ИНТРОСКОП МАГНИТНЫЙ СКВАЖИННЫЙ
WELL MAGNETIC INTROSCOPE

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при контроле эксплуатационных колонн нефтяных и газовых скважин
Известен индукционный дефектомер колонны, предназначенный для выявления повреждений эксплуатационных колонн: прорывов, трещин, сквозных отверстий, перфораций и других дефектов (см. стр.25-29, 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 выявления ориентации и возможного расположения, а также действительных размеров дефектов стенки эксплуатационной трубы, что в свою очередь затрудняет выбор наиболее эффективной технологии ремонтно-восстановительных работ.
Известен автономный внутритрубный интроскоп (см. стр.392-397, А.А.Абакумов, А.А.Абакумов (мл). Магнитная диагностика газонефтепроводов. - М.: Энергоатомиздат, 2001, - 432 с.), предназначенный для выявления и визуализации дефектов стенки подземных магистральных газонефтепроводов, содержащий цилиндрическое намагничивающее устройство в виде постоянного магнита и строчный преобразователь магнитных полей, составленный из отдельных магниточувствительных элементов.
Однако данный интроскоп не может быть эффективно использован для контроля эксплуатационных колонн скважин, так как при наличии постоянного магнита затруднен его спуск в скважину под действием собственного веса.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является электромагнитный сканирующий дефектоскоп ЭМДС-С (см. стр.41-43, Магнитные интроскопы для диагностики трубопроводов тепловых сетей. Авторы А.А.Абакумов, А.А.Абакумов (мл), Е.А.Касатов. Научно-технический журнал «Новости теплоснабжения», №10, 2003 г), состоящий из скважинного модуля, выполненного на основе четырех специальных электромагнитных зондов малых дефектов, помещенных в подпружиненные башмаки, скользящие по стенкам скважины, и наземной диагностической системы, содержащей геофизический подъемник, геофизический кабель, сельсин, жестко закрепленный на поверхности земли относительно устья скважины, представляющий собой преобразователь вращения в электрический сигнал, предназначенный для измерения перемещения геофизического кабеля, блок наземной электроники, включающий в себя источник питания и наземный контроллер, а также персональный компьютер, подключенные таким образом, что скважинный модуль подсоединен посредством геофизического кабеля к блоку наземной электроники и персональному компьютеру, связанным через стандартный интерфейс, причем спуск в скважину и подъем из скважины скважинного модуля осуществляется с помощью геофизического подъемника и геофизического кабеля.
Недостатками данного электромагнитного сканирующего дефектоскопа ЭМДС-С являются низкая разрешающая способность при регистрации дефектов стенки и особенностей эксплуатационной колонны (перфорационных отверстий, муфт, центраторов и т.п.) и узкий функциональный диапазон, ограничивающий возможности их выявления, определения типа и взаимного расположения, измерения параметров и местоположения относительно стенок эксплуатационных колонн скважин, а также низкая чувствительность и достоверность получаемой с его помощью информации.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение разрешающей способности при регистрации дефектов стенки и особенностей эксплуатационной колонны (перфорационных отверстий, муфт, центраторов и т.п.), а также чувствительности и достоверности получаемой информации.
Поставленная техническая задача решается интроскопом магнитным скважинным, состоящим из скважинного модуля и наземной диагностической системы, содержащей из скважинного модуля и наземной диагностической системы, содержащей геофизический подъемник, геофизический кабель, сельсин, жестко закрепленный на поверхности земли относительно устья скважины, представляющий собой преобразователь вращения в электрический сигнал, предназначенный для измерения перемещения геофизического кабеля, блок наземной электроники, включающий в себя источник питания и наземный контроллер, а также персональный компьютер, подключенные таким образом, что скважинный модуль подсоединен посредством геофизического кабеля к блоку наземной электроники и персональному компьютеру, связанным через стандартный интерфейс, причем спуск в скважину и подъем из скважины скважинного модуля осуществляется с помощью геофизического подъемника и геофизического кабеля.
