УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Полезная модель относится к устройствам, используемым при проведении исследований в обсадных колоннах нефтяных и газовых скважин. Полезная модель может быть использовано для определения внутреннего профиля колонны, степени износа обсадной колонны, определения толщины стенки колонны, индикации различных повреждений (трещин, порывов, смятий), а также немагнитных отложений на внутренней стенке колонны.
Анализ существующего уровня показал следующее.
Известен способ и устройство исследования обсадных колонн в скважине (см. патент №1376950 от 08.05.80 г. по кл. Е21В 47/00, опубл. в Бюл. №7 23.02.88). Устройство включает в себя глубинный прибор и наземную часть, которые соединены кабелем.
Устройство содержит передающие катушки для генерирования вдоль продольной оси трубы переменного магнитного поля, которое наводит круговые токи, и приемные преобразователи, которые включают в себя три параллельные обмотки, соединенные встречно-параллельно. Недостатком данного устройства является низкая чувствительность к малым дефектам типа перфорационных отверстий, из-за конструктивных особенностей электромагнитной измерительной системы, значительного, по сравнению с минимальными размерами дефектов обсадной колонны, разноса генераторной и измерительной катушек электромагнитного датчика - магнитный поток генераторной катушки, пронизывающий дефект, становится много меньше общего магнитного потока, что затрудняет фиксацию малых дефектов, потому что для обеспечения контроля в пределах 360° без потери чувствительности их количество должно быть более чем установлено (более 12 штук). Использование 12 датчиков по периметру обсадной колонны с внутренним диаметром 150 мм позволяет сформировать измерительное «пятно» диаметром 39 мм, что и является разрешающей способностью электромагнитных датчиков скважинного прибора, а минимальный диаметр перфорационного отверстия составляет 10 мм. Отсутствует возможность измерения внутреннего профиля колонны механическим способом, соответственно интервалы с немагнитными отложениями на внутренней поверхности колонны (парафин, цемент и др.) не фиксируются. Недостатком данного устройства является необходимость измерения амплитудной составляющей сигнала для внесения поправки за изменения расстояния между электромагнитными датчиками и исследуемой поверхностью.
Известно устройство для определения дефектов обсадных колонн и перфорационных отверстий (см. патент №2215143 от 04.10.2001 г. по кл. Е21В 49/00, G01N 27/90 опубл. в Бюл. №30 27.10.2003).
Устройство содержит одну общую генераторную катушку и дифференциально соединенные измерительные катушки удаленные от генераторной вдоль оси прибора и распределенные равномерно по периметру устройства. Генераторная катушка выполнена в виде соленоида. Все измерительные катушки располагаются, таким образом, что магнитная ось ориентирована перпендикулярно оси устройства. Измерительные катушки смещены относительно друг друга на величину необходимую для перекрытия зоны исследования относительно других катушек. Недостатком данного устройства является тот факт, что используется одна генераторная катушка, соответственно устройство не может дифференцированно отмечать дефекты в обсадной колонне, т.к. магнитный поток общей генераторной катушки, изменяющийся при наличии дефекта в обсадной колонне, дает интегральную зависимость и не позволяет локализовать место повреждения. Результирующий сигнал с помощью данного устройства поступает в наземную панель в аналоговой, а не в цифровой форме, что несомненно отражается на скорости передачи и качестве передачи информации.
Известно устройство для контроля преимущественно обсадных колонн в скважине (см. патент №1137188 от 17.09.1980 г. по кл. Е21В 47/00, опубл. в Бюл. №4 от 30.01.85).
Устройство содержит вращающие датчики с полюсными наконечниками, вытянутыми вдоль оси колонны, регистрирующий прибор и калибровочные датчики. Недостатком данного устройства является малая скорость измерений при исследовании технического состояния колонны по всему периметру колонны за счет поступательно-вращательного движения устройства во время замера.
