СКАНИРУЮЩИЙ МАГНИТНЫЙ ИНТРОСКОП ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СТАЛЬНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН СКВАЖИН
SCANNING MAGNETIC INTROSCOPE FOR NON-DESTRUCTIVE EXAMINATION OF STEEL CASING STRINGS OF WELLS

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при контроле эксплуатационных колонн нефтяных и газовых скважин.
Известен электромагнитный сканирующий дефектоскоп ЭМДС-С (Сканирующий электромагнитный дефектоскоп ЭМДСС. Интернет-страница: www.Geoscaner.narod.ru), состоящий из скважинного модуля, выполненного на основе четырех специальных электромагнитных зондов малых дефектов, помещенных в подпружиненные башмаки, скользящие по стенкам эксплуатационной колонны, и наземной диагностической системы. Недостатком данного дефектоскопа является низкая разрешающая способность при регистрации дефектов стенки и особенностей (перфорационных отверстий, муфт, центраторов и т.п.) эксплуатационной колонны, обусловленная малым количеством и большим размером зондов.
Известен индукционный дефектомер колонны, предназначенный для выявления повреждений эксплуатационных колонн: прорывов, трещин, сквозных отверстий, перфораций и других дефектов (В.Ф.Будников, П.П.Макаренко, В.А.Юрьев. Диагностика и капитальный ремонт эксплуатационных колонн в нефтяных и газовых скважинах. - М.: Недра, 1997. - 226 с.).
Недостатком данного дефектомера является невозможность оценки ориентации, расположения и размеров дефектов стенки эксплуатационной колонны, что затрудняет выбор наиболее эффективной технологии ремонтно-восстановительных работ.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является интроскоп магнитный скважинный (патент RU №2382357, МПК G01N 27/82, опубл. 20.02.2010 г.), состоящий из скважинного модуля, содержащего намагничивающее устройство, магнитоизмерительную систему из N магниточувствительных датчиков и бортовой контроллер, блока наземной электроники, включающего в себя источник питания, наземный контроллер и систему определения глубины скважинного прибора, персонального компьютера и геофизического кабеля, подключенные таким образом, что скважинный модуль подсоединен посредством геофизического кабеля к блоку наземной электроники и персональному компьютеру, связанным между собой через стандартный интерфейс, каждый из N информационных входов бортового контроллера связан с выходом одного из N магниточувствительных датчиков, при этом выход источника питания подсоединен к входам намагничивающего устройства и каждого из N магниточувствительных датчиков, а также первому входу бортового контроллера, первый выход которого связан с первым входом наземного контроллера, подключенного вторым входом к выходу системы определения глубины скважинного прибора, а выходом - к персональному компьютеру.
Недостатками данного интроскопа магнитного скважинного являются низкая производительность за счет малой скорости каротажа и надежность, обусловленная возможностью потери данных при нарушении электрического контакта в линии связи, а также ограниченный функциональный диапазон, вызванный ограничениями выявления дефектов продольной ориентации.
Технической задачей изобретения является повышение производительности и надежности сканирующего магнитного скважинного интроскопа, а также расширение функционального диапазона.
Поставленная задача достигается предлагаемым сканирующим магнитным интроскопом для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин, состоящим из скважинного модуля, содержащего намагничивающее устройство, магнитоизмерительную систему из N магниточувствительных датчиков и бортовой контроллер, блока наземной электроники, включающего в себя источник питания, наземный контроллер и систему определения глубины скважинного прибора, персонального компьютера и геофизического кабеля, подключенные таким образом, что скважинный модуль подсоединен посредством геофизического кабеля к блоку наземной электроники и персональному компьютеру, связанным между собой через стандартный интерфейс, каждый из N информационных входов бортового контроллера связан с выходом одного из N магниточувствительных датчиков, при этом выход источника питания подсоединен к входам намагничивающего устройства и каждого из N магниточувствительных датчиков, а также первому входу бортового контроллера, первый выход которого связан с первым входом наземного контроллера, подключенного вторым входом к выходу системы определения глубины скважинного прибора, а выходом - к персональному компьютеру.
