一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法及装置

1.本发明涉及金属套管电磁测量技术领域，尤其是涉及一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法。


背景技术：

2.通过金属管道/金属套管进行的电磁测量被广泛应用于许多不同的行业，以实现不同的目的，例如，在土木和环境工程、运输、矿产、石油工业等领域测定管道性能和腐蚀；在地球物理勘探中，为了校正电磁信号，确定管道引起的电磁衰减。
3.这里描述的理论是关于通过进行过金属套管或管柱的电磁(em)测量，确定相关的套管特性和电磁信号衰减,重点是地球物理勘查中，套管引起的电磁衰减。特别是，当电磁源(如螺线管)或磁偶极子源在金属管道内部时，如何确定金属套管的特性。
4.众所周知，金属套管引起的电磁衰减与套管特性(包括电导率σ、磁导率μ、套管厚度t和套管外径)和电磁频率有关。研究发现，当电磁信号通过金属套管时，在靠近信号源或接收器的套管处的套管效应是局部的，且套管效应是乘性的。公开号为us12405214及us12641898的美国专利对于在电磁信号通过套管时确定套管效应的方法方面取得了重大进展。假如h0为某一位置不带套管时的磁场，h为同一位置有套管时的电磁场，两者之比
5.c＝h/h0ꢀꢀ
(1)
6.其中，c为金属套管的电磁衰减系数，通常为复数。
7.另一方面，电磁线圈的阻抗，是驱动电压(v)与流过它的电流(i)的比值，其值是其电阻(r)和感抗的总和，其中l是其自感。一般情况下，阻抗z的形式为:
8.z＝r+iωl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
9.其中ω是角频率，
10.研究表明，c和z都是两个相同量的函数
11.c＝f(α
′
,β)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
12.z/ω＝g(α
′
,β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
13.其中：
14.α
′
＝μrμ0t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
15.β＝ωσt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
16.其中，μr是相对磁导率，而μ0是真空中的磁导率。
17.显然，β只与金属套管的电性能有关，因此本发明中，将β称为电性能参数，而α
′
只与金属套管的磁性有关。在非磁性套管中，c和z都只是β的函数。通过测量获得z，可以确定α
′
和β，之后可以很容易地确定c(即金属套管的电磁衰减系数)。在此基础上，公开号为us12405214及us12641898的美国专利公开了许多简单有效的算法来确定非磁性套管和碳钢套管的特性和衰减。
18.这些方法的缺点是基于交流模式下的阻抗测量，必须使用阻抗。而实际上，对于金属套管的许多特性，阻抗测量实际上是不需要的，因此，现有的基于交流模式下阻抗测量来
获得金属套管特性及衰减系数的方法，一方面在技术上增加了不必要的过程，另一方面在经济上也增加了测量成本。


