Способ электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн в скважине и электромагнитный дефектоскоп для его реализации

Использование: для электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн в скважине. Сущность изобретения: заключается в том, что осуществляют регистрацию переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой, с помощью нескольких пар дифференциально соединенных измерительных катушек, вместе с тем при создании переменного электромагнитного поля по генераторной катушке пропускают периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с такой частотой следования, при которой толщина скин-слоя для первой гармоники превышает толщину металла стенки колонны, а в напряжении на измерительных катушках выделяют первую гармонику, измеряют активную и реактивную составляющие указанного напряжения, затем вычисляют амплитуду и величину фазового сдвига указанного напряжения относительно тока в генераторной катушке, в каждой точке наблюдения рассчитывают кривые напряжения с величиной фазового сдвига, изменяющейся от 0 до 360 градусов с шагом 5-10 градусов, выбирают среди них кривую, наименее искаженную помехами от электромагнитных неоднородностей трубы, далее на выбранной кривой выделяют локальные аномалии напряжения, соответствующие дефектам колонны. Технический результат: повышение информативности и упрощение интерпретации результатов дефектоскопии путем выделения аномалий против локальных дефектов обсадных колонн на фоне аномалий, создаваемых электромагнитными неоднородностями металла стальных обсадных колонн, а также обеспечение возможности выявления формы и ориентировки обнаруженных дефектов относительно оси колонн. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано для выявления дефектов и перфорационных отверстий при электромагнитной дефектоскопии бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб в скважинах.

Известен электромагнитный дефектоскоп МТТ (Magnetic Thickness Tool) фирмы Sondex и способ его применения (www.sondex.co.uk). Дефектоскоп МТТ содержит одну генераторную катушку, которую питают синусоидальным током, и 12 миниатюрных датчиков магнитного поля.

Недостатком прибора и способа является невозможность надежного обнаружения в обсадной колонне дефектов, поперечные размеры которых менее 30 мм, поскольку миниатюрные датчики могут пройти в стороне от такого дефекта.

Известен электромагнитный дефектоскоп PAL фирмы Шлюмберже и способ его применения (Сервисный каталог по каротажным работам: каталог / фирма Schlumberger (США), 1995. - 111 с.), содержащий, в частности, группу зондов для выделения малых дефектов. При этом используют высокочастотные вихревые токи, и поэтому на результатах наблюдений отражаются, кроме мелких дефектов колонны, множество случайных изменений на внутренней поверхности трубы, что значительно усложняет интерпретацию.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электромагнитный скважинный дефектоскоп и способ его применения, содержащий генераторную катушку и несколько пар дифференциально соединенных измерительных катушек, расположенных в прижимных контейнерах, причем магнитные оси катушек ориентированы перпендикулярно длинной оси дефектоскопа, а магнитные оси катушек одной пары расположены под углом относительно осей другой пары (патент РФ №2215143, МКИ Е21В 49/00, G01N 27/90).

Способ применения известного устройства заключается в следующем. По генераторной катушке пропускают переменный ток, возбуждающий в окружающей стальной обсадной колонне круговые вихревые токи. Переменное магнитное поле этих токов регистрируется измерительными катушками. При прохождении измерительных катушек мимо дефектов в стенке колонны, например отверстий, коррозионных язв, трещин, отмечаются характерные изменения магнитного поля.

Недостатком способа является высокий уровень помех на получаемых диаграммах дефектоскопии, обусловленный неоднородностями магнитной проницаемости и электропроводности металла обсадных колонн. Выявление небольших по размерам дефектов на фоне интенсивных помех весьма затрудняется или становится невозможным.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения информативности и упрощения интерпретации результатов дефектоскопии путем выделения аномалий против локальных дефектов обсадных колонн на фоне аномалий, создаваемых электромагнитными неоднородностями металла стальных обсадных колонн, а также позволяет выявить форму и ориентировку обнаруженных дефектов относительно оси колонн.

Для решения указанной задачи в заявленном способе электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн в скважине, заключающемся в регистрации переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой, с помощью нескольких пар дифференциально соединенных измерительных катушек, по генераторной катушке пропускают периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с такой частотой следования, при которой толщина скин-слоя для первой гармоники превышает толщину металла стенки колонны, а в напряжении на измерительных катушках выделяют первую гармонику, измеряют активную и реактивную составляющие указанного напряжения, затем вычисляют амплитуду и величину фазового сдвига указанного напряжения относительно тока в генераторной катушке, в каждой точке наблюдения рассчитывают кривые напряжения с величиной фазового сдвига, изменяющейся от 0 до 360 градусов с шагом 5-10 градусов, выбирают среди них кривую, наименее искаженную помехами от электромагнитных неоднородностей трубы, далее на выбранной кривой выделяют локальные аномалии напряжения, соответствующие дефектам колонны.