Новым является то, что в состав скважинного модуля введены бортовые времязадающее и запоминающее устройства, а в состав блока наземной электроники - наземные времязадающее и запоминающее устройства, причем второй вход бортового и третий вход наземного контроллеров связаны с выходами, соответственно, бортового и наземного времязадающих устройств, третий вход бортового контроллера подключен к выходу бортового запоминающего устройства, вход которого связан с его вторым выходом, а четвертый вход наземного контроллера соединен с выходом наземного запоминающего устройства, вход которого связан с его вторым выходом, намагничивающее устройство выполнено сборным, изготовленным из стального сердечника с одной или несколькими вставками из постоянных магнитов, или П-образным, выполненным на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками.
Новым также является то, что сборное намагничивающее устройство выполнено с одной или несколькими вставками из постоянных магнитов, установленными положительными полюсами к отрицательным.
Новым также является то, что П-образное намагничивающее устройство выполнено с одним или несколькими П-образными сердечниками, которые установлены положительными полюсами к отрицательным.
Новым также является то, что вставки из постоянных магнитов установлены на центральном участке магнитопровода.
Новым также является то, что вставки из постоянных магнитов установлены на полюсах магнитопровода.
Новым также является то, что вставки из постоянных магнитов выполнены в виде тороида.
Новым также является то, что вставки из постоянных магнитов выполнены в виде секторов тороида.
Новым также является то, что полюса П-образных сердечников расположены вдоль эксплуатационной колонны.
Новым также является то, что полюса П-образных сердечников расположены поперек эксплуатационной колонны.
Новым также является то, что полюса П-образных сердечников расположены под углом не менее 45 градусов к эксплуатационной колонне.
Новым также является то, что несколько П-образных сердечников размещены последовательно друг за другом вдоль эксплуатационной колонны на расстоянии, которое выбирается с учетом максимальной компактности прибора в целом без потери точности измерения, и с поворотом на одинаковый угол относительно предыдущего сердечника, позволяющим охватить эксплуатационную колонну по диаметру.
Новым также является то, что несколько П-образных сердечников расположены с поворотом на одинаковый угол относительно предыдущего сердечника, позволяющим охватить эксплуатационную колонну по диаметру.
Использование электронных времязадающих и запоминающих устройств известно (Дэвид Л.Хейзерман. «Применение Интегральных Схем», Редакция литературы по новой технике, 1981 by Prentice-Hall Inc., перевод на русский язык, «Мир», 1984; Бойл К. «Цифровая электроника», М., «Техносфера», 2007 г., стр.325). Однако параллельное синхронное использование электронных времязадающих и запоминающих устройств в скважинном модуле и блоке наземной электроники сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин авторам не известно. Такое применение указанных устройств позволяет обеспечить повышенную производительность и надежность за счет, соответственно, возможности увеличения скорости каротажа и обеспечения сохранности информации даже при нарушении связи между скважинным модулем и блоком наземной электроники.
Применение намагничивающего устройства, выполненного на основе магнитопровода из стального сердечника с одной или несколькими вставками из постоянных магнитов, известно при контроле протяженных ферромагнитных объектов, в том числе стальных кантов с наружной стороны (патент RU №2204129, МПК G01N 27/82, опубл. 10.05.2003 г.). В предлагаемом же изобретении эти узлы использованы для внутритрубного контроля эксплуатационных колонн при геофизическом обследовании скважин, что в литературе до сих пор не было описано.
На фиг.1 приведена функциональная схема сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин, на фиг.2 - схема размещения вставок из постоянных магнитов, на фиг.3 - схема намагничивающего устройства с продольным намагничиванием, выполненного на основе постоянного магнита или электромагнита с одним П-образным сердечником, на фиг.4 - схема намагничивающего устройства с продольным намагничиванием, выполненного на основе постоянного магнита или электромагнита с несколькими П-образными сердечниками, на фиг.5 - схема намагничивающего устройства с поперечным намагничиванием, выполненного на основе постоянного магнита или электромагнита с одним П-образным сердечником, на фиг.6 - схема намагничивающего устройства с намагничиванием под углом не менее 45 градусов к эксплуатационной колонне.
На фиг.1-6 изображены эксплуатационная колонна 1 скважины, скважинный модуль 2, геофизический кабель 3, блок 4 наземной электроники, персональный компьютер 5, источник 6 питания, намагничивающее устройство 7, магнитоизмерительная система 8, магниточувствительные датчики 9, бортовой контроллер 10, наземный контроллер 11, система 12 определения глубины скважинного прибора, бортовое времязадающее устройство 13, бортовое запоминающее устройство 14, наземное времязадающее устройство 15, наземное запоминающее устройство 16, магнитопровод 17 из стального сердечника, вставка 18 из постоянного магнита, П-образный сердечник 19 намагничивающего устройства.
