本發(fā)明涉及高壓磨料射流切割技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種電磁與聲波相結(jié)合的高壓磨料射流海上套管切割狀態(tài)判別方法。

背景技術(shù)：

海上油氣井在鉆井和生產(chǎn)過程中，必須通過隔水管將井筒延伸到海上平臺，但由于油氣井的壽命是有限的，一些特定用途的探井在完成了預(yù)定的功能后也不再使用，根據(jù)《中華人民共和國海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》和《中華人民共和國海洋傾廢管理?xiàng)l例》等有關(guān)法律法規(guī)，不論是何種用途的油氣井，如果已經(jīng)報(bào)廢或不再使用，必須拆除海平面到海底泥線處的套管等管柱，并回收到陸地，以消除高出泥線的套管對海上航行和其他的海上作業(yè)可能帶來的危害和隱患。

一般情況下，海上套管有多層，各層之間的環(huán)形空間填充有水泥，從而將各層套管膠結(jié)在一起并形成一個整體，回收前必須將各層套管全部切斷。由于海上作業(yè)費(fèi)用昂貴，提高切割效率是降低成本的關(guān)鍵，但海洋石油套管切割系統(tǒng)復(fù)雜，切割效率受到多種因素的影響，包括射流壓力、噴嘴直徑、噴嘴個數(shù)、切割頭轉(zhuǎn)速、切割持續(xù)時間、噴距、磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、磨料種類等。提高切割效率的關(guān)鍵是如何判斷水下套管已被切斷，尤其是高壓磨料射流沿套管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)并逐點(diǎn)切割的過程中，如何判斷某一切割點(diǎn)是否已經(jīng)被切斷。由于在切割過程中磨料含量、高壓射流的壓力等不可能始終保持一致，從而導(dǎo)致有些點(diǎn)在相同的時間內(nèi)可能被切斷，而另一些點(diǎn)則沒有被切斷，如果不能準(zhǔn)確地判斷各點(diǎn)是否已經(jīng)被切斷，可能導(dǎo)致不停地環(huán)繞切割，直到所有點(diǎn)全部被切斷為止，這就造成了切割時間的延長和成本的增加。因此尋求一種準(zhǔn)確判斷某一切割點(diǎn)是否被切斷的方法就顯得特別重要。

美國專利US5381631涉及一種小直徑并能下入套管內(nèi)部的磨料切割機(jī)械系統(tǒng)，包括進(jìn)料管線、混料室、磨料噴嘴、旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)等，但沒有涉及到如何監(jiān)測套管在某一切割點(diǎn)是否被切斷的具體判別和實(shí)施方法。

Bostjan Jurisevic等人(Bostjan Jurisevic，Mihael Junkar，and Mihael Junkar，Monitoring of abrasive water jet(AWJ)cutting using sound detection[J],INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY，2004,24:733–737)闡述了一種水基射流磨料切割聲波監(jiān)測系統(tǒng)，其中聲波傳感器安裝在被切割的工件上，其作用是調(diào)節(jié)切割頭與工件的距離，以在不同厚度的工件上，切割出相同深度和相同寬度的切割痕跡，其控制的對象是切割頭與被切割工件間的距離，前提條件是除了工件的厚度可變外，其他所有的切割參數(shù)均保持為定值。

Yasuyuki Nakamura等(Yasuyuki Nakamura，Kazuya Sano，and Yoshitugu Morishita,The Study on Abrasive Water Jet for Predicting the Cutting Performance and Monitoring the Cutting Situation in the Water[J])研究了Fugen核電站壓力管和壓力排管式堆容器的切割問題，主要涉及磨料供給率對切割效果的影響，認(rèn)為通過對聲波和振動信號的監(jiān)測有可能是一種判斷壓力管是否被切斷的可行方法，但沒有給出具體的判別方法和實(shí)施方案，也不涉及多層管柱和多種介質(zhì)。

John W.Brandon等發(fā)表的論文(John W.Brandon,Bob Ramsey,and James Macfarlane，Abrasive Water-Jet and Diamond Wire-Cutting Technologies Used in the Removal of Marine Structures[C]，2000Offshore Technology Conference held in Houston,Texas,1–4May 2000.)介紹了兩種切割油井套管的系統(tǒng)，包括磨料射流切割系統(tǒng)和金剛石線切割系統(tǒng)，其中磨料射流切割系統(tǒng)是在地面進(jìn)行監(jiān)測的，監(jiān)測內(nèi)容包括攜帶磨料的水介質(zhì)的壓力、磨料密度、噴嘴位置、噴嘴轉(zhuǎn)速，這些監(jiān)測內(nèi)容對保障切割系統(tǒng)的正常工作是必要的，但未見給出套管是否被切斷的具體判別方法，且切割的套管是單管，與隔水管的結(jié)構(gòu)也不盡相同。

