Внутритрубный магнитный локатор дефектов и повреждений труб

Полезная модель относится к области внутритрубной дефектоскопии и может быть применена при проведении геофизических исследований по определению местоположения муфтовых соединений обсадных колонн и НКТ, интервалов перфорации и повреждений труб.
Известен магнитный локатор, содержащий герметичный неферромагнитный корпус, два постоянных магнита цилиндрической формы с ферромагнитными полюсными наконечниками на краях и катушкой индуктивности, расположенной между двух одноименных полюсов [1, 2].
Постоянные магниты создают в катушке индуктивности и вокруг нее магнитное поле, при любом изменении которого возникает ЭДС индукции - е, величина которой (в первом приближении) пропорциональна:
- магнитному потоку - Ф,
- скорости изменения его во времени - dΦ/dt (или скорости движения локаторов вдоль оси труб);
- числу витков катушки индуктивности - w.
,
где е - ЭДС индукции; w - число витков катушки индуктивности; Φ - магнитный поток; t - время.
M
Величина магнитного потока, в свою очередь, зависит от магнитного сопротивления труб - R, которое уменьшается при увеличении:
- магнитной проницаемости металла - μ;
- толщины труб (например, в зоне замковых и муфтовых соединений) и увеличивается при:
- потере металла (например, за счет коррозии);
- появлении дефектов и повреждений, препятствующих протеканию магнитного потока (например, сквозных трещин с произвольной ориентацией по телу труб обсадных колонн при их перфорации).
Кроме того, ферромагнитные трубы часто имеют «пятнистость» структуры металла и собственную намагниченность, которая изменяется в осевом направлении произвольным образом как по величине, так и по направлению.
Таким образом, можно сделать обоснованный вывод о том, что ЭДС индукции - е зависит от многих факторов, что приводит к появлению электромагнитных помех, затрудняющих выделение на их фоне полезных сигналов от небольших дефектов труб.
Поэтому с помощью подобных магнитных локаторов уверенно выделяются только обрывы труб [1], - (Earth well casing discontinuity detector), муфтовые [2] и замковые соединения, а также крупные повреждения обсадных труб и НКТ, приводящие к существенному изменению магнитного сопротивления и магнитного потока.
Известен, скважинный магнитный локатор дефектов труб, содержащий герметичный неферромагнитный корпус, внутри которого установлен магнитопровод, выполненный в виде цилиндра с двумя кольцевыми пазами на наружной поверхности, в которых размещены две измерительные катушки, и два постоянных магнита кольцевой формы, внутренняя поверхность которых одноименными полюсами контактирует с внешней цилиндрической поверхностью магнитопровода, а внешняя поверхность - с внутренней поверхностью кольцевых полюсных наконечников, причем постоянные магниты полюсами расположены перпендикулярно продольной оси магнитопровода локатора [3].
Основным недостатком данного локатора дефектов является значительный фон помех, т.к. при его движении внутри бездефектных труб в измерительных катушках наводятся ЭДС, обусловленные пятнистостью структуры металла и их аномальной намагниченностью, причем и пятнистость структуры металла, и аномальная намагниченность труб приводят к локальным изменениям конфигурации суммарного магнитного поля, создаваемого в зоне контроля как постоянными магнитами, так и указанными факторами.
Таким образом, продольная неоднородность суммарного магнитного поля внутри бездефектных труб направлена перпендикулярно плоскости витков катушек и вызывает в них появление ложных сигналов, на фоне которых трудно выделить сигналы от дефектов. Поэтому, указанный локатор может быть эффективно использован только для выделения крупных дефектов труб, когда сигналы от дефектов значительно превышают фон помех.
Известен, скважинный магнитный локатор дефектов и повреждений труб [4], содержащий неферромагнитный корпус, внутри которого установлен магнитопровод цилиндрической формы с двумя кольцевыми пазами на наружной поверхности, в которых размещены две измерительные катушки, два постоянных магнита примыкающих одноименными полюсами к магнитопроводу и полюсным наконечникам, при этом на внешней поверхности полюсных наконечников дополнительно установлены измерительные катушки седлообразной формы, огибающие цилиндрическую поверхность полюсных наконечников - аналог.
