專利名稱：油水井套管應力檢測儀器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種油田工程用檢測儀器，尤其是一種預測油水井套管應力損壞的檢測探頭以及基于該探頭制造的檢測儀器。
本實用新型的目的是這樣實現的一種油水井套管應力檢測儀器，它包括探頭和檢測控制儀器，其中，探頭至少包括一能夠產生交變磁場的帶有激勵線圈的鐵芯，鐵芯磁場內設有檢測巴克豪森磁躁的感應線圈，鐵芯和線圈設置在探頭極板上，構成巴克豪森效應(Magnetic Barkhausen Noise)MBN探頭，即，可為MBN探頭或MAE探頭或者為MBN探頭與MAE探頭結合的。該探頭放在套管內設置在待測件上，探頭的激勵線圈的輸入以及探頭感應的輸出接檢測控制儀器的接口。
所述的探頭還包括一能夠檢測磁聲發射的壓電晶體傳感器，該壓電晶體傳感器設置在探頭極板上，為磁聲發射效應(Magneto acoustic emisson)MAE探頭。
所述的巴克豪森效應探頭和磁聲發射效應探頭為單獨設置或一體設置。
套管應力檢測探頭為一個以上，采用推靠臂機構頂觸在套管的內壁，探頭可為正交分布。
檢測控制儀器包括探頭線圈激勵電路、信號采集模擬放大電路、中央控制裝置CPU，其中信號采集模擬放大電路接CPU的輸入端，CPU輸出控制端接線圈激勵電路。CPU輸出端接有顯示器，輸入端接鍵盤，通信口接遠程系統。信號采集模擬放大電路由前置放大、多路濾波以及模數轉換電路構成。CPU控制端的輸出信號合成自動增益反饋電路的信號，再接探頭激勵線圈。
自動增益反饋電路由探頭本體的傳感信號反饋電路以及調節控制電路構成。
本實用新型能夠在套管發生損壞之前通過對套管所受應力的檢測，發現地下異常應力集中部位，在將要發生套損的區域，通過及時調整注水、采油方案，使異常的應力得到釋放，從而避免套損的發生，能夠節約大量的修井和重新鉆井的資金。
圖2為本實用新型的探頭內部結構示意圖；圖3為本實用新型的探頭設置在套管內的結構示意圖；圖4為本實用新型的電路構成框圖。
鐵磁材料具有磁疇結構，其磁化方向為易磁化軸方向。根據能量最小原理，磁疇的穩定結構總是趨向能量最小的狀態。在外磁場的作用下磁化時，磁疇壁位移或疇轉動，使疇壁趨向外磁場的疇擴大，反向的疇縮小。疇壁位移過程需不斷克服材料內部存在的不均勻應力、雜質、空氣等因素造成的勢能壘，因而為非連續的，跳躍式的不可逆運動，表現在

圖1所示的磁化曲線和磁滯回線最陡區域為階梯式跳躍性變化。如將一導體線圈置于材料表面，加一交變磁場，則磁疇壁的不可逆跳躍將在線圈內感應一系列電壓脈沖信號，放大后可聽到沙沙之聲，稱磁噪聲。這一現象是德國物理學家Barkhausen發現的，稱巴克豪森效應，磁噪音簡稱MBN。
同時，鐵磁材料具有磁致伸縮效應，且磁致伸縮系數是各向異性的。當疇壁進行巴克豪森跳躍時，會產生體積應變，蓄積的能量將以彈性波的形式釋放出來，若把一壓電晶體傳感器置于交變磁場的樣品表面，即可檢測到一系列的聲脈沖所激勵的信號，稱為磁聲發射，簡稱MAE。每一巴氏跳躍所激起的MAE電壓脈沖幅值可表示為V＝C·Δε·I·ΔV/τ，式中C為系數，Δε為疇壁移動體積ΔV的應變張量，τ為持續的時間。理論分析表明，180°疇壁的不可逆位移不產生磁應變，因而無MAE，90°疇壁的不可逆跳躍是產生MAE的主要源。對于MBN，180°疇壁的不可逆位移是主要源，90°疇壁的不可逆位移和轉動產生較弱的MBN信號。