Новым является то, что скважинный модуль содержит намагничивающее устройство, выполненное в виде гантелеобразного магнитопровода с катушкой намагничивания, намагничивающее участок эксплуатационной колонны, расположенный между полюсов гантелеобразного магнитопровода, до состояния, близкого к «техническому насыщению» в направлении вдоль образующей линии эксплуатационной колонны, основную сканирующую магнитоизмерительную систему, выполненную в виде строки из N магниточувствительных датчиков, размещенных на гибких «лыжах» между полюсов гантелеобразного магнитопровода, бортовой контроллер, установленный в непосредственной близости от намагничивающего устройства и основной сканирующей магнитоизмерительной системы, каждый из N информационных входов которой связан с выходом одного из N магниточувствительных датчиков, при этом выход источника питания подсоединен ко входам намагничивающего устройства, каждого из N магниточувствительных датчиков и бортового контроллера, выход которого связан с первым входом наземного контроллера, подключенного вторым входом к выходу сельсина, а выходом к персональному компьютеру, причем каждый из N магниточувствительных датчиков связан с бортовым контроллером через герметичный разъем, залит специальным герметичным компаундом, обеспечивающим защиту от коррозионного воздействия, избыточного давления, высокой температуры водонефтяной среды эксплуатационной колонны и вибрации, крепится с внутренней стороны гибкой «лыжи», снабженной ребром жесткости, один или оба конца которой могут перемещаться в направлении вдоль внутренней поверхности эксплуатационной колонны, а катушка намагничивания также залита специальным герметичным компаундом и помещена в защитный кожух.
Новым является также то, что гантелеобразный магнитопровод намагничивающего устройства снабжен сменными полюсами.
Новым является также то, что магниточувствительные датчики основной сканирующей магнитоизмерительной системы расположены таким образом, что направление максимальной чувствительности каждого из магниточувствительных датчиков совпадает с образующей линией эксплуатационной колонны.
Новым является также то, что он снабжен дополнительной сканирующей системой, выполненной в виде строки из М магниточувствительных датчиков, расположенных на гибких «лыжах», снабженных постоянными магнитами малой мощности, намагничивающими участок эксплуатационной колонны, примыкающий к магниточувствительному датчику до уровня, меньшего величины «технического насыщения», причем выход каждого из М магниточувствительных датчиков подключен к одному из М информационных входов бортового контроллера.
Новым является также то, что он снабжен блоком гамма-каротажа, вход которого подключен к выходу источника питания, а выход - к N+M+1-му входу бортового контроллера.
Новым является также то, что он снабжен блоком электромагнитной толщинометрии, вход которого подключен к выходу источника питания, а выход - к N+M+2-му входу бортового контроллера.
Новым является также то, что он снабжен гироскопом, вход которого подключен к выходу источника питания, а выход - к N+M+3-му входу бортового контроллера.
Новым является также то, что дополнительная сканирующая система выполнена в виде строки из М вихретоковых датчиков, залитых компаундом, расположенных на гибких «лыжах», причем выход каждого из М вихретоковых датчиков подключен к одному из М информационных входов бортового контроллера.
Новым является также то, что М вихретоковых датчиков строки дополнительной сканирующей системы конструктивно совмещены с магнитоизмерительными датчиками основной сканирующей магнитоизмерительной системы.
Новым является также то, что все опускаемые в скважину узлы, кроме основной сканирующей магнитоизмерительной системы и дополнительной сканирующей системы, размещены в одном защитном кожухе.
Использование намагничивающего устройства, выполненного в виде гантелеобразного магнитопровода с катушкой намагничивания, основной сканирующей магнитоизмерительной системы, выполненной в виде строки из N магниточувствительных датчиков, размещенных на гибких «лыжах» между полюсов гантелеобразного магнитопровода, и бортового контроллера, установленного в непосредственной близости от намагничивающего устройства и основной сканирующей магнитоизмерительной системы, авторам не известно и в литературе не встречалось.
