ИНСПЕКТИРОВАНИЕ ОТРЕЗКА ТРУБЫ И ДЕФЕКТОСКОП
INSPECTION OF PIPE SECTION AND FLAW DETECTOR

Область техники
Данное изобретение относится к способу инспектирования участка трубы и к дефектоскопу.
Уровень техники
В течение срока службы трубопровода может потребоваться провести инспектирование трубопровода. Например, во время использования в трубопроводе могут образовываться отложения. В трубопроводах, используемых в нефтегазовой промышленности для транспортировки углеводородсодержащих флюидов, загрязнение во время использования может привести, например, к образованию парафиновых и/или асфальтеносмолистых отложений. Также могут образовываться неорганические отложения, например, вследствие осаждения солей (например, сульфатов, сульфидов, карбонатов, силикатов, фторидов), обычно называемые «накипью». Операторам трубопроводов необходимо знать степень загрязнения вдоль трубопровода. Для трубопроводов, доступных снаружи, которые, как правило, располагаются на поверхности суши, можно обнаружить отложения на внутренней стенке трубы снаружи с использованием технологий радиоактивного контроля, например, описанных в статье «Pipeline Deposit Measurement Using TRACERCO Diagnostics (TM) Technologies», Tracerco News, Volume 3, Edition 1. Такое инспектирование снаружи требует фиксирования, снятия фиксирования, повторного позиционирования с повторным фиксированием, что является сложным, трудоемким и дорогостоящим.
В патенте США № 7421914 описано устройство для определения физического состояния трубчатого элемента. Известное устройство, также называемое дефектоскопом, содержит узлы каверномеров, способные генерировать данные, представляющие внутреннюю поверхность трубчатого элемента, через который подается устройство. Когда устройство проходит через трубчатый элемент, узлы рычагов каверномеров реагируют на геометрические отклонения или другие изменения в конфигурации трубчатого элемента. Электронные сигналы, принимаемые от узлов рычагов каверномеров, используются для определения множества различных и независимых факторов трубчатого элемента, таких как обломки, отложения, выступы, соединения и изгибы, комбинация которых обеспечивает общий профиль состояния трубчатого элемента.
Известное устройство является механически сложным и не может отличать друг от друга различные факторы, влияющие на профиль состояния трубчатого элемента.
Существует необходимость в улучшенном способе инспектирования трубы и улучшенном дефектоскопе.
Краткое описание сущности изобретения
В соответствии с одним аспектом данного изобретения обеспечивается способ инспектирования отрезка трубы, имеющего стенку трубы и номинальный внутренний диаметр, включающий: обеспечение дефектоскопа, выполненного с возможностью прохождения вдоль отрезка трубы, при этом дефектоскоп снабжен по существу кольцевым устройством датчика емкостной томографии «изнутри-наружу», имеющим диаметр, который меньше номинального внутреннего диаметра; пропускание дефектоскопа вдоль отрезка трубы, тем самым определяя кольцевое пространство между устройством датчика и стенкой трубы; проведение измерений с использованием устройства датчика во множестве местоположений вдоль отрезка трубы, и получение, для каждого из множества местоположений, информации о границе раздела, окружающей дефектоскоп.
Также обеспечивается способ инспектирования отрезка трубы, имеющего стенку трубы и номинальный внутренний диаметр, включающий: обеспечение дефектоскопа, выполненного с возможностью прохождения вдоль отрезка трубы, при этом дефектоскоп снабжен по существу кольцевым устройством датчика емкостной томографии «изнутри-наружу», имеющим диаметр, который меньше номинального внутреннего диаметра; пропускание дефектоскопа вдоль отрезка трубы, тем самым определяя кольцевое пространство между устройством датчика и стенкой трубы; проведение измерений с использованием устройства датчика во множестве местоположений вдоль отрезка трубы, и получение, для каждого из множества местоположений, информации об отложении, образованном на внутренней поверхности стенки трубы.
