套管損傷探測儀信號噪聲和干擾的分析與解決方法

沈鵬征，馬橋斌

（西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西西安 710065）

0 引言

套管損傷探測儀根據電磁感應原理給發射線圈供一直流脈沖，在脈沖電流的間歇期間，套管中產生渦流i在探頭的接收線圈中產生感應電動勢ε。當油管或套管出現孔洞、裂縫, 特別是縱向裂縫，這將改變感應電動勢ε的幅度, 在測井曲線上表現出異常, 從而通過檢測感應電動勢ε的變化進行套管損傷的探測。它可以準確地檢測出油氣井井下套管的損壞狀況、方位和種類，能為套損機理的分析、套損的預測提供準確的依據，對油田的穩產及發展起著重要的作用[1]。但是由于電路的噪聲和外界的干擾，將會嚴重的影響測井資料的解釋精度和準確性，造成測井信息不準確，不能為套損情況提出科學、可靠的信息。本文將分析電路信號的噪聲和外界的干擾對測井原始數據的影響，并提出相應的解決措施。

1 電路信號的噪聲

1.1 磁探頭原始信號的去噪

在套管損傷探測儀中，磁探頭（傳感器）是其核心部件，它由發射線圈和接收線圈兩部分組成，探頭設計的好壞直接影響系統的整體性能。由于套管中的磁信號非常微弱，受到井下的干擾非常大，如果不能解決好探頭的噪聲干擾影響，將給電路及其測量帶來較大誤差，甚至會因噪聲淹沒正常的測量信號而使電路不能正常工作，無法得到可靠的測井資料。基于以上原因本系統采用差動式的線圈繞制方法來抑制原始信號的噪聲。繞制方式如圖1所示。

由于套管內部的輕微腐蝕和磁探頭運動的不平穩性，磁探頭在檢測套管的過程中噪聲非常大，缺陷信號很容易被淹沒，而用這種方法繞制的線圈可以有效地減少這些噪聲的影響，而且能在降低噪聲的同時增加靈敏度，對套管相對應的局部區域腐蝕敏感且具有空間分辨率[2]。在接收線圈中部引一根導線接地，來實現接收信號的差分輸入，可以很好地消除接收信號中的噪聲，實驗證明，利用這種方式繞制的線圈具有較高的靈敏度，抗噪聲能力強。

圖1 探頭線圈繞制示意圖

1.2 前置放大器的噪聲影響

由傳感器采集的井下信號非常的微弱，必須對信號進行前置放大，降低噪聲干擾、提高信號靈敏度。而前置放大電路則是引入噪聲的主要部件之一，是整個電路中噪聲的主要來源，其影響最為嚴重，因此合理地設計低噪聲前置放大電路至關重要[3]。前置放大器必須噪聲小、增益穩定、精確、抗干擾能力強，共模抑制比高。因此在設計前置放大器時應采用精密電阻，且電路的閉環增益不能太大，可以采用負反饋改善放大器的性能,這樣能有效防止放大器噪聲性能惡化。同時，要進行合理的布局布線，減少放大電路與其他電路的公共部分, 采用獨立的電源,采用合理的屏蔽和接地技術，可以最大限度地降低外部干擾和耦合等噪聲。要特別注意信號傳輸線的正確接地，放大器輸入信號回路的正確接地，去耦電容的合理選用，從而減少與其他電路之間的直接耦合。通過這些措施能夠有效地改善電路的穩定性，能大大降低了噪聲的影響。圖2為磁探頭采集到的原始信號，圖3為進行改善后的前置放大電路輸出信號，從圖中可以看出進行改善后信號的噪聲明顯減小，基本消除了原始信號噪聲的干擾。

圖2 探頭原始信號

圖3 改善后的前置放大電路輸出信號

1.3 DC—DC電源的噪聲影響

儀器井下供電是由170V的直流電經過單芯電纜傳輸到井下的，再經過DC—DC模塊轉換為±12 V和+5 V為磁探頭和電路供電。DC—DC模塊在電壓轉換中存在較為嚴重的開關干擾。其中，模塊的輸出電壓紋波對系統的影響至為重要。在實際的測試中，不同公司的DC—DC模塊的輸出電壓紋波存在著很大的差異，輸出電壓的紋波會嚴重影響井下電磁信號的質量，這直接影響套管信息探測的準確性，造成測井數據的不準確，嚴重影響儀器的正常工作。因此，選用紋波小的DC—DC模塊對測井信號的質量至關重要，并可以在DC—DC模塊接入電路前做相應的處理，相關的措施如下：

