概述
规划布景与含义
油气田套管损坏（以下简称套损）问题是石油开发到必定时期遇到的遍及技能难题，国表里各油田均遭到该问题的困扰。跟着高压注采、超高压压裂等各种增产办法的使用和油田开发时刻的增加、泥岩吸水蠕变、岩层滑动、油层出砂、油田开发过程中断层复生、射孔、天然地震、油层压实等原因，各油田油水井套管损坏问题将会越来越严峻。
我国各大油田油井损害十分严峻，大庆油田1997年套管损坏576口井， 2001年套损井超越700口，整个油田已累计损坏超越8000口井，到2003年4月，胜利油田共有套损井5400多口。
套损井的很多存在，不仅是固定资产的搁置糟蹋，还会导致地层压降逐步加大，储量操控程度变差，然后形成油田水驱储量、可采储量不同程度的丢失，因而，套损井是限制油田稳产的瓶颈问题，展开套损防备与管理技能的研讨使用，澄清杂乱地层套损机理，寻求相应的防备办法，延伸套管使用寿命是现在国际各套损井油气田迫切需求处理的课题之一，对进步老油田全体开发效益具有重要含义。在这样的环境下，测井就显示出来重要的效果，被列为石油职业十大学科之一。
现在用于套管检测的工程测井仪的办法较多，包含井径仪、超声波成像仪及电磁检测仪等。其间井径仪对仪器居中要求很高，偏疼会导致丈量误差，并且该仪器关于套管严峻错断的井不适用；超声波法受钻井液影响比较大，假如钻井液密度较大，则声波衰减严峻，影响检测精度，检测前有必要进行洗井和替换钻井液，增加了劳动强度。而电磁检测仪是依据电磁原理给出套管完好度的点评，它不受井内液体、套管积垢、结蜡以及井壁附着物的影响，且丈量精度比较高。
俄罗斯多层管柱电磁探伤成像测井仪MID－K便是使用电磁理论进行探伤的。在国内，针对电磁探伤的研讨也是一个热门，可是大部分都是集中于理论研讨，所规划的电磁探伤测井体系的功用和检测精度还不是很好，因而咱们想依据PIC32 32位单片机规划一个高功用和检测精度的电磁探伤测井体系。
瞬变电磁法套管检测基本原理
瞬变电磁法又称时刻域电磁法，它是依据电磁感应理论向发射线圈中通以双极性直流脉冲，当发射线圈中的电流发生改动时，必将在其周围发生磁场，该磁场称为一次磁场。
依据导体中的电磁浸透理论，其磁力线穿过油管进入套管，在油管和套管中别离发生感应电流
和
（如图 1所示）。在直流电脉冲完毕后，二次磁场在接纳线圈中发生感应电动势
。若套管或许油管存在裂缝特别是纵向裂缝时，将部分或悉数堵截感应电流和的通路，这将削减感应电动势的衰减时刻。
图 1 探头检测原理示意图
数学模型
用图 2所示的包含等效电感Lc和等效电阻Rc的单匝环路来等效感应电流环路，两者具有类似的规则
图 2 有限导体的等效回路示意图
其间，emf为感应电动势，
为感应电流，
为管柱的等效电阻，
为管柱的等效电感。假定等效回路堵截一次场的磁通量为
，则等效回路的瞬态方程为：
（1）
即
（2）
其间
为等效时刻常数。
解微分方程(1)或(2)，得到瞬态电流方程为：
（3）
因为在实践作业中鼓励源波形在线圈中发生改动，发射波形多为斜阶跃波。假定
为斜阶跃改动的场，
为双极性直流脉冲的关断时刻，那么，磁通将在
时刻内从
敏捷减小到零，关于
就可以表明为：
（4）
依据法拉第电磁感应定律，在等效回路中发生的感应电动势由
给出，因而可以得到等效回路中感应电流表达式为：
（5）
由式（5）得到一次场脉冲间歇期间（
）观测到的感应电压为
（6）
在
的情况下
（7）
式中
和
别离为发射线圈与等效回路、等效回路与接纳线圈之间的互感系数，它们与发射线圈、接纳线圈与管柱之间相对方位、管柱的几许形状有关，当线圈及管柱确认今后，该参数视为常数；接纳线圈的感应电动势与管柱的阻抗
和
有关，而阻抗
和
又是由管柱的几许形状、内径、外径、电导率以及磁导率等参数所确认的，然后可以在接纳线圈中感应电动势与上述参数之间树立一种函数联系，通过接纳线圈的感应电动势来判别管柱的几许形状、巨细和电磁参数的改动，这亦是使用瞬变电磁法对管柱进行检测的原理。
信号的衰减特性
由公式（7）可以看出，接纳到的感生电动势近似于指数衰减曲线。且依据电磁理论，钢管的厚度越大，感应电动势的衰减就缓慢，反之，感应电动势的衰减就较快。在感应电动势的衰减过程中，较小的时问段首要表明内管的改动，较大的时刻段首要表明外管的改动，选用这种办法可以把表里管的影响区别开，这一点已从理论和试验两个方面给出了证明和验证。
在瞬变电磁法检测时，管柱上使用接纳线圈观测到的感应电压的反常起伏衰减速度很大程度上决定于管柱的时刻常数
值。在
值较大的情况下，虽然初始呼应的幅值并不是很大，但信号的衰减适当缓慢，典型的衰减时刻规模从100us至20ms，跨过近二个级次。在这么宽的时刻规模内，信号衰减的规则如图 3所示，在前期，信号幅值高并且衰减速度很快；在晚期的信号很弱，衰减速度却慢的多。关于同一个观测信号而言，从前期到晚期的信号幅值从几伏变到几十微伏，此大的动态规模内的信号一般都要求精确测定。
图 3 瞬变电磁信号采样示意图