При этом скважинный модуль 2 (см. фиг.1) подсоединен посредством геофизического кабеля 3 к блоку 4 наземной электроники и персональному компьютеру 5, связанным между собой через стандартный интерфейс, каждый из N информационных входов бортового контроллера 10 связан с выходом одного из N магниточувствительных датчиков 9, при этом выход источника 6 питания подсоединен к входам намагничивающего устройства 7 и каждого из N магниточувствительных датчиков 9, а также первому входу бортового контроллера 10, первый выход которого связан с первым входом наземного контроллера 11, подключенного вторым входом к выходу системы 12 определения глубины скважинного прибора, а выходом - к персональному компьютеру 5, второй вход бортового 10 и третий вход наземного 11 контроллеров связаны с выходами, соответственно, бортового 13 и наземного 15 времязадающих устройств, третий вход бортового контроллера 10 подключен к выходу бортового запоминающего устройства 14, вход которого связан с его вторым выходом, а четвертый вход наземного контроллера 11 соединен с выходом наземного запоминающего устройства 16, вход которого связан с его вторым выходом.
Намагничивающее устройство 7 выполнено сборным на основе магнитопровода 17 (см. фиг.2А, 2Б, 2В) из стального сердечника с одной или несколькими вставками 18 из постоянных магнитов, кроме того, вставки 18 из постоянных магнитов установлены с учетом подключения соседних вставок положительными полюсами к отрицательным, вставки 18 из постоянных магнитов могут быть установлены на центральном участке магнитопровода 17 или на полюсах магнитопровода 17, выполнены в виде тороида или секторов тороида, или намагничивающее устройство 7 (см. фиг.1) выполнено П-образным на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками 19 (см. фиг.3-6), расположенными таким образом, что намагничивание осуществляется вдоль образующей линии эксплуатационной колонны, намагничивание осуществляется поперек образующей линии эксплуатационной колонны 1 или расположены таким образом, что намагничивание осуществляется под углом не менее 45 градусов к образующей линии эксплуатационной колонны, П-образные сердечники 19 намагничивающего устройства могут быть размещены последовательно друг за другом таким образом, что полюса каждого последующего П-образного сердечника намагничивающего устройства смещены по окружности эксплуатационной колонны 1 (см. фиг.1) с возможностью охвата эксплуатационной колонны по диаметру.
Для работы сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин используются следующие основные устройства и механизмы: скважинный модуль 2, геофизический кабель 3, блок 4 наземной электроники, персональный компьютер 5, система 12 определения глубины скважинного прибора.
Сканирующий магнитный интроскоп для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин функционирует следующим образом.
Опускаемый на геофизическом кабеле 3 в эксплуатационную колонну 1 скважины модуль 2 после запасовки погружается в эксплуатационной колонне 1 скважины под собственным весом до заданной глубины. Далее производится подъем скважинного модуля 2 посредством геофизического кабеля 3. В процессе спуска и/или подъема производится получение данных от опускаемого в эксплуатационную колонну 1 скважины модуля 2. При этом для привязки перемещения опускаемого в эксплуатационную колонну 1 скважины модуля 2 используется система 12 определения глубины скважинного прибора, например сельсин. Данные, поступающие от опускаемого в эксплуатационную колонну 1 скважины модуля 2, обрабатываются блоком 4 наземной электроники и записываются в персональный компьютер 5. Скважинный модуль 2 состоит из намагничивающего устройства 7, магнитоизмерительной системы 8, магниточувствительных датчиков 9, бортового контроллера 10, бортового времязадающего устройства 13 и бортового запоминающего устройства 14.
Намагничивающее устройство 7 содержит магнитопровод 17 (см. фиг.2А, 2Б, 2В) из стального сердечника и одну или несколько вставок 18 из постоянного магнита в форме тороида или его секторов. Выполнение намагничивающего устройства 7 (см. фиг.1) на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками 19 приведено на фиг.3-6.
Функциональное взаимодействие блоков прибора осуществляется следующим образом.
Электропитание всех узлов сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин осуществляется наземным источником 6 питания (см. фиг.1).
Источник 6 питания подает ток в намагничивающее устройство 7. В случае, когда в намагничивающем устройстве 7 используются вставки 18 (см. фиг.2А) из постоянного магнита или намагничивающее устройство 7 (см. фиг.1) выполнено на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками 19 (см. фиг.3-6), подача тока от источника 6 питания (см. фиг.1) не требуется. В результате воздействия магнитного поля намагничивания Нн, созданного намагничивающим устройством 7, в стенке эксплуатационной колонны 1 скважины создается магнитный поток, намагничивающий ее.