國內(nèi)專利磨料射流系統(tǒng)(CN104271316A)，主要涉及一種用于工廠生產(chǎn)用途的磨料射流切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過壓力傳感器監(jiān)測流動回路中的壓力，以便調(diào)節(jié)壓力和磨料，沒有考慮被切割介質(zhì)的切割狀態(tài)，因此將其應(yīng)用在隔水管仍然存在重復(fù)切割的問題。專利懸浮磨料水射流切割裝備(CN104175230A)，主要涉及7軸智能機(jī)器人懸浮磨料水射流3D切割裝備，該專利基本不涉及傳感器以及相關(guān)控制部分。

國內(nèi)對磨料射流切割系統(tǒng)的研究包括磨料粒子種類，磨料射流速率，磨料混合方式等，沒有提出磨料切割效果的監(jiān)測方法。

在判決套管是否被切斷的研究方面，中國石油大學(xué)博士學(xué)位論文《磨料射流切割水下套管技術(shù)研究》提出的方法是減慢旋轉(zhuǎn)速度，在各切割點(diǎn)上切割足夠長的時間后再移動到連續(xù)的下一個點(diǎn)進(jìn)行切割。對于判別是否被切斷，該論文提出的方法有兩種，一是以單位時間內(nèi)的切割深度進(jìn)行判別，但由于前述的流體速度、壓力、磨料含量等不同，在固定的時間內(nèi)達(dá)到的切割深度也不同，因而這種計(jì)算方法很難準(zhǔn)確判別被切割的對象是否被切斷。該論文提出的另一種方法是邊切割邊在套管的上端施加向上的拉力，當(dāng)拉力大于套管重力的2倍時，認(rèn)為沒有被切斷，否則就意味著套管已經(jīng)被切斷并直接將其從海底提升出來。這種方法存在的主要問題是只知道是否完全被切斷，而在未切斷的情況下，并不知道哪一點(diǎn)未被切透。

由以上現(xiàn)有技術(shù)可知，目前還缺少一種水下套管是否被切斷的實(shí)時監(jiān)測和判別方法，以提升磨料切割的效率，降低切割成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種電磁與聲波相結(jié)合的高壓磨料射流海上多層套管切割狀態(tài)判別方法，用于判別水下多層套管是否被切斷。

本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種高壓磨料射流海上套管切割狀態(tài)判別方法，包括如下步驟：

(1)磨料切割系統(tǒng)中切割工具的噴頭上安裝電磁探頭，切割工具的支撐桿上徑向均布地安裝至少兩個聲波傳感器，所述電磁探頭和所述聲波傳感器連接于地面監(jiān)測系統(tǒng)；所述地面監(jiān)測系統(tǒng)由電源、電壓調(diào)節(jié)模塊、電磁監(jiān)測模塊、聲波監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)組成，所述電磁探頭和所述聲波傳感器分別通過所述電磁監(jiān)測模塊和所述聲波監(jiān)測模塊連接所述數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊連接所述計(jì)算機(jī)；

(2)所述磨料切割系統(tǒng)對泥線以下的套管進(jìn)行高壓磨料射流切割，所述電源通過所述電壓調(diào)節(jié)模塊為所述電磁監(jiān)測模塊、所述聲波監(jiān)測模塊和所述數(shù)據(jù)采集模塊供電；

(3)所述電磁監(jiān)測模塊向所述電磁探頭發(fā)射正弦波信號，并對所述電磁探頭接收到的感應(yīng)電動勢進(jìn)行調(diào)理，之后由數(shù)據(jù)采集模塊采集為感應(yīng)電動勢的幅值；

同時，所述聲波監(jiān)測模塊對所述聲波傳感器檢測到的聲波信號進(jìn)行調(diào)理，并由數(shù)據(jù)采集模塊采集為其在特定頻率段的功率譜密度；

(4)數(shù)據(jù)采集模塊將電磁探頭接收到的感應(yīng)電動勢的幅值和聲波信號在特定頻率段的功率譜密度傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)判斷套管是否被切透，判斷方法為當(dāng)所述電磁探頭接收的感應(yīng)電動勢的幅值由大到小變化并保持為恒定值，并且聲波傳感器輸出的聲波信號在特定頻率段的功率譜密度保持為恒定值后突然降低并保持新的恒定值時，則判斷當(dāng)前套管已被切透。

其中，所述地面監(jiān)測系統(tǒng)中，所述電源用于通過所述電壓調(diào)節(jié)模塊向所述電磁監(jiān)測模塊、所述聲波監(jiān)測模塊、所述數(shù)據(jù)采集模塊供電；所述電磁監(jiān)測模塊用于向所述電磁探頭發(fā)送正弦波信號，同時接收和調(diào)理所述電磁探頭測得的感應(yīng)電動勢，并傳送給所述數(shù)據(jù)采集模塊；所述聲波監(jiān)測模塊用于接收和調(diào)理所述聲波傳感器測得的聲波信號，并傳送給所述數(shù)據(jù)采集模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于對感應(yīng)電動勢和聲波信號進(jìn)行采集后傳送到計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)用于結(jié)合電磁探頭接收的感應(yīng)電動勢的幅值和聲波傳感器輸出的聲波信號在特定頻率段的功率譜密度，判斷套管是否被切透。