Применение сменных полюсов магнитопроводов намагничивающих устройств интроскопов магнитных скважинных, позволяющих осуществлять контроль эксплуатационных колонн различного диаметра одним универсальным прибором, использование магниточувствительных датчиков основной сканирующей магнитоизмерительной системы, расположенных относительно намагничивающего устройства и эксплуатационной колонны таким образом, что направление максимальной чувствительности каждого из магниточувствительных датчиков совпадает с образующей линией эксплуатационной колонны дополнительной сканирующей системы, выполненной в виде строки из М магниточувствительных датчиков, расположенных на гибких «лыжах», снабженных постоянными магнитами малой мощности, намагничивающими участок эксплуатационной колонны, примыкающий к магниточувствительному датчику до состояния, не достигающего «технического насыщения», дополнительной сканирующей системы, выполненной в виде строки из М вихретоковых датчиков, расположенных на гибких «лыжах», а также совмещение в одном узле магниточувствительных датчиков основной сканирующей магнитоизмерительной системы и вихретоковых датчиков дополнительной сканирующей системы авторам также не известно.
Применение в практике устройств гамма-каротажа, электромагнитной толщинометрии и гироскопии широко известно (см. п.п.24.3, 30 (1), 30 (2), «Техническая инструкция по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах» РД 153-39.0-072-01 - М., «Недра», 2001 г.). Однако совместное использование этих устройств с основной сканирующей магнитоизмерительной и дополнительной сканирующей системами авторам не известно и в описаниях не встречалось. Использование такой конфигурации магнитного интроскопа позволит расширить диапазон функциональных возможностей предлагаемого устройства и снизить затраты на его эксплуатацию за счет уменьшения количества спускоподъемных операций.
Использование с целью повышения надежности размещения всех узлов, опускаемых в скважину, кроме основной сканирующей магнитоизмерительной системы и дополнительной сканирующей системы, в одном защитном кожухе авторам изобретения не известно.
Применение вихретоковых датчиков известно (см. стр.7-8, Герасимов В.Г., Клюев В.В., Шатерников В.Е. Методы и приборы электромагнитного контроля промышленных изделий. - М.: Энергоатомиздат, 1983, 272 с.) Однако их использование в качестве элементов сканирующих систем магнитных интроскопов для определения местоположения дефектов труб и трубопроводов различного назначения, в том числе и эксплуатационных колонн скважин, авторам не известно и в литературе не упоминалось.
На фиг.1 представлена схема подключения основных функциональных узлов интроскопа магнитного скважинного;
на фиг.2 - схема намагничивающего устройства;
на фиг.3 - схема основной сканирующей магнитоизмерительной системы;
на фиг.4 приведена структурная схема интроскопа магнитного скважинного;
на фиг.5 - конструкция одного из N магниточувствительных датчиков основной сканирующей магнитоизмерительной системы;
на фиг.6 - конструкция одного из М магниточувствительных датчиков дополнительной сканирующей системы;
на фиг.7 - конструкция одного из М вихретоковых датчиков дополнительной сканирующей системы.