Технический результат, который может быть получен при реализации предполагаемой полезной модели, заключается в следующем: повышение точности контроля, получение возможности дифференциального определения внутреннего диаметра колонны, ее толщины, интервалов с немагнитными отложениями, дефектов различной ориентации в ферромагнитной трубе.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство для определения технического состояния обсадной колонны содержащее глубинный прибор и наземную часть, соединенные кабелем, источник питания, регистратор, модем, блок электромагнитных датчиков, блок механических датчиков, корпус устройства, блок для дистанционного контроля и управления прижимным устройством, блок для дистанционного контроля и управления измерительными рычагами, скважинную телеметрическую систему, согласно полезной модели, устройство для определения дефектов в колонне обсадных труб из ферромагнитного материала, содержит удлиненный корпус для установки его в колонне на каротажном кабеле и включает в себя блоки первичных преобразователей, каждый из которых состоит из секций с электромагнитными датчиками, установленными на прижимных стойках и секций механических датчиков, снабженных индивидуальными прижимающими элементами, в секции механических датчиков установлены индивидуальные рессоры для автономного прижимания механических рычагов к стенке колонны; устройство снабжено высокочастотными и низкочастотными датчиками, установленными на автономных прижимных стойках с отдельными электрическими схемами питания генераторных катушек и схемами для измерения сдвига фазы между электродвижущей силой, наведенной в измерительной катушке электромагнитного датчика и опорным напряжением; информация о фазовом сдвиге обрабатывается микропроцессорной системой и передается в цифровой форме телеметрической системе.
Вариантом реализации устройства является:
1. Устройство для определения дефектов в колонне обсадных труб из ферромагнитного материала, содержащее удлиненный корпус для установки его в колонне на каротажном кабеле, включающее в себя два блока первичных преобразователей, каждый из которых состоит из двух секций с электромагнитными датчиками, установленными на десяти прижимных стойках, с угловым сдвигом между секциями равным 18 мм, для создания максимального разрешения и из двух секций механических датчиков, состоящих из двадцати четырех механических рычагов в каждой секции смещенных относительно друг друга на угол 7,5°, что эквивалентно установке по периметру 48 измерительных рычагов, с целью повышения точности контроля снабжено индивидуальными прижимающими элементами для прижимания стоек электромагнитных датчиков к стенке скважины и включают в свой состав генераторные и измерительные катушки, ориентированные под углом 90° по отношению к оси устройства, а в секции механических датчиков установлены индивидуальные рессоры для автономного прижимания механических рычагов к стенке колонны.
2. Устройство снабжено высокочастотными и низкочастотными датчиками, установленными на автономных прижимных стойках с отдельными электрическими схемами питания генераторных катушек и схемами для измерения сдвига фазы между электродвижущей силой (ЭДС) наведенной в измерительной катушке электромагнитного датчика и опорным напряжением. Информация о фазовом сдвиге обрабатывается микропроцессорной системой и передается в цифровой форме телеметрической системе.
3. Устройство снабжено оптимальным количеством электромагнитных датчиков, с помощью которых представляется возможным измерять внутренний диаметр и толщину стенки колонны, определять местоположение перфорационных отверстий и ориентацию разрывных нарушений колонны, с этой целью на каждой прижимной стойке помимо низкочастотного датчика толщиномера и высокочастотного датчика радиусомера, установлены два разно ориентированных высокочастотных датчика, один вдоль оси устройства, другой под углом 90° к оси устройства, реагирующие на изменения напряженности наведенного вторичного поля в местах разрывных нарушений.
4. Устройство помимо двух секций с электромагнитными датчиками, снабжено двумя секциями механических датчиков по 24 рычага в каждой секции, с помощью которых измеряется внутренний профиль колонны, а по разности показаний с электромагнитными датчиками представляется возможным выделять интервалы с немагнитными отложениями на внутренней поверхности колонны (парафин, цемент и др.).
На фиг.1 изображен вариант устройства контроля колонны, обсадных труб при выполнении исследований; на фиг.2 - общий вид устройства; на фиг.3 - одна из двух секций блока электромагнитных датчиков; на фиг.4 - секция блока электромагнитных датчиков в разрезе; на фиг.5 - двухсекционный блок механических датчиков; на фиг.6 - секция блока механических датчиков в разрезе; на фиг.7 - структурная схема электронной платы, для измерения сдвига фаз; на фиг.8 - стойка электромагнитных датчиков; на фиг.9 схематическое изображение низкочастотного и высокочастотного датчиков.
Устройство содержит глубинный прибор и наземную часть, соединенные кабелем (фиг.1). Устройство включает глубинный прибор 1 для контроля обсадной колонны 2, каротажный кабель 3, источник питания 4, регистратор 5, модем 6, блок электромагнитных датчиков 7, блок механических датчиков 8, корпус устройства 9, блок для дистанционного контроля и управления прижимным устройством 10, блок для дистанционного контроля и управления измерительными рычагами 11, скважинная телеметрическая система 12.
Глубинный прибор 1 контроля обсадной колонны 2 обычно подвешивается на каротажном кабеле 3. Использование кабеля 3 обеспечивает возможность перемещения глубинного прибора контроля колонны по всей длине этой колонны 2. Кабель 3 также образует линию связи для передачи сигнала от прибора 1 к наземному оборудованию, где сигналы записываются и оцениваются. Кроме того, кабель 3 образует цепь питания от расположенного на поверхности источника 4 питания к прибору 1 контроля и вспомогательным схемам.
