ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МНОГОСЕКТОРНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП
ELECTROMAGNETIC MULTI-SECTOR FLAW DETECTOR

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в скважинах и может быть использовано при техническом диагностировании насосно-компрессорных труб (НКТ) и обсадных колонн [1], в том числе через НКТ.
Известен электромагнитный дефектоскоп скважинный [2], содержащий токовый коммутатор, сигнальную и токовую катушки индуктивности. Недостатком данного дефектоскопа является невозможность идентификации помех (описанных в [3]), возникающих в сигнальной (или измерительной) катушке при движении скважинного прибора и вызванных либо аномалиями магнитного поля в стальных трубах, либо неравномерным движением скважинного прибора в скважине.
Механизм возникновения помех одинаков в этих случаях - изменение магнитного потока, вызванное аномалией магнитного поля или изменением скорости перемещения скважинного прибора при неравномерном движении, обуславливает появление дополнительной эдс индукции в измерительной катушке [4, стр. 321].
Неравномерные перемещения скважинных приборов могут наблюдаться как в осевом, так и в радиальном относительно оси ствола скважины [5, стр. 4] направлениях, также может присутствовать и вращение прибора, особенно характерное при проведении геофизических исследований, в скважинах имеющих значительные отклонения от вертикали. Неравномерное движение скважинного прибора может быть вызвано также тем, что геофизический кабель имеет свойство сохранять остаточную деформацию, вызванную намоткой на барабан лебедки каротажного подъемника [6, стр. 221]. Это приводит к чередующимся с неравномерным движением остановкам скважинного прибора в стволе скважины при выполнении измерений, что в свою очередь ведет к несовпадению данных, зарегистрированных за несколько спусков и подъемов и затрудняет их интерпретацию.
Известен электромагнитный скважинный дефектоскоп [7], содержащий продольный и поперечный зонды с катушками индуктивности, каждая из которых включает в себя генераторную и приемную обмотки. Поперечный зонд имеет не менее трех катушек индуктивности, расположенных по периметру центрального ферромагнитного сердечника. Этот дефектоскоп позволяет облегчить интерпретацию получаемой информации, так как каждая из обмоток поперечного зонда работает только со своим сектором измеряемой обсадной колонны или НКТ. Использование поперечного зонда позволяет учитывать расцентровку (т.е. учитывать результат радиального перемещения) дефектоскопа в трубе. Однако отсутствует возможность анализа неравномерного движения в осевом направлении, а вращение дефектоскопа можно оценить только при повторной записи (скважинный прибор нужно спустить на эту же глубину и произвести повторную запись), но ввиду отсутствия контроля угла поворота дефектоскопа вокруг собственной оси данный вид анализа затруднен. Все эти факторы снижают достоверность выявления дефектов на внутренней и внешней колоннах, а также повышают погрешность измерения толщины их стенок.
Известно измерительное устройство для магнитной дефектоскопии [8], в котором используется измерительная система с N-датчиками магнитного поля, расположенными равномерно, не менее чем по трем уровням в виде квадратных ячеек по примеру круга, подключенных к аналоговому коммутатору, выходы которого подключены к входу прецизионного дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, сигнал которого считывается микропроцессором в оперативную память и обрабатывается методом конечных элементов, в результате которого определяются местоположение дефекта, его характер и пространственная ориентация. Хотя в данном устройстве и используются датчики магнитного поля, на показания которых неравномерное движение скважинного прибора в направлении оси ствола скважины не оказывает такого же влияния, как в дефектоскопе [7], но ввиду отсутствия возможности учета вращения устройства затрудняется совмещение данных, полученных на разных глубинах и, следовательно, снижается достоверность определения пространственной ориентации дефектов. Кроме этого, в данном случае на результаты измерений оказывает влияние перемещение скважинного прибора в радиальном направлении.
