专利名称：油水井套管应力检测仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种油田工程用检测仪器，尤其是一种预测油水井套管应力损坏的检测探头以及基于该探头制造的检测仪器。
本实用新型的目的是这样实现的一种油水井套管应力检测仪器，它包括探头和检测控制仪器，其中，探头至少包括一能够产生交变磁场的带有激励线圈的铁芯，铁芯磁场内设有检测巴克豪森磁躁的感应线圈，铁芯和线圈设置在探头极板上，构成巴克豪森效应(Magnetic Barkhausen Noise)MBN探头，即，可为MBN探头或MAE探头或者为MBN探头与MAE探头结合的。该探头放在套管内设置在待测件上，探头的激励线圈的输入以及探头感应的输出接检测控制仪器的接口。
所述的探头还包括一能够检测磁声发射的压电晶体传感器，该压电晶体传感器设置在探头极板上，为磁声发射效应(Magneto acoustic emisson)MAE探头。
所述的巴克豪森效应探头和磁声发射效应探头为单独设置或一体设置。
套管应力检测探头为一个以上，采用推靠臂机构顶触在套管的内壁，探头可为正交分布。
检测控制仪器包括探头线圈激励电路、信号采集模拟放大电路、中央控制装置CPU，其中信号采集模拟放大电路接CPU的输入端，CPU输出控制端接线圈激励电路。CPU输出端接有显示器，输入端接键盘，通信口接远程系统。信号采集模拟放大电路由前置放大、多路滤波以及模数转换电路构成。CPU控制端的输出信号合成自动增益反馈电路的信号，再接探头激励线圈。
自动增益反馈电路由探头本体的传感信号反馈电路以及调节控制电路构成。
本实用新型能够在套管发生损坏之前通过对套管所受应力的检测，发现地下异常应力集中部位，在将要发生套损的区域，通过及时调整注水、采油方案，使异常的应力得到释放，从而避免套损的发生，能够节约大量的修井和重新钻井的资金。
图2为本实用新型的探头内部结构示意图；图3为本实用新型的探头设置在套管内的结构示意图；图4为本实用新型的电路构成框图。
铁磁材料具有磁畴结构，其磁化方向为易磁化轴方向。根据能量最小原理，磁畴的稳定结构总是趋向能量最小的状态。在外磁场的作用下磁化时，磁畴壁位移或畴转动，使畴壁趋向外磁场的畴扩大，反向的畴缩小。畴壁位移过程需不断克服材料内部存在的不均匀应力、杂质、空气等因素造成的势能垒，因而为非连续的，跳跃式的不可逆运动，表现在
图1所示的磁化曲线和磁滞回线最陡区域为阶梯式跳跃性变化。如将一导体线圈置于材料表面，加一交变磁场，则磁畴壁的不可逆跳跃将在线圈内感应一系列电压脉冲信号，放大后可听到沙沙之声，称磁噪声。这一现象是德国物理学家Barkhausen发现的，称巴克豪森效应，磁噪音简称MBN。
同时，铁磁材料具有磁致伸缩效应，且磁致伸缩系数是各向异性的。当畴壁进行巴克豪森跳跃时，会产生体积应变，蓄积的能量将以弹性波的形式释放出来，若把一压电晶体传感器置于交变磁场的样品表面，即可检测到一系列的声脉冲所激励的信号，称为磁声发射，简称MAE。每一巴氏跳跃所激起的MAE电压脉冲幅值可表示为V＝C·Δε·I·ΔV/τ，式中C为系数，Δε为畴壁移动体积ΔV的应变张量，τ为持续的时间。理论分析表明，180°畴壁的不可逆位移不产生磁应变，因而无MAE，90°畴壁的不可逆跳跃是产生MAE的主要源。对于MBN，180°畴壁的不可逆位移是主要源，90°畴壁的不可逆位移和转动产生较弱的MBN信号。
材料的应力状态直接影响畴壁不可逆位移和易磁化方向上的钉扎，应力与磁畴相互作用产生附加的磁弹性能。对具有正磁滞伸缩效应的钢铁材料来说，拉应力是180°畴增大，90°畴和其它类型的畴缩小，因而在磁化方向上拉应力导致MBN信号增强，MAE信号减弱。而压应力效应正好相反，MBN随压力增大而减弱，MAE则增强。
本实用新型的套管应力检测探头正是利用了磁声发射效应MAE和巴克豪森效应MBN与应力的关系，通过检测MAE和MBN信号得到套管的应力状态。
具体结构如图2、3、4所示，本实用新型提供了一种油水井套管应力检测探头以及依据该探头而构成的检测仪器。其中探头可为MBN探头11或MAE探头12，或者MBN探头11与MAE探头12结合的探头1，可独立或一体地固设在探头极板2上。巴克豪森效应MBN探头11为带有激励线圈14的铁芯13，产生磁场，感应线圈11感应套管3内壁应力的变化，产生磁噪声信号；磁声发射效应MAE探头12为压电晶体传感器，能够检测磁声发射。探头1放在套管3内，采用推靠臂机构4顶触在套管3的内壁。通常套管3内的探头1为一个或多个，探头1可为正交分布。探头1的激励线圈14的输入以及探头感应的输出接检测控制仪器的接口。
这样，套管应力检测采用类似于四臂井径的推靠测量方式，在四只推靠臂上都装有本实用新型的磁弹性传感器探头，如在仪器上同时装有方位测井仪，可同时获得2条井径曲线、8条磁弹性曲线、1条方位曲线，通过对采集信号进行相应的处理分析可以得出套管变形形态和最大主应力的大小和方向。
因此，本实用新型将巴克豪森效应和磁声发射效应结合于一体，充分运用了两者的如下特点随拉应力的增大MBN增强，MAE则减弱，因此，MBN对拉应力变化敏感，而MAE则对压应力敏感；MBN的检测信号受趋肤效应制约，对给定的材料其检测深度由信号频段决定，而MAE信号不受趋肤效应的影响，其检测深度较大；MAE的原信号作为弹性波，其传播特征与材料的形状和尺寸有关，而MBN则与此无关。