В соответствии с другим аспектом изобретения обеспечивается дефектоскоп для инспектирования отрезка трубы, в котором дефектоскоп снабжен устройством датчика емкостной томографии «изнутри-наружу».
Подробное описание сущности изобретения
Выражение «дефектоскоп» используется в данном документе для обозначения устройства для перемещения вдоль отрезка трубы, такого как участок трубопровода, во время которого проводятся измерения перемещения по внутренней части трубы и/или трубе. Дефектоскоп обычно имеет удлиненную форму с продольной осью, обычно по существу параллельной или совпадающей с осью инспектируемой трубы, и диаметр или поперечное сечение, позволяющее ему перемещаться вдоль отрезка трубы, имеющего номинальный диаметр. Возможно, что окружность дефектоскопа имеет гибкую конструкцию, которая позволяет диаметру при перемещении изменяться в соответствии с внутренним поперечным сечением трубы, учитывая нарушения, аномалии, отложения или тому подобное, вызывающие отклонение от номинального диаметра трубы. Диаметр, который дефектоскоп имеет, или подразумевается, что имеет, при движении по трубе, называется в данном документе его эффективным диаметром. Должно быть понятно, что в некоторых вариантах реализации изобретения дефектоскоп, кроме инспектирования, может подходить и быть оборудован для других целей.
Заявитель осознает, что улучшенное инспектирование внутренней части труб достигается с помощью дефектоскопа, в котором установлен узел датчика электроемкостной томографии «изнутри-наружу». В нефтепромысловой области известно использование фиксированных измерителей электрической емкости, например, для определения свойства потока флюида, текущего по трубопроводу, таких как описаны в патенте США 6915703. Используемые в них измерители емкости содержат множество электродных датчиков, расположенных по окружности вокруг трубопровода. Измеряются емкости между двумя любыми отдельными электродными датчиками, причем каждое измерение емкости измеряет среднюю диэлектрическую постоянную (диэлектрическую проницаемость) в пространстве внутри трубопровода, который зондируется соответствующими электродами. Методы, которые обеспечивают изображение на основе множества измерений емкости, часто называют емкостной томографией. В данной области техники хорошо известны методы вычисления изображения из емкостей, измеренных с помощью такого измерителя емкости, например, метод линейной обратной проекции, в котором изображение вычисляется с помощью серии линейных операций с емкостями. Из измерений можно восстановить изображение поперечного сечения трубопровода, состоящее из пикселей, в котором пиксель представляет собой среднее значение диэлектрической постоянной в дискретном пространственном элементе поперечного сечения, или пиксельные данные. Такое изображение можно преобразовать в изображение концентрации или изображение плотности.
В статье J. Kjærsgaard-Rasmussen, K.E. Meyer, «Inside-out electrical capacitance tomography», Flow Measurement and Instrumentation 22 (2011) 104-109, описано измерение обводненности в слоистых потоках в кольцевом пространстве, образованном двумя концентрическими цилиндрами. Электроды размещаются по окружности вокруг внутреннего цилиндра. Внутренняя и внешняя труба были заземлены. Измеряются емкости между парами электродов, исследуя распределение диэлектрической проницаемости в кольцевом пространстве, окружающем электродное устройство. В статье также описывается, как построить изображение из измерений емкости в устройствах датчика «изнутри-наружу». Предпочтительно было использовать сглаженный алгоритм Ландвебера, так как было обнаружено, что он уменьшает артефакты по сравнению с алгоритмом линейной обратной проекции.
