專利名稱：油水井套管應(yīng)力檢測探頭以及探測儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種油田工程用檢測探頭以及探測儀器，尤其是一種預(yù)測油水井套管應(yīng)力損壞的檢測探頭以及基于該探頭制造的探測儀器。
背景技術(shù)：
在油田開發(fā)過程中，采油和注水使地層的應(yīng)力發(fā)生變化，造成地下某一位置的應(yīng)力異常，應(yīng)力的變化傳遞到油水井的套管上，造成采油井和注水井的套管在異常應(yīng)力的作用下發(fā)生變形、破裂和錯斷，影響油田的正常生產(chǎn)，套管損壞需要大量的資金進(jìn)行修復(fù)，增加了油田生產(chǎn)成本。目前油、水井的套管損壞只能在套管損壞發(fā)生以后，通過多臂井徑測井來判斷套損的部位和損壞程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種油水井套管應(yīng)力檢測探頭以及探測儀器，它能夠在套損發(fā)生之前，對套管的受力狀態(tài)進(jìn)行檢測，通過對測得的應(yīng)力曲線進(jìn)行分析，預(yù)測套管損壞將要發(fā)生的部位，從而預(yù)防套損的發(fā)生。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種油水井套管應(yīng)力檢測探頭，探頭至少包括一能夠產(chǎn)生交變磁場的帶有激勵線圈的鐵芯，鐵芯磁場內(nèi)設(shè)有檢測巴克豪森磁噪的感應(yīng)線圈，鐵芯和線圈設(shè)置在探頭極板上，構(gòu)成巴克豪森效應(yīng)(MagneticBarkhausen Noise)MBN探頭。
所述的探頭還包括一能夠檢測磁聲發(fā)射的壓電晶體傳感器，該壓電晶體傳感器設(shè)置在探頭極板上，為磁聲發(fā)射效應(yīng)(Magneto acoustic emisson)MAE探頭。
所述的巴克豪森效應(yīng)探頭和磁聲發(fā)射效應(yīng)探頭為單獨(dú)設(shè)置或一體設(shè)置。
一種油水井套管應(yīng)力檢測儀器，它至少包括探頭和檢測控制儀器，其中探頭為上述權(quán)利要求結(jié)構(gòu)，即可為MBN探頭或MAE探頭或者為MBN探頭與MAE探頭結(jié)合的。該探頭放在套管內(nèi)設(shè)置在待測件上，探頭的激勵線圈的輸入以及探頭感應(yīng)的輸出接檢測控制儀器的接口。
套管應(yīng)力檢測探頭為一個以上，采用推靠臂機(jī)構(gòu)頂觸在套管的內(nèi)壁，探頭可為正交分布。
檢測控制儀器包括探頭線圈激勵電路、信號采集模擬放大電路、中央控制裝置CPU，其中信號采集模擬放大電路接CPU的輸入端，CPU輸出控制端接線圈激勵電路。CPU輸出端接有顯示器，輸入端接鍵盤，通信口接遠(yuǎn)程系統(tǒng)。信號采集模擬放大電路由前置放大、多路濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。CPU控制端的輸出信號合成自動增益反饋電路的信號，再接探頭激勵線圈。
自動增益反饋電路由探頭本體的傳感信號反饋電路以及調(diào)節(jié)控制電路構(gòu)成。
本發(fā)明能夠在套管發(fā)生損壞之前通過對套管所受應(yīng)力的檢測，發(fā)現(xiàn)地下異常應(yīng)力集中部位，在將要發(fā)生套損的區(qū)域，通過及時調(diào)整注水、采油方案，使異常的應(yīng)力得到釋放，從而避免套損的發(fā)生，能夠節(jié)約大量的修井和重新鉆井的資金。


圖1為巴克豪森效應(yīng)的磁化曲線和磁滯回線分布示意圖。
圖2為本發(fā)明的探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的探頭設(shè)置在套管內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的電路構(gòu)成框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