其中，所述磨料切割系統(tǒng)包括置于井筒內(nèi)的所述切割工具，所述切割工具由液壓管線供給含有磨料的高壓射流，所述切割工具的噴頭上安裝有所述電磁探頭，所述切割工具的支撐桿上徑向均布地安裝至少兩個聲波傳感器，所述電磁探頭的連接導(dǎo)線和所述聲波傳感器的連接導(dǎo)線匯集后由多芯電纜與地面監(jiān)測系統(tǒng)相連。

其中，多層套管之間為水泥環(huán)，最外側(cè)套管外面為地層。

其中，所述電磁探頭由鐵芯、發(fā)射線圈、絕緣套、接收線圈、無磁外殼組成，并通過設(shè)置于無磁外殼的固定孔安裝在所述切割工具的噴頭上；所述發(fā)射線圈繞制在所述鐵芯外部，所述發(fā)射線圈和所述鐵芯共同設(shè)置于所述絕緣套中，所述接收線圈繞制在所述絕緣套外部，所述鐵芯、所述發(fā)射線圈、所述絕緣套以及所述接收線圈共同安裝在所述無磁外殼中。

其中，步驟(3)中所述電磁監(jiān)測模塊產(chǎn)生幅值恒定的低頻正弦波信號，并進(jìn)行驅(qū)動和放大后施加到電磁探頭的發(fā)射線圈上；

其中，低頻正弦波信號的頻率f應(yīng)滿足：

$f\<\frac{1}{{\mathrm{\π\μ\σ\δ}}^2}---\left(1\right)$

式中μ是套管的磁導(dǎo)率(H/m)，σ是套管的電導(dǎo)率(S/m)，δ是各層套管壁厚的總和(m)，f是低頻信號的頻率(Hz)；

其中，步驟(3)中所述電磁監(jiān)測模塊對所述電磁探頭接收到的感應(yīng)電動勢進(jìn)行的調(diào)理包括放大和濾波。

其中，步驟(3)中所述數(shù)據(jù)采集模塊對采集到的感應(yīng)電動勢進(jìn)行數(shù)字相敏檢波，以從相位上消除所述發(fā)射線圈在所述接收線圈中產(chǎn)生的直接耦合，得到所述電磁探頭接收到的感應(yīng)電動勢的幅值。

其中，步驟(3)中所述聲波監(jiān)測模塊對所述聲波傳感器檢測到的聲波信號進(jìn)行調(diào)理包括對各所述聲波傳感器的聲波信號同步采集，比較后選擇信號幅值最大的聲波傳感器的聲波信號進(jìn)行放大。

其中，步驟(3)中所述數(shù)據(jù)采集模塊對放大后的聲波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括時頻轉(zhuǎn)換以將采集后的數(shù)字信號變換到頻率域，并選取特定頻率段的功率譜密度。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明對兩種不同體制的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行有機(jī)組合，以準(zhǔn)確判別套管是否被切透，進(jìn)一步減少誤判的同時，提高切割效率，縮短作業(yè)周期，降低作業(yè)成本。本發(fā)明的電磁監(jiān)測采用無磁外殼保護(hù)內(nèi)部探頭不受切割環(huán)境的影響，同時有效降低了金屬外殼對探頭的影響，相對于傳統(tǒng)的電磁監(jiān)測技術(shù)更加穩(wěn)定、可靠；并且電磁監(jiān)測模塊通過在地面監(jiān)測系統(tǒng)分別使用驅(qū)動放大和信號放大，實(shí)現(xiàn)電磁探頭和電磁監(jiān)測模塊分離的超遠(yuǎn)距離電磁監(jiān)測。本發(fā)明的聲波監(jiān)測通過分析聲波信號的功率譜密度對套管是否被切斷進(jìn)行判斷，既利用了聲波信號的頻率信息，又利用了聲波信號的幅值信息，特別是通過分析特征頻率段的功率譜密度，可以使判斷流程更加簡單、高效；另外，通過采用兩個以上聲波傳感器同時監(jiān)測，進(jìn)一步有效降低誤判概率。

附圖說明

圖1是磨料切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是地面監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是電磁探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是電磁監(jiān)測的信號處理流程圖；

