管磁导率、电导率、外径D和时间t都已知,只有钢管壁厚T未知。因此,测得感应电动势1、2时,就可以得到内、外管壁厚度T1、T2,此时计算出管壁厚度,此结果是损坏部位的均匀壁厚。
  
  3 电磁测井仪比较
  
  电磁测井方法作为一种新兴的检测方法,可以在线同时检测油管和套管的损伤,因此在地下管道的检测中,具有不可替代的作用。
  3.1检测原理
  ETT-D测井仪:输入的激励信号是周期性的高频正弦波,利用的是其的稳态过程。并由于高频的趋肤效应,输出信号的幅度是线圈与套管内表面距离(井径)的函数。MID-K电磁探伤成像测井仪、M∏电磁探伤测井和EMDS-TM-42TS电磁探伤测井仪所采用的原理激励信号为方波,利用的是其暂态过程承载信息。
  3.2激励信号对检测的影响
  在四种测量仪器中,ETT-D测井仪的激励信号是正弦波,不能区别判断内外管柱对感应电动势变化的影响,只能检测内层管道。MID-K电磁探伤成像测井仪、M∏电磁探伤测井和EMDS-TM-42TS电磁探伤测井仪所输入的激励信号则是方波电流,效果很明显,ETT-D的检测效果远不如其它三种测量仪。
  3.3测量探头数
  ETT-D测井仪有MID-K电磁探伤成像测井仪有1 个纵向探头、2 个横向探头和温度计测井信号每一帧里面的测井数据与不同深度的测量结合成一个数据包。M∏电磁探伤测井仪结构主要由3个电磁探伤探头:长轴探头A、横向探头B和短轴探头C构成,另外还附加了伽马和温度2个探头。EMDS-TM-42TS电磁探伤测井仪由多个探头和上、下扶正器及电路组成。多个探头包括温度探头、自然伽马探头、纵向长轴探头A、横向探头B、纵向短轴探头C。其中温度探头用来检测井内流体温度场的变化,确定出液口的位置;自然伽马探头探测井身周围自然伽马强度,用于校深;探头A、B、C用来检测套管的损伤。
  3.4检测精度
  ETT-D测井仪测量单层钢管效果还好,在多层钢管结构中测井时,仪器对外层管的壁厚变化和损坏有反应,但不能较好的解释,测量精度很差。MID-K电磁探伤成像测井仪在探测2层管柱时,对外层管柱的检测精度没有内层高。但可以识别套管腐蚀和穿孔,计算套管壁厚。M∏电磁探伤测井可在油管内检测油管和套管的损坏情况,和在套管内检测套管和表层套管的损坏情况,即电磁探伤测并可透过一层钢管探测外面钢管的壁厚和损坏。检测精度较高。EMDS-TM-42TS电磁探伤测井仪对无缺陷油管、套管和有缺陷油管、套管单层管柱均能准确的判断其技术状况,检测精度不逊色于MID-K电磁探伤成像测井仪和M∏电磁探伤测井。
  3.5显示方式
  ETT-D测井仪激励信号无暂态过程,不能区别判断内外管柱对感应电动势变化的影响,在多层石油管和套管探测时,仪器对外层管的壁厚变化和损坏有一定反应,但不能全面显示状况,只能定性的判断套管是否存在损坏。目前该种仪器使用逐渐减少。MID-K电磁探伤成像测井仪、M∏电磁探伤测井和EMDS-TM-42TS电磁探伤测井仪均能测出石油管和套管的内外层厚度、无损伤和各种损伤情况。它们四种仪器显示的方式都是先采集出数据,然后反映在图形上。经过一系列技术处理和数学变换可观测出管道的状况。其中ETT-D测井仪在无损探伤检测显示图形效果较差。
  
  4 讨论
  
  与其它基于电磁原理的方法相比,电磁测井法存在明显的特点。
  从激励信号方面分析,其它检测方法普遍采用正弦激励,形成周期性的电动势,无暂态过程,产生的二次电磁信号主要是基波,无法穿透内层钢管,并且基波过于单调无法承载多种信息,因而使用正弦波作为激励信号,只能粗略检测出内层石油管存在损坏,并且单纯的基波频率低穿透力不强,无法较好的检测外层套管。而激励信号为方波直流电,经过分析,电磁探伤中主要利用其暂态过程,在暂态过程中,方波电流以非周期地形式进行衰减,由傅里叶三角变换,该衰减的暂态电流可以分解成n次谐波电流,其中含有大量高频电流,利用高频谐波的高穿透性,可以穿透内层石油管,将外层管道置于变化的电磁场中,利用多种谐波能量作为载体,经过拉式变换,由时域变化到频域,得以将变化的损坏特征集中展现出来,这才是为什么用衰减暂态过程作为检测的激励信号,其中的频率和能量得以集中体现。
  检测原理的区别:磁粉法检测,确定有缺陷后,再用其他方法仔细检测。用磁粉探伤检验表面裂纹,与超声探伤和射线探伤比较,其灵敏度高、操作简单、结果可靠、重复性好、缺陷容易辨认。但这种方法仅适用于检验铁磁性材料的表面和近表面缺陷。漏磁探伤,钢管的漏磁探伤技术主要分为磁粉探伤法和磁场测定法。磁粉探伤法简单,但是需要用眼来观察磁痕,(下转第114页)(上接第111页)难以实现自动化。磁场测定法尽管仪器设备较复杂,花销大且操作的技术难度大,但却是通过传感器来拾取漏磁场信息的,因此易于实现自动化探伤。电磁超声探伤,电磁超声传感器激发的超声波可沿着管材圆周方向传播,无须使钢管或传感器转动便可扫描钢管的圆周。电磁超声探伤能同时探出压电超声、涡流、漏磁探伤各自能探出的缺陷,可实现自动检测保证生产节奏。
  涡流探伤,适合于钢管质量检验的自动涡流探伤方法有点式探头探伤和穿过式探伤法两种。采用点式探头探伤法来探测钢管中的纵向缺陷,其检测速度比较慢,加之设备较复杂,因而其应用不太广泛; 采用穿过式探头检测钢管中的横向缺陷,这种方法设备简单,探伤速度快。单频涡流检测、多频涡流检测、脉冲涡流检测采取激励线圈和检测线圈的轴线方向相平行方式,磁化场的方向垂直于被测构件表面,磁化场通过空气进入构件中和传出到检测线圈中。远场涡流无损检测技术激励线圈发出的磁力线(能量)穿过管壁向外扩散,在远场区又再次穿过有表面缺陷的管壁向内扩散,于是被检测线圈接收。磁性法,电磁无损检测是利用材料在电磁场作用下,呈现出的电学或磁学性质的变化,判断材料内部组织及有关性能的试验方法。电磁方法检测材料表面具有检测灵敏度高、信号耦合简单方便等优点,是目前发展较快的无损探伤方法。
  检测对象适用性:磁性法检测适用无缺陷油管、套管和有缺陷油管、套管单层管柱均能准确的判断,涡流法检测适用检测横向缺陷,效果较好。
  
  5结语
  
  电磁测井技术是一种基于电磁原理的无损检测技术,近些年在油田中获得了成功的应用,但是目前对于其基础理论和检测原理的研究还处于定性或半定量的阶段,还有
  许多技术难点需要解决,例如信号的类型和产生方式,感应线圈的结构,缺陷信号的反演等。但是,近些年,越来越多的学者开始关注该技术,有关此技术的系统研究已经开展,相信该技术最终会发展成熟,成为一类系统的电磁探伤方法。
  
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