鐵磁材料具有磁疇結(jié)構(gòu)，其磁化方向為易磁化軸方向。根據(jù)能量最小原理，磁疇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總是趨向能量最小的狀態(tài)。在外磁場的作用下磁化時，磁疇壁位移或疇轉(zhuǎn)動，使疇壁趨向外磁場的疇擴(kuò)大，反向的疇縮小。疇壁位移過程需不斷克服材料內(nèi)部存在的不均勻應(yīng)力、雜質(zhì)、空氣等因素造成的勢能壘，因而為非連續(xù)的，跳躍式的不可逆運(yùn)動，表現(xiàn)在圖1所示的磁化曲線和磁滯回線最陡區(qū)域為階梯式跳躍性變化。如將一導(dǎo)體線圈置于材料表面，加一交變磁場，則磁疇壁的不可逆跳躍將在線圈內(nèi)感應(yīng)一系列電壓脈沖信號，放大后可聽到沙沙之聲，稱磁噪聲。這一現(xiàn)象是德國物理學(xué)家Barkhausen發(fā)現(xiàn)的，稱巴克豪森效應(yīng)，磁噪音簡稱MBN。
同時，鐵磁材料具有磁致伸縮效應(yīng)，且磁致伸縮系數(shù)是各向異性的。當(dāng)疇壁進(jìn)行巴克豪森跳躍時，會產(chǎn)生體積應(yīng)變，蓄積的能量將以彈性波的形式釋放出來，若把一壓電晶體傳感器置于交變磁場的樣品表面，即可檢測到一系列的聲脈沖所激勵的信號，稱為磁聲發(fā)射，簡稱MAE。每一巴氏跳躍所激起的MAE電壓脈沖幅值可表示為V＝C.Δε.I.ΔV/τ，式中C為系數(shù)，Δε為疇壁移動體積ΔV的應(yīng)變張量，τ為持續(xù)的時間。理論分析表明，180°疇壁的不可逆位移不產(chǎn)生磁應(yīng)變，因而無MAE，90°疇壁的不可逆跳躍是產(chǎn)生MAE的主要源。對于MBN，180°疇壁的不可逆位移是主要源，90°疇壁的不可逆位移和轉(zhuǎn)動產(chǎn)生較弱的MBN信號。
材料的應(yīng)力狀態(tài)直接影響疇壁不可逆位移和易磁化方向上的釘扎，應(yīng)力與磁疇相互作用產(chǎn)生附加的磁彈性能。對具有正磁滯伸縮效應(yīng)的鋼鐵材料來說，拉應(yīng)力是180°疇增大，90°疇和其它類型的疇縮小，因而在磁化方向上拉應(yīng)力導(dǎo)致MBN信號增強(qiáng)，MAE信號減弱。而壓應(yīng)力效應(yīng)正好相反，MBN隨壓力增大而減弱，MAE則增強(qiáng)。
本發(fā)明的套管應(yīng)力檢測探頭正是利用了磁聲發(fā)射效應(yīng)MAE和巴克豪森效應(yīng)MBN與應(yīng)力的關(guān)系，通過檢測MAE和MBN信號得到套管的應(yīng)力狀態(tài)。
具體結(jié)構(gòu)如圖2、3、4所示，本發(fā)明提供了一種油水井套管應(yīng)力檢測探頭以及依據(jù)該探頭而構(gòu)成的檢測儀器。其中探頭可為MBN探頭11或MAE探頭12，或者M(jìn)BN探頭11與MAE探頭12結(jié)合的探頭1，可獨(dú)立或一體地固設(shè)在探頭極板2上。巴克豪森效應(yīng)MBN探頭11為帶有激勵線圈14的鐵芯13，產(chǎn)生磁場，感應(yīng)線圈11感應(yīng)套管3內(nèi)壁應(yīng)力的變化，產(chǎn)生磁噪聲信號；磁聲發(fā)射效應(yīng)MAE探頭12為壓電晶體傳感器，能夠檢測磁聲發(fā)射。探頭1放在套管3內(nèi)，采用推靠臂機(jī)構(gòu)4頂觸在套管3的內(nèi)壁。通常套管3內(nèi)的探頭1為一個或多個，探頭1可為正交分布。探頭1的激勵線圈14的輸入以及探頭感應(yīng)的輸出接檢測控制儀器的接口。
