用恒流源檢測套管內(nèi)涂層破損方法

高建民,肖圣,秦力,孫玲,秦曉紅,馬秀妮

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司生產(chǎn)測井中心,陜西西安710077;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司技術(shù)中心,陜西西安710077)

0 引 言

近年來,為了解決套管內(nèi)腐蝕問題,一些油田開始應(yīng)用內(nèi)涂層套管。這種涂層常使用環(huán)氧酚醛樹脂基材料,具有高電阻率的特性[1-3],在油田油氣生產(chǎn)過程中,油氣井產(chǎn)出的油氣、地層水和注水井注入液會(huì)對(duì)套管內(nèi)涂層造成腐蝕[4-6]。涂層質(zhì)量下降或破損后,套管內(nèi)側(cè)電阻率明顯下降。目前檢測套管內(nèi)涂層破損的方法有微電極法、單電極法[7-9]和交變電壓源供電測量[10]等,這些檢測方法的測量電極基本都安裝在外凸支撐臂上,測井作業(yè)有一定的風(fēng)險(xiǎn),不利于提高測井成功率。

本文開發(fā)出一種交變恒流源供電測量套管內(nèi)涂層破損的方法。把交變恒流源施加在儀器發(fā)射探頭和儀器上部鋼殼(回路電極)之間,儀器上部鋼殼通過電纜外鎧后在地面與套管短接,通過測量發(fā)射探頭與儀器鋼殼之間的電壓,來判斷套管內(nèi)涂層破損程度;同時(shí)測量套管內(nèi)井液的電阻率,根據(jù)井液電阻率的大小自動(dòng)設(shè)置恒流源電流。為驗(yàn)證方法的有效性,制作發(fā)射探頭模型,進(jìn)行室內(nèi)模擬測量,選用1.25、4.30、50.00 g/L的3種不同井液濃度的氯化鈉溶液進(jìn)行模擬測量,實(shí)驗(yàn)都得到了良好的測量效果;對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出儀器制造要點(diǎn)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,把發(fā)射探頭直接安裝在儀器本體上,使儀器整體表面沒有凸出部分,降低測井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1 儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1。儀器下端殼體使用聚醚酮樹脂(PEK)工程塑料,PEK是一種特種工程塑料,它的硬度、抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐磨性能都比較好,可以承受井下高溫,耐油、防腐蝕性強(qiáng),耐強(qiáng)弱酸堿等腐蝕液體和氣體,絕緣性能優(yōu)良。

測量套管內(nèi)涂層的4個(gè)發(fā)射探頭周向均勻分布在儀器下端PEK外殼上,通過螺紋安裝在圖1所示的發(fā)射探頭孔內(nèi),發(fā)射探頭和測量井液電阻率的連線通過皮囊下端密封塞進(jìn)入皮囊PEK接頭,連接在承壓盤(鋼體)的密封插針上,進(jìn)入承壓盤后通過航空插頭連接到儀器線路骨架上,承壓盤和皮囊下接頭之間腔體內(nèi)充填起平衡作用的硅油;使用PEK材料的主要目的是,確保發(fā)射探頭的發(fā)射電流在沿著儀器周圍井液或破損套管流到上部儀器鋼體外殼(回路電極)的過程中沒有分流,確保測量的信號(hào)真實(shí)有效。

圖1 儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

井液電阻率的測量探頭安裝在儀器PEK殼體最下端,探頭內(nèi)安裝的7個(gè)電極均勻分布,用來測量井液電阻率;井液電阻率的探頭上端3個(gè)井液窗口均勻分布在儀器外周,可實(shí)現(xiàn)井液電阻率探頭內(nèi)的液體和井內(nèi)液體互通;測量井內(nèi)液體的電阻率,儀器可根據(jù)測得的井液電阻率大小調(diào)節(jié)涂層發(fā)射探頭的恒流源電流,確保儀器在不同井液礦化度時(shí),測量信號(hào)最大化;在處理測量數(shù)據(jù)時(shí),可以根據(jù)井液電阻率的大小,提取有效數(shù)據(jù),進(jìn)一步提高儀器分辨套管涂層破損的能力。

