錢(qián)慧芳，羅 卉

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安710048）

許多老油田套管損傷井呈逐年增多趨勢(shì)，并向區(qū)域性發(fā)展，這將嚴(yán)重影響油田的產(chǎn)量。吉林油田套管存在問(wèn)題的井?dāng)?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(mén)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)是308口套損井[2]；塔河油田工程測(cè)井、施工作業(yè)過(guò)程中，共計(jì)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(cè)井技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)價(jià)套管的損傷程度，認(rèn)識(shí)和預(yù)防套損區(qū)域的擴(kuò)大，及時(shí)采取措施有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)石油套管厚度檢測(cè)的方法主要有利用聲波測(cè)量、利用光學(xué)照相技術(shù)測(cè)量、利用井徑測(cè)量和利用電磁原理測(cè)量等。文獻(xiàn)[4-5]利用聲波測(cè)量雖然有很高的測(cè)量精度，但在油井的惡劣環(huán)境中會(huì)因套管表面不潔而降低準(zhǔn)確度；利用光學(xué)照相技術(shù)測(cè)量雖然能直觀地了解井下套管的狀況，但受井液的可見(jiàn)度限制較大；文獻(xiàn)[6]利用井徑測(cè)量在套管變形部位儀器易遇阻，且無(wú)法檢測(cè)到套管外壁的腐蝕；利用電磁原理測(cè)量可以檢測(cè)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(guó)內(nèi)外的測(cè)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(gè)技術(shù)難題。

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，新型雙遠(yuǎn)場(chǎng)電磁聚焦測(cè)厚儀首先根據(jù)發(fā)射電磁場(chǎng)原理，改變了線圈電磁場(chǎng)在石油套管內(nèi)外的分布，以提高儀器的檢測(cè)靈敏度，采用了遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)算法確定套管實(shí)際變化的大小、深度和形狀等參數(shù)，以實(shí)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(cè)套管內(nèi)徑的發(fā)射線圈，發(fā)射出一定頻率的電磁信號(hào)，使其在套管壁內(nèi)外形成均勻分布的電磁場(chǎng)，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(hào)，然后通過(guò)40道輸入放大器對(duì)每道接收信號(hào)進(jìn)行放大和40道帶通濾波器對(duì)每道接收信號(hào)中干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，最后利用電纜將接收信號(hào)上傳至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)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(shè)計(jì)

雙遠(yuǎn)場(chǎng)電磁聚焦測(cè)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(gè)發(fā)射線圈。兩只發(fā)射線圈與發(fā)射磁場(chǎng)順向排列，線圈相距約5-7倍所測(cè)套管內(nèi)徑。為了使接收線圈處的磁場(chǎng)均勻分布，兩發(fā)射線圈內(nèi)側(cè)均裝有高導(dǎo)磁率的導(dǎo)磁片。通過(guò)雙線圈定距離順向發(fā)射和導(dǎo)磁片的均磁作用，使磁場(chǎng)在套管壁內(nèi)外平行均勻分布，提高儀器的檢測(cè)靈敏度。

2.2 接受單元

接收單元包括40組接收線圈，兩個(gè)發(fā)射線圈對(duì)稱設(shè)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(duì)應(yīng)的線圈組相差9o，當(dāng)通過(guò)軟件延遲后，就相當(dāng)于在一個(gè)平面上，按9o平均分布了40組接收探頭，使儀器的水平測(cè)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(cè)量電路、開(kāi)關(guān)電源電路組成。發(fā)射電路主要產(chǎn)生穿透能力強(qiáng)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(cè)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(guò)時(shí)序控制使儀器發(fā)射、接收、刻度、測(cè)量和信號(hào)傳輸有序的進(jìn)行；VGA放大電路主要保證接收信號(hào)均工作在線性狀態(tài)；輔助測(cè)量電路主要用于測(cè)量溫度和方位傾角，測(cè)量溫度是為了進(jìn)行溫度漂移校正用，測(cè)量方位傾角是為了計(jì)算出套管破損的具體位置；開(kāi)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(kāi)關(guān)電源變換。系統(tǒng)硬件功能框圖如圖2所示。

儀器在測(cè)井時(shí)，所有測(cè)量波形均傳輸?shù)降孛鎯x器，再經(jīng)過(guò)軟件處理后，可還原為套管實(shí)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(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量波形簡(jiǎn)述

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

當(dāng)儀器以一定速度向右移動(dòng)經(jīng)過(guò)破損槽時(shí)產(chǎn)生的波形如圖3所示，圖中第一道信號(hào)和第二道信號(hào)波形分別是雙遠(yuǎn)磁場(chǎng)電磁聚焦測(cè)厚儀的參考波形和實(shí)測(cè)波形。橫軸為測(cè)量井深，縱軸為各波形幅值。