В данном изобретении дефектоскоп снабжен по существу кольцевым устройством датчика емкостной томографии «изнутри-наружу». Как правило, ряд электродов располагается по окружности в плоскости, перпендикулярной продольному удлинению дефектоскопа. Целесообразно, чтобы электроды располагались по существу по окружности, при этом следует понимать, что расположение по окружности может, например, аппроксимироваться полигоном. Например, может располагаться от 3 до 50 электродов, соответственно, от 4 до 24 электродов, например от 8 до 16 электродов. Соответственно, диаметр электродного устройства меньше, чем номинальный внутренний диаметр инспектируемой трубы, в результате чего во время использования образуется кольцевое пространство, окружающее устройство датчика. В некоторых вариантах реализации изобретения основной корпус дефектоскопа имеет эффективный диаметр, который меньше номинального внутреннего диаметра. В таком случае дефектоскоп может, необязательно, центрироваться в трубе с использованием центрирующего средства, которое может быть известным в данной области техники средством; в альтернативном варианте, продольная ось дефектоскопа может быть смещена относительно оси инспектируемой трубы. В некоторых вариантах реализации изобретения основной корпус дефектоскопа имеет эффективный диаметр, равный или только немного меньший, чем номинальный внутренний диаметр инспектируемой трубы, причем устройство датчика «изнутри-наружу» располагается в участке, диаметр которого меньше эффективного диаметра.
В некоторых вариантах реализации изобретения основной корпус дефектоскопа может представлять собой так называемый скребок из пеноуретана.
Ниже, в качестве примера, приведено описание изобретения со ссылкой на графические материалы, на которых:
фиг. 1 схематично иллюстрирует, в продольном разрезе, дефектоскоп согласно изобретению в отрезке трубы;
фиг. 2 иллюстрирует дефектоскоп в отрезке трубы по фиг. 1, взятый в разрезе по линии II-II; и
фиг. 3а,b схематично иллюстрируют другие варианты реализации дефектоскопа согласно изобретению.
Если на фигурах используются ссылочные номера, то одинаковые или подобные элементы обозначены одинаковыми номерами.
На фиг. 1 и 2 схематично прпоиллюстрирован отрезок трубы 1, содержащий дефектоскоп 5 согласно изобретению. Отрезок трубы может представлять собой трубопровод для транспортировки флюидов при добыче нефти и/или газа, например, многофазных флюидов, содержащих сырую нефть, природный газ и/или другие газообразные компоненты и/или воду. Труба также может представлять собой трубопровод, например, для транспортировки очищенных нефтепродуктов, или другой трубообразный канал, такой как: промысловый трубопровод, трубопровод, стояк, перепускная труба, печная труба или уловитель конденсата, или другие трубопроводы, подверженные осаждению, загрязнению, коррозии, деформации и износу. Труба обычно имеет цилиндрическую форму, но, в принципе, также можно инспектировать трубопроводы не круглого поперечного сечения. Отрезок трубы может располагаться на суше, на шельфе (на малой или большой глубине), быть заглубленным или не заглубленным, или представлять собой их комбинации. Обычно отрезок трубы имеет ось 8 и круглое поперечное сечение. Труба может быть плакирована или снабжена футеровкой (не показано). Обычно труба металлическая, например, выполнена из стали, но также может быть неметаллической. Во время инспектирующих измерений металлическая труба может заземляться.
Проверяемая длина может широко варьироваться в зависимости от применения и инспектируемого объекта и может составлять, например, 1 метр или более, 20 метров или более, 100 метров или более, или 1 км или более. В принципе, возможно инспектировать трубу очень большой длины, до, скажем, 100 км или даже больше.
Как правило, диаметр трубы может составлять 5 см и более, в частности, 10 см и более. Фиксированный верхний предел для диаметра отсутствует и возможен диаметр до 10 м или даже больше.
