王斌 党博 陈龙 张生林 袁涛

摘 要： 针对传统三分量瞬变电磁测井仪分辨率低的问题，研究基于阵列式瞬变电磁探伤仪的多通道采集系统。在瞬变电磁损伤检测理论模型的基础上，设计基于AD7656的多通道采集电路，可以对阵列分布探头的指数衰减信号进行同步采集。并对比分析了分时采集方式与同时采集方式的优缺点。最后，针对多层管柱及不同形状的套管损伤进行试验。结果表明，阵列式瞬变电磁探测系统可以实现多层管柱损伤检测，多通道采集系统有效地提高了损伤检测的解释精度。

关键词： 瞬变电磁法； 阵列式分布； 损伤检测； 多通道采集； 多层管柱； 解释精度

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）22?0059?05

Abstract： In allusion to the low resolution rate of the traditional three?component transient electromagnetic well logger， a multi?channel acquisition system based on the array?type transient electromagnetic defect detector is studied. The multi?channel acquisition circuit based on the AD7656 is designed on the basis of the theoretical model of transient electromagnetic defect detection， so that the exponential attenuation signals of array distribution probes can be collected synchronously. The advantages and disadvantages of the time?sharing acquisition mode and synchronous acquisition mode are compared and analyzed. An experiment was carried out for damages of the multi?layer pipe string and casing pipes in different shapes. The results show that the array?type transient electromagnetic detection system can realize multi?layer pipe string damage detection， and the multi?channel acquisition system can effectively improve the interpretation precision of damage detection.

Keywords： transient electromagnetic method； array distribution； damage detection； multi?channel acquisition； multi?layer pipe string； interpretation precision

0 引 言

瞬变电磁法[1]作为一种二次场观测方法，具有对低阻体敏感、异常响应强、形态简单、分辨能力强等优点，已经被广泛应用于金属矿产探测、煤矿产业、工程物探及石油天然气生产等领域[2]。其中，基于瞬变电磁法的地球物理测井技术可以实现油、水井套管的高性能无损检测，为生产井修补提供可靠依据，对油田老井再生产、提高采收率具有重要意义。然而，随着对石油天然气开采效率要求的不断提高，传统的基于单一探头的套损检测模式已经不能满足需求。谭劭聪等在2012年提出了三分量检测解释理论[3]，陈嘉辉等在2015年详细解释了瞬变电磁法三分量电磁探头，其中纵向探头的响应强度最大，用于竖直裂缝的检测和整体损伤衡量；两个相互垂直的横向探头用于横向裂缝检测和辅助测量[4]。尽管三个分量联合解释可以极大地提高瞬变电磁法套管损伤检测的精度，但是在多层管柱的无损检测中不同层位的损伤可能会出现相同的瞬变电磁响应使得三分量瞬变电磁测井仪不能区分损伤的具体层位。

针对上述问题，本文提出了阵列式多分量瞬变电磁套管损伤检测方法。该方法是在三分量瞬变电磁套管损伤检测法的基础上增加了探测范围逐次增大的纵向电磁探头，在空间中形成阵列分布，并推导出多层管柱损伤检测理论模型；同时增加横向探头，将水平面分成等间隔探测扇区，建立了内层管柱损伤检测模型。由于探头数量的增加，传统的三分量采集系统已经远远不能满足需求，本文在理论研究的基础上设计了阵列式多分量瞬变电磁探伤仪的采集系统电路，通过模拟井中环境进行实验，验证了系统的稳定性和可靠性。

1 瞬变电磁法理论

瞬变电磁法（Transient Electromagnetic Method）是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。采用间歇的周期性阶跃脉冲磁场作为激励（称为一次场），在一次场的激发下周围介质中激起的感应涡流将产生随时间变化的感应电磁场（称为二次场）。由于二次场富含周围介质的地电信息，所以在一次场的间歇期间接收二次场，从而反演地层信息[5?7]。其中一次场信号如图1所示。

2 阵列式多分量瞬变电磁测井系统

2.1 整体结构

阵列式多分量瞬变电磁测井系统[8?13]如图3所示，工作时由测井绞车通过单芯电缆下放到被测井中。整个系统是由马笼头、上下扶正器及仪器主体组成。马笼头是连接仪器和单芯电缆的装置；上下扶正器是由弹黄片组成使仪器主体在工作时处于套管的中心位置且尽可能减少晃动的装置；主要探测工作是由仪器主体完成，包括阵列分布电磁探头、温度探头及信号处理电路，最终信号通过单芯电缆传至井上。

