一种井下电磁测井仪
阅读说明：本技术 一种井下电磁测井仪 (Underground electromagnetic logging instrument ) 是由 张庆生 徐菲 黄华 张立 罗庆 李晓蕾 张�诚 宋胜利 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种井下电磁测井仪。井下电磁测井仪包括发射系统、磁场阵列传感器、以及控制模块,发射系统、磁场阵列传感器均与控制模块连接,发射系统包括上发射线圈和下发射线圈,上发射线圈和下发射线圈分别置于磁场阵列传感器的上方和下方,上发射线圈和下发射线圈产生极性相反的磁场,使得磁场聚集,磁场阵列传感器接收次生磁场完成套管的检测。本发明的上发射线圈和下发射线圈产生的磁场方向相反时,上发射线圈和下发射线圈靠近磁场阵列传感器的一端的极性是相同的,所产生的磁场更加密集,因此在上发射线圈和下发射线圈关闭的时候,套管将会产生较大的次生磁场,携带更多的套管信息被磁场阵列传感器接收,使得套管的检测更加精准。(The invention relates to an underground electromagnetic logging instrument. The underground electromagnetic logging instrument comprises a transmitting system, a magnetic field array sensor and a control module, wherein the transmitting system and the magnetic field array sensor are connected with the control module, the transmitting system comprises an upper transmitting coil and a lower transmitting coil, the upper transmitting coil and the lower transmitting coil are respectively arranged above and below the magnetic field array sensor, the upper transmitting coil and the lower transmitting coil generate magnetic fields with opposite polarities, so that the magnetic fields are gathered, and the magnetic field array sensor receives a secondary magnetic field to complete detection of the casing. When the directions of the magnetic fields generated by the upper transmitting coil and the lower transmitting coil are opposite, the polarities of the ends, close to the magnetic field array sensor, of the upper transmitting coil and the lower transmitting coil are the same, and the generated magnetic fields are denser, so that when the upper transmitting coil and the lower transmitting coil are closed, the sleeve can generate a larger secondary magnetic field, more sleeve information is carried, and the sleeve is received by the magnetic field array sensor, so that the sleeve is more accurately detected.)