н
р
лн
лр
В состав интроскопа скважинного входят земля 1 (см. фиг.1), эксплуатационная колонна 2 скважины, скважинный модуль 3 интроскопа магнитного скважинного, сельсин 4, геофизический кабель 5, каротажный подъемник 6, блок 7 наземной электроники, персональный компьютер 8, автомобиль (каротажная станция) 9, гантелеобразный магнитопровод 10 (см. фиг.2) с намотанной на него катушкой 11 намагничивания, магнитные силовые линии 12 поля намагничивания Н, магнитные силовые линии 13 (см. фиг.3) поля Н рассеяния от дефектов 14, гибкие «лыжи» 15 с закрепленными на них магниточувствительными датчикам 16 (см. фиг.3 и 4), намагничивающее устройство 17 (см. фиг.4), основная сканирующая магнитоизмерительная система 18, бортовой контроллер 19, источник 20 питания, наземный контроллер 21, дополнительная сканирующая система 22, магниточувствительные датчики 23 дополнительной сканирующей системы, блок 24 гамма-каротажа, блок 25 электромагнитной толщинометрии, гироскоп 26, сенсор 27 (см фиг.5) магнитного поля магниточувствительного датчика 16, коммутационная плата 28, герметичный компаунд 29, кабель 30 магниточувствительного датчика 16, кабельная часть 31 и приборная часть 32 герметичного разъема, постоянный магнит 33 (см. фиг.6 и 7) малой мощности, внутренний, наружный дефект 35 эксплуатационной колонны, вихретоковый датчик 36, локальное магнитное поле Н намагничивания датчиков дополнительной сканирующей системы, локальное магнитное поле рассеяния Н дефектов дополнительной сканирующей системы.
При этом бортовой контротер 19 (см. фнг.4), основная сканирующая магнитоизмерительная система 18 и намагничивающее устройство 17 связаны с блоком 7 (см. фиг.1) наземной электроники посредством геофизического кабеля 5, при этом выход источника 20 (см. фиг.4) питания подсоединен к входам намагничивающего устройства 17, каждого из N магниточувствительных датчиков 16 и бортового контроллера 19, выход которого связан с первым входом наземного контроллера 21, подключенного вторым входом к выходу сельсина 4 (см. фиг 1), а выходом к персональному компьютеру 8, причем каждый из N (см. фиг.4) магниточувствительных датчиков 16 основной сканирующей магнитоизмерительной системы 18 связан с бортовым контроллером 19 (см. фиг 5) через герметичный разъем 31, 32, залит специальным герметичным компаундом 29 (см. фиг.5 и 6), обеспечивающим защиту от коррозионного воздействия, избыточного давления, высокой температуры водонефтяной среды эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1) и вибрации, крепится с внутренней стороны гибкой «лыжи» 15 (см. фиг.3).
Кроме того, магниточувствительные датчики 16 основной сканирующей магнитоизмерительной системы 18 (см. фиг.4) расположены относительно намагничивающего устройства 17 и эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1) таким образом, чтобы обеспечить максимальную чувствительность к составляющей магнитного поля, направленной вдоль эксплуатационной колонны 2, дополнительная сканирующая система 22 (см. фиг.4) выполнена в виде строки из М магниточувствительных датчиков 23, расположенных на гибких «лыжах» 15 (см. фиг.3), снабженных постоянными магнитами 33 (см. фиг.6) малой мощности, намагничивающими участок эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1), примыкающий к сенсору 27 (см. фиг.6) магниточувствительного датчика 23 (см. фиг.4) дополнительной сканирующей системы 22 до состояния, не достигающего «технического насыщения», причем выход каждого из М магниточувствительных датчиков 23 дополнительной сканирующей системы 22 подключен к одному из М информационных входов бортового контроллера 19, блок 24 гамма каротажа, вход которого подключен к выходу источника 20 питания, а выход - к N+M+1-му входу бортового контроллера 19, вход блока 25 электромагнитной толщинометрии подключен к выходу источника 20 питания, а выход - к N+M+2-му входу бортового контроллера 19, вход гироскопа 26 подключен к выходу источника 20 питания, а выход - к N+M+3-му входу бортового контроллера 19, дополнительная сканирующая система 22 выполнена в виде строки из М вихретоковых датчиков 36 (см. фиг.7), расположенных на гибких «лыжах» 15 (см. фиг.3), причем выход каждого из М вихретоковых датчиков 36 (см. фиг.7) подключен к одному из М информационных входов бортового контроллера 19 (см. фиг.4), М вихретоковых датчиков 36 (см. фиг.7) дополнительной сканирующей системы 22 (см. фиг.4) конструктивно совмещены с магнитоизмерительными датчиками 16 основной сканирующей магнитоизмерительной системы 18.