圖5是完好套管渦流分布圖；

圖6是套管局部被切斷時的渦流分布圖；

圖7是多層套管切割過程中電磁探頭接收到的感應(yīng)電動勢波形圖；

圖8是聲波監(jiān)測的信號處理流程圖；

圖9是磨料撞擊在套管上的頻譜圖；

圖10是磨料撞擊在水泥環(huán)上的頻譜圖；

圖11是磨料撞擊不同介質(zhì)時特定頻率段的功率譜密度圖。

圖1中：1、第一層套管；2、第二層套管；3、第三層套管；4、第二水泥環(huán)；5、第一水泥環(huán)；6、井液；7、地層；8、井底；9、切割工具；10、噴頭；11、電磁探頭；12、泥線；13、第一聲波傳感器；14、多芯電纜；15、液壓管線；16、第二聲波傳感器；17、第一聲波傳感器連接導(dǎo)線；18、第一聲波傳感器連接導(dǎo)線；19、電磁探頭連接導(dǎo)線；

圖3中：20、鐵芯；21、絕緣套；22、接收線圈；23、發(fā)射線圈；24、接收線圈第一引出端；25、發(fā)射線圈第一引出端；26、接收線圈第二引出端；27、發(fā)射線圈第二引出端；28、固定孔；29、無磁外殼；

圖6中：30—32、渦流；33、裂縫；

圖7中：線段41—45；

圖11中：線段51—56；

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及效果，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：

參照圖1，磨料切割系統(tǒng)通過液壓管線15對井下切割工具9供給含有磨料的高壓射流，磨料為一定直徑的砂?；蚱渌腆w顆粒，攜帶磨料的高壓流體為水，由水和磨料組成的高壓射流通過切割工具9的噴頭10切割第一層套管1、第二層套管2、第三層套管3組成的多層套管。第一層套管1、第二層套管2之間膠結(jié)有第一水泥環(huán)5，第二層套管2、第三層套管3之間膠結(jié)有第二水泥環(huán)4，第三層套管3外面為地層7。切割工具9置于充滿井液6的井筒內(nèi)，噴頭10所對應(yīng)的切割點(diǎn)在泥線12以下、井底8以上，以保證能夠切透海底下方的套管。用于監(jiān)測切割狀態(tài)的敏感器件包括安裝在切割工具9噴頭10上的電磁探頭11，以及按徑向均勻布局地安裝在切割工具9的支撐桿中間位置的第一聲波傳感器13和第二聲波傳感器16，電磁探頭連接導(dǎo)線19、第一聲波傳感器連接導(dǎo)線17、第一聲波傳感器連接導(dǎo)線18匯總到一起后，由多芯電纜14與地面監(jiān)測系統(tǒng)相連。

參照圖2，地面監(jiān)測系統(tǒng)由電源、電壓調(diào)節(jié)模塊、電磁監(jiān)測模塊、聲波監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)組成。電源用于通過電壓調(diào)節(jié)模塊向電磁監(jiān)測模塊、聲波監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊提供合適的電壓；電磁監(jiān)測模塊用于向電磁探頭11發(fā)送正弦波信號，同時接收和調(diào)理電磁探頭11測得的感應(yīng)電動勢，并傳送給數(shù)據(jù)采集模塊；聲波監(jiān)測模塊用于接收和調(diào)理第一聲波傳感器13和第二聲波傳感器16測得的聲波信號，并傳送給數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊對感應(yīng)電動勢和聲波信號進(jìn)行采集后傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)分別識別電磁探頭11接收到的感應(yīng)電動勢的幅值和聲波傳感器輸出的聲波信號在特定頻率段的功率譜密度，從電磁與聲波兩方面結(jié)合判斷套管是否被切透。

地面監(jiān)測系統(tǒng)的作用一是向井下的電磁探頭11發(fā)送正弦波信號，二是接收井下的電磁探頭11和第一聲波傳感器13、第二聲波傳感器16傳輸?shù)降孛娴男盘柌⑦M(jìn)行處理和判決，以通過電磁和聲波相結(jié)合的方法識別套管是否被切透。具體實(shí)施步驟如下：

(1)由電源經(jīng)電壓調(diào)節(jié)模塊產(chǎn)生合適的電壓，對電磁監(jiān)測模塊、聲波監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)采集模塊供電。

(2)由電磁監(jiān)測模塊向電磁探頭11發(fā)射幅度恒定的低頻正弦波信號，并對電磁探頭11接收到的感應(yīng)電動勢進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的感應(yīng)電動勢由數(shù)據(jù)采集模塊采集為感應(yīng)電動勢的幅值；

同時，由聲波監(jiān)測模塊對第一聲波傳感器13和第二聲波傳感器16檢測到的聲波信號進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的聲波信號由數(shù)據(jù)采集模塊采集為其在特定頻率段的功率譜密度。

(3)計(jì)算機(jī)分別識別數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)母袘?yīng)電動勢的幅值和聲波信號在特定頻率段的功率譜密度，兩方面結(jié)合判斷套管是否被切透。