如此看来，瞬变信号在早、中、晚期的衰减速度不同适当大。为了在很宽的时刻规模内不失真地精确确认瞬变衰减特性，除了在满足宽的时刻规模内有必要有满足的采样点外，各采样点之间的距离及采样门宽应随观测点不同而有所改动。如图1.3所示，在前期，信号幅值高并且衰减速度快，因而采样时刻距离及门宽都有必要适当窄才干确保足以精确地分辩信号的衰减特性；在晚期，采样距离及门宽应增大，以习惯弱信号衰变慢的特性。
此外，为了确保采样的精确性，有必要对早、中、晚期进行不同倍数的扩大，以习惯衰减曲线动态规模差异大的特色。
体系计划
体系架构图
图 4 体系框图
体系首要包含Microchip公司的微操控器PIC32MX7F512L ，MOSFET驱动模块IR2110，多路模仿开关HI-201，CAN收发器芯片CTM8251A，以及双极性模数转化器AD7894。
体系完成功用
坐落井下的PIC32单片机通过MOSFET驱动模块在发射线圈中发生双极性方波，使得接纳线圈因为电磁感应发生衰减感应电动势，单片机操控多路开关和可变增益扩大电路，对不一起期的衰减曲线挑选不同扩大倍数和采样频率进行采样，将采样数据和温度等辅佐信息封装成帧，通过CAN总线与PC终端通讯，并终究在PC的用户界面上制作测井曲线和井壁厚度谱。
以上述理论为根底，在实践使用中通过测得感生曲线，曲线衰减越快且划分为前期中期和晚期等三段曲线，用迭代的算法制作前期和晚期的测井曲线，即可将不同层管柱的损害分离出来。这便是运用电磁法对多层管柱探伤的原理。
硬件电路的规划
电源规划
电源体系包含井上和井下两部分。井下仪器需求的电源包含P%&&&&&%32单片机作业需求的+3.3V电源，运放OP07、驱动芯片IRS2110等需求的±15V电源，驱动IGBT的+12V驱动电源，以及双极性模数转化器AD7894需求的作业电压5V和高精度基准电压2.5V。
电源体系结构
电磁探伤测井仪的电源体系结构如图 9。该电源体系由地上变压器、直流稳压电路以及多个DC/DC电压转化电路组成。其间地上变压器的效果是将220V沟通电转化为15V沟通电，然后再通过直流稳压电路转化为直流电。通过电缆将直流电送至井下，在井下通过DC/DC变压转化电路输出井下仪器需求的12V、3.3V、±15V、5V、2.5V等电压。
图 5 电源体系结构框图
直流稳压电路
本电源体系的直流稳压电路如图 6所示，T1为15V双向变压器，输出有效值为正负15V的沟通电，通过整流桥2W10整流后，再由π型网络滤波，输出20V左右的直流电。其间在整流桥的每个二极管两头都并联了一个0.1u的电容，可以很好地吸收二极管的开关噪声，削减后级电路对前级电路的搅扰，留意电容的耐压值需大于变压器输出的电压峰值的2倍以上，且有必要为瓷片电容。在π型滤波电路中，电容的耐压值也为输入电压的2倍，且%&&&&&%值较大，沟通成分可以较好地被滤掉，输出电压比较滑润。
图 6 变压器和直流稳压电路
正负15V电压转化电路
运放OP07、IRS2110等芯片的作业电压为±15V，使用7815和7915三端稳压芯片可以完成，如图 7所示。其间二极管1N4001起到维护电路的效果。
图 7 正负15V电压转化电路
12V、3.3V电压转化电路
12V为MOSFET管IRF630N的敞开作业电压。如图 8所示。
图 8 12V、3.3V电压转化电路
5V、2.5V精细基准电压转化电路
AD7894是ADI公司的14Bits双极性模数转化器，采样时需求一个高精度的2.5V基准电压，而一般的稳压芯片未能供给如此高精度的输出。咱们挑选的是摩托罗拉公司的低电压基准MC1403芯片，MC1403的输出电压动摇在25mV以内，可以到达1%的精度，且使用电路简略，性价比高。如图 14所示为精细基准电压转化电路。
图 9 2.5V精细基准电压转化电路
发射机模块
双极性脉冲发生原理
依据上述原理，依据瞬变电磁法(TEM)进行电磁探伤,有必要在发射线圈中双极性电流脉冲作为鼓励,这可由全桥电路发生完成，如图 10所示:
图 10 双极性脉冲发生电路
当S1，S4敞开，S2，S3断开时,负载发射线圈两头电压为+U,发生双极性方波的正1/4周期波形；当S2，S3敞开，S1，S4断开时,负载发射线圈两头电压为-U,发生双极性方波的负1/4周期波形。
故可通过操控开关周期性地敞开和断开，来取得双极性脉冲。其抱负波形如图 11所示。
图 11 全桥电路发生的抱负波形
假定采样距离为1cm，测井速度为144m/h，则一个丈量周期T = 1cm/(4cm/s) = 250ms。因而，咱们将每段脉冲宽度定为125ms。
发射机模块的完成
四路单刀单掷应该具有敞开/关断牢靠，推迟小，驱动电路简略的特色，一起具有必定的功耗特性。归纳以上各点考虑，咱们选用IR公司的小功率MOSFET管IRF630N。
相应的驱动芯片咱们选用同是IR公司的IRS2110。其为高速双通道电压型开关驱动器，装备简略，只需2块芯片就能驱动整个全桥电路，节省本钱。