材料的應力狀態直接影響疇壁不可逆位移和易磁化方向上的釘扎，應力與磁疇相互作用產生附加的磁彈性能。對具有正磁滯伸縮效應的鋼鐵材料來說，拉應力是180°疇增大，90°疇和其它類型的疇縮小，因而在磁化方向上拉應力導致MBN信號增強，MAE信號減弱。而壓應力效應正好相反，MBN隨壓力增大而減弱，MAE則增強。
本實用新型的套管應力檢測探頭正是利用了磁聲發射效應MAE和巴克豪森效應MBN與應力的關系，通過檢測MAE和MBN信號得到套管的應力狀態。
具體結構如圖2、3、4所示，本實用新型提供了一種油水井套管應力檢測探頭以及依據該探頭而構成的檢測儀器。其中探頭可為MBN探頭11或MAE探頭12，或者MBN探頭11與MAE探頭12結合的探頭1，可獨立或一體地固設在探頭極板2上。巴克豪森效應MBN探頭11為帶有激勵線圈14的鐵芯13，產生磁場，感應線圈11感應套管3內壁應力的變化，產生磁噪聲信號；磁聲發射效應MAE探頭12為壓電晶體傳感器，能夠檢測磁聲發射。探頭1放在套管3內，采用推靠臂機構4頂觸在套管3的內壁。通常套管3內的探頭1為一個或多個，探頭1可為正交分布。探頭1的激勵線圈14的輸入以及探頭感應的輸出接檢測控制儀器的接口。
這樣，套管應力檢測采用類似于四臂井徑的推靠測量方式，在四只推靠臂上都裝有本實用新型的磁彈性傳感器探頭，如在儀器上同時裝有方位測井儀，可同時獲得2條井徑曲線、8條磁彈性曲線、1條方位曲線，通過對采集信號進行相應的處理分析可以得出套管變形形態和最大主應力的大小和方向。
因此，本實用新型將巴克豪森效應和磁聲發射效應結合于一體，充分運用了兩者的如下特點隨拉應力的增大MBN增強，MAE則減弱，因此，MBN對拉應力變化敏感，而MAE則對壓應力敏感；MBN的檢測信號受趨膚效應制約，對給定的材料其檢測深度由信號頻段決定，而MAE信號不受趨膚效應的影響，其檢測深度較大；MAE的原信號作為彈性波，其傳播特征與材料的形狀和尺寸有關，而MBN則與此無關。
本實用新型的儀器用于根據上述探頭的檢測信號，自動計算、存儲探頭的測量結果，并通過曲線或數據將結果表示出來，或者還可通過通信口將數據傳遞給遠程控制系統。
參見圖4，本實用新型儀器的構成有探頭激勵電路、模擬放大電路、自動增益反饋電路、控制系統。
激勵電路由波形發生器和功率放大器構成，其功能是提供傳感器的激勵線圈以一定頻率和強度的電流，以便在檢測材料時產生適宜的變化磁場，磁場強弱對信號有直接的影響，磁場不能過強，否則信號趨于飽和；磁場水平過低，則信號太弱，導致檢測靈敏度惡化。因此依據實驗材料的磁特性，選擇相應的變化磁場，是保證儀器獲得最佳靈敏度的重要條件。
模擬電路MBM和MAE由傳感器接受到的信號比較弱，一般為10μV量級，信號需經前置放大器、主放大器和濾波，再送CPU進行處理。MBN濾波系統采用不同頻率段的多路濾波方式，以期獲得幾個可供選擇的檢測厚度。因為根據趨膚效應理論，有效檢測深度(d)是由材料的電導率(ρ)、磁導率(μ)以及信號的頻率(f)決定的，其d=ρ/πμf]]>，根據檢測材料的電導率、磁導率，設計的不同的頻率，則相應的檢測深度可由淺入深。
由于MAE為彈性波，其檢測深度與信號頻率關系不大，只與激勵低頻有關，所以檢測深度大，在電路設計中采用窄帶濾波方式。兩個模擬電路系統，采用多種措施抑制噪音和提高抗干擾能力，旨在保證系統具有良好的信噪比。
自動增益反饋電路為了消除檢測材料幾何尺寸對磁場的影響，采用了閉環電壓負反饋控制電路，實現對信號幅度的自動調節。反饋線圈獲取與磁化漏磁通量成正比的磁感應電壓信號，經放大、精整、濾波等，在控制電路與CPU送來的設定磁場電壓信號合成，再送至乘法器電路中與波形發生器輸出的激磁波形信號相乘，最后經功率放大器輸送給激勵線圈，從而實現激勵磁場場強的自動控制。