Для работы интроскопа магнитного скважинного используются следующие основные устройства и механизмы: опускаемый в эксплуатационную колонну 2 (см. фиг.1) скважины модуль 3, сельсин 4, геофизический кабель 5, а также каротажный подъемник 6, блок 7 наземной электроники и персональный компьютер 8, размещенные на поверхности земли 1 в автомобиле (каротажной станции) 9.
Интроскоп магнитный скважинный функционирует следующим образом.
Опускаемый на геофизическом кабеле 5 в эксплуатационную колонну 2 скважины модуль 3 после запасовки погружается в эксплуатационной колонне 2 скважины под собственным весом. Поднятие прибора осуществляется с помощью каротажного подъемника 6. В процессе спуска и/или подъема производится получение данных от опускаемого в эксплуатационную колонну 2 скважины модуля 3. При этом для привязки перемещения опускаемого в эксплуатационную колонну 2 скважины модуля 3 используется сельсин 4, жестко закрепленный относительно устья скважины, например, на самой колонне или на каротажном подъемнике 6.
Данные, поступающие от опускаемого в эксплуатационную колонну 2 скважины модуля 3, обрабатываются блоком 7 наземной электроники и записываются в персональный компьютер 8.
Скважинный модуль состоит из намагничивающего устройства 17 (см. фиг.4), основной сканирующей магнитоизмерительной системы 18, бортового контроллера 19, дополнительной сканирующей системы 22, блока 24 гамма-каротажа, блока 25 электромагнитной толщинометрии и гироскопа 26. Намагничивающее устройство 17 представляет собой гантелеобразный магнитопровод 10 (см. фиг.2) с намотанной на него катушкой 11 намагничивания, как показано на фиг.2. Датчики 16 (см. фиг.3 и 4) и 23 (см. фиг.4) основной и дополнительной сканирующих систем 18 и 22 крепятся на гибких «лыжах» 15 (см. фиг.3), причем основная сканирующая магнитоизмерительная система 18 (см. фиг.4) размещена между полюсов гантелеобразного магнитопровода 10 (см. фиг.2).
Функциональное взаимодействие блоков прибора осуществляется следующим образом.
Электропитание всех узлов интроскопа магнитного скважинного осуществляется наземным блоком 20 (см. фиг.4) питания.
н
Блок 20 питания подает в катушку 11 (см. фиг.2) намагничивания ток, благодаря чему намагничивающее устройство 17 (см. фиг.4) создает в теле стенки эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1) скважины магнитный поток Н 12 (см. фиг.2), намагничивающий его до состояния «технического насыщения».
р
р
В случае если в намагниченной области есть дефект 14 (см. фиг.3), то у поверхности возникает магнитное поле Н 13 рассеяния от дефектов, регистрируя параметры которого можно судить о наличии и параметрах самого дефекта 14. Для этого бортовой контроллер 19 (см. фиг.4) последовательно опрашивает все N магниточувствительных датчиков 16 и передает данные о распределении поля Н по геофизическому кабелю в наземный контроллер 21, после предварительной обработки которым данные записываются в персональный компьютер 8. При этом стробирование посылок данных сельсином 4 и выбор частоты опроса магниточувствительных датчиков 16 бортовым контроллером 19 осуществляется таким образом, что сканирование внутренней поверхности эксплуатационной колонны 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 и позволяет определять вид, форму, параметры дефектов эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1), их взаимное расположение и местоположение по длине эксплуатационной колонны. Также выявляются и особенности конструкции колонны, влияющие на изменение поля рассеяния от дефектов пакер-гильзы, муфты, ремонтные заплаты, врезки труб нестандартного диаметра и толщины стенки и т.п. (на фиг.1 не показаны).
