沈鵬征，李楠楠，劉 斌

（1 西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安 710065；2 長慶油田分公司第六采油廠，陜西西安 710065）

0 引言

套管損傷是國內(nèi)各油田遇到的普遍問題，套管損壞的油氣井輕者不能正常生產(chǎn)，重者則關井，甚至報廢，以致影響油田穩(wěn)產(chǎn)和采收率。隨著油田規(guī)模的擴大和套損井數(shù)的增加，對油田的生產(chǎn)和發(fā)展是極其不利的，其經(jīng)濟損失也是不容忽視的，因而檢測油氣井下套管的損壞情況就成為避免油田經(jīng)濟損失的重要方法。本文介紹的信號采集方法通過多路磁探頭對套管的損傷進行探測，提高了對井下瞬變電磁信號的檢測能力，可獲得信噪比較高的二次場信號，能完整、準確地反映套管損傷信息，可以為套管的修復和所采取的預防措施提供科學依據(jù)，是一種典型的井下瞬變小信號的采集方法。系統(tǒng)利用PIC 單片機對采集過程進行控制，電路簡單，控制簡便，采樣精度高，信號抗干擾能力強。

1 信號采集的原理及方法

本系統(tǒng)以瞬變電磁法為理論基礎，對3個磁探頭（縱向長探頭A，橫向探頭B，橫向探頭C）進行分時采集。磁探頭由發(fā)射線圈和接收線圈兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應和接收3部分。將磁探頭置于套管中，給探頭的發(fā)射線圈通以雙極性矩形脈沖信號，在脈沖的間歇期間，探頭的接收線圈記錄產(chǎn)生的、隨時間變化的感應電動勢，由于在探頭發(fā)射線圈上提供的是雙極性脈沖電流，當發(fā)射線圈中電流脈沖突然關斷時，將在周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次場。根據(jù)導體中的電磁滲透理論，其磁力線穿過套管，在套管中產(chǎn)生渦流i即二次場。在脈沖電流的間歇期間，套管中產(chǎn)生渦流i在探頭的接收線圈中產(chǎn)生感應電動勢ε。當油管或套管出現(xiàn)孔洞、裂縫，特別是縱向裂縫，這將改變感應電動勢ε的幅度，在測井曲線上表現(xiàn)出異常，從而通過檢測感應電動勢ε的變化進行套管損傷的探測。通過對發(fā)射波形的間歇時間對接收線圈上的感應信號進行采集，從而對套管損傷進行識別。

瞬變信號在早、中、晚期的衰減速度差別相當大。為了不失真地準確確定瞬變衰減特性，采樣的間隔及采樣門寬應在不同時期有所改變。在早期，信號的幅度高而且衰減速度快，因此采樣時間間隔及門寬都必須相當窄才能保證足以精確地分辨信號的衰減特性；在晚期，采樣間隔及門寬應增大，以適應弱信號慢衰減的特性[1]。

在脈沖間歇期間井下分時采集3個磁探頭信號，磁探頭信號是按指數(shù)形式衰減。在3個磁探頭中，橫向短探頭B與橫向短探頭C，信號幅值高而且衰減速度快，而縱向長探頭A 信號衰減慢，因此在脈沖間歇早期采集橫向短探頭B 和C上的接收信號，并且采樣時間間隔及門寬都必須相當窄，才能精確地分辨信號的衰減特性，采用等間隔采樣；而在晚期采集縱向長探頭A上的接收信號，采用非等間隔采樣，采樣方式如圖1所示。

圖1 接收信號采樣方法

2 硬件設計

井下信號采集系統(tǒng)主要由前置放大電路、可變增益放大電路、積分電路和AD 采樣電路組成。

2.1 前置放大電路

接收線圈接收的信號動態(tài)范圍大，在早期衰減快，幅值大，而在中晚期信號衰減慢，幅值小，只有毫伏甚至達到微伏級，因此需要對接收信號進行放大、降低噪聲干擾、提高信號靈敏度，。為了提高瞬變電磁信號數(shù)據(jù)采集的精度，減少系統(tǒng)的噪聲，而且還要同時滿足輸入阻抗、共模抑制比、電路工作點穩(wěn)定性等多種要求，在信號檢測系統(tǒng)中采用了前置放大電路。前置放大器具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強共模干擾抑制能力，低溫漂、低失調(diào)電壓和穩(wěn)定增益可調(diào)等特點。電路如圖2所示。

