電磁感應(yīng)套管檢測(cè)儀探頭研究

1、收稿日期:05.4.11電磁感應(yīng)套管檢測(cè)儀探頭研究 黨瑞榮 劉麗 謝雁 西安石油大學(xué) 710065摘要：探頭是電磁感應(yīng)套管檢測(cè)儀中的重要元件，探頭性能的好壞直接影響到儀器的質(zhì)量。文章在分析國(guó)內(nèi)外電磁檢測(cè)儀探頭的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)射參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)是設(shè)計(jì)探頭時(shí)研究的主要內(nèi)容，并介紹了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。關(guān)鍵詞：套管檢測(cè)；探頭；發(fā)射參數(shù)；結(jié)構(gòu)參數(shù)0 引言電磁感應(yīng)套管檢測(cè)儀是用于套管檢測(cè)的主要儀器之一，它是根據(jù)套管缺陷引起的電磁效應(yīng)來(lái)研究套管狀況。在電磁檢測(cè)儀中，探頭即傳感器是用來(lái)連接測(cè)試儀器和套管的敏感元件，是把套管信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的器件，因此，探頭性能的好壞直接影響到儀器的質(zhì)量。研究探頭的質(zhì)

2、量與哪些因素有關(guān)，有何種關(guān)系，可為選擇最佳的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的探頭提供理論指導(dǎo)和參考。1 電磁檢測(cè)儀探頭概況在電磁檢測(cè)時(shí)，套管的情況是通過(guò)探頭的變化反應(yīng)出來(lái)的。只要對(duì)磁場(chǎng)變化敏感的元件，如檢測(cè)線圈、霍耳元件、磁敏二極管等都可被用來(lái)作為電磁檢測(cè)的探頭，但目前用得最多的是檢測(cè)線圈。國(guó)內(nèi)外電磁檢測(cè)儀中，除哈里伯頓公司的套管檢測(cè)儀PIT用霍耳探測(cè)器和檢測(cè)線圈作為探頭外，其它測(cè)井儀如斯倫貝謝生產(chǎn)的電磁測(cè)厚儀ETT和套管分析儀PAT、西方阿特拉斯公司的磁測(cè)井儀Magnelog以及俄羅斯的多層管柱電磁探傷測(cè)井儀EMD-TM-42E均是利用檢測(cè)線圈作為探頭。123根據(jù)電磁檢測(cè)原理，探頭首先需要一個(gè)激勵(lì)線圈

3、，以便電流通過(guò)時(shí)，在線圈周圍及套管內(nèi)激勵(lì)形成電磁場(chǎng)；同時(shí)，為了把在電磁場(chǎng)作用下受套管內(nèi)部性能或缺陷等因素影響所調(diào)制的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)，還需要一個(gè)測(cè)量線圈。探頭的激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈可以是功能不同的兩個(gè)線圈，也可同一線圈具有激勵(lì)和測(cè)量?jī)煞N功能，通常在不需要區(qū)分線圈功能時(shí)，把激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈統(tǒng)稱為檢測(cè)線圈。檢測(cè)線圈的結(jié)構(gòu)是由激勵(lì)繞組、測(cè)量繞組及其支架和外殼組成，有些還有磁芯、磁飽和器等。檢測(cè)線圈的類型多種多樣，分類方法也很多。按測(cè)量線圈輸出信號(hào)的不同，可分為參量式（自感式）和變壓器式（互感式）兩種；按測(cè)量線圈和套管的相對(duì)位置，檢測(cè)線圈又可分為外穿過(guò)式線圈、內(nèi)通式線圈和放置式線圈；按線圈的繞制方式分類，