技术领域
本发明涉及一种井下电磁测井仪，属于油气田工程测井设备领域。
背景技术
目前，油气田生产井随着生产年限的延长，套管变形井数量逐年增加，需及时了解井下套管变形状况，指导下步作业措施。传统的套管状况检测技术如超声波井下电视测井、鹰眼电视测井和多臂井径测井，都属于管壁成像测井方法，在测试套管变形时，需先取出油管使仪器直接接触套管内壁才能测量。尤其在高含硫气田，井下管柱采用了永久性封隔器，取油管作业前，需要实施压井、油层暂堵，套铣封隔器等一系列措施，工序复杂、施工时间长、费用高、作业风险大，导致这些直接接触套管测井方法应用受限，需要透过油管对套管变形程度进行三维精细评价。
为此，有人提出工程电磁测井装置，该装置利用电磁信息进行测井，而且工程电磁测井装置是一种无损、非接触式的设备，不易受井液和结垢结蜡的影响，成为了目前最为广泛应用的套管检测技术之一。
一般情况下，工程电磁测井装置由纵向长探头、纵向短探头及横向探头构成，纵向长探头、纵向短探头平行仪器轴心放置，横向探头由两个相互垂直线圈组成，与仪器中轴线垂直放置。所有探头采用自发自收模式，每个感应探头既是发射源也是接收器。测量时通过短时间的一组脉冲电流驱动感应探头产生交变磁场，套管受交变磁场的影响在套管中产生感应的涡流电场。在发射源的磁场关断过程中，由涡流电磁生成的次生磁场将在感应探头中产生感应电动势。通过分析感应电动势大小及变化情况可分析套管信息，包括套管的壁厚值、管壁裂缝、套管错断、套管变形类型和程度等。然而因为感应探头所接收的感应电动势是同时包含激励磁场和套管涡流电场感应的次生磁场，在多层管柱条件下，为了实现更大的探测距离和更高的探测精度，相应增加感应探头的驱动电流，以提高激励磁场强度。在油管内径尺寸限制条件下，将导致元器件成本和仪器制造难度极大的增加。
因此有人提出采用磁场阵列传感器接收磁场信息，提高检测的精度。例如：申请公布号为CN 110965983A的中国发明专利申请文件公开了一种井下电磁探伤仪，该专利提出一种收发分离且阵列接收的井下电磁探伤仪(即电磁测井仪)，包括处理器模块、发射线圈以及磁场阵列传感器，实现了一次发射同时接收，缩短了单次采集周期，使得每个传感器记录开始角度和记录结束角度偏差减小，提升了测量的准确性。该仪器是利用电磁感应原理，采用矩形短周期(一般300-500ms)脉冲电流单极发射，控制发射线圈开关电流产生磁场，由于油管一般采用高抗硫的镍基合金低磁导率材料，发射线圈开关电流产生的大部分磁场能够透过油管直接传递到套管，导致油管和套管同时产生次生电磁场被磁场阵列传感器接收，二者信号重叠，对信号进行解析后得到套管的信息，然而单极发射系统的磁力线较为分散，无法将主要磁场穿透油管聚焦到套管上，加大了信号解析难度，降低了对套管状况的解释精度。
发明内容
本申请的目的在于提供一种井下电磁测井仪，用以解决现有现有测井仪测量不准确的问题。
为实现上述目的，本申请提出了一种井下电磁测井仪的技术方案，包括用于产生磁场的发射系统、用于接收次生磁场的磁场阵列传感器、以及控制模块，所述发射系统、磁场阵列传感器均与控制模块连接，所述发射系统包括上发射线圈和下发射线圈，所述上发射线圈和下发射线圈分别置于磁场阵列传感器的上方和下方，上发射线圈和下发射线圈产生极性相反的磁场，使得磁场聚集，磁场阵列传感器通过同步接收次生磁场完成套管的检测。