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

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析知，當(dāng)儀器檢測(cè)到通孔時(shí)，參考波為2 Hz時(shí)的實(shí)測(cè)波形較40 Hz時(shí)的實(shí)測(cè)波形變化幅度大；當(dāng)儀器檢測(cè)到破損槽時(shí)，參考波為40 Hz時(shí)的實(shí)測(cè)波形幅度較2Hz時(shí)的實(shí)測(cè)波形變化幅度大。為了使實(shí)測(cè)波較容易的被檢測(cè)元件檢測(cè)到，參考波形采用分為40 Hz和2 Hz的方波，用于區(qū)分檢測(cè)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(hào)波形之間的相位差，很容易知道套管破損槽的變化趨勢(shì)，是繼續(xù)減薄，還是開(kāi)始變厚。其中如果從薄到厚，并在交界面位置時(shí)，其相位差接近0o；如果從厚到薄，并在交界面位置時(shí)，其相位差接近180o。再通過(guò)接收的波形的相對(duì)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(guò)接收探頭接收波形的兩個(gè)最大值之間的距離就可以算出矩形槽的長(zhǎng)度。儀器的水平測(cè)量分辨率為9o，那么通過(guò)檢測(cè)40道線圈中波形發(fā)生變化的個(gè)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(yǔ)言對(duì)新型雙遠(yuǎn)場(chǎng)電磁聚焦測(cè)厚儀的實(shí)測(cè)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用包絡(luò)線法快速、準(zhǔn)確的提取實(shí)測(cè)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(jì)，以表征實(shí)際套管厚度，最后根據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際石油套管尺寸，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，找到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際石油套管厚度的關(guān)系。軟件設(shè)計(jì)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(luò)線法的流程圖。

將雙遠(yuǎn)場(chǎng)電磁聚焦測(cè)厚儀連續(xù)測(cè)得的5個(gè)數(shù)據(jù)作為一組；連續(xù)的n個(gè)最大值為一包數(shù)據(jù)(n=5、3、1)；n=5時(shí)，為計(jì)算方法一；n=3時(shí)，為計(jì)算方法二；n=1時(shí)，為計(jì)算方法三。

計(jì)算方法為：先求出n個(gè)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(jì)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(duì)值函數(shù)。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

其中，ea的設(shè)定值的選取是通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取的，選取的規(guī)則是盡量能快速、準(zhǔn)確的用最大值的平均值代替最大值，并且輸出的實(shí)測(cè)波形最大幅值的包絡(luò)線能較清楚的表征實(shí)測(cè)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(shí)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(xùn)練中，因?qū)崪y(cè)波形變化的不確定性帶來(lái)輸入的突變而造成的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的問(wèn)題，在本算法的訓(xùn)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(shí)測(cè)波形的變化趨勢(shì)，給網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的修正提供了一個(gè)方向性指導(dǎo)，以提高網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)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(gè)樣本數(shù)據(jù)，K(j)為第j-1個(gè)樣本到第j個(gè)樣本的數(shù)據(jù)變化率。

2）自適應(yīng)學(xué)習(xí)率

通過(guò)分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差曲面可知，在誤差曲面平坦區(qū)域需要有較大的學(xué)習(xí)率，在誤差變化劇烈的區(qū)域需要有較小的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)率是一個(gè)固定的常數(shù)，而且它的值將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)間。如果選擇太大，會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；如果選擇過(guò)小，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練將會(huì)消耗很多時(shí)間。因此在網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程中，不同的網(wǎng)絡(luò)誤差需要不同的學(xué)習(xí)率調(diào)整權(quán)值更新。自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率的算法為：

其中, W(k)為第k步時(shí)的權(quán)值， lr(k)為第k步時(shí)的學(xué)習(xí)率， △W(k)為第k步時(shí)的權(quán)值調(diào)整量， E(k)為網(wǎng)絡(luò)迭代第k次的均方誤差，ζ(1%＜ζ＜5%)為均方誤差比值預(yù)設(shè)值，ρ(0＜ρ＜1)為學(xué)習(xí)率減小因子， η(η>1)為學(xué)習(xí)率增大因子。BP算法流程圖如圖4(b)所示。

圖5 接箍處測(cè)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(cè)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(shí)的實(shí)測(cè)波形，右側(cè)40道曲線為參考波為40 Hz時(shí)的實(shí)測(cè)波形。因?yàn)槊康狼€的同一處都發(fā)生了相同變化，說(shuō)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?yàn)? Hz的參考波和40 Hz的參考波對(duì)不同的孔徑幅值變化不同，所以40 Hz的參考波的實(shí)測(cè)波形幅值較2 Hz的變化明顯。圖5（b）是其中一道實(shí)測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器根據(jù)發(fā)射電磁場(chǎng)原理，改變線圈電磁場(chǎng)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(cè)量精度又提高了儀器的水平的分辨率；采用的遠(yuǎn)場(chǎng)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(luò)線法能夠快速準(zhǔn)確地提取測(cè)得數(shù)據(jù)幅值；增加數(shù)據(jù)變化率的自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法使儀器具有測(cè)量精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

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