黨瑞榮,張 營(yíng),杜芙蓉,郭 瑞,楊月月

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

引 言

瞬變電磁探傷技術(shù)操作便捷,其測(cè)量精度和檢測(cè)速度不斷提升,現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)管柱損傷檢測(cè)的主要手段之一[1-2]。瞬變電磁法探測(cè)是將管壁的減薄、縮徑、腐蝕以及漏孔等損傷信息通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的形式顯示出來[3-4],所探測(cè)到的數(shù)據(jù)是整個(gè)井下立體空間介質(zhì)的綜合反映,但二維數(shù)據(jù)只能定位損傷的縱向深度位置,不能確定損傷在井壁四周的周向位置,損傷結(jié)果解釋精確度不夠。通過組合式偏心探頭定位,可以實(shí)現(xiàn)套管縱向深度和管壁周向位置損傷情況的識(shí)別,將套管損傷檢測(cè)從二維深度拓展到三維空間。然而,偏心探頭套管損傷定位方法在實(shí)際應(yīng)用中效果較差,主要原因在于井下儀器在作業(yè)時(shí)通過電纜與地面測(cè)井絞車連接。這種方式下,儀器在井眼中極易產(chǎn)生不規(guī)律的周向旋轉(zhuǎn),造成各偏心探頭方位偏移。在后期數(shù)據(jù)解釋中,使用儀器下井前各偏心探頭標(biāo)定的錯(cuò)誤的方位信息,導(dǎo)致套管損傷位置的誤判[5-7]。

為了準(zhǔn)確地定位套管損傷的空間位置,本文設(shè)計(jì)了偏心探頭套管損傷定位校正方法,利用陀螺儀獲取儀器旋轉(zhuǎn)角速率,對(duì)探頭數(shù)據(jù)的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行校正,通過恢復(fù)各偏心探頭的準(zhǔn)確方位實(shí)現(xiàn)高效的井下套管損傷定位,確保套管損傷信息與管壁位置一一對(duì)應(yīng),從而更好地解決一些高難度的套管損傷精細(xì)探測(cè)問題。

1 偏心探頭套管損傷定位方法

1.1 組合式偏心探頭結(jié)構(gòu)

如圖1所示,瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置4個(gè)偏心探頭,每個(gè)偏心探頭由收發(fā)一體的發(fā)射線圈和接收線圈組成。通過發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊給發(fā)射線圈施加激勵(lì)信號(hào),隨后接收線圈接收到包含套管信息的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。采集模塊對(duì)接收線圈感應(yīng)二次場(chǎng)的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采集,經(jīng)過主控編碼將測(cè)試數(shù)據(jù)耦合至單芯電纜上發(fā)地面系統(tǒng),利用測(cè)試數(shù)據(jù)可反演出儀器周圍介質(zhì)的變化信息[8]。

傳統(tǒng)的電磁探傷系統(tǒng)大都采用一個(gè)居中的探頭,這種單探頭對(duì)管柱信息具有沿井軸深度方向的分辨率,可以確定出管柱在某一深度井段的損傷情況,但是不能識(shí)別損傷在管壁周向0°～360°方向的位置。瞬變電磁陣列探測(cè)系統(tǒng)采用陣列偏心式探頭結(jié)構(gòu),將4個(gè)探頭設(shè)置一定的深度距離,在儀器內(nèi)部自上而下繞軸心一圈均勻放置,以儀器軸心投影4個(gè)探頭排列為一個(gè)圓陣,如圖2所示。4個(gè)偏心探頭除了所處空間位置不同外,其余參數(shù)設(shè)置完全一致。由于4個(gè)探頭不在同一平面,其所測(cè)數(shù)據(jù)深度不一致,進(jìn)行深度校正之后等效于將4個(gè)探頭拉到同一平面[9]。

圖2 組合式偏心探頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of combined eccentric probe

瞬變電磁陣列探測(cè)系統(tǒng)將管壁四周劃分為0°～90°、90°～180°、180°～270°、270°～360°4個(gè)探測(cè)區(qū)域,4個(gè)偏心探頭對(duì)各自所偏向方向有更好的探測(cè)性能,對(duì)其余探測(cè)區(qū)域的探測(cè)性能較差,如圖3所示,C探頭對(duì)區(qū)域3的探測(cè)性能最佳,如淡色陰影部分。偏心探頭對(duì)套管周向具有區(qū)域分辨性,如果某一偏心探頭探測(cè)到套管損傷,則可認(rèn)定損傷位于該偏心探頭的探測(cè)方向,從而實(shí)現(xiàn)套管損傷的周向定位,提高套管損傷檢測(cè)性能。

