任忠明，吳 丹，邢建民

(1.大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163453；2.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

電磁探傷測(cè)井儀采用低頻渦流原理來(lái)對(duì)油管和套管進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)[1]，不受井內(nèi)介質(zhì)、死油、水泥塊及其它非金屬套管附著物的影響, 克服了聲波、機(jī)械井徑等檢測(cè)方法在這方面的不足。

電磁探傷測(cè)井儀具有較大的探測(cè)范圍、較小的外徑，可在油管中同時(shí)完成針對(duì)油管和套管質(zhì)量狀況的檢測(cè)，從而避免了不必要的起下油管的作業(yè)，節(jié)約了作業(yè)成本[2]。

隨著油田高溫深井、深層氣井等套損檢測(cè)需求的增多和油田外部市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓，對(duì)電磁探傷測(cè)井儀的耐溫性能指標(biāo)提出了更高的要求。當(dāng)前的電磁探傷測(cè)井儀由于傳感器耐溫指標(biāo)限制，僅能用于一般井測(cè)井；為滿足研制高溫電磁探傷儀器的需要，設(shè)計(jì)了高溫電磁探傷傳感器。

1 電磁探傷傳感器工作原理

電磁探傷儀的物理基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律。在一根鐵芯的外骨架上，分別纏繞著發(fā)射線圈和接收線圈。探傷傳感器的基本測(cè)量原理示意圖如圖1所示，通過(guò)一組發(fā)射線圈首先產(chǎn)生低頻電磁激勵(lì)，在周?chē)慕饘俟躀和II中激發(fā)出渦流信號(hào)。理論分析和計(jì)算表明，金屬管I和II中渦流的流動(dòng)和分布狀況，如幅度、相位和方向等，受金屬管本身的電磁性能及形態(tài)等因素影響，即該渦流信號(hào)包含了金屬管I和II的狀況信息；其次，金屬管I和II中流動(dòng)的渦流也會(huì)激發(fā)一個(gè)二次磁場(chǎng)，并在接收線圈中感應(yīng)出電壓信號(hào)，該感應(yīng)電壓信號(hào)直接與金屬管的狀況有關(guān)[3]。通過(guò)對(duì)這個(gè)信號(hào)的相位、幅度等信息的綜合分析，最終得到井身狀況等有用信息。

圖1 測(cè)量原理示意圖

2 高溫電磁探傷傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

電磁探傷測(cè)井儀由于傳感器耐溫性能低，在高溫環(huán)境下，傳感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度弱，導(dǎo)致儀器靈敏度降低、分辨率減小，無(wú)法正確評(píng)價(jià)被測(cè)件的損傷程度。為了提升儀器的溫度性能，擴(kuò)大儀器的應(yīng)用范圍，需要對(duì)電磁探傷測(cè)井儀傳感器的鐵芯材料進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)鐵芯及線圈的結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

2.1 傳感器鐵芯材料優(yōu)選

一般用于加工傳感器鐵芯的鐵磁性材料，如普通硅鋼片或鐵氧體等鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率，會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，當(dāng)溫度升高時(shí)，磁導(dǎo)率下降，發(fā)射線圈磁通量會(huì)隨之較少，降低傳感器發(fā)射電磁場(chǎng)的范圍。

磁導(dǎo)率μ和磁通量Φ公式為：

μ=B/H

(1)

Φ=B×S

(2)

式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，S為接收線圈截面積。

鐵磁材料磁導(dǎo)率的大小決定其在磁場(chǎng)中導(dǎo)通磁力線的能力，即磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。當(dāng)磁導(dǎo)率下降，激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，則傳感器接收線圈中通過(guò)的磁通量會(huì)隨之減小，由于金屬管中激發(fā)的渦流信號(hào)所包含的金屬管狀況信息均通過(guò)接收線圈中經(jīng)過(guò)的磁通量所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反映出來(lái)。

因此必須優(yōu)選出在高溫環(huán)境下，磁導(dǎo)率下降幅度相對(duì)較小的鐵芯材料。鐵磁性物質(zhì)種類(lèi)較多，選取適用于鐵芯加工的坡莫合金、微晶合金、電磁純鐵三種鐵磁性物質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行了優(yōu)選試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件是在室內(nèi)烘箱，溫度設(shè)置在150 ℃，將坡莫合金、微晶合金、電磁純鐵三種材料鐵芯分別插入傳感器線圈內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)電路，檢測(cè)接收線圈感應(yīng)電壓信號(hào)，該信號(hào)間接反映鐵芯的磁導(dǎo)率變化。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三種鐵芯材料在高溫下檢測(cè)的電壓信號(hào)值

由表1可知，在150 ℃時(shí)，裝有電磁純鐵與坡莫合金材料鐵芯的傳感器接收線圈電壓信號(hào)平均降幅超過(guò)60%，絕對(duì)數(shù)值已經(jīng)無(wú)法反映被測(cè)件的實(shí)際情況，裝有微晶合金材料鐵芯的傳感器電壓信號(hào)下降40%，并且其信號(hào)絕對(duì)數(shù)高于另兩種材料。通過(guò)進(jìn)行電路補(bǔ)償，使用微晶合金材料鐵芯的傳感器可以適應(yīng)高溫下電磁檢測(cè)的要求。