控制系統有雙CPU構成，其功能是對信號進行自動采樣、處理、顯示和對磁化場進行調節。信號的信息是通過對多個峰值取加權平均的方法獲得的。儀器可存儲多種套管材料的標準試驗曲線，藉此可自動顯示檢測應力的絕對值。
本實用新型采用磁彈性探頭制造的測井儀器，能夠檢測油、水井套管應力狀態，預測套損發生部位。按年測井500口，單井收費2.5萬元，可獲1250萬元的經濟效益，按減少套損井500口，單井節約修井費用10萬元，可為油田節約3750萬元。
權利要求1.一種油水井套管應力檢測儀器，它包括探頭和檢測控制儀器，其特征在于探頭至少包括一能夠產生交變磁場的帶有激勵線圈的鐵芯，鐵芯磁場內設有檢測巴克豪森磁躁的感應線圈構成巴克豪森磁躁探頭，其設置在探頭極板上；探頭放在套管內，探頭激勵線圈的輸入以及探頭信號的輸出接檢測控制儀器的接口。
2.根據權利要求1所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于所述的探頭還包括一能夠檢測磁聲發射的壓電晶體傳感器構成磁聲發射效應探頭，該探頭設置在探頭極板上。
3.根據權利要求1或2所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于所述的探頭單獨設置或一體設置。
4.根據權利要求1所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于套管內的探頭為一個或多個，采用推靠臂機構頂觸在套管的內壁，多個探頭可為正交分布。
5.根據權利要求4所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于檢測控制儀器包括探頭線圈激勵電路、信號采集模擬放大電路、中央控制裝置CPU，其中信號采集模擬放大電路接CPU的輸入端，CPU輸出控制端接線圈激勵電路。
6.根據權利要求5所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于CPU輸出端接有顯示器，輸入端接鍵盤，通信口接遠程系統。
7.根據權利要求5所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于信號采集模擬放大電路由前置放大、多路濾波以及模數轉換電路構成。
8.根據權利要求5所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于CPU控制端的輸出信號合成自動增益反饋電路的信號，再接探頭激勵線圈。
9.根據權利要求5所述的油水井套管應力檢測儀器，其特征在于自動增益反饋電路由探頭本體的傳感信號反饋電路以及調節控制電路構成。
專利摘要一種油水井套管應力檢測儀器，它包括探頭和檢測控制儀器。其中，探頭至少包括一能夠產生交變磁場的帶有激勵線圈的鐵芯，鐵芯磁場內設有檢測巴克豪森磁躁的感應線圈構成巴克豪森磁躁探頭，其設置在探頭極板上；還包括一能夠檢測磁聲發射的壓電晶體傳感器構成磁聲發射效應探頭，該探頭設置在探頭極板上。探頭放在套管內，采用推靠臂機構頂觸在套管的內壁。通常套管內的探頭為一個或多個，多個探頭可為正交分布。探頭的激勵線圈的輸入以及探頭信號的輸出接檢測控制儀器的接口。本實用新型能夠對套管的受力狀態進行檢測，通過對測得的應力曲線進行分析，能夠預測套管損壞將要發生的部位。
文檔編號G01L1/12GK2550741SQ0220076
公開日2003年5月14日 申請日期2002年1月16日 優先權日2002年1月16日
發明者周波, 陶果 申請人:石油大學(北京)