Способ и устройство для электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ферромагнитных металлических труб в многоколонных скважинах

Использование: для дефектоскопии металлических труб, коаксиально расположенных в скважинах, в том числе стальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют возбуждение нестационарных электромагнитных полей в металлических колоннах скважины генераторными катушками в зондах разной длины при прохождении одновременно через все генераторные катушки импульса тока Т, выбранного из условия Т=аh, затем, начиная с самого короткого зонда, последовательное их отключение от генератора с интервалом T_i и измерение ЭДС (Е) как функции времени E(t_j,), наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических трубах, при этом в зондах разной длины по периметру каждой приемной катушки, далее обозначенной как основная приемная катушка, на магнитных сердечниках, оси которых параллельны оси зонда, размещают дополнительные приемные катушки с индуктивностью, равной индуктивности основной приемной катушки, и для каждого зонда, начиная с самого короткого зонда, регистрируют отношения ЭДС (Е) как функции времени E(t_j,), измеренные каждой основной и дополнительными приемными катушками: при этом азимутальную неоднородность трубы устанавливают по величине превышения указанного отношения над единицей, чем больше превышение, тем больше выражена азимутальная неоднородность трубы, где E(t_j)ocн. - измеренная ЭДС на основной приемной катушке, мВ, E(t_j)дoп. - измеренная ЭДС на дополнительной катушке, мВ, Т - длительность импульса тока, с, T_i - интервал отключения тока, с, t_j - шаг интервала измерения ЭДС в интервале Т_i, с, τ - постоянная спада, 1/с, Е - измеряемая ЭДС, мВ, а - коэффициент пропорциональности, с/мм, h - общая толщина колонн, мм. Технический результат: повышение точности определения потери металла в локальных дефектах труб в многоколонных скважинах за счет использования азимутальных и радиальных измерений. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

 

Группа изобретений относится к геофизике и может быть использована при дефектоскопии металлических труб, расположенных в скважинах, в частности, стальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб (НКТ), с возможностью радиального и азимутального зондирования каждой трубы в многоколонных скважинах.

Известны способ электромагнитной дефектоскопии в многоколонных скважинах и электромагнитный скважинный дефектоскоп (Пат. РФ №2507393, приор. 31.08.2012 г., опубл. 20.02.2014 г.).

Известный способ электромагнитной дефектоскопии в многоколонных скважинах включает измерение электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции, наведенной в катушке вихревыми токами, возбуждаемыми в исследуемых металлических барьерах процессом спада электромагнитного поля, вызванного импульсами тока намагничивания катушки. На каждую из приемно-генераторных катушек в отдельности подают серию импульсов фиксированной длительности из диапазона 0,1-1000 мс, намагничивая последовательно все металлические барьеры, начиная с ближайшего, причем длительность импульсов возрастает для каждого последующего металлического барьера. Полученные данные сохраняют и обрабатывают путем сравнения с модельными данными, по результатам обработки судят о наличии дефекта в металлических барьерах.

Электромагнитный скважинный дефектоскоп для реализации способа содержит корпус, катушки, расположенные вдоль оси устройства, магнитная ось которых совпадает с осью устройства, блок электроники, по меньшей мере, две приемно-генераторные катушки, каждая из которых состоит из генераторной и приемной катушек с единым сердечником. Причем приемно-генераторные катушки выполнены разного размера, разнесены друг от друга на оси устройства на расстояние не меньше длины большей приемной генераторной катушки.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что при последовательном намагничивании каждой магнитной металлической трубы, начиная с ближайшей, при дальнейшем измерении ЭДС влияние электромагнитных и геометрических параметров первой трубы будет искажать результаты измерений в последующих трубах, что вызывает необходимость учитывать это влияние. Использование только осевых зондов затрудняет выявление поперечных трещин и выявление локальных дефектов.

Известен патент ЕА 034115 «Устройство для осуществления мультисенсорной магнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины и контроля технического состояния», G01N 27/90, Е21В 47/00, ООО МИКС (RU), заявл. 28.11.2018 г., публ. 26.09.17 г.

Известное устройство для дефектоскопии обсадных колонн, включает блок генерации электромагнитного поля, блок приемных сенсоров и блок управления, регистрации и анализа данных, закрепленные в корпусе, при этом блок генерации электромагнитного поля для создания возбуждающих импульсов заданной амплитуды и длительности представляет собой генераторную катушку с сердечником из материала с высокой магнитной проницаемостью, блок приемных сенсоров включает интегральную измерительную катушку и N радиальных измерительных катушек, расположенных вокруг обмотки генераторной катушки, причем каждая измерительная катушка имеет сердечник П-образной формы, полюса которого направлены перпендикулярно к поверхности исследуемой колонны, а ось симметрии обмотки параллельна оси симметрии обмотки генераторной катушки, блок управления, регистрации и анализа данных включает N операционных усилителей с изменяемыми коэффициентами усиления и аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые передают сигналы от измерительных катушек микроконтроллеру, подключенному к компьютеру с программным обеспечением для анализа дефектов колонны, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью управления блоком генерации электромагнитного поля, а также коэффициентами усиления и АЦП (принят за прототип к заявляемому устройству).

