[发明专利]一种用于固井套管水泥环缺陷无损检测用的阵列传感器

说明书

本发明公开了一种用于固井套管水泥环缺陷无损检测用的阵列传感器，属于固井无损检测领域。该传感器由线圈、永磁铁、被测套管及传感器夹具组成。线圈为4层跑道型串联线圈，永磁铁为六行两列两层共24块放置在跑道线圈上，其中永磁铁的磁极为周期交错式排列。将五组线圈和永磁铁构成的传感器沿套管周向平均布置，其中一组作为激励传感器，另外四组作为接收传感器。当给传感器施加激励信号时，永磁铁提供静态偏置磁场，线圈在套管中产生感应涡流，由于洛伦兹力的存在，会在套管中产生沿轴向的振动，从而激励出沿周向的SH模态超声导波。通过周向SH导波的一激四收实现固井套管水泥环缺陷的准确定位。

技术领域

本发明设计一种用于固井套管水泥环缺陷无损检测用的周向阵列的周期永磁铁阵列传感器，属于无损检测技术领域，可用于油气井固井完成后或者服役多年后的套管井水泥环缺陷的无损检测。

背景技术

油气井的开发需要固井，固井就是将水泥浇注到钢制套管与地层之间的缝隙之中，起到固定套管、防止套管腐蚀以及防止不同层的流体相互窜通的作用。一旦水泥层出现缺陷，可能会导致钢制套管被腐蚀从而引起非常严重的生产事故。因此，对固井套管水泥层进行无损检测至关重要。

声波测井是固井质量评价的重要手段。自上个世纪五十年代以来，声波测井技术开始逐渐发展，主要有套管波声幅测井(CBL)、声波变密度测井(CBL-VDL)、扇区水泥胶结测井(SBT)等方法。这些方法都是以声阻抗法作为检测原理，即当水泥无缺陷或者脱粘状况时，水泥层声阻抗与套管声阻抗差异不大，超声体波入射到钢管与水泥界面时，界面反射能量较小而透射能量较大。当水泥存在缺陷或脱粘状况时，两层直接声阻抗差异很大，反射能量较大，因此通过反射回波可以判断水泥环是否存在缺陷。

随着材料科学的发展以及固井工艺的更新，新型轻质水泥越来越多的应用于固井工程中。轻质水泥的密度低，相应的声阻抗也很低，因此应用传统方法进行水泥环缺陷检测时，很容易将无缺陷情况误判为有缺陷。因此，传统依靠声阻抗差异的体波检测方法越来越不适应于现代的测井工作，发展新型的导波测井技术具有很高的工程应用价值。近年来，导波测井成为了时下的研究热点，中国石油大学的陈雪莲团队、哈尔滨工业大学的胡恒山团队以及长江大学的余厚全团队等都进行了利用Lamb波进行固井套管检测的相关研究，斯伦贝谢公司生产的Isolation Scanner仪器也具有利用lamb波进行水泥环缺陷检测的功能。但利用Lamb波进行套管检测的相关研究均需要在管壁内侧斜入射产生lamb波，且目前相关研究大部分为利用压电探头斜入射，存在需要耦合剂的情况。由于井下环境复杂，利用lamb波进行水泥环缺陷检测尚存在一些不足之处。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明设计了一种用于固井套管水泥环缺陷无损检测用的阵列传感器，本发明所设计的传感器为电磁超声换能器，能实现非接触，无需耦合剂等功能。该传感器在套管中沿管道内壁放置，通过洛伦兹力电磁超声原理，直接在套管内部激励周向SH导波，由于SH导波对分界面质量敏感，当水泥环无缺陷时，环绕管道周向激励的SH导波沿着套管向水泥环中泄漏能量，而当水泥环出现缺陷，缺陷处的SH导波完全沿套管内壁传播，不再向水泥环缺陷处泄漏能量，此时接收端的回波信号呈现幅值增高的现象。通过幅值的差异，我们能实现水泥环缺陷的轴向检测。通过5阵列的传感器放置位置，由4个接收传感器判断水泥缺陷出现的不同扇区，最后再利用二分法改变阵列传感器的角度，实现水泥缺陷的周向定位。

本发明的技术方案是：一种用于固井套管水泥环缺陷无损检测用的阵列传感器，该传感器由线圈、永磁铁阵列、传感器壳体夹具及被测水泥套管四部分组成。