4、有絕對(duì)式、標(biāo)準(zhǔn)比較式和自比較式三種4。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)檢測(cè)用途、測(cè)試條件、套管材質(zhì)及檢測(cè)儀的要求選擇合適的線圈。2 探頭參數(shù)研究探頭中的檢測(cè)線圈是電磁檢測(cè)儀的主要元件，線圈性能的好壞直接影響到儀器的質(zhì)量。研究檢測(cè)線圈參數(shù)，以制作高質(zhì)量的探頭。線圈參數(shù)的研究?jī)?nèi)容如圖1所示。主要是線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)射參數(shù)的研究。線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括線圈數(shù)目、各線圈的匝數(shù)、線圈之間的距離、各線圈的線徑及橫截面積；發(fā)射參數(shù)包括發(fā)射波形、發(fā)射頻率和發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度。其中發(fā)射參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，如發(fā)射線圈匝數(shù)、發(fā)射頻率、接收線圈匝數(shù)、橫截面積等參數(shù)是一定探測(cè)性能下的優(yōu)化組合。通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的研究，使電磁感應(yīng)套管檢測(cè)系

5、統(tǒng)對(duì)套管的檢測(cè)性能達(dá)到最佳。 圖1 電磁感應(yīng)線圈研究2.1 發(fā)射參數(shù)選擇在線圈的發(fā)射參數(shù)中，發(fā)射頻率對(duì)套管檢測(cè)的影響很大，這主要表現(xiàn)在探測(cè)套管厚度和接收信號(hào)的信噪比等方面。發(fā)射頻率選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度的降低。采用合適的發(fā)射頻率是準(zhǔn)確檢測(cè)井下套管狀況的一個(gè)重要因素。在選擇發(fā)射頻率的時(shí)候，通常要考慮以下幾個(gè)原則。滿足似穩(wěn)電磁場(chǎng)的條件。理論研究表明，保證電路似穩(wěn)的基本條件是，其中：為波長(zhǎng)，為電路的幾何尺寸。工程上所使用的電子設(shè)備的幾何尺寸大都為幾十厘米的數(shù)量級(jí)，故似穩(wěn)條件要求電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)要大于此數(shù)量級(jí)，即頻率低于。趨膚效應(yīng)（滲透深度）和檢測(cè)靈敏度。由于趨膚效應(yīng)，在套管中流動(dòng)的高頻電流將趨于導(dǎo)體表面

6、。要對(duì)套管表面下某一深度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，所選的頻率要低于某一值。但是降低試驗(yàn)頻率會(huì)使線圈與套管之間的能量耦合效率降低，從而降低檢測(cè)靈敏度。所以，在依據(jù)滲透深度選擇頻率時(shí)，應(yīng)兼顧到檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)因素的阻抗特性。利用檢測(cè)因素對(duì)線圈阻抗的影響選擇頻率的方法可分兩種：其一，選擇檢測(cè)因素產(chǎn)生最大阻抗變化時(shí)的頻率。在兼顧內(nèi)外表面缺陷的檢測(cè)時(shí)，試驗(yàn)頻率一般選擇在附近，其中，為套管的特征頻率。其二，選取檢測(cè)因素與其它干擾因素所引起的阻抗變化之間有最大相位差時(shí)的頻率，這種頻率選擇方法適應(yīng)于具有相位分析功能的檢測(cè)設(shè)備。這種設(shè)備可以利用被檢信號(hào)與干擾信號(hào)之間在相位上的差異，通過(guò)相敏技術(shù)抑制干擾信號(hào)，獲取較好的檢測(cè)效果

7、。測(cè)井速度的影響。在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)井速度達(dá)到每分鐘數(shù)米以上時(shí)，選擇頻率還應(yīng)考慮到檢測(cè)速度的影響。如果缺陷很短，而測(cè)井速度又很大，此時(shí)必須提高發(fā)射頻率以提高檢測(cè)靈敏度。發(fā)射頻率的選擇應(yīng)考慮多種因素,但這些因素往往有相互矛盾的地方,在選擇頻率時(shí)，應(yīng)作綜合考慮。2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇檢測(cè)線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定了探頭的制作，線圈的形狀、尺寸和技術(shù)參數(shù)對(duì)于最終檢測(cè)結(jié)果的測(cè)量精度和可靠性是至關(guān)重要的。選擇線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)主要考慮因素是：套管的形狀、尺寸、材質(zhì)和質(zhì)量要求。線圈截面尺寸和長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)靈敏度和分辨率具有很大的影響。一般來(lái)說(shuō)，線圈長(zhǎng)度越大，靈敏度越高，分辨率則相對(duì)較低。在分辨率和信號(hào)幅度之間最好的折中