Одновременно бортовым контроллером 19 (см. фиг.4) считываются данные блока 24 гамма-каротажа, блока 25 электромагнитной толщинометрии и гироскопа 26 и передаются по геофизическому кабелю 5 через наземный контроллер 21 в персональный компьютер 8. Для этого формат передачи данных по геофизическому кабелю должен предусматривать возможность комплексирования данных разного вида: магнитометрических, гамма-каротажа, толщинометрии, гироскопии и т.п. Получение этих данных одновременно с данными о наличии дефектов стенки эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1) за один проход опускаемого модуля 3 позволяет повысить точность и информативность диагностической информации, снизить затраты за счет уменьшения количества прогонов оборудования.
Конструкция основной сканирующей магнитоизмерительной системы 18 (см. фиг.4) характерна тем, что сенсор 27 (см. фиг.5) магнитного поля магниточувствительного датчика 16 (см. фиг.4), расположенный на коммутационной плате 28 (см. фиг.5), установлен таким образом, что направление его максимальной чувствительности к магнитному полю совпадает с образующей линией эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1), сам датчик залит герметичным компаундом 29 (см. фиг.5), а кабельная часть 31 и приборная часть 32 герметичного разъема рассчитаны на давление, достаточное для эксплуатации магниточувствительных датчиков 16 (см. фиг.4) в скважине, выдерживать давление до 800 атм.
Использование дополнительной сканирующей системы 22 (см. фиг.4) требуется для определения местоположения дефектов относительно стенки эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.6) (наружных 35 или внутренних 34).
лн
лр
Конструкция магниточувствительных датчиков 23 (см. фиг.4) функционирует следующим образом. Постоянный магнит 33 (см. фиг.6) малой мощности намагничивает прилегающую зону стенки эксплуатационной колонны 2 скважины локальным полем намагничивания Н, причем уровень ее намагничивания меньше уровня «технического насыщения». В результате этого внутренние слои металла эксплуатационной колонны 2 скважины намагничиваются в большей степени, чем внутренние, и локальное поле рассеяния Н от внутренних дефектов 34 во много раз превышает поле от наружных 35. Таким образом можно судить о том, с какой стороны стенки находится обнаруженный дефект, что является важным фактором при принятии решения о методе ремонта эксплуатационной колонны 2 скважины.
В качестве сенсоров дополнительной сканирующей системы 22 (см. фиг.4) возможно использование вихретоковых датчиков 36 (см. фиг.7).
Для обеспечения надежности установки датчиков 16 (см. фиг.4) и 23 основной магнитоизмерительной и дополнительной сканирующих систем 18 и 22 гибкая «лыжа» 15 (см. фиг.3), на которой крепятся датчики, снабжается ребром жесткости (на фиг.3 не показано), расположенным по месту крепления датчиков 16. Кроме того, для обеспечения прижатия датчиков к стенке эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1) один или оба конца гибкой «лыжи» 15 (см. фиг.3) могут перемещаться в направлении вдоль внутренней поверхности эксплуатационной колонны 2 (см. фиг.1).
Интроскоп магнитный скважинный может работать как в реальном масштабе времени, так и в режиме запоминания информации. После окончания проведения контроля производится расшифровка данных сканирования, определяющих результаты обследования эксплуатационной колонны.
Предлагаемая конструкция интроскопа магнитного скважинного позволяет расширить его функциональные возможности за счет возможности проведения исследований труб по толщине стенки, по наличию дефектов на наружной и внутренней поверхностях, ориентирования дефектов по сторонам света и определения их местоположения относительно пластов, стыков труб, устья и т.п., а также определения районов перфорации и недоворотов резьб труб, повысить чувствительность достоверности получаемой с его помощью информации за счет проведения исследований также в реальном режиме времени и использования для определения дефектов нескольких взаимодополняющих и дублирующих методов их определения.