電磁感應套管檢測儀探頭研究

1、收稿日期:05.4.11電磁感應套管檢測儀探頭研究 黨瑞榮 劉麗 謝雁 西安石油大學 710065摘要：探頭是電磁感應套管檢測儀中的重要元件，探頭性能的好壞直接影響到儀器的質量。文章在分析國內外電磁檢測儀探頭的基礎上，提出了發(fā)射參數(shù)和結構參數(shù)是設計探頭時研究的主要內容，并介紹了設計時應考慮的主要因素。關鍵詞：套管檢測；探頭；發(fā)射參數(shù)；結構參數(shù)0 引言電磁感應套管檢測儀是用于套管檢測的主要儀器之一，它是根據(jù)套管缺陷引起的電磁效應來研究套管狀況。在電磁檢測儀中，探頭即傳感器是用來連接測試儀器和套管的敏感元件，是把套管信息轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅钠骷?，因此，探頭性能的好壞直接影響到儀器的質量。研究探頭的質

2、量與哪些因素有關，有何種關系，可為選擇最佳的性能參數(shù)，設計高質量的探頭提供理論指導和參考。1 電磁檢測儀探頭概況在電磁檢測時，套管的情況是通過探頭的變化反應出來的。只要對磁場變化敏感的元件，如檢測線圈、霍耳元件、磁敏二極管等都可被用來作為電磁檢測的探頭，但目前用得最多的是檢測線圈。國內外電磁檢測儀中，除哈里伯頓公司的套管檢測儀PIT用霍耳探測器和檢測線圈作為探頭外，其它測井儀如斯倫貝謝生產的電磁測厚儀ETT和套管分析儀PAT、西方阿特拉斯公司的磁測井儀Magnelog以及俄羅斯的多層管柱電磁探傷測井儀EMD-TM-42E均是利用檢測線圈作為探頭。123根據(jù)電磁檢測原理，探頭首先需要一個激勵線圈

3、，以便電流通過時，在線圈周圍及套管內激勵形成電磁場；同時，為了把在電磁場作用下受套管內部性能或缺陷等因素影響所調制的信號檢測出來，還需要一個測量線圈。探頭的激勵線圈和測量線圈可以是功能不同的兩個線圈，也可同一線圈具有激勵和測量兩種功能，通常在不需要區(qū)分線圈功能時，把激勵線圈和測量線圈統(tǒng)稱為檢測線圈。檢測線圈的結構是由激勵繞組、測量繞組及其支架和外殼組成，有些還有磁芯、磁飽和器等。檢測線圈的類型多種多樣，分類方法也很多。按測量線圈輸出信號的不同，可分為參量式（自感式）和變壓器式（互感式）兩種；按測量線圈和套管的相對位置，檢測線圈又可分為外穿過式線圈、內通式線圈和放置式線圈；按線圈的繞制方式分類，

4、有絕對式、標準比較式和自比較式三種4。在實際應用時，根據(jù)檢測用途、測試條件、套管材質及檢測儀的要求選擇合適的線圈。2 探頭參數(shù)研究探頭中的檢測線圈是電磁檢測儀的主要元件，線圈性能的好壞直接影響到儀器的質量。研究檢測線圈參數(shù)，以制作高質量的探頭。線圈參數(shù)的研究內容如圖1所示。主要是線圈的結構參數(shù)和發(fā)射參數(shù)的研究。線圈的結構參數(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)射信號強度。其中發(fā)射參數(shù)與結構參數(shù)是相互關聯(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)是一定探測性能下的優(yōu)化組合。通過對上述參數(shù)的研究，使電磁感應套管檢測系

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

6、。要對套管表面下某一深度進行檢測時，所選的頻率要低于某一值。但是降低試驗頻率會使線圈與套管之間的能量耦合效率降低，從而降低檢測靈敏度。所以，在依據(jù)滲透深度選擇頻率時，應兼顧到檢測靈敏度。檢測因素的阻抗特性。利用檢測因素對線圈阻抗的影響選擇頻率的方法可分兩種：其一，選擇檢測因素產生最大阻抗變化時的頻率。在兼顧內外表面缺陷的檢測時，試驗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的頻率，這種頻率選擇方法適應于具有相位分析功能的檢測設備。這種設備可以利用被檢信號與干擾信號之間在相位上的差異，通過相敏技術抑制干擾信號，獲取較好的檢測效果

7、。測井速度的影響。在進行自動檢測，測井速度達到每分鐘數(shù)米以上時，選擇頻率還應考慮到檢測速度的影響。如果缺陷很短，而測井速度又很大，此時必須提高發(fā)射頻率以提高檢測靈敏度。發(fā)射頻率的選擇應考慮多種因素,但這些因素往往有相互矛盾的地方,在選擇頻率時，應作綜合考慮。2.2 結構參數(shù)選擇檢測線圈的結構參數(shù)直接決定了探頭的制作，線圈的形狀、尺寸和技術參數(shù)對于最終檢測結果的測量精度和可靠性是至關重要的。選擇線圈結構參數(shù)時主要考慮因素是：套管的形狀、尺寸、材質和質量要求。線圈截面尺寸和長度對檢測靈敏度和分辨率具有很大的影響。一般來說，線圈長度越大，靈敏度越高，分辨率則相對較低。在分辨率和信號幅度之間最好的折中

8、是選擇線圈的長度和厚度等于缺陷的深度。一般使線圈的長度和厚度應該近似等于壁厚。差動探頭中兩線圈之間的跨度應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盡量小，以提高檢測靈敏度，但是間隙太小，會給傳動帶來困難，在大多數(shù)采用內穿過式探頭檢測套管時，通常耦合間隙為1/2的壁厚。線圈的參數(shù)及拾取信號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電纜的阻抗匹配。探頭的電感是構成阻抗的主要成分，一般不需要精確計算。例如，對于放置式探頭，可通過查表獲取探頭外徑、線圈匝數(shù)（保持線圈內徑和線圈的長度等于0.2倍外徑）、線圈的電感和電阻。利用導線的直徑和關系式可以比較容易地估計導線的尺寸和要達到一

9、定的電感量所需要的圈數(shù)。探傷時要適合于被檢缺陷。對穿過式線圈而言，線圈形成渦流的方向和分布與檢測的靈敏度密切相關，檢測時為了獲取較高的靈敏度，必須盡可能使渦流流動方向垂直于缺陷；而對于放置式線圈，渦流及其磁通正比于到線圈中心的距離，可見缺陷處于套管相對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有渦流，缺陷的檢出靈敏度等于零，同時，缺陷靈敏度反比于線圈直徑，探頭直徑應該等于或者小于所要檢測的缺陷長度。實際上，這些因素有時是相互制約的。例如，探頭直徑較小時，磁通量也小，檢測深度就會相應較小，為了增加檢測深度，可以增大探頭的直徑，但是探頭直徑增大，必定降低對短小缺陷的檢測靈敏度。最好的探頭是要能在套管的檢測范圍內產生盡可能高的渦流密度并且使電流垂至于缺陷，因為缺陷的可檢出性決定于它對渦流的阻抗程度。3 結束語由于影響電磁感應檢測儀探頭性能的因素較多，而且這些因素是相互關聯(lián)的，同時現(xiàn)有的設計公式又具有較大的局限性5，這就決定了探頭設計時的難度。在進行設計時，根據(jù)給定尺寸或要求計算出線圈參數(shù)，再結合一些實驗來制作滿足使用要求的探頭。參考文獻1 蘆柏麗，王峰.套管檢測儀的分析與展望.國外油田工程，2003年第7期2 孟凡順，郭海燕，牛超群.用