圖3 偏心探測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of eccentric detection

1.2 儀器周向轉(zhuǎn)動(dòng)的影響

圖4為井下一截套管的損傷示意圖,圖中的壁厚變薄是一種常見的損傷類型?？梢钥吹教坠軗p傷位置在270°～360°的位置,在下井前標(biāo)定方位后,假設(shè)儀器在井下不存在周向旋轉(zhuǎn),探頭D會(huì)明顯探測(cè)到損傷信息。

圖4 局部管柱損傷圖Fig.4 Local string damage

由于儀器在作業(yè)過程中,通過電纜懸掛下放,不可避免地會(huì)產(chǎn)生周向旋轉(zhuǎn)。圖5為儀器在井下旋轉(zhuǎn)時(shí),相應(yīng)的探頭變化對(duì)識(shí)別套管損傷信息的影響。當(dāng)儀器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),陣列式偏心探頭的探測(cè)區(qū)域發(fā)生改變, 此時(shí),A探頭移動(dòng)到D探頭的位置,套管的損傷信息被A探頭探測(cè)到。在后期數(shù)據(jù)反演過程中,沒有考慮儀器旋轉(zhuǎn)因素的影響,A探頭探測(cè)到的套管損傷位置對(duì)應(yīng)于管壁0°～90°的位置,與真實(shí)損傷信息不符,套管損傷位置判斷有誤。同理,當(dāng)儀器在井下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),C探頭探測(cè)到套管損傷,最終套管壁厚減薄被判定在套管周向180°～270°的位置,套管損傷位置被誤判。為了使套管損傷定位更精確,損傷形態(tài)更真實(shí),必須校正各偏心探頭數(shù)據(jù)的相位,擺脫儀器井下周向旋轉(zhuǎn)的影響。

2 套管損傷定位校正方法

由于井下儀器周向運(yùn)動(dòng)的影響,造成偏心探頭損傷定位方法準(zhǔn)確性不足。針對(duì)此問題,提出套管損傷定位校正方法,首先對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)陀螺儀信號(hào)進(jìn)行解算和預(yù)處理,獲取偏心探頭每個(gè)深度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速率信息,通過對(duì)角速率進(jìn)行時(shí)間積累,得到儀器在每個(gè)深度點(diǎn)與井口的偏離角度,利用角度信息對(duì)探頭數(shù)據(jù)三維空間坐標(biāo)進(jìn)行校正,確保探頭數(shù)據(jù)方位的正確性。

2.1 角速率數(shù)據(jù)解算和預(yù)處理

傳統(tǒng)MEMS陀螺儀受限于井下測(cè)量環(huán)境,不能滿足實(shí)時(shí)儀器轉(zhuǎn)動(dòng)角度的高精度測(cè)量,本文選用的ADXRS453采用先進(jìn)的差分四傳感器設(shè)計(jì),可在強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定工作,非常適合井下惡劣的工作環(huán)境[10-11]。由于ADXRS453內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換電路,角速率值輸出的數(shù)據(jù)格式為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式,以MSB優(yōu)先方式進(jìn)行傳輸,其數(shù)據(jù)十進(jìn)制表示和角速率值轉(zhuǎn)換的比例因子為80LSB/(°)/s。為了將二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為實(shí)際的角速率測(cè)量值,首先將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制,再利用

Rate_Value=

(1)

進(jìn)行解算。

式中:Out_Value為MEMS陀螺儀輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的十進(jìn)制數(shù)據(jù);Rate_Value為解算后實(shí)際的角速率測(cè)量值;Scale為比例因子,使用ADXRS453角速率傳感器時(shí)比例因子可帶入80LSB/°/s計(jì)算;n為對(duì)應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)位數(shù)。

