ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ДЕФЕКТОСКОП
ELECTROMAGNETIC BOREHOLE DEFECTOSCOPE

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в скважинах и может быть использовано для выявления и классификации дефектов эксплуатационных и технических колонн, насосно-компрессорных труб в нефтяных и газовых скважинах.
Известен электромагнитный модуль (МТТ) фирмы Sondex W.L.E. для выявления дефектов в насосно-компрессорных трубах. (Magnetic thickness tools-MTT. Leding Oilfield technology. Sondex, p.10, http://www.sondex.com). Зонд МТТ состоит из одной генераторной катушки и двенадцати миниатюрных магнитных датчиков, установленных на внутренней стороне рессор. Генератор работает на трех частотах. Амплитуда и фаза сигнала на измерительной катушке зависят от количества металла, окружающего датчик.
Известный зонд позволяет определять дефекты на одной колонне НКТ либо интервал обсадной колонны после выхода из НКТ и не позволяет разделять дефекты на внутренней и внешней колоннах.
Известно устройство, позволяющее выявлять дефекты колонн и перфорационных отверстий. Электромагнитный скважинный дефектоскоп содержит корпус, генераторную катушку, магнитная ось которой ориентирована вдоль оси, а магнитная ось измерительной катушки ориентирована перпендикулярно оси дефектоскопа. (Пат. РФ №2215143, публ. 27.10.2003 г., бюл. №30).
В известном устройстве по генераторной катушке пропускается переменный ток, возбуждающий в окружающей стальной трубе круговые вихревые токи, которые наводят эдс в измерительных катушках. При прохождении измерительных катушек мимо дефектов в стенке колонны отмечаются характерные изменения магнитного поля.
Недостатком устройства является отсутствие возможности разделять дефекты на внутренней и внешней поверхностях трубы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электромагнитный дефектоскоп, который позволяет исключать смешивание сигналов от «передней» и «задней» стенок трубы. (Пат. РФ №2250372, публ. 20.04.2005 г., бюл. №11).
Известный дефектоскоп содержит немагнитный корпус, электронный блок. Поперечный зонд имеет не менее трех катушек индуктивности, расположенных по периметру центрального ферромагнитного сердечника.
Дефектоскоп работает следующим образом.
По генераторным обмоткам, магнитная ось которых перпендикулярна оси прибора (поперечный зонд), пропускается импульс тока, возбуждающий в изучаемой колонне вихревые токи. Получаемые в приемных обмотках сигналы имеют форму экспоненциальных спадов, которые несут информацию о наличии или отсутствии дефектов.
Известное устройство имеет следующие недостатки.
Поперечные зонды в заданном диаметре имеют габариты, не обеспечивающие создание в трубе однородного магнитного поля. Поэтому на показания сильно влияет магнитная неоднородность металла, что снижает чувствительность к небольшим дефектам.
На показания зондов значительное влияние также оказывает изменение электропроводности металла.
Предлагаемое изобретение решает задачу повышения информативности измерений за счет возможности выделения дефектов по разным стенкам колонны, разделения дефектов на внутренней и внешней поверхности, а также увеличения чувствительности к малым дефектам.
Указанная задача решается тем, что в электромагнитном скважинном дефектоскопе, содержащем корпус, блок электроники, генераторную катушку индуктивности зонда, ось которого совпадает с осью скважины, 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, а блок электроники выполнен с возможностью цифровой регистрации эдс переходных процессов измерительных катушек как функции времени в диапазоне 1÷100 мс, что обеспечивает азимутальное и радиальное разрешение.
На фиг.1 представлена принципиальная схема расположения зондов в заявляемом дефектоскопе.
На фиг.2 - разрез зонда по А-А.
На фиг.3 изображен спад возбуждаемого тока.
На фиг.4 дана структурная схема дефектоскопа.
На фиг.5 приведен пример измерения в трубе с аномалиями на внешней стороне.
На фиг.6 приведен пример азимутального зондирования.
На фиг.7 представлен пример работы устройства в модельной скважине.
