钱慧芳，罗 卉

（西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安710048）

许多老油田套管损伤井呈逐年增多趋势，并向区域性发展，这将严重影响油田的产量。吉林油田套管存在问题的井数约占全部的 20%[1]；青海油田，2006年调研的数据有280口套损井，2009年权威部门统计的数据是308口套损井[2]；塔河油田工程测井、施工作业过程中，共计发现有58口井存在不同程度套损现象，约占总数的5.3%[3]。利用测井技术进行检测，评价套管的损伤程度，认识和预防套损区域的扩大，及时采取措施有重要意义。

目前国内外对石油套管厚度检测的方法主要有利用声波测量、利用光学照相技术测量、利用井径测量和利用电磁原理测量等。文献[4-5]利用声波测量虽然有很高的测量精度，但在油井的恶劣环境中会因套管表面不洁而降低准确度；利用光学照相技术测量虽然能直观地了解井下套管的状况，但受井液的可见度限制较大；文献[6]利用井径测量在套管变形部位仪器易遇阻，且无法检测到套管外壁的腐蚀；利用电磁原理测量可以检测出油、水井套管内外径变化，破裂、腐蚀部分，但精度有限。所以，目前国内外的测井仪都只能做到定性或半定量分析，完全定量分析一直是个技术难题。

针对以上技术问题，新型双远场电磁聚焦测厚仪首先根据发射电磁场原理，改变了线圈电磁场在石油套管内外的分布，以提高仪器的检测灵敏度，采用了远场低频双发射及阵列接收探头的结构，以提高仪器水平方向的分辨率。再根据本文检测算法确定套管实际变化的大小、深度和形状等参数，以实现定量分析。

1 系统基本原理

仪器首先由两只相同的相距约为5～7倍所测套管内径的发射线圈，发射出一定频率的电磁信号，使其在套管壁内外形成均匀分布的电磁场，再由两层均匀分布的40组阵列接收探头接收随套管厚度变化的信号，然后通过40道输入放大器对每道接收信号进行放大和40道带通滤波器对每道接收信号中干扰信号进行抑制，最后利用电缆将接收信号上传至地面数据采集系统进行一系列数据处理等工作，最终得出套管的壁厚。

2 系统硬件设计

双远场电磁聚焦测厚仪主要由发射单元、接收单元和电子电路3部分组成。仪器芯结构示意图如图1所示。

图1 仪器芯结构示意图Fig.1 Structure diagram of the instrument core

2.1 发射单元

发射单元包括两个发射线圈。两只发射线圈与发射磁场顺向排列，线圈相距约5-7倍所测套管内径。为了使接收线圈处的磁场均匀分布，两发射线圈内侧均装有高导磁率的导磁片。通过双线圈定距离顺向发射和导磁片的均磁作用，使磁场在套管壁内外平行均匀分布，提高仪器的检测灵敏度。

2.2 接受单元

接收单元包括40组接收线圈，两个发射线圈对称设置于40组接收线圈两侧。40组接收线圈分两层均匀分布，每层20组，每层相邻的接收线圈组相差18o,每组线圈采用差分相连。两层之间相对应的线圈组相差9o，当通过软件延迟后，就相当于在一个平面上，按9o平均分布了40组接收探头，使仪器的水平测量分辨率为9o。

2.3 电子电路

电子电路由发射电路、接收电路、数字控制电路、VGA放大电路、辅助测量电路、开关电源电路组成。发射电路主要产生穿透能力强的40 Hz和2 Hz正弦波；接收电路主要由40道输入放大器、40道40 Hz的带通滤波器和40道2 Hz的带通滤波器组成，这样可以分辨出套管破损的通孔和破损槽的区别，也可以定量测量出套管破损定量变化；数字控制电路是仪器工作的控制核心，它通过时序控制使仪器发射、接收、刻度、测量和信号传输有序的进行；VGA放大电路主要保证接收信号均工作在线性状态；辅助测量电路主要用于测量温度和方位倾角，测量温度是为了进行温度漂移校正用，测量方位倾角是为了计算出套管破损的具体位置；开关电源电路是把+18 V直流电分别变为80 V、±15 V和5 V的直流电分别供发射单元、接收单元和电子电路用,为了提高转换效率，采用开关电源变换。系统硬件功能框图如图2所示。

仪器在测井时，所有测量波形均传输到地面仪器，再经过软件处理后，可还原为套管实际破损图形。

图2 系统硬件功能框图Fig.2 Functional block diagram of the hardware system

3 系统软件设计

3.1 测量波形简述

由于测井行业工作环境的特殊性，经常需要测井仪器深入地下上千米去完成测井工作，测得到的数据再通过电缆上传至地面数据采集系统，工作人员通过分析和处理采集到的数据，完成测井任务。数据的远距离传输，使得描述井下实际信息的数据传输应尽量快、少，并且准确。本仪器在一个测量周期内采样5个点，用于表征一个测量周期内的井下实测信息，每一点的幅值表征该时刻下的套管厚度。

当仪器以一定速度向右移动经过破损槽时产生的波形如图3所示，图中第一道信号和第二道信号波形分别是双远磁场电磁聚焦测厚仪的参考波形和实测波形。横轴为测量井深，纵轴为各波形幅值。