圖2 前置放大電路

IN129是由3運放組合而成的集成放大器，具有較高的共模抑制比、溫度穩(wěn)定性好、放大頻帶寬、噪聲系數(shù)小，而且精度高、使用簡易、噪聲低等優(yōu)點。R1、C1和R2、C2分別接到輸入線上組成一階低通濾波器，濾除輸入線上的高頻噪聲。同時，R1和R2又分別是限流電阻，避免過大的輸入電流燒毀IN129。D1～D4為保護二極管鉗制輸入信號使其保持在電源電壓范圍內(nèi)（-12V～+12V），保護后級的儀表放大器。IN129的放大結(jié)構(gòu)簡單，增益可調(diào)范圍大，只需要調(diào)節(jié)外部的增益電阻Rg即可改變測量放大器的閉環(huán)增益。

2.2 可變增益放大電路

在本采集系統(tǒng)中，接收的二次場信號微弱、動態(tài)范圍寬，前期信號與中晚期信號，可能會相差幾個數(shù)量級，早期信號幅值大，中晚期信號幅值小。當接收早期的大信號時，應調(diào)低放大器的增益，以防止放大器和后級電路引起飽和失真，避免早期信號出現(xiàn)截止；當接收中晚期的小信號時，應調(diào)高放大器的增益，使系統(tǒng)噪聲系數(shù)最小，以達到最高接收靈敏度。因此，為了避免信號出現(xiàn)截止現(xiàn)象，以及信號的分時采集，在前置放大電路后面加一個可變增益放大電路。電路由高速4路單刀單擲模擬開關ADG202ATQ與運算放大器組成，由PIC 單片機控制選擇磁探頭信號的通道以及不同的放大倍數(shù)，這樣可以減小信號的動態(tài)范圍，從而使三個磁探頭的信號均能實現(xiàn)有效的檢測，同時減少了信號的噪聲干擾，電路如圖3所示。

圖3 可變增益放大電路

PIC 單片機通過控制開關U1的選通，來實現(xiàn)3個磁探頭的分時采集，通過對控制開關U2的選通改變運放的輸入電阻，從而改變放大器的增益，減小信號的動態(tài)范圍，實現(xiàn)對瞬變信號的早、中、晚期進行分時、有效的采集處理。

2.3 積分電路

我們所采集的有用信號主要集中在信號的晚期，晚期瞬變信號幅度微弱，衰減速度慢，所以我們采取模擬積分采樣方式，通過PIC 單片機控制對信號進行分時積分采樣，對晚期的弱信號進行累加，提高了信號的信噪比、采樣的精度與分辨率，精簡了電路結(jié)構(gòu)。其工作原理是：通過PIC單片機控制模擬開關U3的關斷來選擇不同的積分電阻，U4作為模擬積分取樣的時標信號用來確定取樣的起始時間、取樣寬度以及取樣次數(shù)，信號經(jīng)過電阻連接到運算放大器OP27的反向輸入端口。信號靠電容C1來積累電壓，在測量結(jié)束的瞬間U3關閉，在OP27的輸出端的電壓停止增大。由于電容的放電回路被切斷，在OP27的輸出端的電壓長時間保持恒值。由于積分過程中的高頻濾波作用，這種電路采樣精度最高。用AD 采樣該電壓，采樣后用單片機控制U4的一路開關導通，對電容器放電并對數(shù)據(jù)進行存儲，以便進行下一個信號的積分取樣。電路如圖4所示。

圖4 積分采樣電路

2.4 A/D采樣

圖5 AD 轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設計

本采集系統(tǒng)主要是通過PIC 單片機控制硬件電路，對磁探頭信號進行分時采集。軟件的設計直接關系到信號采集的準確性和可靠性。程序的控制主要包括對磁探頭信號的選取、可變增益放大器和積分電路的控制及A/D 數(shù)據(jù)采集。軟件主要是通過對模擬開關的控制，以達到信號的分時采集，并對采集的信號進行存儲以便后續(xù)處理。其流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

最終的采樣結(jié)果如圖7所示，圖中所示為可變增益與積分電路的波形。由于信號是接到積分電路的反相輸入端，所以輸出信號與輸入信號反相。由圖可知，系統(tǒng)達到了預期的設計效果。

圖7 采樣的最終信號

4 結(jié)論

本文對井下瞬變信號的采集進行了研究，對瞬變電磁信號的特點、采樣原理和采樣方法進行了介紹，在此基礎上設計了相關的硬件電路和軟件。硬件電路由前置放大電路、可變增益放大電路、積分電路和AD 采樣電路組成，軟件主要由PIC 單片機進行控制和處理。電路完成了調(diào)試，參數(shù)符合預期的要求，經(jīng)過實驗室模擬和井下實驗，本系統(tǒng)具有采樣精度和信噪比高，抗干擾能力強，電路實現(xiàn)簡單、可靠性高的特點，能準確反應井下套管損傷的信息。

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