沈鵬征，李楠楠，劉 斌

（1 西安石油大學(xué)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(guān)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?dāng)?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(fù)和所采取的預(yù)防措施提供科學(xué)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(chǔ)，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(yīng)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(yīng)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(dāng)發(fā)射線圈中電流脈沖突然關(guān)斷時，將在周圍產(chǎn)生磁場，該磁場稱為一次場。根據(jù)導(dǎo)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(yīng)電動勢ε。當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(yīng)增大，以適應(yīng)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(dāng)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(shè)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(dāng)接收早期的大信號時，應(yīng)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(dāng)接收中晚期的小信號時，應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)U3的關(guān)斷來選擇不同的積分電阻，U4作為模擬積分取樣的時標(biāo)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(guān)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(guān)導(dǎo)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(shè)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(shè)計直接關(guān)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(guān)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(yù)期的設(shè)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(chǔ)上設(shè)計了相關(guān)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(yù)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(yīng)井下套管損傷的信息。

[1]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]黨瑞榮，趙峰.基于瞬變電磁法的多層管柱檢測技術(shù)研究[J].無損探傷，2006(12).

[3]李學(xué)海.PIC單片機原理[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2004：1-270.

[4]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]何源，張娟.基于PIC16F877A的小信號電路采集設(shè)計[J].電子測試，2010(10).

[6]李利品，宋汐瑾.基于PIC單片機的套管探測控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣自動化，2008，30(5).

[7]嵇艷鞠，林君.瞬變電磁法中數(shù)據(jù)取樣處理方法的研究[J].物探與化探，2003(4).

[8]劉合.油田套管損壞防治技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003：37-150.