Хотя изобретение может работать с различными типами дефектоскопов, в показанном варианте реализации изобретения основной корпус 10 дефектоскопа 5, который поддерживает устройство датчика емкостной томографии, представляет собой скребок из пеноуретана. В этом примере дефектоскоп 5 имеет удлиненную форму, имеющую ось, обычно совпадающую с осью 8. Дефектоскоп имеет расположенный выше по потоку конец 12 (хвост) и расположенный ниже по потоку конец 14 (нос). Расположенный выше по потоку и расположенный ниже по потоку концы имеют эффективный диаметр, который может быть по существу равным номинальному диаметру трубы, и который в этом примере меньше, чем номинальный диаметр трубы 1. Перемещение такого дефектоскопа по трубопроводу не очищает стенки от отложений. Даже если встречается большое количество отложений, корпус скребка из пеноуретана может несколько деформироваться, чтобы принять меньший эффективный диаметр. Дополнительным преимуществом корпуса скребка из пеноуретана является то, что он будет разрушаться (и, таким образом, может быть разрушен оператором при необходимости), если к дефектоскопу прикладывается определенный перепад давлений, который выше максимального перепада давления, который дефектоскоп может выдерживать, например, перепад давлений от 2 до 10 бар (от 0,2 до 1 МПа), обычно от 3 до 5 бар (от 0,3 до 0,5 МПа). Таким образом, дефектоскоп из полиуретана имеет относительно низкий риск застревания в трубопроводе по сравнению с другими дефектоскопами, что является преимуществом при инспектировании трубопроводов, для которых количество потенциальных отложений заранее неизвестно.
В участке кольцевого углубления 16 между расположенным выше по потоку и расположенным ниже по потоку концами 12, 14 в этом варианте реализации изобретения предусмотрено устройство датчика емкостной томографии «изнутри-наружу» 20. Устройство датчика в этом примере содержит 8 электродов 22. Электроды 22 в примере по фиг. 1 располагаются на внешней поверхности кольцевого углубления 16, однако они также могут располагаться в его стенке и могут быть покрыты защитным материалом (не показан). Предпочтительно, все электроды имеют одинаковый размер и форму и располагаются симметрично. Предусмотрен блок управления/питания 25, соответствующим образом соединенный с электродами 22. Может быть предусмотрен внутренний металлический экран 28, который может быть заземлен.
Во время нормальной работы дефектоскоп 5 вводится в отрезок трубы из устройства запуска скребков и перемещается вдоль трубопровода. Дефектоскоп может быть самодвижущимся, он может перемещаться пневматически или гидравлически, например, вместе с потоком флюида в трубе, или он может механически толкаться или тянуться с помощью троса, или он может двигаться вместе с потоком. В некоторых операциях предпочтительно, чтобы дефектоскоп мог перемещаться в потоке многофазного флюида (например, жидкого углеводорода (например, сырой нефти) и/или воды и/или газа, такого как нефть/вода, нефть/газ или нефть/вода/газ), а в некоторых вариантах реализации изобретения может продвигаться добываемым многофазным флюидом и, таким образом, различные границы раздела и отложения могут быть обнаружены при минимальном влиянии на показатели добычи. Для сравнения, акустические методы измерения, такие как ультразвук, требуют, чтобы датчик погружался в жидкость и не обеспечивают надежные измерения в трубе в присутствии газа, в частности, в условиях многофазной добычи, особенно, когда содержится газ.
Измерения проводятся с использованием устройства датчика во множестве местоположений вдоль отрезка трубы. С этой целью выбирают набор измерительных конденсаторов, при этом измерительный конденсатор образован двумя измерительными электродами, причем измерительный электрод состоит либо из одного электродного датчика 22, либо из по меньшей мере двух соединенных между собой электродных датчиков 22. Для каждого из выбранного набора измерительных конденсаторов измеряется значение, связанное с емкостью, причем измерения повторяются, пока дефектоскоп перемещается вдоль отрезка трубы. Хотя непрерывное измерение имеет особые преимущества и при этом не нужно останавливать дефектоскоп, чтобы измерить полное радиальное распределение слоев отложений в определенном местоположении трубопровода, в некоторых вариантах реализации изобретения также возможно останавливать дефектоскоп в отдельных местоположениях и проводить все измерения емкости в одном месте. Дефектоскоп соответствующим образом снабжен средствами локализации, такими как одометр и датчик вращения, благодаря чему регистрируются местоположение и ориентация для конкретного измерения. Измеренные данные надлежащим образом хранятся во встроенной памяти для последующей обработки, но они также могут обрабатываться в самом дефектоскопе или передаваться на внешний процессор.