可見，本發(fā)明采用了兩種監(jiān)測判別體制，一是電磁監(jiān)測法，二是聲波監(jiān)測法，但由于受到環(huán)境噪聲、磨料射流速度、磨料顆粒大小等多種因素的影響，任何一種單一的方法都有可能出現(xiàn)誤判，因而本發(fā)明對二者進(jìn)行組合判決，只有當(dāng)二者給出的判決結(jié)果一致且全部為當(dāng)前套管被切透時，才認(rèn)為當(dāng)前套管被切透了，否則將繼續(xù)切割。

(一)電磁監(jiān)測法：用于電磁監(jiān)測的敏感器件是電磁探頭，主要由鐵芯20、發(fā)射線圈23、接收線圈22組成，發(fā)射線圈23上施加已知幅值和已知頻率的正弦波信號，向被切割套管發(fā)射電磁信號，并在套管上產(chǎn)生渦流，該渦流產(chǎn)生二次場并被接收線圈22以感應(yīng)電動勢的形式所接收。渦流的變化體現(xiàn)了切割過程中被切割套管壁厚的變化，所以接收線圈22接收到的感應(yīng)電動勢也就體現(xiàn)了被切割套管的壁厚變化。切割深度越深，壁厚越薄，渦流越小，當(dāng)套管被切透后，渦流不再變化，保持現(xiàn)有的最小值，這時接收線圈接收到的感應(yīng)電動勢的幅值也不再變化，保持當(dāng)前最小的感應(yīng)電動勢值的幅值。

具體地，參照圖3，電磁探頭11由鐵芯20、發(fā)射線圈23、絕緣套21、接收線圈22、無磁外殼29組成，并通過設(shè)置于無磁外殼29的固定孔28安裝在圖1所示的噴頭10上。發(fā)射線圈23繞制在鐵芯20外部，發(fā)射線圈23和鐵芯20共同設(shè)置于絕緣套21中，接收線圈22繞制在絕緣套21外部，鐵芯20、發(fā)射線圈23、絕緣套21以及接收線圈22共同安裝在無磁外殼29中。為了便于安裝，在不改變鐵芯20、發(fā)射線圈23、接收線圈22、絕緣套21等電磁探頭11內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，無磁外殼29的外形可以是圓形和方形。發(fā)射線圈23的發(fā)射線圈第一引出端25和發(fā)射線圈第二引出端27、接收線圈22的接收線圈第一引出端24和接收線圈第二引出端26均與電磁監(jiān)測模塊相連，電磁監(jiān)測模塊的正弦波發(fā)生電路為發(fā)射線圈23提供幅值恒定的低頻正弦波信號，該低頻正弦波信號產(chǎn)生的電磁波能夠穿透各層套管，低頻正弦波信號的頻率f應(yīng)滿足：

$f\<\frac{1}{{\mathrm{\π\μ\σ\δ}}^2}---\left(1\right)$

式中μ是套管的磁導(dǎo)率(H/m)，σ是套管的電導(dǎo)率(S/m)，δ是各層套管壁厚的總和(m)，f是低頻信號的頻率(Hz)。

參照圖4-圖7，電磁監(jiān)測的具體過程是：

(1)按照關(guān)系式(1)計(jì)算發(fā)射頻率閾值，由電磁監(jiān)測模塊的正弦波發(fā)生電路產(chǎn)生幅值恒定且頻率小于該閾值的正弦波信號，電磁監(jiān)測模塊對產(chǎn)生的正弦波信號進(jìn)行驅(qū)動和放大。

(2)電磁監(jiān)測模塊將驅(qū)動和放大后的正弦波信號施加到電磁探頭11的發(fā)射線圈23上。

(3)發(fā)射線圈23發(fā)射電磁信號，并在切割的套管上產(chǎn)生渦流。

(4)對完好無損的套管，渦流30是圖5所示的完整的圓形回線，對已經(jīng)被切割或局部被完全切斷的套管，即存在裂縫33的情況，其渦流回線是由圖6所示分布在損傷部位兩側(cè)的渦流32和完全包絡(luò)損傷部位的渦流31組成。

套管上的渦流會產(chǎn)生二次場，經(jīng)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電磁場，在圖3所示電磁探頭11的接收線圈22上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢的幅值取決于渦流的分布，其關(guān)系是：

V₁>V₂>V₃ (2)

V₁—電磁探頭11接收線圈22接收到的完好套管上的渦流形成的感應(yīng)電動勢，

V₂—電磁探頭11接收線圈22接收到的有損傷套管上的渦流形成的感應(yīng)電動勢，

V₃—電磁探頭11接收線圈22接收到的局部完全切透的套管上的渦流形成的感應(yīng)電動勢。

(5)如圖4所示，電磁探頭11的接收線圈22接收到的感應(yīng)電動勢可能較小，并伴隨有噪聲，因此需要電磁監(jiān)測模塊對感應(yīng)電動勢進(jìn)行放大，并經(jīng)濾波電路濾除發(fā)射頻率以外的頻率成份。