В случае если в намагниченной области есть дефект, то у поверхности возникает магнитное поле рассеяния Нр от дефектов, считывая распределение которого можно судить о наличии и параметрах самого дефекта. Для этого бортовой контроллер 10 скважинного модуля 2 последовательно опрашивает все N магниточувствительные датчики 9 магнитоизмерительной системы 8 и передает данные о распределении поля рассеяния по геофизическому кабелю 3 в наземный контроллер 11 блока 4 наземной электроники, после предварительной обработки которым данные записываются в персональный компьютер 5. При этом выбор частоты опроса магниточувствительных датчиков 9 бортовым контроллером 10 с учетом частоты стробировании посылок данных системой 12 определения глубины скважинного прибора выполняется таким образом, что сканирование внутренней поверхности эксплуатационной колонны 1 производится с шагом Δ', обычно составляющим от 2-3 до 10 мм. Выбор величины Δ' определяет разрешающую способность оборудования. Обработка данных осуществляется программным обеспечением персонального компьютера 5 и позволяет определять вид, форму, размеры дефектов, их взаимное расположение и местоположение по длине эксплуатационной колонны 1. Также выявляются и особенности конструкции колонны 1, влияющие на изменение поля рассеяния от дефектов, в том числе пакер-гильзы, муфты, ремонтные заплаты, врезки труб нестандартного диаметра и толщины стенки и т.п.
При эксплуатации сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин скорость передачи данных от скважинного модуля 2 в блок наземной электроники 4, и, следовательно, производительность контроля зависят от параметров геофизического кабеля 3 и состояния соединений, в том числе разъемов, паянных и щеточных контактов и т.п. Частичное или полное нарушение связи между скважинным модулем 2 и блоком наземной электроники может привести к потере диагностических данных, что снижает надежность устройства в целом.
Для уменьшения зависимости производительности устройства и его надежности от состояния геофизического кабеля 3 и соединений в состав скважинного модуля 2 введены бортовое времязадающее устройство 13 и запоминающее устройство 14, а в состав блока наземной электроники - наземные времязадающее устройство 15 и запоминающее устройство 16. Параллельно с передачей данных от скважинного модуля 2 в блок 4 наземной электроники осуществляется запись данных магниточувствительных датчиков 9 в бортовое запоминающее устройство 14. При этом также осуществляется запись глубины сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин в наземное запоминающее устройство 16. Запись данных магниточувствительных датчиков 9 в бортовое запоминающее устройство 14 и глубины сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин в наземное запоминающее устройство 16 осуществляется синхронно под управлением бортового времязадающего устройства 13 и наземного времязадающего устройства 15. Для этого бортовое времязадающее устройство 13 и наземное времязадающее устройство 15 синхронизируются непосредственно перед началом проведения скважинных работ.
В качестве бортового и наземного времязадающего устройства могут применяться, например, оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) или постоянные запоминающие устройства с возможностью перезаписи (FLASH-память), а в качестве бортового и наземного времязадающего устройства -электронные таймеры или часы реального времени, например, типа DS1302 (Trickle Charge Timekeeping Chip) компании DALLAS SEMICONDUCTOR.
Передача данных магниточувствительных датчиков 9 из бортового запоминающего устройства 14 в персональный компьютер 5 блока 4 наземной электроники производится с той скоростью, которая обеспечивается линией связи. При полном нарушении линии связи запись данных из бортового запоминающего устройства 14 в персональный компьютер 5 блока 4 наземной электроники выполняется после окончания каротажа путем непосредственного подключения скважинного модуля 2 к блоку 4 наземной электроники, минуя геофизический кабель.
В персональный компьютер 5 блока 4 наземной электроники также переписываются данные из наземного запоминающего устройства 16.
Далее с помощью специального программного обеспечения персонального компьютера 5 устанавливаются соответствие глубины положения сканирующего магнитного интроскопа в эксплуатационной колонне 1 и распределение магнитного поля рассеяния дефекта.