本发明的井下电磁测井仪的技术方案的有益效果是：本发明的发射系统包括两个发射线圈，分别为设置在磁场阵列传感器上方和下方的上发射线圈和下发射线圈，在上发射线圈和下发射线圈产生的磁场方向相反时，上发射线圈和下发射线圈靠近磁场阵列传感器的一端的极性是相同的，根据同性相斥的原理，检测点处的磁场更加聚集，并且磁场会以更大的半径透过油管聚集到套管上，使得套管上的磁场可以聚集，磁场聚集表明磁场强度大，因此在上发射线圈和下发射线圈关闭的时候，套管将会产生较大的次生磁场，携带更多的套管信息被磁场阵列传感器接收，由于携带的套管信息更多，因此可以更加准确的反应套管的形态，进而使得套管的检测更加精准。
进一步的，为了更加简便、可靠使得上发射线圈和下发射线圈产生极性相反的磁场，上发射线圈和下发射线圈的缠绕方式相同，通过流经大小相同、方向相反的电流而产生极性相反的磁场。
进一步的，为了使得发射线圈和下发射线圈的产生的磁场更加密集，提高上发射线圈和下发射线圈的产生的磁场强度，上发射线圈和下发射线圈均包括多匝闭环线圈绝缘低阻电缆缠绕的磁性圆柱体。
进一步的，为了更加方便、灵活、可靠的控制上发射线圈和下发射线圈的开闭，提高检测效率，井下电磁测井仪还包括功率驱动模块，控制模块通过功率驱动模块连接上发射线圈和下发射线圈。
进一步的，为了增大磁场阵列传感器的覆盖范围，提高磁场阵列传感器的角分辨率，提高套管的检测精度，减少检测盲区，所述磁场阵列传感器为可旋转的磁场阵列传感器，所述井下电磁测井仪还包括用于驱动磁场阵列传感器旋转的驱动装置，所述驱动装置连接控制模块。
进一步的，为了提高可旋转的磁场阵列传感器的旋转控制精度，所述驱动装置为旋转步进电机，控制模块通过旋转步进电机控制可旋转的磁场阵列传感器旋转。
进一步的，所述磁场阵列传感器包括磁场阵列传感器外壳、至少2个磁场传感器、用于固定各传感器的安装支架、以及用于固定安装支架的无磁骨架。
进一步的，所述磁场阵列传感器包括磁场阵列传感器外壳、至少2个磁场传感器、用于固定各传感器的安装支架、以及用于固定安装支架的无磁骨架，所述无磁骨架安装在驱动装置的旋转轴上。
进一步的，为了辅助井下电磁测井仪的工作，所述井下电磁测井仪还包括自然伽马探头、运动轨迹记录模块与温度传感器，所述自然伽马探头、运动轨迹记录模块与温度传感器分别与所述控制模块连接，发射系统、磁场阵列传感器、控制模块、自然伽马探头、运动轨迹记录模块与温度传感器均设置在一个仪器外壳内。
进一步的，为了方便井下电磁测井仪的取放，调整井下电磁测井仪的位置，所述仪器外壳两端分别设置有扶正器。
附图说明
图1是本发明井下电磁测井仪的系统框图；
图2是本发明井下电磁测井仪的结构示意图；
图3是现有技术中一个发射线圈的电磁测井原理图；
图4是本发明两个发射线圈的电磁测井原理图；
图5是本发明发射系统周期性方波激励信号波形；
图6是本发明井下电磁测井仪的检测流程图；
图7是本发明可旋转的磁场阵列传感器的结构示意图；
图中：1为上位计算机，2为数据电力电缆，3为井下电磁测井仪，4为DSP处理器，5为仪器外壳，6为液压扶正器，7为自然伽马探头，8为运动轨迹记录模块，9为磁场阵列传感器，10为温度传感器，11为功率驱动模块，12为上发射线圈，13为下发射线圈，14为套管，15为油管，901为磁场阵列传感器外壳，902为磁场传感器，903为磁场传感器安装支架，904为无磁骨架，905为旋转步进电机。
具体实施方式
井下电磁测井仪实施例一：
井下电磁测井仪是用来检测套管的形状的，为了将检测结果进行显示，如图1所示，井下电磁测井仪3将检测的数据通过数据电力电缆2发送至井上的上位计算机1，通过上位计算机1显示数据曲线并判断套管是否可以继续使用，并且上位计算机1给井下电磁测井仪3供电以及发送控制指令。
井下电磁测井仪3如图2所示，包括DSP处理器4(即控制模块)，仪器外壳5，液压扶正器6，自然伽马探头7，运动轨迹记录模块8，磁场阵列传感器9，温度传感器10，功率驱动模块11，上发射线圈12，下发射线圈13；