(6)如圖4所示，數(shù)據(jù)采集模塊對放大和濾除噪聲后的感應(yīng)電動勢進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集時需要對驅(qū)動放大后施加到發(fā)射線圈23中的正弦波和經(jīng)過濾波后的接收線圈22中的感應(yīng)電動勢進(jìn)行同步采樣，以消除發(fā)射線圈23發(fā)射的正弦波直接耦合到接收線圈22中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。也就是說，數(shù)據(jù)采集模塊對采集到的感應(yīng)電動勢進(jìn)行數(shù)字相敏檢波，從相位上消除發(fā)射線圈23在接收線圈22中產(chǎn)生的直接耦合。

(7)如圖4所示，由數(shù)據(jù)采集后的感應(yīng)電動勢的幅值判別套管是否被切透。具體的判別過程如下：

1)經(jīng)相敏檢波得到渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢后，根據(jù)感應(yīng)電動的幅值變化情況就可由關(guān)系式(2)判斷某一層套管的局部切割點(diǎn)是否被切透。當(dāng)局部套管被切透后，磨料將切割該層套管后面的水泥環(huán)或地層，這時套管上的渦流維持不變，因而關(guān)系式(2)中的V₃保持不變。

3)圖7給出了多層套管的判決過程，剛開始切割套管時，由于套管都完好無損，所形成的渦流最大，此時采集到的感應(yīng)電動勢為V₁，當(dāng)開始切割第一層套管1時，第一層套管1上產(chǎn)生的渦流將隨著切割過程的進(jìn)行而逐漸減小，因此，我們采集到的感應(yīng)電動勢也隨之逐漸減小，如圖7中曲線段41所示，當(dāng)完全切割完第一層套管1后，將對第一層套管1與第二層套管2之間的第一水泥環(huán)5進(jìn)行切割，由于水泥環(huán)的電導(dǎo)率較小，因此在水泥環(huán)中產(chǎn)生的渦流也非常小，此時，采集到的感應(yīng)電動勢V₂仍然取決于套管上的渦流，而該渦流基本保持不變，所以感應(yīng)電動勢V₂也仍保持不變，如圖7中的直線線段42所示。切割完第一水泥環(huán)5之后將繼續(xù)切割第二層套管2，具體的切割過程的狀態(tài)同切割第一層套管1一樣，采集到的感應(yīng)電動勢逐漸減小，如圖7中曲線段43所示；然后將對第二層套管2與第三層套管3之間的第二水泥環(huán)4進(jìn)行切割，采集到的感應(yīng)電動勢V₃保持不變，如圖7中的直線線段44所示。切割完第二水泥環(huán)4之后將繼續(xù)切割第三層套管3，同樣采集到的感應(yīng)電動勢逐漸減小，如圖7中曲線段45所示。依此類推，直至切完所有的套管，當(dāng)切割完最后一層套管后，此時由于產(chǎn)生的渦流不再變化，因此采集到的感應(yīng)電動勢V₄也沒有變化，因此可判斷該切割點(diǎn)已被切透。

(二)聲波監(jiān)測法：聲波監(jiān)測由周向布局于井下切割工具上的多只超聲波傳感器組成，用于監(jiān)測磨料撞擊的介質(zhì)產(chǎn)生的聲波信號，以判別套管是否被切斷。其判別的基本原理和依據(jù)是：當(dāng)磨料撞擊在金屬套管上時，由于套管的硬度遠(yuǎn)大于水泥環(huán)或地層，磨料與套管的碰撞時間短，產(chǎn)生聲波信號的功率譜密度較大，表示套管沒有被切透。反之，當(dāng)套管被切斷后，磨料將撞擊到水泥環(huán)或地層上，由于水泥環(huán)或地層的硬度遠(yuǎn)小于金屬套管，所以碰撞時間長，產(chǎn)生聲波信號的功率譜密度較小，表明該切割位置的套管已經(jīng)被切透。

具體地，參照圖1，徑向均勻布局且安裝于井下切割工具9上的第一聲波傳感器13和第二聲波傳感器16是一種無源傳感器，第一聲波傳感器13和第二聲波傳感器16的輸出信號分別經(jīng)第一聲波傳感器連接導(dǎo)線17、第一聲波傳感器連接導(dǎo)線18匯總到多芯電纜14上，并傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測系統(tǒng)。各聲波傳感器的作用于是感受磨料撞擊介質(zhì)產(chǎn)生的聲波信號，該聲波信號經(jīng)井液6傳遞到各聲波傳感器。安裝多只聲波傳感器的原因是考慮到切割工具9是不旋轉(zhuǎn)的，而噴頭是旋轉(zhuǎn)的，因此不同位置處的聲波傳感器接收到的信號幅度是不同的，為了提高信噪比，將選擇其中一只輸出信號幅值最大的聲波傳感器進(jìn)行分析，具體方式是對各聲波傳感器的信號進(jìn)行同時采集，比較信號幅值后再選擇其中的一路信號進(jìn)行分析，以判別切割某一切割點(diǎn)是否被切透。