Затем в заявляемом способе по величине фазового сдвига в экстремальных точках локальных аномалий напряжения при условии, что их интенсивность в 5 раз и более превышает флуктуации общего фона расчетной кривой напряжения, определяют ориентировку длинной оси дефекта по отношению к оси обсадной колонны и по результатам интерпретации устанавливают форму дефекта.

Кроме того, в способе электромагнитной дефектоскопии по генераторной катушке пропускают прямоугольные импульсы тока с паузой, причем длительность паузы выбирают из необходимости обеспечения минимальной относительной доли третьей гармоники сигнала в пределах ¹/₅-¹/₆ от длительности импульса тока.

На фиг.1А представлены разнополярные прямоугольные импульсы тока (I), разделенные паузой длительностью около ¹/₆ от длительности импульса тока.

На фиг.1Б представлены импульсы тока (I) в виде меандры (последовательность разнополярных импульсов тока без паузы между ними).

На фиг.1В показаны значения (I₀) амплитуд гармоник относительно амплитуды возбуждающего импульса,

где

- разнополярные импульсы с паузой,

- импульсы тока в виде меандра (без паузы),

n - номер гармоники.

На фиг.2 представлен пример определения искусственных дефектов в модели обсадной колонны с помощью четырех пар измерительных катушек электромагнитного дефектоскопа.

На фиг.3 показан общий вид электромагнитного дефектоскопа.

Осуществление заявленного способа возможно с применением скважинного электромагнитного дефектоскопа, конструкция которого приведена в патенте RU №2215143, МКИ Е21В 49/00, G01N 27/90, а также в рекламном листе. "Сканирующий электромагнитный дефектоскоп-толщиномер ЭМДС-С", заявитель ОАО НПП "ВНИИГИС" (копия прилагается), а также с помощью представленного в заявке электромагнитного дефектоскопа.

Сущность способа состоит в следующем.

По генераторной катушке прибора пропускают периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока. В сигнале от измерительных катушек выделяют гармоническую составляющую основной частоты (первую гармонику). Частоту следования импульсов выбирают с таким расчетом, чтобы толщина скин-слоя для первой гармоники превышала толщину стенки колонны.

Например, при частоте f=10 герц и типичных электромагнитных свойствах металла стальной обсадной колонны: магнитной проницаемости μ=50·4π·10^-7 Гн/м и удельной электрической проводимости σ=5·10⁶ См/м, толщина скин-слоя δ составит

Применение низкой частоты улучшает соотношение сигналов от сравнительно глубоких дефектов и незначительных неровностей стенки трубы, которые при высокочастотных измерениях, например, аппаратурой PAL создают высокий фон помех.

Разнополярные прямоугольные импульсы тока разделены паузой длительностью около ¹/₆ от полного периода следования импульсов, как показано на фиг.1А. По сравнению с возбуждающими импульсами в виде меандра (фиг.1Б) импульсы с паузой между ними содержат третью гармонику втрое меньшей амплитуды (фиг.1В), что дает возможность увеличить точность последующей обработки сигнала. Теоретически при длительности паузы ¹/₆ от периода амплитуда третьей гармоники равна нулю. По сравнению с синусоидальным возбуждающим сигналом прямоугольные возбуждающие импульсы позволяют увеличить коэффициент полезного действия, повысить термостойкость прибора.

После выделения первой гармоники напряжения на измерительных катушках измеряют его активную, синфазную с током в генераторной катушке и реактивную составляющие, вычисляют амплитуду U и фазовый сдвиг напряжения ϕ в катушках относительно тока в каждой точке наблюдений. Затем рассчитывают кривые напряжения U_n с величиной фазового сдвига, изменяющейся от 0 до 360 градусов с шагом 10 градусов по формуле

U_n=Ucos(ϕ+10n),

где n изменяется от 0 до 35.

После этого выбирают среди кривых U_n такую, которая наименее искажена помехами от электромагнитных неоднородностей трубы. На выбранной кривой выделяют локальные минимумы напряжения, соответствующие дефектам колонны.

Далее по величине фазового сдвига в экстремальных точках локальных аномалий напряжения в случае их большой интенсивности - если интенсивность аномалии в 5 и более раз превышает колебания фона (флуктуацию), обусловленные электромагнитными неоднородностями металла трубы, определяют ориентировку дефекта относительно оси скважины. Зная диаметр и толщину стенок изучаемой трубы, удается определить, представлен ли дефект продольной щелью, поперечной щелью или имеет изометрическую форму.

Физической основой для разделения типов аномалий по фазе является то, что продольная щель прерывает путь кольцевых вихревых токов, возбуждаемых продольной генераторной катушкой, а поперечная щель, не нарушая распространения вихревых токов, прерывает магнитные силовые линии в стенке.