Из измеренных данных для каждого из множества местоположений, информацию о границе раздела в окружении дефектоскопа получают из измерений. Этого можно достигнуть различными способами. Восстановление изображения можно выполнить по существу как описано в статье «Inside-out electrical capacitance tomography», приведенной выше, и диссертации «Inside-out electrical capacitance tomography for downhole multiphase flow evaluation» J. Kjærsgaard-Rasmussen, Technical University of Denmark, Department of Mechanical Engineering, апрель 2010. Благодаря перемещению дефектоскопа можно получить трехмерное отображение внутренней части трубопровода. Хотя это и может быть предпочтительным, не всегда необходимо строить полные изображения в трех измерениях, достаточно дискретного двумерного изображения в плоскости расположения устройства датчика в выбранных местоположениях. Даже одномерного (например, радиального) восстановления в нескольких местах может быть достаточно для указания на границу раздела. В качестве альтернативы, измерения в определенном местоположении в трубе можно сравнивать с калибровочными измерениями или модельными расчетами, а из отклонений можно получать информацию о границах раздела для данного местоположения.
В местоположении, в котором труба не засорена отложениями и где стенка трубы не имеет дефектов, таком как местоположение А, измерения должны указывать на нормальную внутреннюю стенку 30, как на границу раздела. В местоположении B, в котором имеется отложение 32 определенной химической природы (например, накипь, парафин, асфальтеносмолы, песок) с определенной толщиной слоя, может быть получена информация об одном или более из нескольких параметров, представляющих интерес: положении внутренней границы раздела 35, положении внутренней стенки в данном местоположении и, таким образом, толщине слоя отложения, и/или природе слоя. В некоторых случаях возможно, что в местоположении C образуются несколько слоев различной природы, и в таком случае имеется несколько границ раздела, которые можно обнаружить. Отдельное отложение может располагаться только вдоль определенного расстояния или вдоль нескольких интервалов вдоль внутренней окружности трубы, например, на дне трубопровода или вверху, и оценка такого расстояния или интервалов (или, например, эквивалентного углового сечения (сечений)) и/или углового положения (положений), в котором образовано такое отложение, также может представлять собой информацию, или ее часть, полученную о границе раздела. Отдельное отложение может располагаться только вдоль определенного продольного расстояния или продольного интервала и оценка такого продольного расстояния или интервалов и/или положения (положений) вдоль отрезка трубы, где такие отложения образуются, также может представлять собой информацию, или ее часть, полученную о границе раздела. Следует понимать, что отложение может образовывать сложные структуры с различным присутствием, толщиной, протяженностью по окружности и в продольном направлении, а также может иметься более одного типа отложений. В одном варианте реализации изобретения информация, полученная о границе раздела, используется для построения изображения отложений в поперечном сечении трубы и/или вдоль длины отрезка трубы.
Интерпретация измерений также может указывать на наличие дефекта в стенке (или в футеровке, при ее наличии; не показано), как в местоположении D, где, в данном примере, граница раздела с внутренней частью трубы смещена вследствие коррозии. Аналогичным образом могут быть обнаружены деформации или разрушения границы раздела, такие как: выгибания, вмятины, отверстия, трещины, дефекты коррозии, дефекты футеровки, отклонения от круглых форм и т.д.
При использовании устройства датчика емкостной томографии «изнутри-наружу» с диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр отрезка трубы, также возможно, чтобы устройство датчика было покрыто материалом, который по меньшей мере частично прозрачен для электромагнитного излучения. Такая конфигурация схематически показана на фиг. 3а и 3b. Как показано на фиг. 3а, участок кольцевого углубления 16 дефектоскопа 45, аналогичный описанному на фиг. 1, покрыт таким материалом 48. Как показано на фиг. 3b, дефектоскоп имеет корпус 56, образованный из такого материала, например, внешнюю оболочку из пеноуретана. В обоих случаях дефектоскоп имеет по существу одинаковый диаметр между носом 57 и хвостом 58. Материал, который имеет по меньшей мере частичную прозрачность для электромагнитного излучения, позволяет проводить измерения емкостной томографии «изнутри-наружу» для внешней области, то есть через такой материал, с приемлемым затуханием в материале. Подходящим материалом может быть пеноуретан, такой как используемый для образования дефектоскопа.