8、是選擇線圈的長(zhǎng)度和厚度等于缺陷的深度。一般使線圈的長(zhǎng)度和厚度應(yīng)該近似等于壁厚。差動(dòng)探頭中兩線圈之間的跨度應(yīng)該近似等于缺陷的深度或者壁厚。探頭與套管之間的間隙應(yīng)盡量小，以提高檢測(cè)靈敏度，但是間隙太小，會(huì)給傳動(dòng)帶來(lái)困難，在大多數(shù)采用內(nèi)穿過(guò)式探頭檢測(cè)套管時(shí)，通常耦合間隙為1/2的壁厚。線圈的參數(shù)及拾取信號(hào)的方式必須與儀器適配。通常探頭的阻抗要求和儀器及其信號(hào)電纜的阻抗匹配。探頭的電感是構(gòu)成阻抗的主要成分，一般不需要精確計(jì)算。例如，對(duì)于放置式探頭，可通過(guò)查表獲取探頭外徑、線圈匝數(shù)（保持線圈內(nèi)徑和線圈的長(zhǎng)度等于0.2倍外徑）、線圈的電感和電阻。利用導(dǎo)線的直徑和關(guān)系式可以比較容易地估計(jì)導(dǎo)線的尺寸和要達(dá)到一

9、定的電感量所需要的圈數(shù)。探傷時(shí)要適合于被檢缺陷。對(duì)穿過(guò)式線圈而言，線圈形成渦流的方向和分布與檢測(cè)的靈敏度密切相關(guān)，檢測(cè)時(shí)為了獲取較高的靈敏度，必須盡可能使渦流流動(dòng)方向垂直于缺陷；而對(duì)于放置式線圈，渦流及其磁通正比于到線圈中心的距離，可見(jiàn)缺陷處于套管相對(duì)于線圈中心的不同位置，檢出靈敏度是不一樣的，在線圈的中心位置沒(méi)有渦流，缺陷的檢出靈敏度等于零，同時(shí)，缺陷靈敏度反比于線圈直徑，探頭直徑應(yīng)該等于或者小于所要檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度。實(shí)際上，這些因素有時(shí)是相互制約的。例如，探頭直徑較小時(shí)，磁通量也小，檢測(cè)深度就會(huì)相應(yīng)較小，為了增加檢測(cè)深度，可以增大探頭的直徑，但是探頭直徑增大，必定降低對(duì)短小缺陷的檢測(cè)靈敏度。最好的探頭是要能在套管的檢測(cè)范圍內(nèi)產(chǎn)生盡可能高的渦流密度并且使電流垂至于缺陷，因?yàn)槿毕莸目蓹z出性決定于它對(duì)渦流的阻抗程度。3 結(jié)束語(yǔ)由于影響電磁感應(yīng)檢測(cè)儀探頭性能的因素較多，而且這些因素是相互關(guān)聯(lián)的，同時(shí)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)公式又具有較大的局限性5，這就決定了探頭設(shè)計(jì)時(shí)的難度。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)給定尺寸或要求計(jì)算出線圈參數(shù)，再結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)來(lái)制作滿足使用要求的探頭。參考文獻(xiàn)1 蘆柏麗，王峰.套管檢測(cè)儀的分析與展望.國(guó)外油田工程，2003年第7期2 孟凡順，郭海燕，牛超群.用