這樣，套管應(yīng)力檢測采用類似于四臂井徑的推靠測量方式，在四只推靠臂上都裝有本發(fā)明的磁彈性傳感器探頭，如在儀器上同時裝有方位測井儀，可同時獲得2條井徑曲線、8條磁彈性曲線、1條方位曲線，通過對采集信號進(jìn)行相應(yīng)的處理分析可以得出套管變形形態(tài)和最大主應(yīng)力的大小和方向。
因此，本發(fā)明將巴克豪森效應(yīng)和磁聲發(fā)射效應(yīng)結(jié)合于一體，充分運(yùn)用了兩者的如下特點(diǎn)隨拉應(yīng)力的增大MBN增強(qiáng)，MAE則減弱，因此，MBN對拉應(yīng)力變化敏感，而MAE則對壓應(yīng)力敏感；MBN的檢測信號受趨膚效應(yīng)制約，對給定的材料其檢測深度由信號頻段決定，而MAE信號不受趨膚效應(yīng)的影響，其檢測深度較大；MAE的原信號作為彈性波，其傳播特征與材料的形狀和尺寸有關(guān)，而MBN則與此無關(guān)。
本發(fā)明的儀器用于根據(jù)上述探頭的檢測信號，自動計算、存儲探頭的測量結(jié)果，并通過曲線或數(shù)據(jù)將結(jié)果表示出來，或者還可通過通信口將數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
參見圖4，本發(fā)明儀器的構(gòu)成有探頭激勵電路、模擬放大電路、自動增益反饋電路、控制系統(tǒng)。
激勵電路由波形發(fā)生器和功率放大器構(gòu)成，其功能是提供傳感器的激勵線圈以一定頻率和強(qiáng)度的電流，以便在檢測材料時產(chǎn)生適宜的變化磁場，磁場強(qiáng)弱對信號有直接的影響，磁場不能過強(qiáng)，否則信號趨于飽和；磁場水平過低，則信號太弱，導(dǎo)致檢測靈敏度惡化。因此依據(jù)實驗材料的磁特性，選擇相應(yīng)的變化磁場，是保證儀器獲得最佳靈敏度的重要條件。
模擬電路MBM和MAE由傳感器接受到的信號比較弱，一般為10μV量級，信號需經(jīng)前置放大器、主放大器和濾波，再送CPU進(jìn)行處理。MBN濾波系統(tǒng)采用不同頻率段的多路濾波方式，以期獲得幾個可供選擇的檢測厚度。因為根據(jù)趨膚效應(yīng)理論，有效檢測深度(d)是由材料的電導(dǎo)率(ρ)、磁導(dǎo)率(μ)以及信號的頻率(f)決定的，其d=ρ/πμf]]>，根據(jù)檢測材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率，設(shè)計的不同的頻率，則相應(yīng)的檢測深度可由淺入深。
由于MAE為彈性波，其檢測深度與信號頻率關(guān)系不大，只與激勵低頻有關(guān)，所以檢測深度大，在電路設(shè)計中采用窄帶濾波方式。兩個模擬電路系統(tǒng)，采用多種措施抑制噪音和提高抗干擾能力，旨在保證系統(tǒng)具有良好的信噪比。
自動增益反饋電路為了消除檢測材料幾何尺寸對磁場的影響，采用了閉環(huán)電壓負(fù)反饋控制電路，實現(xiàn)對信號幅度的自動調(diào)節(jié)。反饋線圈獲取與磁化漏磁通量成正比的磁感應(yīng)電壓信號，經(jīng)放大、精整、濾波等，在控制電路與CPU送來的設(shè)定磁場電壓信號合成，再送至乘法器電路中與波形發(fā)生器輸出的激磁波形信號相乘，最后經(jīng)功率放大器輸送給激勵線圈，從而實現(xiàn)激勵磁場場強(qiáng)的自動控制。
控制系統(tǒng)有雙CPU構(gòu)成，其功能是對信號進(jìn)行自動采樣、處理、顯示和對磁化場進(jìn)行調(diào)節(jié)。信號的信息是通過對多個峰值取加權(quán)平均的方法獲得的。儀器可存儲多種套管材料的標(biāo)準(zhǔn)試驗曲線，藉此可自動顯示檢測應(yīng)力的絕對值。
本發(fā)明采用磁彈性探頭制造的測井儀器，能夠檢測油、水井套管應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)測套損發(fā)生部位。按年測井500口，單井收費(fèi)2.5萬元，可獲1250萬元的經(jīng)濟(jì)效益，按減少套損井500口，單井節(jié)約修井費(fèi)用10萬元，可為油田節(jié)約3750萬元。