技术实现要素：

19.有鉴于此，有必要提供一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法，用以解决现有的基于交流模式下阻抗测量来获得金属套管特性及衰减系数的方法，在技术上增加了不必要的过程，在经济上也增加了测量成本的技术问题。
20.为了实现上述目的，本发明提供了一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法，包括：
21.获取在直流模式下有金属套管和无金属套管两种情况下的第一磁场强度比值；
22.通过所述第一磁场强度比值，得到金属套管的磁性能参数；
23.根据所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的磁导率；
24.获取在交流模式下有金属套管和无金属套管两种情况下的第二磁场强度比值；
25.根据所述第二磁场强度比值以及所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数；
26.根据所述金属套管的电性能参数，得到金属套管的电导率；
27.通过金属套管的磁性能参数及电性能参数，得到金属套管的电磁衰减系数。
28.在一些实施例中，通过所述第一磁场强度比值，得到金属套管的磁性能参数，具体为：
29.通过模拟得到第一磁场强度比值与α/μ0的关系，再结合第一磁场强度比值及μ0，得到金属套管的磁性能参数，其中，α为磁性能参数，μ0为真空中的磁导率。
30.在一些实施例中，所述金属套管的磁性能参数为：
31.α＝(μ
r-1)μ0t
32.其中，α为金属套管的磁性能参数，μr为相对磁导率，μ0为真空中的磁导率，t为金属套管的厚度。
33.在一些实施例中，根据所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的磁导率，具体为：
34.根据金属套管的磁性能参数及金属套管的厚度，得到金属套管的磁导率。
35.在一些实施例中，根据所述第二磁场强度比值以及所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数，具体为：
36.通过模拟得到第二磁场强度比值、金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数之间的关系，再结合第二磁场强度比值及金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数。
37.在一些实施例中，所述金属套管的电性能参数为：
38.β＝ωσt
39.其中，β为金属套管的电性能参数，ω为角频率，σ为金属套管的电导率，t为金属套管的厚度。
40.在一些实施例中，根据所述金属套管的电性能参数，得到金属套管的电导率，具体为：
41.根据金属套管的电性能参数、金属套管的厚度及磁场源的角频率，得到金属套管的电导率。
42.在一些实施例中，通过金属套管的磁性能参数及电性能参数，得到金属套管的电磁衰减系数，具体为：
43.通过模拟得到第二磁场强度比值、金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数之间的关系、结合金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数，得到第二磁场强度比值，作为金属套管的电磁衰减系数。
44.在一些实施例中，根据所述第二磁场强度比值以及所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数之后，还包括：
45.测量交流模式下金属套管存在时，某个特定频率下的螺线管的阻抗，根据螺线管的阻抗以及金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数。
46.本发明还提供了一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法。
47.与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过在直流模式下测量带金属套管和不带金属套管的磁场变化来确定金属套管的磁性能参数，进而得到金属套管的磁导率，通过在交流模式下测量带金属套管和不带金属套管的磁场变化来确定金属套管的电性能参数，进而得到电导率，通过金属套管的磁性能参数及电性能参数得到金属套管的电磁衰减系数，从而可在不测量阻抗的情况下，得到金属套管特性以及电磁衰减系数，在技术上，减少了测量阻抗这一不必要的过程，在经济上，降低了测量成本。
附图说明
48.图1是本发明提供的确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法的一实施例的流程示意图；
49.图2是直流模式下，在增加金属套管后，磁场变化百分比；
50.图3是在一个空间位置(r＝0,z＝0)有套管与无套管的磁场强度比值随α/μ0之间的关系；
51.图4是在另一个空间位置(r＝20,z＝0)有套管与无套管的磁场强度比值随α/μ0之间的关系；
52.图5是在交流(ac)模式下的将公式(3)中的α
′
转换成α后，电磁衰减系数c与α和β的关系；
53.图6是在交流(ac)模式下将公式(4)中的α
′
转换成α后，z/ω与α和β的关系；
54.图7是图1中的确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法的完整流程图。
具体实施方式
55.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
56.请参照图1，本发明提供了一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法，包括：
57.s1、获取在直流模式下有金属套管和无金属套管两种情况下的第一磁场强度比
值；
58.s2、通过所述第一磁场强度比值，得到金属套管的磁性能参数；具体为：
59.通过模拟得到第一磁场强度比值与α/μ0的关系，再结合第一磁场强度比值及μ0，得到金属套管的磁性能参数，其中，α为磁性能参数，μ0为真空中的磁导率。
60.其中，所述金属套管的磁性能参数为：
61.α＝(μ
r-1)μ0t
ꢀꢀ
(7)
62.其中，α为金属套管的磁性能参数，μr为相对磁导率，μ0为真空中的磁导率，t为金属套管的厚度。
63.请参见表1，根据激励源和套管类型，可以总结出影响金属套管效应的因素如下：
64.表1套管效应的因素分类
[0065] 非磁套管(μr＝1)磁套管dc(ω＝0)无影响αacβ(α,β)
[0066]
注：dc为直流模式，ac为交流模式。
[0067]
在磁套管中，在直流模式下，套管效应只与磁性能参数α有关。然而，在直流模式(ω＝0)下，公式(4)将不成立，这意味着螺线管阻抗将从金属套管解耦。换句话说，在直流模式下，不可能通过测量螺线管的阻抗得到金属套管的特性。