Глубинный прибор 1 контроля колонны обсадных труб снабжен двумя парами секций - механических и электромагнитных датчиков, расположенных последовательно снизу вверх на корпусе 9. Удлиненный корпус 9 или оправка представляет собой стальной корпус, так как электромагнитные датчики при работе не взаимодействуют с ним и магнитные свойства корпуса не оказывают отрицательное влияние на распространение электромагнитный полей.
Генераторные катушки всех электромагнитных датчиков индивидуальные и электрически запитываются с помощью генераторов низкой и высокой частот установленных в отдельных блоках скважинного прибора. От источника питания 4 переменный ток через кабель подается на входы генераторов частот и электронные схемы телеметрической системы 11. В отличие от приборов контроля, основанных на измерениях изменения потока магнитного поля постоянного тока, прибор 1 основан на создании магнитных потоков переменного тока различных частот. Генераторная и измерительная катушки совмещенные в отдельный электромагнитный датчик располагаются на отдельной стойке таким образом, что зона покрытия одним датчиком составляет 11, 7 мм. С помощью блока электромагнитных датчиков практически вся внутренняя поверхность колонны исследуется без пропусков благодаря двум секциям, в каждой из которой располагаются десять электромагнитных стоек. Электромагнитные стойки в секциях смещены друг относительно друга на угол равный 18°, для большего обхвата внутренней части колонны. Прижимание электромагнитных стоек к стенке колонны контролируется электромагнитными датчиками, установленными внутри блока 10 дистанционного контроля и регулирования прижимными устройствами, каждой стойке соответствует индивидуальный измерительный дроссель.
Прибор 1 контроля обсадных колонн снабжен 80 электромагнитными и 48 механическими датчиками расположенных в четырех секциях, установленные последовательно друг за другом вдоль оси прибора так, чтобы обеспечивать полный контроль в пределах 360° внутренней поверхности колонны (фиг.2).
На фиг.3 показана одна из двух секций электромагнитных датчиков, в которой равномерно по периметру располагаются десять одинаковых стоек, на каждом из которых располагаются по четыре электромагнитных датчика.
На фиг.4 показана секция блока электромагнитных датчиков в разрезе. Стойки дистанционно управляемые, т.е. по команде могут раскрываться или закрываться на заданную величину с помощью коллекторного двигателя 13 и редуктора 14 расположенного внутри устройства 15. Коллекторный двигатель 13 через тяговый шток 16, толкатель 17 и систему рычагов 18 управляет движением стоек электромагнитных датчиков 19. Прижимание стоек к стенке колонны выполняется витыми (или пластинчатыми) пружинами 20 установленными в кармане 21.
Для определения положения стоек используется микропроцессорная система, имеющая в своем составе индуктивный преобразователь 22 состоящий из неподвижной трех секционной катушки 23, которая включает в себя две генераторные катушки 24, 25 и одну измерительную катушку 26, а также подвижный сердечник 27 и электронное плата для измерения сдвига фаз.
На подвижной стойке последовательно сверху вниз располагаются четыре электромагнитных датчика: датчик для индикации поперечного дефекта 28, датчик для индикации продольного дефекта 29, индукционный радиусомер 30 и датчик для измерения толщины обсадной колонны 31.
На фиг.5 показан блок механических датчиков, состоящий из двух секций. В каждой секции равномерно по периметру устройства располагаются двадцать четыре механических датчика.
Механический датчик состоит из системы рычагов 32 и витой пружины 33 расположенной в кармане 34. Для приведения механического датчика в рабочее состояние (для его раскрытия) или для дистанционного закрытия устройства, оно снабжено коллекторным двигателем 35 и редуктором 36, расположенных внутри устройства. Помимо двигателя и редуктора в систему дистанционного управления положением механических датчиков входят толкатель 37 соединенный с тяговым штоком 38 (фиг.6). Для определения положения механического рычага при выполнении замера используется микропроцессорная система, описанная выше, которая помимо электронной платы для измерения сдвига фаз, имеет в своем составе индуктивный преобразователь состоящий из неподвижной трех секционной катушки 39 (две генераторные катушки Г1, Г2 и одна измерительная катушка И1) и подвижный сердечник 40.
Механические датчики, расположенные в двух секциях таким образом, что бы измерительные рычаги могли покрывать исследуемую зону внутренней поверхности колонны шириной 9,8 мм.