參照圖8，聲波監(jiān)測的具體實(shí)施步驟是：

(1)聲波監(jiān)測模塊對各聲波傳感器的聲波信號同步采集，比較后選擇信號幅值最大的聲波傳感器的聲波信號作為被處理對象。

(2)聲波傳感器輸出的聲波信號是微弱信號，該聲波信號需要采用聲波監(jiān)測模塊進(jìn)行放大。

(3)數(shù)據(jù)采集模塊對放大后的聲波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體為接收聲波監(jiān)測模塊所傳輸放大后的聲波信號并進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換，以將采集后的數(shù)字信號變換到頻率域，然后選取特定頻率段的功率譜密度。

(4)數(shù)據(jù)采集模塊將特定頻率段的功率譜密度傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)以特定頻率段的功率譜密度作為判決準(zhǔn)則，判別套管是否被切透。如果沒有被切透，則繼續(xù)切割；如果已切透，則判別是否達(dá)到了規(guī)定的套管層數(shù)，如果層數(shù)不夠，則繼續(xù)循環(huán)前面的步驟直至達(dá)到規(guī)定的層數(shù)。

特定頻率段是指磨料撞擊到套管或者撞擊水泥環(huán)(或地層)等兩類硬度差異很大的介質(zhì)時，所對應(yīng)頻率的功率譜密度差異最大的頻率范圍。

以特定頻率段的功率譜密度作為判決準(zhǔn)則的方法是在上述特定的頻率范圍內(nèi)，功率譜密度差異很大，因而可根據(jù)功率譜密度判別出磨料是與什么介質(zhì)撞擊的，從而判別出套管是否被切透。

參照圖9和圖10，以實(shí)際測量的聲波功率譜密度結(jié)果為例，對特定頻率和特定頻率的功率譜作進(jìn)一步的說明。圖9是套管未切透的功率譜圖，圖10是套管的功率譜圖，二者的橫軸相同均為頻率，縱軸所述的全狀態(tài)頻域表示有高壓水、磨料、真實(shí)套管等完整切割狀態(tài)下得到的功率譜，且兩圖中的縱軸刻度也相同并進(jìn)行了歸一化。

當(dāng)頻率低于48kHz時，二者的功率譜密度基本相同，為了清楚地考察48kHz～1250kHz之間的頻域波形，將其放大到了限幅狀態(tài)。兩圖比較可知，在48kHz～80kHz范圍內(nèi)，圖9的功率譜密度明顯高于圖10的功率譜密度，相差約4倍，分別是1×10^-4和0.2×10^-4。造成這種差異的原因是：套管被切透后，磨料撞擊在水泥上，其介質(zhì)的硬度遠(yuǎn)小于套管的金屬材料，因而功率譜密度有了明顯的降低。上述48kHz～80kHz頻率段就是所述的特征頻率，該特征頻率所對應(yīng)的功率譜密度就是所說的判別準(zhǔn)則。在本實(shí)施例，套管切透與未切透的功率譜密度相差4倍。

功率譜密度由1×10^-4到0.2×10^-4的變化過程是一個突變過程，在本實(shí)施例中，只要磨料撞擊在某一層的套管上，其功率譜密度就維持在1×10^-4左右，當(dāng)套管被切斷后，磨料與水泥環(huán)撞擊(對最后一層套管，磨料將與地層撞擊，其幅度與撞擊水泥的幅度基本相同)，功率譜密度將變化到0.2×10^-4并維持這一功率譜密度，直到水泥環(huán)被切透而開始切割下一個切割點(diǎn)時，其功率譜密度再回到1×10^-4。

上述過程可參照圖11進(jìn)一步說明，以三層套管為例，圖中線段51、52、53分別表示切割第一層套管1、第二層套管2和第三層套管3時的功率譜密度，線段54、55分別表示切割水泥環(huán)，56表示切割地層7。其中線段54對應(yīng)于第一層套管1和第二層套管2之間的第一水泥環(huán)5，線段55對應(yīng)于第二層套管2和第三層套管3之間的第二水泥環(huán)4。

第一層套管1的切割時間是從t₀開始，到t₁時被切透，在此期間功率譜密度為1×10^-4，如線段51所示。從t₁開始切割第一層套管1和第二層套管1之間的第一水泥環(huán)5，并在t₂時刻結(jié)束，此期間的功率譜密度如線段52所示。其他各線段與上述類同中，直到第三層套管3被切透。