（1）合理的屏蔽與隔離措施；

（2）采用合理的電源線濾波器；

（3）輸入加電感抑制高頻；

（4）輸出加大電容器濾波和共模電感線圈，吸收輸出紋波。

通過這些方法可以有效地減小輸出電壓的紋波，為后續進一步采取措施抑制、消除電路干擾噪聲提供條件。圖4為DC—DC模塊的輸出未做處理與做過處理后的輸出電壓紋波圖形對比，未經過處理的DC—DC輸出的紋波包含有高頻噪聲信號，經過處理后的DC—DC輸出紋波中絕大部分高頻信號被濾除。

圖4 DC—DC模塊輸出紋波對比圖形

1.4 儀器布線的影響

儀器布線的好壞不僅直接影響到電路的可靠性，還將會影響系統抗噪聲的能力，合理的布線，可以將電磁噪聲有效的減小。改善措施：（1）盡量使用粗的電源導線，電源導線應遠離地線和信號線。縮短電路板之間連接導線的距離，必要時應采取適宜的屏蔽措施，并盡量做到兩信號線之間加一根地線；（2）接地是抑制噪聲的重要方法，正確的接地能夠有效地抑制外來干擾, 同時可提高測試系統的可靠性, 減少系統自身產生的干擾因素。由于儀器工作在低頻段，所以采用一點接地。接地時應將模擬地、數字地分開，地線應盡量的短和粗。

2 信號干擾問題及處理方法

儀器工作在最佳狀態時其系統本身的抗干擾能力最強，在這個基礎上再分析干擾信號來源與特點,并采取相應的措施來抑制或減小干擾的影響。

2.1 電纜的干擾

井下數據是通過耦合變壓器將數據耦合到單芯電纜上，單芯電纜實現了井下供電和傳輸數據的同時進行。但在實際的測井中由于電纜的使用問題引起了很大的干擾：(1)儀器在中原油田的測井過程中，由于電纜的擠壓，造成了儀器的短路，影響了正常的測井工作；(2)在測井工作中，由于電纜的振動，造成了數據曲線的抖動，無法得到穩定的測井數據。同時，在室內試驗時由于耦合變壓器屏蔽外殼的破損，引起干擾信號的傳入，影響了數據的準確性。因此，在實際的測井過程中，應避免電纜的擠壓，在測井過程中應防止電纜的抖動，確保井上和井下耦合變壓器的完好無損。

2.2 電源的干擾

石油測井現場的供電條件一般都較為惡劣。同時, 在附近的大型交流電力設備的啟停會引起線路電壓、電流的波動，同時會產生頻率很高的浪涌電壓，如果這些干擾信號沿著交流電源線進入儀器內部, 將會干擾其正常工作, 電源的不穩定、不純凈, 極易影響儀器的正常運行，甚至使其無法工作，從而影響了系統的測井數據的準確度。合理地解決好電源的干擾問題，使儀器獲得干凈的電源是首先要考慮的問題。解決的方法如下:(1)使用獨立電源，使電源功率穩定；（2）如果要和其他設備共用電源,一定要使用電源穩壓器，提供穩定不變的輸出電壓；（3）使用電源濾波器，減少較高頻率信號的干擾。圖 5 所示的曲線為測井的一段數據，曲線產生了嚴重的干擾，經過檢查，認為可能是由電源干擾引起的，經過采用獨立電源后，干擾基本上被消除了。

圖5 測井曲線對比圖

2.3 人為干擾的影響

不良的接觸，不完善的接地線，車載電器的開關等因素對測井曲線的影響非常大，這些人為干擾會嚴重影響資料的后續解釋。因此，在測井工作中應采取良好的接地線，檢查保養電纜接頭和其他接觸部位，禁止使用車載空調,電水壺等電器[5]。另外，在測井過程中應該按照儀器規定的測井速度來進行測井作業，盡量保持測井速度的均勻，防止因速度的變化，造成測井曲線發生畸變，影響測井資料的精度。

3 結論

套管損傷探測儀可以準確地檢測出套管的損傷情況，能為套損井的治理和修復提供可靠的依據。本文通過對儀器電路噪聲信號和干擾來源的分析和研究，提出了一系列相關的解決措施，經過實驗證明取得了良好的效果，有效地提高了測井資料質量和解釋的可靠性。

[1]劉合.油田套管損壞防治技術[M].北京:石油工業出版社,2003.

[2]劉麗.生產井套管檢測技術研究[D].西安:西安石油大學,2005.

[3]吳國強.基于等效采樣技術的低噪聲瞬變電磁法接收機的研制[D].長春:吉林大學,2005.

[4]劉竹琴,白澤生.傳感器電路的噪聲及其抗干擾技術研究[J].現代電子技術,2011,34(14).

[5]錢國兵,高靜,唐振歡,杜石峰.電磁探傷測井深度及信號干擾問題的解決[J].測井技術,2004,28(6).

[6]華成英,童詩白.模擬電子技術 [M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[7]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙:中南工業大學出版社,2007.

[8]杜少武,林東棟.DC/DC轉換器的電磁兼容技術[J].電源技術應用,2008,11(6).