Для уменьшения энергопотребления сканирующего магнитного интроскопа намагничивающее устройство выполнено сборным, изготовленным на основе магнитопровода 17 (см. фиг.2А, 2Б, 2В) из стального сердечника с одной или несколькими вставками 18 из постоянных магнитов, установленными с учетом подключения соседних вставок положительными полюсами к отрицательным. В этом случае не требуется подавать ток намагничивания от источника 6 питания (см. фиг.1) к намагничивающему устройству 7. Это дает возможность использовать одножильный геофизический кабель 3 вместо трехжильного, за счет чего повышается надежность устройства и расширяется его функциональный диапазон.
Применение вставок 18 (см. фиг.2А) из постоянных магнитов, установленных на центральном участке магнитопровода, позволяет уменьшить габаритные размеры намагничивающего устройства 7 (см. фиг.1), а вставок 18 (см. фиг.2) из постоянных магнитов, установленных на полюсах магнитопровода, - к лучшей универсальности и расширению функционального диапазона сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин.
Вставки 18 (см. фиг.2Б и 2В) из постоянных магнитов, выполненные в виде тороидов или секторов тороида, позволяют, соответственно, повысить эффективность намагничивания и обеспечить наилучшие гидродинамические возможности сканирующего магнитного интроскопа.
Выполнение намагничивающего устройства 7 (см. фиг.1) П-образным, выполненным на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками 19 (см. фиг.3-6), позволяет уменьшить его геометрические размеры и уменьшить вероятность застревания прибора в скважине. Причем при расположении полюсов П-образного сердечника 19 (см. фиг.3) таким образом, что намагничивание осуществляется вдоль образующей линии эксплуатационной колонны 1, выявляются преимущественно дефекты, направленные вдоль образующей линии эксплуатационной колонны 1 или расположенные под углом менее 45 градусов к ней. При расположении полюсов П-образного сердечника 19 (см. фиг.5) таким образом, что намагничивание осуществляется поперек образующей линии эксплуатационной колонны 1, выявляются дефекты, направленные поперек образующей линии эксплуатационной колонны 1 или расположенные к ней под углом более 45 градусов. Возможно расположение нескольких П-образных сердечников 19 (располагаются аналогичным образом и на фиг.5 не показано) с поворотом на одинаковый угол относительно образующей линии эксплуатационной колонны, позволяющим охватить эксплуатационную колонну по диаметру. При расположении полюсов П-образного сердечника 19 (см. фиг.6) таким образом, что намагничивание осуществляется под углом не менее 45 градусов к образующей линии эксплуатационной колонны 1, выявляются дефекты, направленные под углом 90 градусов к направлению намагничивания или расположенные к ней под углом от минус 45 до плюс 45 градусов.
Для улучшения геометрической проходимости сканирующего магнитного интроскопа П-образные сердечники 19 (см. фиг.4) намагничивающего устройства 7 (см. фиг.1) размещены последовательно друг за другом вдоль эксплуатационной колонны 1 (см. фиг.4) таким образом, что полюса последующего П-образного сердечника 19 (см. фиг.4) намагничивающего устройства 7 (см. фиг.1) смещены по окружности эксплуатационной колонны 1 (см. фиг.4) с поворотом на одинаковый угол относительно предыдущего, позволяющим охватить эксплуатационную колонну по диаметру, и расположены на расстоянии Δ. Величина Δ выбирается с учетом максимальной компактности прибора в целом без потери точности измерения.
Таким образом, применение предлагаемого сканирующего магнитного интроскопа для дефектоскопического контроля стальных эксплуатационных колонн скважин позволяет увеличить производительность и надежность конструкции за счет введения в его состав бортовых и наземных времязадающих и запоминающих устройств, а также расширить функциональный диапазон его применения за счет того, что намагничивающее устройство выполнено сборным на основе магнитопровода из стального сердечника с одной или несколькими вставками из постоянных магнитов, установленными с учетом подключения соседних вставок положительными полюсами к отрицательным, вставки из постоянных магнитов установлены на центральном участке или на полюсах магнитопровода, выполнены в виде тороида или секторов тороида. Или намагничивающее устройство выполнено П-образным на основе постоянных магнитов или электромагнитов с одним или несколькими П-образными сердечниками, расположенными таким образом, что намагничивание осуществляется вдоль образующей линии эксплуатационной колонны, поперек либо под углом к образующей линии эксплуатационной колонны, П-образные сердечники намагничивающего устройства размещены последовательно друг за другом таким образом, что полюса каждого последующего П-образного сердечника намагничивающего устройства смещены по окружности эксплуатационной колонны с возможностью охвата эксплуатационной колонны по диаметру.