在測(cè)量過程中,由于測(cè)量誤差導(dǎo)致所測(cè)角速率數(shù)據(jù)與實(shí)際儀器井下轉(zhuǎn)動(dòng)情況嚴(yán)重不符,為了消除這種超限異常數(shù)據(jù)的影響,可以在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,并且為了獲得更準(zhǔn)確的角速率信息,在相鄰深度點(diǎn)之間多次測(cè)量角速率值,將多次測(cè)得的角速率值進(jìn)行算術(shù)平均。一次測(cè)量點(diǎn)角速率數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖6所示,首先設(shè)置測(cè)量數(shù)據(jù)閾值的上下限,以及相鄰深度點(diǎn)之間采集角速率數(shù)據(jù)的數(shù)量N,假設(shè)其中異常數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為n,則剩余有效數(shù)據(jù)為N-n個(gè),對(duì)剩余的有效角速率數(shù)據(jù)取平均運(yùn)算,這樣就完成一個(gè)角速率測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。對(duì)MEMS陀螺儀測(cè)量的原始角速率數(shù)據(jù)直接操作,所需程序的代碼量小,不容易出錯(cuò),可以提高系統(tǒng)效率,有效消除陀螺儀器件的測(cè)量誤差。

圖6 角速率數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.6 Preprocessing process of angular rate data

2.2 角速率時(shí)間積累

為了追蹤儀器在每個(gè)深度點(diǎn)所處的方位,需要獲得當(dāng)前深度點(diǎn)儀器所處方位與儀器在井口處所處方位的偏離角度,通過利用偏離角度,對(duì)探頭所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位校正,MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)為角速率,儀器旋轉(zhuǎn)角度可以通過對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的角速率積分得到。

角速率與角度的積分關(guān)系可表示為:

(2)

式中:ω為陀螺儀輸出角速率;t0為初始時(shí)刻;t為當(dāng)前深度點(diǎn)采樣時(shí)刻;θ為各探頭當(dāng)前時(shí)刻的偏離角度。

在實(shí)際情況下,所獲取的角速率數(shù)據(jù)是離散的,將式(2)改寫為離散型方程:

(3)

式中:ωi為當(dāng)前深度點(diǎn)陀螺儀輸出角速率;T為2個(gè)角速率測(cè)量點(diǎn)之間的時(shí)間間隔;i為當(dāng)前深度點(diǎn)的點(diǎn)數(shù);θ為當(dāng)前深度點(diǎn)的儀器偏離角度。

角速率時(shí)間積累流程如圖7所示,其中Rate_data為包含所有深度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Rate_Value的數(shù)組。

圖7 角速率數(shù)據(jù)時(shí)間積累流程Fig.7 Time accumulation process of angular rate data

2.3 偏心探頭數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)校正

校正方法會(huì)引入角度數(shù)據(jù),因此需要在三維空間中展開,即將測(cè)試數(shù)據(jù)映射為空間圓柱。此時(shí),測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可看作極坐標(biāo)系下的極徑R,將數(shù)據(jù)所處的相位作為極坐標(biāo)系下的方位角φ。數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的相位可根據(jù)探頭個(gè)數(shù)劃分,將偏心探頭所測(cè)數(shù)據(jù)按順序等間隔排列為一個(gè)圓周,則每個(gè)數(shù)據(jù)之間相位間隔為(360/k)°,k為4個(gè)探頭在一個(gè)深度點(diǎn)采集的所有數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。最后,通過Matlab程序?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換,將極坐標(biāo)向直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,對(duì)采集數(shù)據(jù)作如下變換:

X_data=E_data·cosφ,

(4)

Y_data=E_data·sinφ,

(5)

Z_data=Depth。

(6)

式中:E_data為偏心探頭采集的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù);φ為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)所處極坐標(biāo)系中的相位;Depth為深度數(shù)據(jù);X_data、Y_data、Z_data為轉(zhuǎn)換到三維空間直角坐標(biāo)上的值。

利用MEMS獲得的對(duì)應(yīng)深度點(diǎn)儀器的偏離角度,對(duì)每個(gè)深度點(diǎn)的數(shù)據(jù)相位進(jìn)行校正。如果獲取的角度為正,則代表儀器順時(shí)針旋轉(zhuǎn);角度為負(fù),代表儀器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。但在三維空間中相位變大,數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),相位減小數(shù)據(jù)點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。為了在三維空間顯示時(shí)符合儀器旋轉(zhuǎn)狀態(tài),對(duì)偏離角度取負(fù),每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)方位校正后的三維空間坐標(biāo)表示如下:

X_data=E_data·cos(φ-θ) ,

(7)

Y_data=E_data·sin(φ-θ) ,

(8)

Z_data=Depth。

(9)

圖8為方位校正前后數(shù)據(jù)坐標(biāo)的變化圖。

圖8 方位校正前后對(duì)比Fig.8 Comparison before and after azimuth correction

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖9為4個(gè)偏心探頭在同一采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)曲線圖,可以看到套管在741.2～745.4 m井段處存在縮徑,C探頭和D探頭數(shù)據(jù)曲線有觀測(cè)到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)變大,A探頭和B探頭沒有探測(cè)到。在不考慮儀器周向旋轉(zhuǎn)的情況下,A、B、C、D 4個(gè)偏心探頭的探測(cè)顯示,套管縮徑位置在C、D探頭一側(cè),根據(jù)下井前探頭在井口的放置方位就可以確定縮徑的具體位置。此時(shí)考慮到儀器在井下的周向旋轉(zhuǎn),4個(gè)偏心探頭的方位與井口處的方位已經(jīng)存在偏差。

圖9 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)曲線Fig.9 Logging data curves

圖10為該井段對(duì)應(yīng)深度MEMS陀螺儀測(cè)得的角速率信號(hào),角速率數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間積分,得到儀器旋轉(zhuǎn)角度,如圖11所示。從儀器轉(zhuǎn)動(dòng)角度的數(shù)據(jù)曲線圖中可以看到,在741.2～745.4 m套管縮徑處,儀器在井中的方位與井口的放置狀態(tài)相比,已經(jīng)旋轉(zhuǎn)約50°,需要根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度,對(duì)縮徑的位置重新定位。

圖10 角速率數(shù)據(jù)Fig.10 Angular rate data

圖11 角度數(shù)據(jù)Fig.11 Angle data

利用偏心探頭套管損傷定位校正方法對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行校正,校正數(shù)據(jù)在三維空間中的坐標(biāo),圖12為校正前后三維圖對(duì)比,其中(a)、(c)、(e)為校正前的三維圖,(b)、(d)、(f)為校正后的三維圖。圖12(a)和圖12(b)分別為校正前后的三維曲線圖,校正前不考慮儀器在井下的旋轉(zhuǎn),所以同一條曲線上數(shù)據(jù)的相位相同,校正后每一個(gè)深度點(diǎn)處數(shù)據(jù)的相位發(fā)生改變,數(shù)據(jù)相位不相同。圖12(c)和圖12(d)分別為校正前后的三維曲面圖,圖中淡藍(lán)色部分為套管縮徑,校正前后套管縮徑都在深度741.2～745.4 m位置處,而縮徑在管壁四周的位置發(fā)生改變,從圖12(e)、圖12(f)中可以明顯看到縮徑在管壁四周的位置,2個(gè)探頭探測(cè)到套管縮徑,所以縮徑占周向位置180°,結(jié)合圖11角度數(shù)據(jù),在縮徑741.2～745.4 m處儀器旋轉(zhuǎn)的角度約為50°,角度數(shù)據(jù)為正,為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),圖12(f)校正后縮徑的周向位置與真實(shí)位置相吻合?？梢?校正方法在偏心探頭定位的基礎(chǔ)上,補(bǔ)償了儀器井下旋轉(zhuǎn)的影響,使套管損傷定位更加準(zhǔn)確。

圖12 校正前后三維圖對(duì)比 Fig.12 Comparison of 3D images before and after correction

4 結(jié) 論

針對(duì)偏心探頭套管損傷定位不準(zhǔn)確的問題,研究了偏心探頭套管損傷定位校正方法。根據(jù)偏心探頭套管損傷檢測(cè)原理,分析在其特定的工作方式下,儀器周向旋轉(zhuǎn)影響偏心探頭檢測(cè)方法的性能。通過引入MEMS陀螺儀獲得儀器周向旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù),為偏心探頭方位校正提供了可靠的數(shù)據(jù)信息。利用偏心探頭套管損傷定位校正方法,在三維空間中校正數(shù)據(jù)坐標(biāo),可實(shí)現(xiàn)套管損傷的準(zhǔn)確定位,有效地提高了偏心探頭在套管損傷檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì),具有較好的應(yīng)用前景和價(jià)值。