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)和線圈繞制

由于油水井井下金屬管壁會(huì)存在縱向裂縫、橫向裂縫、壁厚變化等不同類(lèi)型的井壁狀況，為適用于檢測(cè)不同內(nèi)徑的油管和套管的縱向裂縫、橫向裂縫、壁厚變化等不同類(lèi)型的井壁狀況，需要不同方向和不同尺寸的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

因此，電磁探傷測(cè)井儀傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了縱向放置的長(zhǎng)傳感器A,主要用于檢測(cè)內(nèi)徑較大的套管井壁狀況； 縱向放置的短傳感器C，主要用于檢測(cè)內(nèi)徑較小的油管井壁狀況；橫向放置的傳感器B，主要用于檢測(cè)橫向裂縫等井壁狀況。傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

傳感器線圈繞制在特氟龍材料骨架上，特氟龍材料具有耐高溫、抗腐蝕、膨脹率低的特點(diǎn)，適合于高溫、高壓環(huán)境下作為線圈骨架使用。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器線圈繞制主要從所用的繞線、傳感器的繞制方式上來(lái)考慮。電磁探傷傳感器采用差分自比較式的繞制方案，特點(diǎn)是具有良好的對(duì)稱(chēng)性，能夠保證與電磁探傷測(cè)井的前置放大電路的配合，減少噪聲，抑制溫漂，同時(shí)敏感于有用信號(hào)。差分式繞制是由一對(duì)反向連接的線圈繞制在骨架上組成，當(dāng)兩個(gè)線圈處于相同條件時(shí)，所測(cè)的感應(yīng)電壓值相互抵消，線圈能感應(yīng)出被測(cè)件的變化。

這對(duì)線圈分別為激勵(lì)線圈和接收線圈。其繞制參數(shù)計(jì)算依據(jù)如下[5]：

激勵(lì)線圈采用電流激勵(lì)方式，其中心磁通密度Bx公式：

(3)

式中，μ0為空氣中的磁導(dǎo)率；n為激勵(lì)線圈匝數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度；im為線圈電流；a為繞線直徑；d為線圈直徑；D為線圈外徑。

接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式：

(4)

式中，n為接收線圈匝數(shù)；l為線圈長(zhǎng)度;a為繞線直徑；t為激勵(lì)周期；d為接收線圈直徑；D為接收線圈外徑。

由于電磁探傷測(cè)井儀的內(nèi)徑和鐵芯材料在空氣中磁導(dǎo)率μ0是固定不變的，激勵(lì)周期t設(shè)為400 ms，為保證激勵(lì)線圈激發(fā)磁場(chǎng)強(qiáng)和接收線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)足夠大，提高傳感器靈敏度，線圈的匝數(shù)n要與線徑a和線圈長(zhǎng)度l等進(jìn)行最優(yōu)化計(jì)算。通常激勵(lì)線圈電流較大，線徑采用0.56 mm漆包線，繞制800匝；接收線圈線徑采用0.1 mm漆包線，繞制2 000匝。

3 電磁探傷傳感器高溫性能檢測(cè)

在室內(nèi)將傳感器放入烘箱內(nèi)，烘箱加溫設(shè)為150 ℃，并用長(zhǎng)高溫導(dǎo)線引出傳感器的初、次級(jí)線圈的起始端，用LRC電橋測(cè)量升溫過(guò)程中傳感器的初、次級(jí)線圈的電感值。檢測(cè)過(guò)程中，檢查了線圈骨架是否有變形、開(kāi)裂，骨架接頭封固膠是否有熔化等現(xiàn)象。當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃后，保持恒溫，并每隔20 min記錄一次初、次級(jí)線圈的電感值，持續(xù)檢測(cè)2 h。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3。

表2 傳感器升溫性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

表3 傳感器恒溫性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 高溫電磁探傷測(cè)井實(shí)例

為試驗(yàn)驗(yàn)證采用新的高溫電磁探傷傳感器組裝的高溫電磁探傷測(cè)井儀的耐溫性能，在某深1井進(jìn)行了實(shí)測(cè)。測(cè)井曲線如圖5所示。圖中，從左至右，分別為溫度曲線、套管壁厚曲線，A傳感器、B傳感器、C傳感器測(cè)井曲線。

圖5 某深1井測(cè)井曲線

將儀器下至遇阻段3 648 m處后開(kāi)始測(cè)井。 實(shí)測(cè)井底溫度為146 ℃，儀器停留在井底連續(xù)工作90 min后，上測(cè)100 m，曲線結(jié)箍顯示正常，基線未見(jiàn)明顯漂移。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)鐵芯材料的優(yōu)選和線圈參數(shù)計(jì)算，保證傳感器在高溫環(huán)境下能夠正常工作并有足夠的檢測(cè)靈敏度，在充分考慮空間尺寸的條件下，使傳感器探測(cè)能力最大化。

2) 采用差分式繞制方案，能夠保證與電磁探傷測(cè)井的前置放大電路的配合，減少噪聲，抑制溫漂，同時(shí)敏感于有用信號(hào)。

3)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井資料表明，在高溫井中，電磁探傷測(cè)井曲線未發(fā)生明顯的溫度漂移，結(jié)箍顯示正常，說(shuō)明利用優(yōu)化改進(jìn)后的電磁探傷傳感器研制的高溫電磁探傷測(cè)井儀可以滿足高溫井測(cè)井要求，擴(kuò)大電磁探傷測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用覆蓋面。

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