Поскольку фаза напряжения в измерительных катушках, возбуждаемого вторичным полем вихревых токов, смещена на 90 градусов относительно фазы магнитного поля, возбуждаемого генераторной катушкой, фаза суммарного сигнала зависит от ориентировки щели.

Фаза аномалии от дефектов изометрической формы принимает промежуточные значения между фазой аномалий против продольной и поперечной щелей, что подтверждается физическим моделированием.

На фиг.2 слева представлены кривые напряжения на четырех парах измерительных зондов в модели обсадной трубы с искусственными дефектами. Вначале были выполнены измерения активной и реактивной составляющих напряжения, затем рассчитаны 36 кривых напряжения с различным фазовым сдвигом относительно тока в генераторной катушке, выбраны кривые с оптимальным фазовым сдвигом из расчета получения наилучшего соотношения аномалий от локальных дефектов колонны и помех от колебаний электромагнитных свойств металла. При этом четко выделились аномалии от сквозных отверстий диаметром 9 мм и более, несквозные впадины, имитирующие несквозные коррозионные язвы, диаметром 15 мм при глубине 3 мм и более, а также поперечные щели.

Справа приведена схема обнаруженных локальных дефектов, имеющих изометрическую форму (кружки) и дефектов, вытянутых поперек оси трубы (темные фигуры, вытянутые горизонтально).

Все расчеты, выбор оптимальной фазы и графические построения автоматически выполняются специальной программой.

Реализация способа может быть осуществлена с помощью заявляемого электромагнитного дефектоскопа.

Известен прибор для контроля обсадных труб фирмы Халлибартон, использующий переменное электромагнитное поле. Прибор содержит однозондовую систему, состоящую из генераторной катушки и пары измерительных катушек, включенных дифференциально и отнесенных от генераторной вдоль оси скважины (Halliburton Logging Services. Casing Inspection Log. - Technical Book For Customer Distribution, Copiright 1985, A Halliburton Company. - P.8-9).

Недостатком прибора является относительно слабая чувствительность к дефектам колонны малых размеров и невозможность по отдельности выявлять дефекты, расположенные в разных стенках трубы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является электромагнитный скважинный дефектоскоп (далее дефектоскоп), который решает задачу повышения чувствительности устройства к малым дефектам и раздельное выделение дефектов по разным сторонам стенки колонны (патент РФ №2215143, МКИ Е21В 47/00, Е21В 47/12, заявлено 04.10.2001 г.).

Известный дефектоскоп содержит корпус, генераторную катушку, дифференциально соединенные измерительные катушки, удаленные от генераторной катушки вдоль оси прибора, блок электроники. Измерительные катушки (зонды) расположены в двух или более парах контейнеров, прижимаемых к стенке скважины с помощью пружин сжатия, оси которых ориентированы перпендикулярно оси дефектоскопа и смещены на одинаковое расстояние от этой оси.

Недостаток известной конструкции заключается в следующем.

В процессе спуска и подъема дефектоскопа контейнеры трутся о стенки обсадных труб, передняя по ходу движения кромка контейнера упирается в неровности стенок, например, при изменении внутреннего диаметра труб на муфтовых соединениях (фиг.3). Поскольку при этом корпус дефектоскопа движется вперед, образуется перекос контейнера, то есть непараллельность образующей наружной поверхности контейнера и продольной оси дефектоскопа. Возникает опасность заклинивания дефектоскопа в обсадной трубе, приводящего к аварии.

Предлагаемое изобретение решает задачу снижения аварийности спуско-подъемных работ.

Для решения этой задачи в электромагнитном дефектоскопе, содержащем корпус, электромагнитные зонды, размещенные в двух или более парах выносных контейнеров, прижимаемых к стенке скважины с помощью пружин сжатия, выносные контейнеры установлены на направляющих штифтах, один конец которых жестко скреплен с корпусом электромагнитного скважинного дефектоскопа, а другой конец снабжен упором и помещен внутри контейнера в пазах с возможностью перемещения в них на расстояния, ограничиваемые упорами и длиной пазов, кроме того, торцовые кромки контейнеров выполнены скругленными или скошенными.

Кроме того, в дефектоскопе количество направляющих штифтов с упорами в пазах каждого контейнера не менее четырех, пазы имеют вытянутую форму вдоль оси корпуса, например, в виде эллипса, а направляющие штифты с упорами имеют Т-образную форму. Выносные контейнеры установлены на направляющих штифтах с возможностью перемещения по ним в направлении, перпендикулярном оси скважины.

На фиг.3 показан общий вид электромагнитного дефектоскопа.