DSP处理器4、自然伽马探头7、运动轨迹记录模块8、功率驱动模块11、上发射线圈12、阵列磁场传感器9、下发射线圈13、温度传感器10依次设置在仪器外壳5的内部，仪器外壳5的两端设置有使井下电磁测井仪3居中、方便取放的液压扶正器6；并且液压扶正器6为六臂滚轮液压扶正器；
上发射线圈12和下发射线圈13组合成为发射系统，并且上发射线圈12和下发射线圈13分别置于磁场阵列传感器9的上方和下方，上发射线圈12和下发射线圈13通过功率驱动模块11连接DSP处理器4，磁场阵列传感器9中的各磁场传感器均连接DSP处理器4，且自然伽马探头7、运动轨迹记录模块8和温度传感器10连接DSP处理器4；
功率驱动模块11用于接收DSP处理器4的指令，向上发射线圈12和下发射线圈13施加电流；磁场阵列传感器9将采集的次生磁场发送给DSP处理器4；并且自然伽马探头7、运动轨迹记录模块8和温度传感器10均将采集的信息发送给DSP处理器4；DSP处理器4对所接收的信息进行存储并上传至上位计算机1。
本发明的井下电磁测井仪3的主要构思在于，现有技术的检测原理如图3所示，为一个发射线圈，所产生的磁场较为分散(磁力线密、磁场强度大；磁力线疏、磁场强度小)，比较稀疏，当磁场穿过油管15再次穿过套管14时，无法将主要磁场透过油管15聚焦到套管14上，使得套管14产生的次生磁场信息遗漏较多，无法准确的判断套管14的老化程度，因此本发明采用上发射线圈12和下发射线圈13分布在磁场阵列传感器9的两端实现套管14的检测。
本发明的检测原理如图4所示，功率驱动模块11向上发射线圈12和下发射线圈13同时施加大小相同、方向相反的矩形长周期(例如500-1000ms)脉冲电流，使得上发射线圈12和下发射线圈13产生极性相反的磁场，从图中可以看出，磁场阵列传感器9所处的位置，磁力线密集，并且由于同性相斥的原理，上发射线圈12和下发射线圈13产生的磁场以较大的半径透过油管15，然后聚焦到套管14上，使得套管14可以产生更大的次生磁场，携带更多的套管信息。
发射系统中上发射线圈12和下发射线圈13均包括由多匝闭环线圈绝缘低阻电缆缠绕磁性圆柱体，主要作用为进行垂直磁场的发射，线圈长度都为0.5m，等效面积都为100m2；
DSP处理器4通过功率驱动模块11向上发射线圈12和下发射线圈13施加如图5所示的周期性方波激励信号波形，其中记录周期包含有一次正向衰减和一次反向衰减，可抵消油、套管磁化效应，通常为500ms～1000ms；其中发射电流由使用者通过上位计算机1命令设置，正反向发射的电流大小一致，通常为40A～100A。DSP处理器4输出的控制时钟控制功率驱动模块11的恒流开关以控制发射线圈12和下发射线圈13的开闭，如果DSP处理器4输出信号为0，功率驱动模块11关闭驱动电流，如果DSP处理器4输出信号为1，功率驱动模块11正向开启驱动电流，如果DSP处理器4输出信号为-1，功率驱动模块11反向开启驱动电流。
磁场阵列传感器9包括磁场阵列传感器外壳，24个磁场传感器、磁场传感器安装支架、以及无磁骨架；磁场阵列传感器外壳为圆柱形外壳，在圆柱形外壳内设置有与圆柱形外壳同轴的无磁骨架，无磁骨架是为了固定磁场传感器安装支架，因此无磁骨架上设置有固定各磁场传感器的磁场传感器安装支架，磁场传感器安装支架上设置有与各磁场传感器一一对应的24个凹槽，凹槽的形状与磁场传感器的形状匹配，可以将各磁场传感器更加牢固的固定在对应的凹槽内；
各磁场传感器与DSP处理器4连接，每个磁场传感器负责对应角度的磁场接收，DSP处理器4向各磁场传感器发送同步采集指令实现次生磁场的采集，24个磁场传感器，根据360°/24＝15°，得到磁场阵列传感器9的分辨能力为15°。
温度传感器10采集井内流体的温度，能辅助判断套管损坏漏液的情况；自然伽马探头7用于校正井下电磁测井仪3的深度；运动轨迹记录模块8用于记录井下电磁测井仪3的运动轨迹。