Известен магнитный толщиномер МТТ (Magnetic Thickness Tool) фирмы GE Oil & Gas [9], содержащий одну генераторную катушку, которую питают синусоидальным током, и 12 миниатюрных датчиков магнитного поля, установленных на внутренней стороне рессор. Также имеется встроенный датчик вращения, который позволяет учитывать этот тип движения и переориентировать данные при вращении магнитного толщиномера во время каротажа. МТТ позволяет измерять толщину только внутренней (ближней к скважинному прибору) колонны или НКТ, что ограничивает его применение, и к тому же здесь отсутствует возможность контроля неравномерных перемещений в осевом и радиальном направлениях, что в свою очередь снижает достоверность выявления дефектов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электромагнитный скважинный дефектоскоп [10], содержащий корпус, блок электроники, генераторную катушку индуктивности и не менее трех измерительных катушек индуктивности, расположенных по периметру зонда с магнитными осями, направленными перпендикулярно его оси. Магнитная ось генераторной катушки индуктивности, возбуждаемой подачей периодических импульсов тока с заданной длительностью, направлена вдоль зонда. Блок электроники выполнен с возможностью цифровой регистрации эдс переходных процессов измерительных катушек как функции времени в диапазоне 1÷100 мс. Используется мощная генераторная обмотка продольного зонда, которая создает однородное поле в исследуемой трубе, при этом каждая из дополнительных приемных катушек, расположенных по периметру зонда, работает только со своим сектором исследуемой трубы. При повышении информативности измерений в сравнении с [7] этим дефектоскопом присущи те же недостатки.
Предлагаемое изобретение решает задачи повышения точности измерения толщин обсадных колонн и НКТ, а также увеличения достоверности выявления дефектов в них при одноколонной и многоколонной конструкциях в эксплуатационных и разведочных нефтегазовых скважинах за счет применения магнитных датчиков, чувствительных только к изменению направления магнитного поля, учета неравномерного движения скважинного прибора и повышения информативности измерений.
Для решения этих задач в электромагнитном многосекторном дефектоскопе, содержащем цилиндрический немагнитный корпус, блок электроники с возможностью оцифровки и регистрации аналоговых сигналов [11], измерительный зонд, состоящий из генераторной, возбуждаемой подачей периодических импульсов напряжения с заданной длительностью, и приемной катушек с единым сердечником, при этом ось измерительного зонда совпадает с осью корпуса, содержится магнитный измерительный блок, имеющий не менее двенадцати датчиков, аналогичных применяемым в [7], которые чувствительны только к изменению направления магнитного поля в своем секторе исследуемой колонны и нечувствительны к значению напряженности магнитного поля, тем самым устраняется влияние на результаты измерений неравномерного движения дефектоскопа в направлении оси ствола скважины. Эти датчики равномерно расположены по периметру круга, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси измерительного зонда и прилегающей к его торцу, при этом центр круга совпадает с осью измерительного зонда. В дефектоскопе также устанавливаются одноосевой датчик угловой скорости, ось вращения которого совпадает с осью корпуса и трехосевой датчик линейного ускорения [12], причем он располагается так, чтобы одна из его осей совпадала с осью корпуса, что обеспечивает учет вращения дефектоскопа и его неравномерных перемещений, как в осевом, так и в радиальном относительно оси ствола скважины направлениях для компенсации помех и переориентировки данных датчиков магнитного измерительного блока. При этом блоком электроники регистрация сигналов датчиков линейного ускорения и угловой скорости, приемной катушки и датчиков магнитного измерительного блока начинается одновременно с фронтом импульса напряжения на генераторной катушке, а заканчивается по истечении некоторого времени от его спада, выбираемого исходя из конструктивных особенностей исследуемой скважины, за счет этого повышается информативность измерений.
На фиг. 1 приведена структурная схема электромагнитного многосекторного дефектоскопа.
Заявляемый дефектоскоп содержит цилиндрический немагнитный корпус 1, измерительный зонд 2, состоящий из генераторной 3 и приемной 4 катушек с единым сердечником, ось измерительного зонда совпадает с осью корпуса 10. Генераторная катушка 3 подключена к блоку электроники 7, к нему же подсоединена приемная катушка 4 и магнитный измерительный блок 5, имеющий не менее двенадцати датчиков 6, которые равномерно расположены по периметру круга, лежащего в плоскости, перпендикулярной оси измерительного зонда и прилегающей к его торцу, при этом центр этого круга совпадает с осью измерительного зонда. Одноосевой датчик угловой скорости 9 и трехосевой датчик линейного ускорения 8 также подключены к блоку электроники 7.