Дефектоскоп содержит корпус 1, к которому одним концом жестко крепятся несколько направляющих штифтов 2 с упорами 3 (не менее четырех в каждом выносном контейнере 4), контейнер прижимается к стенке скважины с помощью пружин сжатия 5. В контейнере расположены электромагнитные зонды (на фиг.3 не показаны). Другим концом штифты 2 с упорами 3 перемещаются в пазах 6, которые выполнены в корпусе 1 и могут иметь эллипсовидную форму.

На фиг.3 корпус 1 упирается своей скошенной (скругленной) кромкой 7 в уступ муфтового соединения 8 стенки обсадной трубы 9. Как видно из чертежа, направляющие штифты с упорами имеют в разрезе Т-образную форму, а ответные им пазы в теле корпуса вытянуты вдоль оси корпуса.

Дефектоскоп работает следующим образом.

При перемещении дефектоскопа пружины 5 прижимают контейнер 4 к стенке обсадной трубы 9, при этом контейнер перемещается в направлении, перпендикулярном продольной оси дефектоскопа, двигаясь по направляющим штифтам 2. Незначительные перекосы контейнера не препятствуют его перемещению по направляющим штифтам, так как эллипсовидная форма пазов 6 обеспечивает некоторую свободу для перекоса без заклинивания. Когда же наружная передняя кромка 7 контейнера 4 упирается в неровности стенок, например в уступ стенки при изменении внутреннего диаметра труб на муфтовом соединении 8, контейнер начинает перекашиваться до тех пор, пока кромка паза не упрется в упор штифта 3, а задняя внутренняя кромка контейнера - в корпус дефектоскопа 1. После этого скошенная или скругленная поверхность контейнера начинает скользить по неровности стенки, сжимая пружины и придавливая контейнер к корпусу дефектоскопа, и заклинивания дефектоскопа в обсадной трубе не происходит.

Большой объем скважинных испытаний показал надежность конструкции.

1. Способ электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн в скважине, заключающийся в регистрации переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой, с помощью нескольких пар дифференциально соединенных измерительных катушек, отличающийся тем, что при создании переменного электромагнитного поля по генераторной катушке пропускают периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с такой частотой следования, при которой толщина скин-слоя для первой гармоники превышает толщину металла стенки колонны, а в напряжении на измерительных катушках выделяют первую гармонику, измеряют активную и реактивную составляющие указанного напряжения, затем вычисляют амплитуду и величину фазового сдвига указанного напряжения относительно тока в генераторной катушке, в каждой точке наблюдения рассчитывают кривые напряжения с величиной фазового сдвига, изменяющейся от 0 до 360° с шагом 5-10°, выбирают среди них кривую, наименее искаженную помехами от электромагнитных неоднородностей трубы, далее на выбранной кривой выделяют локальные аномалии напряжения, соответствующие дефектам колонны.

2. Способ электромагнитной дефектоскопии по п.1, отличающийся тем, что по величине фазового сдвига в экстремальных точках локальных аномалий напряжения при условии, что их интенсивность в 5 раз и более превышает флуктуации общего фона расчетной кривой напряжения, определяют ориентировку длинной оси дефекта по отношению к оси обсадной колонны и по результатам интерпретации устанавливают форму дефекта.

3. Способ электромагнитной дефектоскопии по п.2, отличающийся тем, что по генераторной катушке пропускают прямоугольные импульсы тока с паузой, причем длительность паузы выбирают из необходимости обеспечения минимальной относительной доли третьей гармоники сигнала в пределах 1/5-1/6 от длительности импульса тока.

4. Электромагнитный дефектоскоп, содержащий корпус, электромагнитные зонды, размещенные в двух или более парах выносных контейнеров, прижимаемых к стенке скважины с помощью пружин сжатия, отличающийся тем, что выносные контейнеры установлены на направляющих штифтах, один конец которых жестко скреплен с корпусом электромагнитного дефектоскопа, а другой конец снабжен упором и помещен внутри контейнера в пазах с возможностью перемещения контейнера на расстояния, ограничиваемые упорами и длиной пазов, кроме того, торцовые кромки контейнеров выполнены скругленными или скошенными.

5. Электромагнитный дефектоскоп по п.4, отличающийся тем, что количество направляющих штифтов с упорами в пазах каждого контейнера не менее четырех.

6. Электромагнитный дефектоскоп по п.4, отличающийся тем, что пазы имеют вытянутую форму вдоль оси корпуса, например, в виде эллипса.

7. Электромагнитный дефектоскоп по п.4, отличающийся тем, что направляющие штифты с упорами имеют Т-образную форму.

8. Электромагнитный дефектоскоп по п.4, отличающийся тем, что выносные контейнеры установлены на направляющих штифтах с возможностью перемещения по ним в направлении, перпендикулярном оси скважины.