В некоторых вариантах реализации изобретения материал, окружающий датчики емкости, обеспечивает контрастность в измерениях. Это можно использовать для получения информации о границе раздела материала с его окружением. Например, когда материал эластичен, такой как пеноуретан, и плотно прилегает к номинальному внутреннему диаметру трубы, перемещение дефектоскопа вдоль трубы при наличии отложений приведет к сжатию/расширению материала, которое можно обнаружить и проанализировать с помощью измерений емкостной томографии. Измерения и их интерпретация могут быть направлены на измерение сжатия в материале, которое дает косвенную информацию о границе раздела с внутренней стенкой, и/или могут быть сосредоточены непосредственно на границе раздела между материалом и внутренней стенкой.
В некоторых вариантах реализации изобретения может быть преимуществом, чтобы дефектоскоп был окружен контрастной жидкостью, по меньшей мере в области вокруг устройства датчика емкостной томографии «изнутри-наружу». Контрастная жидкость представляет собой жидкость, обеспечивающую контраст с внутренней поверхностью инспектируемой трубы, которая может содержать отложения. Это может быть преимуществом, когда флюид, обычно содержащийся в трубопроводе, не обеспечивает или дает недостаточный контраст в измерениях емкостной томографии, например, углеводородная жидкость может давать недостаточный контраст с парафиновым отложением. Например, подходящей контрастной жидкостью может быть вода или соляной раствор. Другой подходящей контрастной жидкостью может быть смесь углеводородной жидкости и воды или соляного раствора и, необязательно, стабилизирующего агента, такого как поверхностно-активное вещество, содержащая от 1 до 99 %мас. воды или соляного раствора от общей массы жидкости, соответственно, 2-20 мас.% воды или соляного раствора, например, 5-10 %мас.. Даже относительно низкая обводненность может значительно увеличить контраст на границе раздела с окружающей внутренней поверхностью трубы. Например, контрастную жидкость можно вводить в виде небольшой партии непосредственно до, во время и после введения дефектоскопа в трубу. Как правило, небольшое добавление воды в трубопровод для транспортировки углеводородов не требует специальной обработки ниже по потоку. Данное изобретение также обеспечивает способ инспектирования отрезка трубы, имеющего стенку трубы и номинальный внутренний диаметр, включающий обеспечение дефектоскопа, выполненного с возможностью прохождения вдоль отрезка трубы, при этом дефектоскоп снабжен по существу кольцевым устройством датчика емкостной томографии «изнутри-наружу», имеющим диаметр, который меньше номинального внутреннего диаметра; пропускание дефектоскопа вдоль отрезка трубы, тем самым определяя кольцевое пространство между устройством датчика и стенкой трубы; проведение измерений с использованием устройства датчика во множестве местоположений вдоль отрезка трубы, и получение, для каждого из множества местоположений, информации об отложении, образованном на внутренней поверхности стенки трубы.
Информация об отложении, полученная с помощью любого из способов по данному изобретению, может содержать одно или более из: положения в продольном направлении, распространения в продольном направлении, распределения в продольном направлении, положения по окружности, распространения по окружности, распределения по окружности, толщины, распределения по толщине вдоль по меньшей мере части окружности трубы и/или вдоль расстояния вдоль трубы, указания типа отложения, указания наличия более одного типа отложения.
Специалисту в данной области техники будет понятно, что, хотя изобретение проиллюстрировано со ссылкой на одну или более конкретных комбинаций признаков и мер, многие из этих признаков и мер функционально независимы от других признаков и мер и поэтому, в других вариантах реализации изобретения, могут применяться одинаково или аналогично, независимо или в комбинации.