權(quán)利要求
1.一種油水井套管應(yīng)力檢測探頭，其特征在于探頭至少包括一能夠產(chǎn)生交變磁場的帶有激勵線圈的鐵芯，鐵芯磁場內(nèi)設(shè)有檢測巴克豪森磁噪的感應(yīng)線圈構(gòu)成巴克豪森磁噪探頭，其設(shè)置在探頭極板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的油水井套管應(yīng)力檢測探頭，其特征在于所述的探頭還包括一能夠檢測磁聲發(fā)射的壓電晶體傳感器構(gòu)成磁聲發(fā)射效應(yīng)探頭，該探頭設(shè)置在探頭極板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的油水井套管應(yīng)力檢測探頭，其特征在于所述的探頭單獨(dú)設(shè)置或一體設(shè)置。
4.一種油水井套管應(yīng)力檢測儀器，它至少包括探頭和檢測控制儀器，其特征在于探頭為上述權(quán)利要求結(jié)構(gòu)，探頭放在套管內(nèi)，探頭激勵線圈的輸入以及探頭傳感信號的輸出接檢測控制儀器的接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于套管內(nèi)的探頭為一個或多個，采用推靠臂機(jī)構(gòu)頂觸在套管的內(nèi)壁，多個探頭可為正交分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于檢測控制儀器包括探頭線圈激勵電路、信號采集模擬放大電路、中央控制裝置CPU，其中信號采集模擬放大電路接CPU的輸入端，CPU輸出控制端接線圈激勵電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于CPU輸出端接有顯示器，輸入端接鍵盤，通信口接遠(yuǎn)程系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于信號采集模擬放大電路由前置放大、多路濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于CPU控制端的輸出信號合成自動增益反饋電路的信號，再接探頭激勵線圈。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的油水井套管應(yīng)力檢測儀器，其特征在于自動增益反饋電路由探頭本體的傳感信號反饋電路以及調(diào)節(jié)控制電路構(gòu)成。
全文摘要
一種油水井套管應(yīng)力檢測探頭，它為MBN探頭或MAE探頭或者M(jìn)BN探頭與MAE探頭結(jié)合的探頭。探頭裝有帶有激勵線圈的鐵芯，能夠產(chǎn)生交變磁場，使套管磁化，套管產(chǎn)生巴克豪森效應(yīng)和磁聲發(fā)射效應(yīng)，接受巴克豪森效應(yīng)的MBN探頭為感應(yīng)線圈，接收磁聲發(fā)射效應(yīng)的MAE探頭為壓電晶體傳感器。探頭放在套管內(nèi)，采用推靠臂機(jī)構(gòu)頂觸在套管的內(nèi)壁。通常套管內(nèi)的探頭為一個或多個，多個探頭可為正交分布。探頭的激勵線圈的輸入以及探頭信號的輸出接檢測控制儀器的接口。本發(fā)明能夠?qū)μ坠艿氖芰顟B(tài)進(jìn)行檢測，通過對測得的應(yīng)力曲線進(jìn)行分析，能夠預(yù)測套管損壞將要發(fā)生的部位。
文檔編號G01L1/12GK1432800SQ0210008
公開日2003年7月30日 申請日期2002年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月16日
發(fā)明者周波, 陶果 申請人:石油大學(xué)(北京)