Как отмечалось выше, все электромагнитные датчики, а также микропроцессорные системы представленные в виде электронных плат, предназначенные для контроля положения измерительных рычагов и подвижных стоек работают по принципу измерения сдвига фаз между измеряемым и опорным сигналом. Поэтому количество этих плат для устройства составляет - двадцать блоков, в том числе: для двух секций механических датчиков - шесть блоков, для двух секций электромагнитных датчиков - четырнадцать блоков (десять блоков для электромагнитных датчиков и четыре блока для подвижных стоек). Установка электронных плат для измерения сдвига фаз в непосредственной близости от подвижных рычагов и стоек (поз.41 фиг.6), а также использование цифрового формата передачи сигнала от измерительных датчиков к телеметрической системе позволяет: а) повысить достоверность первичной информации; б) передавать ее без искажений по линиям связи; в) сокращать время передачи; г) не разбирая блок телеметрии скважинного прибора выполнять ремонт блока датчиков.
Конструктивно все электронные платы для измерения сдвига фаз выглядят одинаково, поэтому на примере описания структурной схемы платы для измерения сдвига фаз в блоке механических датчиков МД описывается принцип действия электронной схемы для измерения сдвига фаз (фиг.7). В состав электронной платы входят два генератора синусоидальных сигналов 42 и 43 для питания переменным током частотой sin wt одной из двух генераторных катушек Г1 восьми механических датчиков МД 1-8 и переменным током частотой cos wt другой из двух генераторных катушек Г2 механических датчиков МД 1-8. С каждого выхода измерительных катушек восьми механических датчиков МД, информативные сигналы подаются на многоразъемный вход мультиплексора 44, в котором по заданной программе они вмешиваются и затем программно последовательно подаются на вход формирователя фазового сдвига 45, с выхода которого сигнал поступает на микропроцессор 46. Микропроцессор 46 выполняет следующие функции: вычисляет сдвиг фаз между измеренным и опорным напряжениями, управляет мультиплексором и генераторами синусоидального напряжения. С выхода микропроцессора обработанный сигнал - напряжение пропорциональное величине расхождения фаз, что соответствует изменению положения механического рычага, преобразованное в цифровой код, передается по шине данных в электронный блок скважинной телеметрической системы ТС 47, где он регистрируется, а затем модулируется, с помощью модема 48 для последующей передачи на поверхность в ЭВМ.
На фиг.8 показана стойка электромагнитных датчиков. На немагнитной подложке стойки 19 укреплены четыре электромагнитных датчика: высокочастотный датчик для измерения расстояния между стойкой и внутренней металлической поверхностью колонны 30, низкочастотный датчик для измерения толщины колонны 31, датчик для определения дефектов в обсадной колонне в поперечном 28 и осевом 29 направлениях.
На фиг.9 показаны конструкции низкочастотного а и высокочастотного б датчиков. Конструкция датчика для индикации дефектов колонны аналогична конструкции высокочастотного датчика и поэтому на рисунке не приводится.
Низкочастотный электромагнитный датчик (а) предназначен для измерения толщины обсадной колонны фазовым способом. Датчик имеет форму параллелограмма или цилиндрическую форму, диаметр торца датчика составляет 24 мм. Датчик состоит из генераторной 49 и двух измерительных 50 катушек расположенных на общем магнитопроводе 51 собранном из пластин трансформаторной стали, а также электронной схемы для измерения сдвига фаз между измеряемым и опорным напряжением описанный выше.
Высокочастотный электромагнитный датчик (б) предназначен для измерения расстояния до внутренней стенки колонны фазовым способом. Датчик имеет П-образную (или Ш-образную) форму и состоит из генераторной 49 и двух полюсных измерительных 50 катушек. Расположена генераторная катушка 49 на сердцевине П-образного магнитопровода, на полюсах единого магнитопровода 53 собранного из пластин трансформаторной стали П-образной формы располагаются измерительные катушки 50. Защитный кожух 52 служит для крепления датчика к выдвижной стойке. Если магнитопровод Ш-образной формы, измерительная катушка располагается на центральном полюсе магнитопровода, а генераторные катушки располагаются на полюсах. Электронная схема для измерения сдвига фаз между опорным и измеряемым напряжением аналогичная вышеописанной схеме.
Конструкция и принцип действия электромагнитных датчиков для определения ориентации дефектов в колонне (датчики 4 и 5 фигура 8) аналогична конструкции высокочастотного электромагнитного датчика. Разная пространственная ориентация этих датчиков позволяет идентифицировать форму дефекта в колонне и охватить большую полосу исследования. Электронная схема для измерения сдвига фаз между опорным и измеряемым напряжением аналогичная вышеописанной схеме.