2 室內(nèi)模擬測量發(fā)射探頭模型

2.1 測量原理

室內(nèi)模擬測量發(fā)射探頭模型的測量原理見圖2。在儀器A、B兩點(diǎn)間施加恒流源,C點(diǎn)為破損點(diǎn)。當(dāng)儀器向左移動(dòng),B點(diǎn)未到C點(diǎn)時(shí),電流從A點(diǎn)通過井液到B點(diǎn),設(shè)VAB為發(fā)射探頭到回路電極的電壓值,R為A、B兩點(diǎn)之間的阻抗,I為恒流大小,根據(jù)歐姆定律VAB=IR。當(dāng)B點(diǎn)經(jīng)過破損點(diǎn)C點(diǎn)后,A點(diǎn)發(fā)出的電流從C點(diǎn)分為2路,一路通過井液到達(dá)B點(diǎn);另一路通過套管破損點(diǎn)及測井電纜外鎧到B點(diǎn),C點(diǎn)的電阻R破由C點(diǎn)的破損面積決定(套管的體電阻很小,可忽略),VAB=I(R井液∥R破),當(dāng)儀器A點(diǎn)越接近C點(diǎn),測量電壓VAB越小,當(dāng)A、B兩點(diǎn)到達(dá)A′、B′時(shí),VAB最低。儀器通過C點(diǎn)后VAB逐漸上升,比較儀器B點(diǎn)未到C點(diǎn)時(shí)的VAB值與A點(diǎn)經(jīng)過C點(diǎn)時(shí)的VAB值,可以判斷破損點(diǎn)的情況。

2.2 模擬測量模型

構(gòu)建模擬測量模型時(shí),由于測量條件所限,將模擬測量模型與實(shí)際測井環(huán)境內(nèi)外倒置,由于套管內(nèi)側(cè)涂層破損后,測量的電阻率大小主要由破損的面積決定,而套管均為鋼體材料,電阻率很小,因此,可以忽略內(nèi)外倒置產(chǎn)生的測量影響;由于4個(gè)發(fā)射探頭的供電各自獨(dú)立,模型的發(fā)射探頭對(duì)稱分布在儀器外周,如果儀器未居中,某個(gè)方向的發(fā)射探頭測量信號(hào)小,對(duì)面發(fā)射探頭的測量信號(hào)相應(yīng)增加,4道信號(hào)測量數(shù)值總和基本不變,對(duì)測量結(jié)果影響不大。

模型外殼選用直徑分別為40、50、70 mm的PVC管,其下端用絕緣材料封堵,模型中間放置普通圓形鋼管模擬套管,鋼管外表用絕緣收縮管收緊,下端同樣用絕緣材料封堵;在包著收縮管的4根鋼管上進(jìn)行局部切割,切去面積分別為1、4、9、25 mm2的收縮管,來模擬涂層破損面積,破損點(diǎn)到鋼管底部的距離大于發(fā)射探頭到回路電極之間的距離;用PVC管制作模擬測量骨架,骨架上安裝模擬供電發(fā)射探頭和回路電極,回路電極與鋼管用導(dǎo)線短接,回路電極與模擬供電發(fā)射探頭的距離可以調(diào)節(jié)。

模擬測量時(shí),在PVC管內(nèi)注入已知濃度的氯化鈉溶液,供電后先測量模擬骨架移動(dòng)前發(fā)射探頭和回路電極的電壓值,移動(dòng)模擬骨架通過破損點(diǎn),測量發(fā)射探頭和電極回路的電壓值,這兩者之間的差值一方面可以指示破損位置,另一方面可以粗略反映破損面積的大小;更換不同濃度的氯化鈉溶液,調(diào)節(jié)發(fā)射探頭與供電回路之間的距離,反復(fù)測量,分析數(shù)據(jù)后可以得出制作涂層測量儀器的最佳方案。室內(nèi)模擬測量模型見圖3。