Указанный локатор обладает повышенной эффективностью выделения малых повреждений труб и интервалов перфорации обсадных колонн за счет снижения фона помех, т.к. с помощью измерительных катушек седлообразной формы регистрируется только радиальная составляющая магнитного поля и локальное «выпучивание» магнитных силовых линий на границах дефектов исследуемых труб, а продольная неоднородность суммарного магнитного поля никакого влияния на выходные сигналы седлообразных катушек не оказывает.
Таким образом, одновременная регистрация продольного магнитного поля и его радиальных составляющих позволяет получить разные сигналы как от помех, так и от дефектов труб, т.е. повысить эффективность выделения малых повреждений труб и интервалов перфорации обсадных колонн и решить поставленную задачу (на основе определения суммарно-разностных параметров).
Однако указанный локатор имеет сложную конструкцию и большие габариты, что затрудняет или делает невозможным его применение в комплексных скважинных приборах для исследования фонтанного фонда нефтяных и газовых скважин через лубрикатор.
Известен также магнитный локатор муфтовых соединений (и повреждений) труб, имеющий неферромагнитный корпус, постоянный магнит с полюсными наконечниками, один из которых раздвоен, и на нем установлена измерительная катушка (авторское свидетельство на изобретение №827765, кл. Е21В 47/00) - прототип [5].
Данный локатор отличается простотой конструкции и имеет малые габариты, что делает возможным его применение в комплексных скважинных приборах для исследования скважин через лубрикатор.
Наряду с отмеченными преимуществами, он имеет недостатки, а именно:
- низкая помехозащищенность от влияния аномальной намагниченности труб;
- необходимость жесткого центрирования в обследуемых трубах (для исключения эксцентриситета и радиальных колебаний, приводящих к появлению дополнительных помех, снижающих эффективность обнаружения дефектов труб в процессе проведения исследований в скважинах);
- низкая чувствительность к дефектам и невозможность обнаружения дефектов труб с продольной ориентацией, которые «обтекаются» магнитным потоком и не выявляются на фоне различных помех.
Задачей настоящей полезной модели является усовершенствование магнитного локатора для выявления дефектов и повреждений по телу труб как с продольной, так и с поперечной ориентацией в сложных условиях эксплуатации.
Технический результат - повышение соотношение сигнал-помеха, снижение фона помех от влияния дестабилизирующих факторов.
Внутритрубный магнитный локатор дефектов и повреждений труб, включающий герметичный неферромагнитный корпус, снабженный заглушками, герметизирующими кольцами и кабельной головкой, внутри которого установлен постоянный магнит с полюсными наконечниками, один из которых раздвоен и на нем размещена измерительная катушка, при этом дополнительно на второй раздвоенный полюсный наконечник установлена вторая измерительная катушка, включенная встречно с первой, при этом герметичный неферромагнитный корпус выполнен также неэлектропроводным.
Повышение соотношения сигнал-помеха достигается за счет установки на втором раздвоенном полюсном наконечнике дополнительной измерительной катушки, которая идентична первой катушке и включена дифференциально, причем выходные сигналы первой и второй измерительных катушек могут подаваться непосредственно на вход регистратора или через дифференциальный усилитель, выход которого подключен к кабелю связи с регистрирующей аппаратурой. При этом исключается необходимость жесткого центрирования локатора в обследуемых трубах и обеспечивается снижение фона помех от радиальных колебаний локатора и эксцентриситета при проведении исследований.
Снижение фона помех от влияния дестабилизирующих факторов происходит и за счет выполнения герметичного неферромагнитного корпуса также неэлектропроводным, что позволяет исключить в нем индукцию вихревых токов и обнаруживать дефекты труб с продольной ориентацией, которые «обтекаются» магнитным потоком и не выявляются известными локаторами на фоне различных помех.
На фиг. 1 приведена схема внутритрубного магнитного локатора дефектов и повреждений труб, которая включает: неферромагнитный и неэлектропроводный охранный корпус 1, снабженный неферромагнитными и неэлектропроводными заглушками 2 и 3, герметизирующими кольцами 4 и кабельной головкой 5, постоянный магнит 6 с первым раздвоенным полюсным наконечником 7, на который намотана первая измерительная катушка 8, и вторым раздвоенным полюсным наконечником 9, на который намотана вторая идентичная измерительная катушка 10, включенная встречно с первой; дифференциальный усилитель 11, подключенный через кабель 12 к регистратору 13, обследуемую трубу 14.