井下电磁测井仪3的工作过程如图6所示，具体为：
1)由上位计算机1给井下电磁探伤仪3进行供电，并且对井下电磁探伤仪3的参数进行设置。
2)待井下电磁测井仪3下入到测量点的深度后，DSP处理器4接收由上位计算机1给出的开始发射电磁场的命令，DSP处理器4通过功率驱动模块11发送如图5所示的周期性方波激励信号给上发射线圈12和下发射线圈13，控制上发射线圈12和下发射线圈13的开闭。
上发射线圈12和下发射线圈13开启，流经大小相等、方向相反的电流，产生极性相反的磁场，磁场通过油管15，然后聚焦到套管14上，上发射线圈12和下发射线圈13关闭，套管14产生次生磁场，DSP处理器4发送共同时钟信号控制磁场阵列传感器9中的各传感器同步采集电信号，磁场阵列传感器9作为接收器接收各个扇区套管管壁中涡流电场感应的次生磁场引起的感应电动势，且DSP处理器4处理、存储磁场阵列传感器9所采集的信息。
DSP处理器4开始记录磁场阵列传感器9所采集的信息的同时，DSP处理器4还记录运动轨迹记录模块8所采集的信息、自然伽马探头7所采集的信息、温度传感器10所采集的信号及功率驱动模块11发送的发射电流信息。
DSP处理器4控制工作时序，在控制各传感器902进行同步采集的同时还要进行自然伽马信号、运动轨迹信号、温度信号的采集及功率发射的控制。
3)井下电磁探伤仪3将当先的数据包存储于DSP处理器4中，等待上位计算机1发送的上传命令。
4)DSP处理器4接收到上传命令后，将存储的数据包发送给上位计算机1。
5)上位计算机1解析接收到上传的数据包，并将数据以曲线形式展示。
6)上位计算机1根据设置的判定条件自动判断数据异常或正常，若数据异常，则提示工作人员修改设置再进行测量；如果数据正常，则将该数据包进行存储。
7)数据包存储完成后，则进行下个深度点的测量。
上述实施例中，DSP处理器4控制磁场阵列传感器9中的各磁场传感器同步接收次生磁场完成检测，作为其他实施方式，DSP处理器4也可以控制磁场阵列传感器9中的各磁场传感器按照设定的时序顺序接收次生磁场，本发明对磁场阵列传感器9的接收方式并不做限制。
上述实施例中，为了更加方便上发射线圈12和下发射线圈13的控制，DSP处理器4通过功率驱动模块11实现上发射线圈12和下发射线圈13的驱动控制，作为其他实施方式，DSP处理器4也可以直接控制上发射线圈12和下发射线圈13。
上述实施例中，为了协助井下电磁测井仪3的工作，井下电磁测井仪3还包括运动轨迹记录模块8、自然伽马探头7、以及温度传感器10，然而，通过两个发射线圈是本发明的重点，在可以实现基础检测的情况下，运动轨迹记录模块8、自然伽马探头7、以及温度传感器10也可以不设置。
上述实施例中，液压扶正器6的作用是为了方便井下电磁测井仪3的取放以及位置的调整，作为其他实施方式，在不考虑井下电磁测井仪3位置的情况下，液压扶正器6也可以不设置。
本发明通过采用设置在磁场阵列传感器9上方和下方的两个发射线圈，使得发射系统产生的磁场以较大半径、较为密集的聚焦在套管14上，进而使得套管14产生的次生磁场较为密集，携带更多的套管信息，提高检测精度。
井下电磁测井仪实施例二：
本实施例提出的井下电磁测井仪与实施例一种提出的井下电磁测井仪的不同之处在于，磁场阵列传感器9为可旋转的磁场阵列传感器9，通过磁场阵列传感器9的旋转可以减小磁场阵列传感器9的分辨率，减小各传感器之间的夹角导致的检测盲区，实现全方位360°接收磁场信号。
具体的可旋转的磁场阵列传感器9如图7所示，包括磁场阵列传感器外壳901，24个磁场传感器902、磁场传感器安装支架903、无磁骨架904、以及旋转步进电机905；
磁场阵列传感器外壳901为圆柱形外壳，在圆柱形外壳的轴线安装旋转步进电机905，并且圆柱形外壳的轴线和仪器外壳5的轴线平行设置，旋转步进电机905的旋转轴上安装无磁骨架904，无磁骨架904上设置有固定各磁场传感器902的磁场传感器安装支架903，磁场传感器安装支架903上设置有与各磁场传感器902一一对应的24个凹槽，凹槽的形状与磁场传感器902的形状匹配，可以将各磁场传感器902更加牢固的固定在对应的凹槽内；
