套管金属耗损检测方法及工程化装置研究

摘要

石油套管是支撑油井井壁的金属管道，在石油勘测过程中大量使用，保证了钻井过程和钻完井后整个井内石油开采工作的正常运行。但由于环境等因素的影响，套管金属极易出现耗损，给国家造成重大的经济损失。因此，套管金属耗损情况的检测成为了石油开采和设备维护中的重点工作。 论文内容结合“套管金属耗损检测仪”项目进行研究，旨在通过对套管金属耗损检测方法的研究设计能够定性且定量检测出套管金属管壁损伤状态的工程化装置。且在检测效率与精度均达到要求的条件下，保证该装置在井下能够稳定工作。 本文首先对比几种目前国内外先进的套管金属耗损检测原理，分析使用远场涡流检测的原因。再根据远场涡流检测原理分析了远场激励产生的电涡流在套管管壁中的变化规律，建立信号与套管金属损伤情况的评价模型。其次，利用有限元仿真软件（ANSYS）的管道磁力线仿真模型建立激励信号频率与套管金属耗损检测范围的关系。根据套管金属耗损检测仪井下工作流程，分析了噪声处理、微弱信号检测和检测精度等问题。分析管道测相精度要求，详细介绍两种典型的测相方法：阈值检测法和数字相敏检波法。 在套管金属耗损检测仪电路设计中，基于仪器的低功耗及实际可测管道壁厚范围等要求，在激励模块进行频率和调制度可调的SPWM信号设计。SPWM信号控制逆变电路，将高压送入激励线圈使其产生远场涡流信号。电涡流经过电磁转换后两次穿过管壁，最终以感应电压的形式由远场检测线圈接收并送至检测模块电路。检测模块信号处理电路对携带有套管金属耗损信息的感应电压信号进行调理与计算，得到具体的损耗信息。 本文最后论述了套管金属耗损检测系统的调试与分析。测试并分析了各模块电路工作情况，数据处理结果，以及实验套管的耗损检测情况。测试的结果证实了套管金属耗损检测仪能够完成套管金属管壁损伤的检测工作，验证了本文的方法分析及电路设计。

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ABSTRACT

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2套管金属耗损检测技术的国内外研究历史与现状

1.3 主要研究内容及论文结构

第二章套管金属耗损检测原理与仿真

2.1套管金属耗损检测技术路线与研究指标

2.2套管金属耗损检测原理

2.2.1远场涡流检测原理

2.2.2远场电磁场信号在管壁中的变化情况

2.3套管金属耗损检测仿真模型

2.4本章小结

第三章 套管金属耗损检测方法研究

3.1 套管金属耗损检测空气校正

3.2 套管金属耗损检测测量方法研究

3.2.1 线圈间距与电磁信号的关系

3.2.2 多线圈组合测量方案

3.3 套管金属耗损检测信号处理方法研究

3.3.1 激励信号与电磁信号的关系

3.3.2 被测管壁厚度与电磁信号的关系

3.3.3 信号处理与系统噪声分析

3.4 套管金属耗损检测数据处理方法研究

3.4.1 仪器测量分辨率分析

3.4.2 数据处理方法分析

3.5 本章小结

第四章 套管金属耗损检测系统工程化装置设计

4.1 套管金属耗损检测系统工程化装置设计方案

4.2 激励模块电路设计

4.3 检测模块信号处理电路设计

4.3.1 模拟信号处理电路设计

4.3.2 数字信号处理电路设计

4.4.1 单片机内部程序设计

4.4.2 DSP内部程序的设计

4.4.3 FPGA内部逻辑的设计

4.5 本章小结

第五章 套管金属耗损检测系统电路调试与测试分析

5.1 套管金属耗损检测系统电路调试

5.1.1 激励模块电路调试

5.1.2 检测模块信号处理电路调试

5.2 套管金属耗损检测数据处理结果及分析

5.2.1 阈值检测法结果分析

5.2.2 数字相敏检波法结果分析

5.3 套管金属损耗测试结果分析

5.3.1 空气校正

5.3.2 套管壁厚计算

5.3.3 套管金属耗损测试与分析

5.4 本章小结

第六章 结束语

致 谢

参考文献

附 录