2.2 纵向阵列探头模型

本文采用两个大小不同的纵向探头提高径向分层能力，探头在空间中形成阵列分布。如图4所示，通过调整探头尺寸与发射电流，设定第一纵向电磁探头的探测半径大于管柱1半径小于管柱2半径；第二纵向电磁探头的探测半径大于管柱2半径。以极小时间切片内接收线圈中感应电动势的理论模型作为管柱厚度刻度的基础，从而获取管柱的厚度。根据第[n]层管柱厚度的经验值范围[（0，xn）]，[dn∈（0，xn）]，通过逐次代入[dn]的值逼近测量得到的感应电动势测量值[Un]，使得[Un]与感应电动势理论值[Un]之间的误差在设定的误差阈值内，即[Un-Un2F≤δ2]，进而得到最接近的第[n]层管柱的厚度[dn]，与完整管柱的厚度[dn]比较之后可以判断出每层管柱损伤情况。再根据感应电动势随深度变化的过程来解释每层管柱损伤的大小和形状，由于电磁探头[A1]的探测范围介于两层管柱之间，所以只能探测出管柱1的损伤情况，而探头[A2]的探测范围包含了两层管柱，结合探头[A1]的探测信息可得出管柱2的损伤情况。如果管柱层数增加则可以增加，探测范围不同的探头来建立方程组求解各层管柱的厚度，从而判断出各层管柱的损伤情况。

2.3 横向阵列探头模型

本文采用四个轴线在仪器截面上呈等角度差的横向探头B，B′，C，C′来检测内层管柱损伤，如图5所示。

图5a）为探头空间分布示意图；图5b）为横向阵列探头组合探测范围俯视图。可以看出各横向探头的磁场能量主要集中在阴影部分，四个探头组合之后将覆盖整个圆周面。通过设置探头的形状和绕制参数来控制其探测范围，从而减小磁场能量重叠部分，使检测值更加精确。

3 瞬变电磁测井系统电路设计

3.1 总体电路结构

本系统的整体电路结构如图6所示，由单片机控制激励发生电路产生双极性瞬变脉冲信号给电磁探头提供激励；在发射激励间歇期间电磁探头接收二次场信号，接收信号通过差分放大之后进行模/数转换；测温电路测得的温度数据与重力加速度数据经过单片机编码后与电磁探测数据一起打包由电缆驱动电路耦合至电力线上，到井上之后再分离出来由井上信号处理电路进行处理。最后传至上位机软件进行实时显示和存储。

3.2 采集电路设计

三分量瞬变电磁探伤仪的采集系统是由主控单片机、AD974及其外围电路组成。其中AD974是一款最高采样速率为150 KSPS的双通道模/数转换芯片。在探测过程中，信号经过差分放大之后再通过由单片机控制的开关电路进行衰减，然后经过积分网络来提高信噪比。由于AD974采样通道数少，所以信号是通过数字开关控制而分时采集的。这样频繁地切换开关必然会引入不必要的开关噪声，而且在电磁探头增多之后，分时采集会遗漏部分探测信息，更不能满足横向探头同时采集的要求。阵列式多分量瞬变电磁探测系统的探头较多，采集必须由多通道采集芯片完成。如图7所示，本文采用6个双极性输入通道的模/数转换芯片AD7656及其外围电路组成采集系统。探测信号先通过差分放大电路降噪之后再进入采集系统电路；由于纵向探头信号较大，所以经过差分放大后的信号须通过模拟衰减网络进行选择性衰减；最后再通过AD7656进行模/数转换。采集的数据以SPI串行通信方式与单片机进行传输[14?15]。

三分量与阵列式多分量的采集方式对比图如图8所示。使用AD7656作为采集芯片，优点在于其采样通道数满足需求，可以对所有探头同时采集，排除了分时采集电路中数字开关引入的噪声，而且不会遗漏部分探测信息；最高采样速率为250 KSPS，可以通过连续采集代替积分网络使得硬件电路简单；工作环境温度可达到125 ℃，能稳定工作于井下高温工作环境。

4 现场试验与分析

采用阵列式多分量瞬变电磁探测系统在如图9b）井身结构的井中进行试验。分析图9a）探测曲线图：在深度为10 m处纵向阵列探头A1，A2的曲线都有明显的变化，但幅值变化小，可判别此深度有内层管柱接箍；在深度为20 m处只有探头A1的曲线有明显变化，可判别此深度有外层管柱接箍；在深度为30 m处阵列探头A1，A2的曲线都有明显的变化，而且A1幅值变化很大，所以可判别此深度内外层管柱接箍都存在。在如图10b）的套管损伤检测试验中，分析图10a）探曲线图：在深度0.6 m处C探头的接收信号幅值变化较大且持续一段时间，可判别在此处存在一个长15 cm左右的纵向裂缝；在1 m处C，B′两个探头的接收信号幅值变化较大，可判别在此处存在一个[14]弧长的横向裂缝；在1.4 m左右所有横向探头接收信号幅值都有明显变化，可判别套管在此深度存在缩径。

5 结 语

阵列式多分量瞬变电磁探测系统实现了石油天然气生产井套管损伤的精确探测，同时提高了水平分辨率和柱状分层能力，最终实现套管损伤及井下金属异常体的定位和定型。由AD7656芯片及外围电路组成的采集系统可以对阵列探头接收信号进行同时采集，在提高系统探测性能的同时还不会遗漏探测信息。试验结果表明，本文系统可以在井下高温环境中穩定工作，而且根据探测曲线反演解释的结果与真实情况的误差很小。

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