各磁场传感器902、旋转步进电机905均与DSP处理器4连接，每个磁场传感器902负责对应角度的磁场接收，DSP处理器4向各磁场传感器902发送同步采集指令的同时向旋转步进电机905发送旋转的指令，旋转步进电机905可带动24个磁场传感器902沿轴向旋转；磁场阵列传感器9通过旋转接收磁场信息可以减小检测盲区。
例如：一周为360°，那么24个磁场传感器902，根据360°/24＝15°，得到磁场阵列传感器9的分辨能力为15°，存在15°的盲区，旋转步进电机905在DSP处理器4的控制时序下，可进行最小角度为1°的旋转，因此，磁场阵列传感器9具备有1°的角向分辨能力，旋转15次即可完成圆周1°精细探测，能避免由于两个传感器之间夹角导致的检测盲区，实现圆周全方位360°接收所发射的磁场信号。
上述详细介绍了磁场阵列传感器9的具体结构，不过本发明对磁场阵列传感器9的具体结构不做限制，只要多个磁场传感器形成一个设定的阵列接收磁场即可。
关于井下电磁测井仪3的其他结构以及连接关系与实施例一中的井下电磁测井仪3相同，已经在实施例一中介绍，这里不做赘述。
因此，本实施例的井下电磁测井仪3的工作过程如下：
1)由上位计算机1给井下电磁探伤仪3进行供电，并且对井下电磁探伤仪3的参数进行设置。
2)待井下电磁测井仪3下入到测量点的深度后，DSP处理器4接收由上位计算机1给出的开始发射电磁场的命令，DSP处理器4通过功率驱动模块11发送如图5所示的周期性方波激励信号给上发射线圈12和下发射线圈13，控制上发射线圈12和下发射线圈13的开闭。
上发射线圈12和下发射线圈13开启，流经大小相等、方向相反的电流，产生极性相反的磁场，磁场通过油管15，然后聚焦到套管14上，上发射线圈12和下发射线圈13关闭，套管14产生次生磁场，DSP处理器4发送共同时钟信号控制磁场阵列传感器9中的各传感器902同步采集电信号以及控制磁场阵列传感器9旋转的信号开启磁场阵列传感器9，磁场阵列传感器9作为接收器旋转接收各个扇区套管管壁中涡流电场感应的次生磁场引起的感应电动势，且DSP处理器4处理、存储磁场阵列传感器9所采集的信息。
DSP处理器4开始记录磁场阵列传感器9所采集的信息的同时，DSP处理器4还记录运动轨迹记录模块8所采集的信息、自然伽马探头7所采集的信息、温度传感器10所采集的信号及功率驱动模块11发送的发射电流信息。
DSP处理器4控制工作时序，在控制各传感器902进行同步采集的同时还要进行自然伽马信号、运动轨迹信号、温度信号的采集及功率发射的控制。
3)井下电磁探伤仪3将当先的数据包存储于DSP处理器4中，等待上位计算机1发送的上传命令。
4)DSP处理器4接收到上传命令后，将存储的数据包发送给上位计算机1。
5)上位计算机1解析接收到上传的数据包，并将数据以曲线形式展示。
6)上位计算机1根据设置的判定条件自动判断数据异常或正常，若数据异常，则提示工作人员修改设置再进行测量；如果数据正常，则将该数据包进行存储。
7)数据包存储完成后，则进行下个深度点的测量。
井下电磁测井仪实施例三：
本实施例提出的井下电磁测井仪与实施例一种提出的井下电磁测井仪的不同之处在于，实施例一中的发射系统的两个线圈缠绕方式相同，因此流经大小相同、方向相反的电流所产生的磁场为极性相反的，那么，本实施例中，发射系统的两个线圈缠绕方式相反，因此流经大小相同、方向相同的电流所产生的磁场为极性相反的，也即两个线圈靠近磁场阵列传感器9的一端极性相同。
关于井下电磁测井仪的其他结构、连接关系以及工作过程与实施例一中的井下电磁测井仪相同，这里不做赘述。
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