本实用新型的仪器用于根据上述探头的检测信号，自动计算、存储探头的测量结果，并通过曲线或数据将结果表示出来，或者还可通过通信口将数据传递给远程控制系统。
参见图4，本实用新型仪器的构成有探头激励电路、模拟放大电路、自动增益反馈电路、控制系统。
激励电路由波形发生器和功率放大器构成，其功能是提供传感器的激励线圈以一定频率和强度的电流，以便在检测材料时产生适宜的变化磁场，磁场强弱对信号有直接的影响，磁场不能过强，否则信号趋于饱和；磁场水平过低，则信号太弱，导致检测灵敏度恶化。因此依据实验材料的磁特性，选择相应的变化磁场，是保证仪器获得最佳灵敏度的重要条件。
模拟电路MBM和MAE由传感器接受到的信号比较弱，一般为10μV量级，信号需经前置放大器、主放大器和滤波，再送CPU进行处理。MBN滤波系统采用不同频率段的多路滤波方式，以期获得几个可供选择的检测厚度。因为根据趋肤效应理论，有效检测深度(d)是由材料的电导率(ρ)、磁导率(μ)以及信号的频率(f)决定的，其d=ρ/πμf]]>，根据检测材料的电导率、磁导率，设计的不同的频率，则相应的检测深度可由浅入深。
由于MAE为弹性波，其检测深度与信号频率关系不大，只与激励低频有关，所以检测深度大，在电路设计中采用窄带滤波方式。两个模拟电路系统，采用多种措施抑制噪音和提高抗干扰能力，旨在保证系统具有良好的信噪比。
自动增益反馈电路为了消除检测材料几何尺寸对磁场的影响，采用了闭环电压负反馈控制电路，实现对信号幅度的自动调节。反馈线圈获取与磁化漏磁通量成正比的磁感应电压信号，经放大、精整、滤波等，在控制电路与CPU送来的设定磁场电压信号合成，再送至乘法器电路中与波形发生器输出的激磁波形信号相乘，最后经功率放大器输送给激励线圈，从而实现激励磁场场强的自动控制。
控制系统有双CPU构成，其功能是对信号进行自动采样、处理、显示和对磁化场进行调节。信号的信息是通过对多个峰值取加权平均的方法获得的。仪器可存储多种套管材料的标准试验曲线，藉此可自动显示检测应力的绝对值。
本实用新型采用磁弹性探头制造的测井仪器，能够检测油、水井套管应力状态，预测套损发生部位。按年测井500口，单井收费2.5万元，可获1250万元的经济效益，按减少套损井500口，单井节约修井费用10万元，可为油田节约3750万元。
权利要求1.一种油水井套管应力检测仪器，它包括探头和检测控制仪器，其特征在于探头至少包括一能够产生交变磁场的带有激励线圈的铁芯，铁芯磁场内设有检测巴克豪森磁躁的感应线圈构成巴克豪森磁躁探头，其设置在探头极板上；探头放在套管内，探头激励线圈的输入以及探头信号的输出接检测控制仪器的接口。
2.根据权利要求1所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于所述的探头还包括一能够检测磁声发射的压电晶体传感器构成磁声发射效应探头，该探头设置在探头极板上。
3.根据权利要求1或2所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于所述的探头单独设置或一体设置。
4.根据权利要求1所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于套管内的探头为一个或多个，采用推靠臂机构顶触在套管的内壁，多个探头可为正交分布。
5.根据权利要求4所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于检测控制仪器包括探头线圈激励电路、信号采集模拟放大电路、中央控制装置CPU，其中信号采集模拟放大电路接CPU的输入端，CPU输出控制端接线圈激励电路。
6.根据权利要求5所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于CPU输出端接有显示器，输入端接键盘，通信口接远程系统。
7.根据权利要求5所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于信号采集模拟放大电路由前置放大、多路滤波以及模数转换电路构成。
8.根据权利要求5所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于CPU控制端的输出信号合成自动增益反馈电路的信号，再接探头激励线圈。
9.根据权利要求5所述的油水井套管应力检测仪器，其特征在于自动增益反馈电路由探头本体的传感信号反馈电路以及调节控制电路构成。
专利摘要一种油水井套管应力检测仪器，它包括探头和检测控制仪器。其中，探头至少包括一能够产生交变磁场的带有激励线圈的铁芯，铁芯磁场内设有检测巴克豪森磁躁的感应线圈构成巴克豪森磁躁探头，其设置在探头极板上；还包括一能够检测磁声发射的压电晶体传感器构成磁声发射效应探头，该探头设置在探头极板上。探头放在套管内，采用推靠臂机构顶触在套管的内壁。通常套管内的探头为一个或多个，多个探头可为正交分布。探头的激励线圈的输入以及探头信号的输出接检测控制仪器的接口。本实用新型能够对套管的受力状态进行检测，通过对测得的应力曲线进行分析，能够预测套管损坏将要发生的部位。
文档编号G01L1/12GK2550741SQ0220076
公开日2003年5月14日 申请日期2002年1月16日 优先权日2002年1月16日
发明者周波, 陶果 申请人:石油大学(北京)