圖3 模擬測量模型

3 電路設(shè)計(jì)

由于油田產(chǎn)液井與注水井的井液電阻率不同,各個(gè)區(qū)塊井群內(nèi)井液電阻率也不同,為得到最佳測量結(jié)果,將根據(jù)井液電阻率的測量結(jié)果確定不同井的恒流供電大小。測量時(shí)把不同井液的礦化度分為1.25、4.30、50.00 g/L這3個(gè)檔次,不同礦化度的井液儀器恒流源輸出不同,保證測量信號(hào)在不限幅的情況下最大化。電路主要分為電源及恒流供電部分、隔離電路和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分、測量控制和數(shù)據(jù)傳輸部分(見圖4)。

圖4 電路框圖

3.1 電源及恒流供電部分

儀器線路供電電源由DC/DC模塊實(shí)現(xiàn),產(chǎn)生3組相互隔離的低壓電源供儀器使用。供電后激勵(lì)信號(hào)單元產(chǎn)生一個(gè)正弦交變信號(hào),分別供給恒流控制單元、發(fā)射探頭恒流源單元和井液電阻率測量單元,井液電阻率測量單元供電電流恒定不變。CPU在上電初始,先測量井液電阻率的大小,再給恒流控制單元提供一個(gè)控制信號(hào),改變發(fā)射探頭恒流輸出大小,使測量電路在不同礦化度井內(nèi)采集的信號(hào)大小合適,數(shù)據(jù)可靠。實(shí)驗(yàn)選用濃度為1.25、4.30、50.00 g/L的氯化鈉溶液進(jìn)行測量,根據(jù)3種不同濃度溶液選擇相應(yīng)的恒流電流。

3.2 隔離電路及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分

隔離電路的功能是將發(fā)射探頭電路與后一級(jí)轉(zhuǎn)換電路隔離,防止井筒漏電或其他較大的干擾源進(jìn)入轉(zhuǎn)換電路,導(dǎo)致電路損壞。測量VAB電壓值作為反映涂層破損的信號(hào),經(jīng)過隔離電路后進(jìn)入AC/DC轉(zhuǎn)換電路,AC/DC變換電路把測量的交變信號(hào)VAB變換為直流信號(hào),送入A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路為12位串行A/D轉(zhuǎn)換器,采集到的5道信號(hào)分時(shí)序傳入CPU并儲(chǔ)存。

3.3 測量控制和數(shù)據(jù)傳輸部分

CPU在供電后,先測量井液電阻率的數(shù)值,根據(jù)井液電阻率的大小,調(diào)節(jié)發(fā)射探頭恒流源輸出電流的大小;提供A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,控制A/D轉(zhuǎn)換的次序,把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)加上地址位后送到現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA);FPGA完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)到曼徹斯特碼的編碼工作,通過驅(qū)動(dòng)電路和耦合電路上傳至遙傳。

4 模擬測量及結(jié)果分析

4.1 測量過程

對(duì)不同濃度的氯化鈉溶液施加不同的恒流電流,調(diào)節(jié)發(fā)射探頭到回路電極之間間距分別為10、20、30 cm。更換不同直徑的PVC管,依次記錄骨架上測量探頭經(jīng)過破損點(diǎn)前后的電壓值,計(jì)算4個(gè)探頭經(jīng)過破損點(diǎn)前后電壓平均值的差值,匯總后得到圖5。

圖5 3種溶液濃度下的測量數(shù)據(jù)