Электромагнитный многосекторный дефектоскоп работает следующим образом. Блок электроники 7 формирует импульс напряжения прямоугольной формы на подключенной к нему генераторной катушке 3 измерительного зонда 2. Под воздействием импульса напряжения в генераторной катушке 3 начинает протекать ток, который создает в окружающем пространстве магнитное поле, которое воздействует на датчики 6, изменяя их выходной сигнал. А поскольку всякое изменение тока сопровождается изменением магнитного потока, поэтому в приемной катушке возникает эдс самоиндукции [13, стр. 93], время и характер затухания которой определяются магнитными свойствами окружающего измерительный зонд металла колонн [14, стр. 162]. Аналогичный процесс происходит в момент спада импульса напряжения на генераторной катушке.
Блоком электроники 7 регистрация сигналов трехосевого датчика линейного ускорения 8, одноосевого датчика угловой скорости 9, приемной катушки 4 и датчиков 6 магнитного измерительного блока 5 начинается одновременно с фронтом импульса напряжения на генераторной катушке 3, а заканчивается по истечении некоторого времени от его спада, выбираемого исходя из конструктивных особенностей исследуемой скважины.
Данное изобретение позволяет компенсировать помехи за счет учета неравномерного движения скважинного прибора и повышения информативности измерений, что в свою очередь облегчает интерпретацию получаемой информации с измерительного зонда и датчиков магнитного измерительного блока, данные с которых имеют возможность переориентировки. Совокупность этих факторов позволяет повысить достоверность выявления дефектов в колоннах, а также повысить точность измерения толщины стенок колонн и НКТ при одноколонной и многоколонной конструкциях в нефтегазовых скважинах.
Электромагнитный многосекторный дефектоскоп может быть использован для выявления дефектов в колоннах и НКТ, а также измерения толщины их стенок в эксплуатационных и разведочных нефтегазовых скважинах.
Технико-экономическая эффективность от использования предлагаемого изобретения при диагностировании обсадных колонн и НКТ нефтегазовых скважин определяется повышением достоверности выявления дефектов в трубах и увеличением точности измерения толщины их стенок.
Литература
1. СТО Газпром 2-2.3-145-2007 «Инструкция по техническому диагностированию скважин ПХГ».
2. Патент на изобретение. 2290632 РФ. МПК G01N 27/90, G01V 3/18. Электромагнитный дефектоскоп скважинный / Марков В.А., Шулаев В.Ф., Масленников В.А., Иванов О.В.
3. Патент на изобретение. 2176317 РФ. МПК Е21В 47/00, G01N 27/83. Способ электромагнитной дефектоскопии стальных труб в скважинах / Миллер А.А.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособ.: Для вузов. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 4-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 656 с.
5. ГОСТ Р 53713 2009. Месторождения нефтяные и газонефтяные. Правила разработки.
6. РД 153-39.0-072-01. Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах. Москва. 2002 г.
7. Патент на изобретение. 2250372 РФ. МПК Е21В 49/00, G01N 27/90. Электромагнитный скважинный дефектоскоп / Шамшин В.И., Даниленко В.Н., Наянзин А.Н., Шевченко Н.М., Даниленко В.В., Латунов С.В.
8. Патент на изобретение. 2319955 РФ. МПК G01N 27/87. Способ магнитной дефектоскопии и измерительное устройство для осуществления / Деркач А.С., Марков В.А., Шулаев В.Ф., Иванов О.В.
9. Magnetic Thickness Tool. Режим доступа: https://www.geoilandgas.com/oilfield/wireline-technology/magnetic-thickness-tool (дата обращения: 15.12.2015).
10. Патент на изобретение. 2372478 РФ. МПК Е21В 47/00. Электромагнитный скважинный дефектоскоп / Наянзин А.Н., Потапов А.П.
11. ГОСТ 17657-79, Передача данных. Термины и определения.
12. МЭМС акселерометры, гироскопы и геомагнитные датчики - революционно новый функционал потребительских устройств. Режим доступа:
http://www.rlocman.ru/review/article.html?di=134058 (дата обращения: 17.12.2015).
13. Попов В.С., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники, М., «Энергия», 1972, - 504 с.
14. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С. Физика для углубленного изучения. Электродинамика. Оптика. Том 2. М.: Физматлит. - 336 с.