Магнитный локатор дефектов и повреждений труб работает следующим образом. При движении локатора в однородном и бездефектном участке трубы магнитный поток постоянного магнита 6 через первый полюсной наконечник 7, входит в обследуемую трубу 14, а через второй полюсной наконечник 9 выходит из нее, замыкаясь в зоне контроля по кратчайшему пути. При этом «выпучивания» магнитных силовых линий не происходит и разностная ЭДС измерительных катушек 8 и 10 равна нулю. Смещение же продольной оси локатора относительно оси обследуемой трубы в радиальном направлении (эксцентриситет) приводит к одинаковому изменению величины магнитного потока, пронизывающего обе катушки 8 и 10, и их разностная ЭДС по прежнему оказывается равной нулю.
Таким образом, установка дополнительной измерительной катушки 10, включенной встречно с первой, на втором полюсном наконечнике 9 позволяет исключить влияние эксцентриситета на показания локатора.
При движении локатора в дефектном участке трубы происходит «выпучивание» магнитных силовых линий на границах дефектов и изменение конфигурации магнитных потоков в зоне катушек 8 и 10, что, в свою очередь, приводит к появлению их разностной ЭДС, свидетельствующей о наличии дефекта.
Следует отметить, что при выполнении неферромагнитного корпуса также неэлектропроводным, работа магнитного локатора возможна и при меньших значениях магнитного потока постоянного магнита 6 (т.е. без магнитного насыщения металла обследуемых труб и «выпучивания» магнитных силовых линий на границах дефектов). Так, например, при движении локатора магнитный поток постоянного магнита 6 индуктирует в металле трубы 14 (как в короткозамкнутом витке) два одинаковых потока вихревых токов, протекающих по ее периметру в области полюсных наконечников 7 и 9 в противоположных направлениях, причем магнитные потоки вихревых токов создают одинаковые ЭДС в измерительных катушках 8 и 10.
При появлении продольного дефекта в зоне первого полюсного наконечника 7 или второго полюсного наконечника 9, происходит прерывание или ослабление первого или второго кольца вихревых токов, протекающих по периметру обследуемой трубы 14, что приводит к разбалансу ЭДС измерительных катушек 8 и 10, сигналы которых усиливаются в К раз дифференциальным усилителем 11 и передаются по каротажному кабелю 12 на регистратор 13, свидетельствуя о наличии дефекта.
Поскольку ЭДС помех, наводимые в первой измерительной катушке 8 и второй измерительной катушке 10, синфазны, они будут дополнительно подавлены дифференциальным усилителем 11, как минимум, в 1000 раз или на 60 дБ, что является легко достижимым значением для современных операционных усилителей.
Предложенный внутритрубный магнитный локатор дефектов и повреждений труб не имеет ограничений к применению как в составе комплексных скважинных приборов при работе через лубрикатор, так и в сложных условиях эксплуатации (например, в глубоких нефтегазовых скважинах с высокими температурами и других экстремальных условиях) поскольку в его конструкции отсутствуют электронные компоненты, работа которых нарушается при высоких температурах.
На фиг. 2 приведен фрагмент каротажной диаграммы, зарегистрированной с помощью указанного внутритрубного магнитного локатора в одной из скважин Анастасиевско-Троицкой площади (Краснодарский край) после разбуривания цементного моста в обсадной колонне в интервале 1482,1-1508,3 метра. Из рассмотрения данного фрагмента каротажной диаграммы можно сделать вывод о несомненных преимуществах указанного локатора, а именно:
- возможности обнаружения несквозных порезов резцами долот, которые образуются на внутренней поверхности обсадных труб при разбуривании цементных мостов и райбировании обсадных колонн;
- повышенном соотношении сигнал/помеха.
Источники информации:
1. Патент США №2897440. Кл. 324-37. Детектор определения обрывов труб. (Earth well casing discontinuity detector). Автор Μ.Μ. Hawthorne, 1955.
2. Аварии в бурении. Автор: И.П. Пустовойтенко, М., «Недра», 1965, с. 220-222.
3. А.С. №1263824. (SU). Ε21В 47/00, БИ №38, 1986.
4. Патент РФ №232873. (RU). G01N 27/82, 2008.
5. А.С. №827765. Ε21В 47/00, БИ №17, 1981.