圖5為模型在3種不同濃度氯化鈉溶液、3種不同直徑PVC管徑中、測量3種發(fā)射探頭到回路電極間距的數(shù)據(jù),經(jīng)過計(jì)算后得到的未破損與破損后之間的差值。表1為在直徑40 mm PVC管內(nèi)3種不同濃度的氯化鈉溶液中,模擬涂層完好、涂層破損和無涂層的測量數(shù)據(jù),驗(yàn)證了儀器設(shè)計(jì)思路有效。

表1 模擬套管完好、破損和無涂層測量結(jié)果

4.2 測量結(jié)果分析

由圖5可見,當(dāng)裝載氯化鈉溶液的PVC管直徑較小(40 mm)時(shí),測量得到未破損與破損后之間的差值均大于大直徑PVC管中的測量數(shù)據(jù)。小直徑的PVC管在裝入溶液后,發(fā)射探頭與回路電極間的溶液阻抗比大直徑PVC管內(nèi)氯化鈉溶液阻抗大。由于破損點(diǎn)到回路電極的阻抗和氯化鈉溶液阻抗是并聯(lián)關(guān)系,破損點(diǎn)的阻抗變化能引起總阻抗較大的變化,采集的信號(hào)變化明顯。而發(fā)射探頭與回路電極之間的距離變大,提高了信號(hào)變化程度,得到的信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)。但是信號(hào)增強(qiáng)后,如果不改變恒流電流大小,在高電阻率的氯化鈉溶液里,會(huì)引起信號(hào)限幅,使得采集的信號(hào)差值變小,所以根據(jù)氯化鈉溶液濃度的不同,改變恒流源的輸出電流,使信號(hào)在不限幅的情況下,儀器獲得較大響應(yīng)。

表1中,鋼管下部用收縮管全部密封,模擬套管未破損;鋼管中部的收縮管存在幾個(gè)較大的破損點(diǎn),模擬套管破損;鋼管的上部沒有收縮管,模擬無涂層。使用的PVC管直徑為40 mm,在3種不同濃度氯化鈉溶液內(nèi),改變恒流源輸出電流后,得到的測量數(shù)據(jù)見表1,涂層完好位置的測量數(shù)值遠(yuǎn)大于涂層完全破損和部分涂層破損位置的數(shù)值。

綜上分析得到:①通過測量氯化鈉溶液的電阻率,對(duì)不同濃度的氯化鈉溶液采取不同的恒流供電電流,得到的測量數(shù)值響應(yīng)良好;②發(fā)射探頭與回路電極的距離越大,儀器響應(yīng)越大;③在同一種溶液濃度的容器內(nèi),測量儀器與容器之間的間隙越小,得到的測量信號(hào)就越大。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)油田套管內(nèi)涂層破損情況的檢測問題,采用把激勵(lì)電極安裝在儀器的外殼上,其表面無凸出電極,降低了測井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),提高了測井成功率。使用PEK材料制作儀器外殼,恒流供電不會(huì)分流,測量的信號(hào)真實(shí)有效。

(2)將模擬測量模型與實(shí)際測井環(huán)境內(nèi)外倒置,制作了模擬測量模型,使試驗(yàn)在室內(nèi)可以進(jìn)行,模型的操作簡單有效,節(jié)約時(shí)間和成本。

(3)在電路設(shè)計(jì)上,采用先測量井液電阻率,根據(jù)測量的井液電阻率,給探頭提供合適的恒流供電電流,獲得的測量信號(hào)較大,提高了儀器分辨破損的能力。

(4)從模擬測量數(shù)據(jù)和理論分析來看,儀器根據(jù)不同井內(nèi)的井液電阻率設(shè)置恒流源輸出大小,降低儀器外徑與套管之間的間隙,合理調(diào)節(jié)發(fā)射探頭與回路電極的距離,可以增加儀器的測量分辨率。另外,得到的測量數(shù)據(jù)不僅能明確地指示出破損點(diǎn),一定程度上也可以反映破損面積的大小,該方法能進(jìn)一步滿足套管涂層破損的檢測要求。