ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ДЕФЕКТОСКОП

Полезная модель относится к геофизическим исследованиям в скважинах и может быть использована для выявления и классификации дефектов эксплуатационных и технических колонн, насосно-компрессорных труб (НКТ) в нефтяных и газовых скважинах.
Известен электромагнитный модуль (MTT) фирмы Sondex W.L.E. для выявления дефектов в НКТ. (Magnetic thickness tools-MTT. Leding Oilfield technology. Sondex, p. 10, www.sondex.com). Зонд MTT состоит из одной генераторной катушки и 12-ти 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, но 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, опубл. 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 э.д.с. 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 поверхности трубы.
Известен дефектоскоп (Пат. РФ №2250372, опубл. 20.04.2005 г., бюл. №11), который 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 трубы.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) к заявляемой полезной модели является электромагнитный дефектоскоп (Пат. РФ №2372478, опубл. 10.10.09), который позволяет исключать смешивание сигналов от «передней» и «задней» стенок трубы, увеличить чувствительность к малым дефектам. В известном 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, генераторная катушка индуктивности, возбуждается подачей периодических импульсов тока с заданной длительностью.
Недостатком данного решения является то, что магнитные силовые линии приемной катушки 3 замыкаются через магнитопровод 2 генераторной катушки 1, что снижает чувствительность к малым дефектам (фиг. 1).
Чем длиннее сердечник (магнитопровод) 2, тем больше «размазывается» вторичное магнитное поле, что уменьшает разрешающую способность дефектоскопа, в результате чего снижается информативность измерений.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения чувствительности зонда к малым дефектам, что повышает информативность измерений.
Указанная задача решается тем, что в электромагнитном скважинном дефектоскопе, содержащем корпус зонда, блок электроники, генераторную катушку индуктивности, ось которой совпадает с осью скважины, и не менее трех измерительных катушек индуктивности, расположенных по периметру зонда и с магнитными осями, направленными перпендикулярно его оси, для концентрации силовых линий вторичного магнитного поля между генераторной катушкой индуктивности и каждой измерительной катушкой индуктивности установлен магнитный экран.
На фиг. 1 - приведен пример распределение силовых линий магнитного поля для прототипа.
На фиг. 2 - приведен пример распределение силовых линий магнитного поля для предлагаемой полезной модели.
На фиг. 3 - изображен разрез в плоскости A зонда.
На фиг. 4 - представлена запись диаграммы спада возбуждаемого тока.
На фиг. 5 - дана структурная схема дефектоскопа.
На фиг. 6 - приведен пример сравнения результатов измерений с помощью известного прибора по прототипу и с помощью заявляемого зонда в модельной колонне.
Заявляемый электромагнитный скважинный дефектоскоп содержит:
z
r
продольную генераторную катушку индуктивности 1 зонда со стержнем из магнитопровода 2, магнитная ось M которой совпадает с осью скважины и направлена вдоль зонда, измерительные катушки индуктивности 3, расположенные по периметру зонда, с магнитными осями M, направленными перпендикулярно его оси, магнитные экраны 4 между генераторной катушкой индуктивности 1 и каждой измерительной катушкой индуктивности 3.
Корпус 5 зонда установлен внутри колоны 6 (фиг.3). Продольная генераторная катушка индуктивности 1 имеет вытянутую вдоль оси зонда форму. Количество измерительных катушек 3, расположенных по периметру зонда, определяется диаметром зонда и габаритами каждой катушки.
Поз. 7 - направление вихревых токов в колонне 6.
Поз. 8 - направление силовых линий магнитного поля.
Согласно структурной схеме дефектоскопа (фиг.5) к каротажному кабелю (20) через элементы развязки 9 подключены стабилизатор 10 с источником питания 11 генераторной катушки индуктивности 1 и с источником вторичного питания 12, а также - передатчик 13, контроллер связи 14 (содержащий набор стандартных микросхем, подобранных для решения конкретных задач), имеющий двустороннюю связь управления и приема сигналов с измерительным блоком 15, который подключен к измерительным катушкам индуктивности 3 и включает усилитель, АЦП - аналогово-цифровой преобразователь.
Поз. 16 - диаграмма измерений прибором по прототипу, 17 - диаграмма измерений предложенным зондом в модельной колонне, где: 18 - отверстия диаметром от 15 до 50 мм, а 19 - углубления от 3 до 5 мм.
Дефектоскоп работает следующим образом.
0
По генераторной катушке индуктивности 1 пропускают импульс тока намагничивания амплитудой J, с одинаковой длительностью τ в диапазоне 1÷100 мс (фиг.4), который возбуждает в окружающей стальной трубе 6 вихревые токи 7. В измерительных катушках 3 регистрируется э. д. с.переходных процессов как функция времени t. Блок измерительный 15 под управлением контроллера связи 14 разделяет во времени сигналы от измерительных катушек 3, усиливает и оцифровывает их, и по линиям приема сигналов через контроллер связи 14 передает в передатчик 13, который по каротажному кабелю 20 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 колонны 6.
Использование в качестве генераторной катушки индуктивности 1 соленоида определенной длины (примерно равной диаметру исследуемой трубы) с магнитной осью (магнитным моментом), направленным по оси колонны (вдоль зонда), а также расположение магнитных осей измерительных катушек индуктивности 3 перпендикулярно стенкам колонны, и магнитного экрана между генераторной катушкой индуктивности и каждой измерительной катушкой индуктивности 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.6 приведен пример сравнения измерений прибором по прототипу - диаграмма 16 и предложенным зондом согласно полезной модели - диаграмма 17 в модельной колонне, где 18 - отверстия диаметром от 15 до 50 мм и 19 - углубления от 3 до 5 мм.
На фигуре видно, что амплитуда диаграммы 17 более вытянута, чем диаграммы 16.
Магнитные экраны 4 позволяют повысить разрешающую способность к магнитным дефектам, благодаря тому, что они фиксируют магнитные силовые линии 8 в окрестности каждой измерительной катушки 3 и уменьшают влияние магнитопровода 2 генераторной катушки 1 на разрешающую способность измерительной катушки. Таким образом, магнитный экран используется как концентратор вторичного магнитного поля в зоне измерительной катушки и исключает влияние магнитопровода генераторной катушки. Концентрация вторичного магнитного поля с помощью магнитных экранов позволяет обеспечить локализацию указанных полей в зоне измерительной катушки и повысить разрешающую способность дефектоскопа.