交流激励下套管缺陷特征响应有限元仿真研究

梁坤

摘要：套管井中，在直流激励下，套管腐蚀模型的仿真主要是判断套管是否有腐蚀和判别套管腐蚀的类型，从得到的仿真结果是不能够判别腐蚀是在套管的内壁还是外壁。为了进一步判别需要通过加载交流激励，利用COMSOL多物理场仿真软件对套管腐蚀进行建模仿真，分析其电场响应。仿真结果表明：控制交流激励电流的作用范围也就是说可以改变交流激励电流的频率能够判别套管腐蚀的位置。

关键词：交流激励；COMSOL建模；电场响应

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0248-02

1 引言

金属套管在石油测井过程中主要用于支撑井壁和保护井内设备；同时，为了保证油、气井的正常工作而隔开各层流体。但是，受到井下恶劣环境的影响如地层应力变化，气体、腐蚀性液体、温度的变化等套管腐蚀的现象不可避免。为了不影响油井的正常工作，判别套管的腐蚀损坏情况尤为重要。本文利用交流激励的趋肤效应，通过加载不同频率的交流激励同时选择在电场和磁场模式下从而来判别套管腐蚀的位置。利用COMSOL多物理场仿真软件对套管腐蚀进行建模仿真得到缺陷套管的腐蚀模型，分析缺陷套管的电流密度曲线。仿真结果表明：改变激励电流的频率从而控制电流的作用范围，可以检测出套管缺陷为内壁或外壁判别套管腐蚀位置。

2 趋肤效应

交变电流流过金属套管时，由于交变流电流产生随时间变化的电磁场，因此电流密度和电场强度在徑向沿套管截面积的分布不均匀呈现指数衰减，该现象称为趋肤效应。趋肤深度是电磁波场强振幅衰减到套管表面处e-1=0.368的深度。趋肤深度随激励信号的频率增大而越显著。

趋肤深度的大小：

3 均匀腐蚀

在其他仿真条件如电导率、磁导率不变，同时套管参数如厚度、长度等不改变的前提下只改变腐蚀的位置即内壁、外壁。

以套管外壁腐蚀为例进行说明。套管外壁在交流激励下的腐蚀的X-Y切面电流密度模如图2所示，其中图a交流激励的频率f=2Hz，此时趋肤深度为15.90990mm，内外壁的趋肤效应并不明显，尽管在不同腐蚀段内但是电流密度均匀分布的，其中套管中间腐蚀严重，剩余的壁厚最薄。在此区域内电流密度最大颜色显示为红色。改变频率，增大交流激励的频率f=15Hz，趋肤深度为5.80948mm，此时趋肤效应明显，如图2（b）所示。在套管内壁的电流密度值大于套管外壁的电流密度值，图中套管内壁的颜色为红色，在非腐蚀段，电流密度均匀分布但是在腐蚀段，电流密度不是均匀的。

为了进一步说明交流激励下，不同频率的电流对腐蚀的影响，在其他仿真条件和套管参数不改变的前提下给出不同频率的电流密度分布曲线。如图3所示为套管均匀内壁腐蚀和套管外壁腐蚀模型的电流密度分布在不同的交流激励频率时。当交流激励的频率增大，套管内壁的电流密度大于套管外壁的电流密度，可以得出此时的激励作用范围在内壁。当交流激励的频率增加f=3，趋肤深度小于套管厚度所测信号已经不能反映套管外壁情况，此时检测到套管外壁的电流密度约为0。如图3（a），f=2Hz时，可以检测到异常信号，但是随着交流激励频率的增大并且达到一定的值时，异常不再明显，而且异常不会再随频率的变化而发生变化。（b）中的内壁腐蚀情况，f=2Hz时，可以检测到异常信号，而且随着交流激励频率的增大，此时交流激励电流的主要作用在内壁，套管内壁腐蚀时电流密度是非正常可测。

可以得到结论：结合趋肤效应原理，通过仿真，控制变量在不同频率的交流激励电流作用的条件下，可以由不同的电流密度分布变化来区分套管内壁、外壁腐蚀。

参考文献：

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