Заявляемый дефектоскоп содержит продольную генераторную катушку индуктивности 1 зонда, ось которого совпадает с осью скважины и с магнитной осью, направленной вдоль зонда, измерительные катушки индуктивности 2, расположенные по периметру зонда, с магнитными осями, направленными перпендикулярно его оси. Дефектоскоп установлен внутри колоны 3 (фиг.1). Продольная генераторная катушка индуктивности имеет вытянутую вдоль оси зонда форму. Количество измерительных катушек, расположенных по периметру зонда, определяется диаметром зонда и габаритами каждой катушки (фиг.2). Поз.4 - расположение вихревых токов, возбуждаемых генераторной катушкой индуктивности.
Согласно структурной схеме дефектоскопа (фиг.4) к каротажному кабелю 5 через элементы развязки 6 подключены стабилизатор 7 с источником питания генераторной катушки 8 и с источником вторичного питания 9, а также передатчик 10, контроллер связи 11 (содержащий набор стандартных микросхем, подобранных для решения конкретных задач), имеющий двустороннюю связь управления и приема сигналов с измерительным блоком 12 (включающим усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь), подключенным к измерительным катушкам индуктивности 2.
Дефектоскоп работает следующим образом.
0
По генераторной катушке индуктивности 1 пропускается импульс тока намагничивания амплитудой J с одинаковой длительностью и частотой τ в диапазоне 1÷100 мс, который возбуждает в окружающей стальной трубе 3 вихревые токи 4. В приемных катушках 2 регистрируется эдс (13, 14) переходных процессов как функция времени (фиг.3). Блок измерительный 12 под управлением контроллера связи 11 разделяет во времени сигналы от измерительных катушек индуктивности, усиливает и оцифровывает их и по линиям приема сигналов через контроллер 11 передает в передатчик 10, который по каротажному кабелю 5 передает данные на поверхность.
Временное разделение сигнала позволяет получить измерения как функцию радиуса исследования. На ранних временах нестационарный сигнал определяется только свойствами внутренней поверхности, с увеличением времени электромагнитное поле проникает внутрь металла.
Использование в качестве генераторной катушки соленоида определенной длины (примерно равной диаметру исследуемой трубы) с магнитной осью (магнитным моментом), направленными по оси колонны (вдоль зонда), а также расположение магнитных осей приемных катушек перпендикулярно стенкам колонны, обеспечивает максимальное соотношение аномалий против дефекта к величине аномалий фона, обусловленных электромагнитными неоднородностями металла (удельной электропроводности σ и магнитной проницаемостью µ), так как сигнал в данной системе измерений пропорционален разности продольных и поперечных электромагнитных свойств. То есть в результирующем сигнале аномалии, вызванные неоднородностью электромагнитных свойств, вычитаются.
На фиг.4 приведен пример измерения в трубе, имеющей гладкую внутреннюю поверхность, на внешней поверхности колонны толщиной 5,5 мм были выполнены проточки глубиной 4,5 мм (15), 1 мм (16), 0,5 мм (17) и шириной 200 мм. На времени t=1 мс электромагнитное поле еще не проникло на глубину 2 мм, на кривых отмечаются только муфтовые соединения колонн (18). При t=2 мс на кривых наблюдаются аномалии небольшой амплитуды против границ проточки (15), что свидетельствует о проникновении электромагнитного поля на глубину 2 мм. При t=5 мс на кривых наблюдается аномалии против всех проточек (15, 16, 17), что свидетельствует о проникновении электромагнитного поля на глубину 5,5 мм.
На фиг.5 приведен пример азимутального зондирования. Модуль имитирует горизонтальную трещину 19. Границы нарушений отмечаются на двух из четырех измерительных катушек. Против целой стенки аномалии отсутствуют.
На фиг.6 дан пример работы устройства в модельной скважине на ранних 3 мс и поздних 7 мс временах. Различные дефекты выделяются уверенно.
Предложение облегчает интерпретацию получаемой информации, позволяет выделять и квалифицировать дефекты существенно меньших размеров, чем аналоги. Используя мощную генераторную обмотку продольного зонда, создающую однородное поле в исследуемой трубе, каждая из дополнительных приемных катушек, расположенных по периметру зонда, работает только со своим сектором исследуемой трубы. При повторных записях поворот прибора приведет только к переходу аномалии от дефекта в другой сектор, что несложно для восприятия.
Так как габарит приемных катушек намного меньше, чем у мощной генераторной катушки, то и обнаружение малых дефектов становится более реальным.