图3 破损槽接收信号波形图Fig.3 Waveform diagram of damaged tank received signal

经实验分析知，当仪器检测到通孔时，参考波为2 Hz时的实测波形较40 Hz时的实测波形变化幅度大；当仪器检测到破损槽时，参考波为40 Hz时的实测波形幅度较2Hz时的实测波形变化幅度大。为了使实测波较容易的被检测元件检测到，参考波形采用分为40 Hz和2 Hz的方波，用于区分检测到的破损为通孔还是破损槽。

3.2 套管破损判断

从接收波形与参考信号波形之间的相位差，很容易知道套管破损槽的变化趋势，是继续减薄，还是开始变厚。其中如果从薄到厚，并在交界面位置时，其相位差接近0o；如果从厚到薄，并在交界面位置时，其相位差接近180o。再通过接收的波形的相对幅度变化，就可以知道减薄或变厚多少。如果套管破损为矩形槽，那么通过接收探头接收波形的两个最大值之间的距离就可以算出矩形槽的长度。仪器的水平测量分辨率为9o，那么通过检测40道线圈中波形发生变化的个数，即知矩形槽的宽度。

3.3 数据处理

本文采用MATLAB的编程语言对新型双远场电磁聚焦测厚仪的实测波形数据进行处理，利用包络线法快速、准确的提取实测波幅值的最大值，再绘制出的套管厚度曲线图,然后提取出图中表征套管厚度的数据并做统计，以表征实际套管厚度，最后根据对应的实际石油套管尺寸，采用BP神经网络算法，找到统计数据和实际石油套管厚度的关系。软件设计流程图如图4所示。

Samantha：I have lived with it whole life, you don’t have to 3)pretend.

图4(a)中A-B为包络线法的流程图。

将双远场电磁聚焦测厚仪连续测得的5个数据作为一组；连续的n个最大值为一包数据(n=5、3、1)；n=5时，为计算方法一；n=3时，为计算方法二；n=1时，为计算方法三。

计算方法为：先求出n个最大值的平均值，再求出相邻两包数据的误差ea。

误差计算公式为：

ea= abs(maxmean2-maxmean1)/maxmean1

其中，maxmean2表示后一包数据的最大值的平均值，maxmean1表示前一包数据的最大值的平均值，abs为取绝对值函数。

图4 软件设计流程图Fig.4 Flow chart of the software design

其中，ea的设定值的选取是通过实验选取的，选取的规则是尽量能快速、准确的用最大值的平均值代替最大值，并且输出的实测波形最大幅值的包络线能较清楚的表征实测波形。

图4(a)中B-C为绘制套管厚度曲线的流程图。

3.4 BP算法实现

1）增加数据影响因子——数据变化率

为了解决常规BP算法的训练中，因实测波形变化的不确定性带来输入的突变而造成的网络不稳定的问题，在本算法的训练样本中增加了样本数据变化率。样本数据变化率表征了套管实测波形的变化趋势，给网络权值的修正提供了一个方向性指导，以提高网络训练的稳定性。

求数据变化率的公式为：

K(j)=(SA(j)-SA(j-1))/SA(j-1)

其中，SA(j)和SA(j-1)分别表示第j和第j-1个样本数据，K(j)为第j-1个样本到第j个样本的数据变化率。

2）自适应学习率

通过分析BP神经网络的误差曲面可知，在误差曲面平坦区域需要有较大的学习率，在误差变化剧烈的区域需要有较小的学习率，从而加快算法的收敛速度，避免陷入局部极小值。而在常规BP算法中，学习率是一个固定的常数，而且它的值将直接影响到网络的训练时间。如果选择太大，会降低网络的稳定性；如果选择过小，网络的训练将会消耗很多时间。因此在网络的训练过程中，不同的网络误差需要不同的学习率调整权值更新。自适应调整学习率的算法为：

其中, W(k)为第k步时的权值， lr(k)为第k步时的学习率， △W(k)为第k步时的权值调整量， E(k)为网络迭代第k次的均方误差，ζ(1%＜ζ＜5%)为均方误差比值预设值，ρ(0＜ρ＜1)为学习率减小因子， η(η>1)为学习率增大因子。BP算法流程图如图4(b)所示。

图5 接箍处测井曲线及处理结果图Fig.5 Logging curve and the processing resnlt of the coupling

接箍处测井曲线如图5（a）所示，其中，左侧40道曲线为参考波为2 Hz时的实测波形，右侧40道曲线为参考波为40 Hz时的实测波形。因为每道曲线的同一处都发生了相同变化，说明油井水平方向上每一处套管壁厚相同，可判定此处为套管接箍。因为2 Hz的参考波和40 Hz的参考波对不同的孔径幅值变化不同，所以40 Hz的参考波的实测波形幅值较2 Hz的变化明显。图5（b）是其中一道实测波形软件处理结果，图中波形幅值表征了这一水平方向上的套管接箍处的管壁厚度。

4 结 论

实验结果表明，该仪器根据发射电磁场原理，改变线圈电磁场在套管内外的分布，使仪器在不同推靠系统的条件下，既能够满足仪器的测量精度又提高了仪器的水平的分辨率；采用的远场低频双发射及阵列接收探头的结构，提高了仪器水平方向的分辨率；提出的包络线法能够快速准确地提取测得数据幅值；增加数据变化率的自适应BP神经网络算法使仪器具有测量精度高、速度快的优点。

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