電磁與聲波相結(jié)合的判別方式如下：參照圖7，電磁探頭11接收的感應(yīng)電動勢的幅值由大到小逐漸變化時，表示當(dāng)前切割點(diǎn)處的套管處于被切割狀態(tài)，當(dāng)該層套管被切透后，感應(yīng)電動勢的幅值保持恒定值，表示正在切割的是兩層套管中間的水泥環(huán)或者是最后一層套管外面的地層7。由此可知，電磁探頭11接收的感應(yīng)電動勢的幅值由大到小變化并保持為恒定值時，是判斷該層套管被切透的依據(jù)。

參照圖11，聲波傳感器輸出的聲波信號在特定頻率段的功率譜密度保持為恒定值且突然降低為原來的1/5并保持新的恒定值時，表示當(dāng)前套管已被切透。

只有上述兩個切透的依據(jù)同時滿足時，則判斷當(dāng)前套管被切透，否則繼續(xù)切割。

本發(fā)明的工作過程如下：

電磁探頭11由無磁外殼29封裝后安裝在切割工具9的噴頭10上，并在切割過程中與10噴頭一起轉(zhuǎn)動。電磁探頭11的發(fā)射線圈23上施加有幅值固定且頻率足夠低的正弦波信號，以使該低頻信號產(chǎn)生的電磁波能穿過多層套管，從而在各層套管中產(chǎn)生渦流。當(dāng)套管完好無損時，該感應(yīng)電動勢的幅值是固定的。套管被切割過程中，厚度不斷減小，感應(yīng)電動勢的幅值也隨之減小，當(dāng)感應(yīng)電動勢的幅值小于臨界值時，套管就被切斷，感應(yīng)電動勢的幅值不再減小，此時就判定套管被切透。當(dāng)切割多層套管時，監(jiān)測的感應(yīng)電動勢的幅值在維持一段時間后，將繼續(xù)減小，其中維持的時間是切割兩層套管之間的水泥環(huán)的過程，由于水泥環(huán)的電導(dǎo)率比套管低3-5個數(shù)量級，因此在水泥環(huán)中渦流場很小，所產(chǎn)生的二次場也會很小，相對于套管的厚度變化而言，切割水泥環(huán)的過程對電磁探頭接收信號的影響很小，因而此時感應(yīng)電動勢的幅值基本維持不變。當(dāng)水泥環(huán)被切透并開始切割下一層套管時，感應(yīng)電動勢的幅值繼續(xù)減小，直到該層套管被切透后，感應(yīng)電動勢的幅值再維持到另一個不變的幅值的，依次循環(huán)，直到最后一層套管被切透。總而言之，根據(jù)感應(yīng)電動勢的幅值區(qū)分套管是否被切透的判別方法是：首先對接收線圈22接收到的感應(yīng)電動勢的幅值進(jìn)行放大和濾波，濾除發(fā)射頻率以外的頻率成份，以消除噪聲的影響，進(jìn)而通過相敏檢波得到渦流產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，并根據(jù)感應(yīng)電動勢的幅值變化判斷某層套管是否被切透。當(dāng)電磁探頭11接收的感應(yīng)電動勢的幅值由大到小變化并保持為恒定值時，判斷該層套管已被切透。

由安裝在切割工具上的超聲波傳感器監(jiān)測磨料與介質(zhì)撞擊后產(chǎn)生的聲波信號，以判別磨料是撞擊在套管上、水泥環(huán)上或者地層上。上述的超聲波傳感器是一種被動監(jiān)測裝置，本身不發(fā)射信號，切割過程中，噪聲幅度也是不確定的，因而以磨料撞擊不同介質(zhì)所產(chǎn)生的特征頻率范圍內(nèi)的功率譜幅度作為判別套管是否被切透的主要依據(jù)。磨料粒子隨高壓射流噴射到套管上時，將產(chǎn)生較高的功率譜幅度，所指的振動是指金屬套管質(zhì)點(diǎn)的振動，該信號經(jīng)井筒內(nèi)的流體傳遞到傳感器后，根據(jù)傳感器的輸出信號就可識別介質(zhì)，由于高壓射流粒子撞擊到套管上與撞擊到套管切透后的水泥或地層時，其振動信號的功率譜密度是不同的，因而可根據(jù)傳感器輸出信號的功率譜密度判斷套管上的任意切割點(diǎn)是否被切透。當(dāng)聲波信號在特定頻率段的功率譜密度保持為恒定值且突然降低并保持新的恒定值時，表示當(dāng)前套管已被切透。

兩種監(jiān)測方法對套管是否被切透的可能判斷結(jié)果有4種組合：

1、電磁監(jiān)測判斷切透，聲波監(jiān)測判斷未切透；

2、電磁監(jiān)測判斷未切透，聲波監(jiān)測判斷切透；

3、電磁監(jiān)測判斷未切透，聲波監(jiān)測判斷未切透；

4、電磁監(jiān)測判斷切透，聲波監(jiān)測判斷切透。

判決的方法是只認(rèn)為第4種結(jié)果表示套管被切透，對其他三種情況都表示未切透。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。