[0068]
请参照图2，图2显示了直流模式下，在增加金属套管后，磁场变化百分比(振幅)。螺线管(磁场源)放置在z＝-2.2m和z＝0m之间，所示空间域为r＝20m,z＝-12m～12m。显然，除了靠近螺线管的小区域磁场减小外，大部分区域的磁场套管的作用是倾向于增加。无论如何，电磁场对套管非常敏感。在模拟中，我们没有考虑铁芯的迟滞损耗，因此在实际测量中，最好在低电流范围内进行。
[0069]
图2表明，如果我们选择一个空间位置，该位置的磁场变化将与相邻金属套管的套管特性有关，即磁性能参数α。
[0070]
图3和图4显示了在两个不同的空间位置(r＝0,z＝0)和(r＝20,z＝0)有套管与无套管的磁场强度比值随α/μ0之间的关系，其中，z＝0是螺旋管的中心(和图2不同)。
[0071]
图3和图4表明，在直流模式下，磁场变化与磁性能参数α有简单而独特明确的关系。换句话说，如果我们可以测量直流模式下，有金属套管和无金属套管两种情况下的第一磁场强度比值，磁性能参数α就可以很容易地得到。图3和图4中的关系可以简单地使用计算机模拟生成。
[0072]
s3、根据所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的磁导率；具体为：
[0073]
根据金属套管的磁性能参数及金属套管的厚度t，得到金属套管的磁导率。
[0074]
确定金属套管的磁性能参数α后，再测量金属套管厚度t，则可由公式(7)求得金属套管的磁导率(真空中的磁导率μ0为常数)。这在需要估算金属套管磁导率的实验中尤其有用。
[0075]
这样，我们只需要在直流模式下测量有套管和没有套管的特定位置的磁场，然后取比值，然后就可以用图3和图4所示的关系来确定磁性能参数α。并且，在实验室中，金属套管的厚度t很容易测量，从而可以估算出金属套管的磁导率。注意，螺线管不需要有磁心。
[0076]
s4、获取在交流模式下有金属套管和无金属套管两种情况下的第二磁场强度比
值；
[0077]
s5、根据所述第二磁场强度比值以及所述金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数；具体为：
[0078]
通过模拟得到第二磁场强度比值、金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数之间的关系，再结合第二磁场强度比值及金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数。
[0079]
其中，所述金属套管的电性能参数为：
[0080]
β＝ωσt
ꢀꢀ
(8)
[0081]
其中，β为金属套管的电性能参数，ω为角频率，σ为金属套管的电导率，t为金属套管的厚度。
[0082]
请参照图5，图5给出了在ac模式下的将公式(3)中的α
′
转换成α后，电磁衰减系数c与α和β的关系。图5可以使用电磁模拟程序预先计算出来。由于磁性能参数α已经在直流模式下得到，对于固定的磁性能参数α，电磁衰减系数c与电性能参数β有一个简单的关系。因此，如果电磁衰减系数c已知，就可以利用该关系获得电性能参数β。在实验室中，在交流模式下，在一定的空间位置上测量带套管和不带套管的磁场再计算两个磁场的比值(该比值即为电磁衰减系数c)，再根据图5中的对应关系，得到电性能参数β。
[0083]
需要指出的是，电性能参数β亦可以通过螺线管的阻抗来得到。具体的，测量交流模式下金属套管存在时，某个特定频率下的螺线管的阻抗，根据螺线管的阻抗以及金属套管的磁性能参数，得到金属套管的电性能参数。
[0084]
图6以给出了在ac模式下将公式(4)中的α
′
转换成α后，z/ω与α和β的关系。因为α已经在直流模式获得，对于一个固定的α，z/ω与β有一个简单的关系。因此，使用阻抗很容易确定β。图6所示的关系可以使用电磁模拟程序预先计算出来。
[0085]
上述两种确定电性能参数β的方法中，第一种方法只能应用于实验室中测量β，而第二种方法既适应于在实验室中测量β，也适用于在油田井下电磁测井中确定β。这是因为，第一种方法中，由于背景介质(没有金属套管)是未知的，不可能在没有金属套管的情况下精确测量电磁场。因此，只有使用阻抗测量的第二种方法是可能的。当然，要确定α，没有这样的要求，没有金属套管的磁场可以在地面测量，在实验室中，甚至使用计算机模拟预先计算。然后，将工具放入井中，即可测量套管内的磁场。
[0086]
s6、根据所述金属套管的电性能参数，得到金属套管的电导率；具体为：
[0087]
根据金属套管的电性能参数、金属套管的厚度及磁场源的角频率，得到金属套管的电导率。
[0088]
在获得β后，由于已知金属套管的厚度和角频率ω，因此可由式(8)推导出金属套管的电导率。
[0089]
s7、通过金属套管的磁性能参数及电性能参数，得到金属套管的电磁衰减系数。具体为：
[0090]
通过模拟得到第二磁场强度比值、金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数之间的关系、结合金属套管的磁性能参数及金属套管的电性能参数，得到第二磁场强度比值，作为金属套管的电磁衰减系数。
[0091]
在确定α和β之后，利用图5可以很容易地获得任意频率下金属套管引起的电磁衰
减c。
[0092]
上述方法也可应用于油田井下测井，以获取套管的特性和电磁衰减。得到的结果可以是α、β和电磁衰减的测井曲线，可以用于单井或过套管的井间电磁测井的套管校正。α和β测井曲线可以用来检查套管的完整性，因为这些测井曲线的异常可以反映金属套管的质量。
[0093]
上述过程的完整流程图如图7所示。图7包括了适用于实验室和现场的方法:直流模式适用于实验室和现场；在ac模式，方法(1)和方法(2)都适用于实验室，而只有方法(2)适用于现场。注意，现场应用不需要实验室测量，因为它们是相互独立的。
[0094]
本发明还提供了一种确定金属套管特性及电磁衰减系数的装置，包括处理器及存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的确定金属套管特性及电磁衰减系数的方法。
[0095]
综上所述，本发明提供的技术方案通过在直流模式下测量带金属套管和不带金属套管的磁场变化来确定金属套管的磁性能参数，进而得到金属套管的磁导率，通过在交流模式下测量带金属套管和不带金属套管的磁场变化来确定金属套管的电性能参数，进而得到电导率，通过金属套管的磁性能参数及电性能参数得到金属套管的电磁衰减系数，从而可在不测量阻抗的情况下，得到金属套管特性(包括磁导率和电导率)以及电磁衰减系数，在技术上，减少了测量阻抗这一不必要的过程，在经济上，降低了测量成本。
[0096]
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。