Недостаток известного устройства заключается в том, что не определена индуктивность каждой из N измерительных катушек, что не позволяет учитывать влияние основной измерительной катушки на показания N радиальных измерительных катушек, что снижает точность азимутальных (секторных) измерений для выявления азимутальной неоднородности трубы в коаксиально цилиндрических средах.

Известна заявка WO 2020257761 A1, приор. 21.06.2019 г., публ. 24.12.2020 г. «Метод и устройство для многобарьерных проходных электромагнитных (ТЕМ) измерений».

Известная система предназначена для электромагнитной дефектоскопии в многоколонных скважинах, осуществляемой в процессе измерения ЭДС, наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических магнитных трубах после возбуждения электромагнитного поля импульсами тока в генераторных катушках и измерение ЭДС, наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических магнитных трубах, при этом

осуществляют прием множества сигналов датчиков (приемных катушек), где каждый сигнал из множества сигналов датчиков помечен соответствующими временем и глубиной, кроме того, выбирают базовый сигнал и сравнивают выбранный сигнал датчика из множества сигналов датчиков с базовым сигналом, затем определяют пороговое значение превышения разницы между базовым (опорным) сигналом и выбранным сигналом датчика, соответствующего глубине и времени, и на основании установленного различия осуществляют идентификацию интересующей особенности, связанной с выбранным сигналом датчика. Под интересующей особенностью, связанной с выбранным сигналом, подразумевают особенность состояния исследуемых металлических магнитных труб, таким образом осуществляют дефектоскопию каждой трубы по показаниям соответствующего датчика (приемной катушки).

Недостаток известного способа заключается в том, что на измерения ЭДС каждой измерительной катушки оказывает влияние базовый сигнал, что снижает разрешающую способность измерений.

Известен способ электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии в многоколонных скважинах (Пат. РФ №2636064, заявл. 14.07.2016 г., опубл. 20.11.2017 г.) (Принят за прототип к заявляемому способу).

Известный способ электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии в многоколонных скважинах включает возбуждение нестационарного электромагнитного поля импульсами тока в генераторных катушках разной длины и измерение ЭДС, наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических магнитных трубах, при этом одновременно возбуждают импульсом тока длительностью Т все генераторные катушки, а затем их последовательно с интервалом Ti отключают от генератора, начиная с короткой генераторной катушки, и последовательно каждой измерительной катушкой, соответствующей отключенной генераторной катушке, измеряют ЭДС (Е) как функцию времени E(t_j,), причем сигнал с самой последней, длинной измерительной катушки регистрируют как постоянную спада - τ=[E(t_j+1)-E(t_j)]:[(t_j+1-t_j,)E(t_j,)]. При этом длительность Т выбирают по зависимости Т=а h,

где Т - длительность импульса тока, с,

Ti - интервал отключения тока, с,

t_j - шаг интервала измерения ЭДС в интервале Ti, с,

τ - постоянная спада, 1/с,

Е - измеряемая ЭДС, мВ,

а - коэффициент пропорциональности, с/мм,

h - общая толщина колонн, мм.

Использование только осевых зондов затрудняет выявление поперечных трещин и выявление локальных дефектов.

Задача заявленного изобретения в части электромагнитного дефектоскопа заключается в усовершенствовании конструкции электромагнитного скважинного дефектоскопа-толщиномера, позволяющего повысить точность азимутальных (секторных) измерений в коаксиально цилиндрических средах путем возбуждения электромагнитного поля осесимметричным источником, а измерения наведенной вихревыми токами ЭДС - не осесимметричными приемниками, расположенными по периметру прибора.

Задача заявленного изобретения в части способа электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ферромагнитных металлических труб в многоколонных скважинах заключается в повышении разрешающей способности метода измерений.

Техническим результатом применения группы изобретений является повышение точности определения потери металла в локальных дефектах труб в многоколонных скважинах за счет использования азимутальных и радиальных измерений.

Поставленная задача в части устройства, решается тем, что электромагнитный скважинный дефектоскоп, содержащий корпус, блок электроники, расположенные вдоль оси устройства зонды с электромагнитными катушками разной длины, магнитные оси которых совпадает с осью устройства, включающие основные приемно-генераторные катушки, каждая из которых состоит из генераторной и приемной катушек с единым сердечником, магнитные оси которых совпадают, при этом по периметру каждой основной приемной катушки размещены N дополнительных приемных катушек на магнитных сердечниках, оси которых параллельны оси зонда и сдвинуты от оси зонда на расстояние R, причем индуктивность каждой из дополнительных приемных катушек выбрана равной индуктивности соответствующей основной приемной катушки.

Поставленная задача в части способа решается тем, что в способе электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ферромагнитных металлических труб в многоколонных скважинах, включающим возбуждение нестационарных электромагнитных полей в металлических колоннах скважины генераторными катушками в зондах разной длины при прохождении одновременно через все генераторные катушки импульса тока Т, выбранного из условия Т=а h, затем, начиная с самого короткого зонда, последовательное их отключение от генератора с интервалом Т_i, и измерение ЭДС (Е) как функцию времени E(t_j,), наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических магнитных трубах, при этом в зондах разной длины по периметру каждой приемной катушки, далее обозначенная как основная приемная катушка, размещают на магнитных сердечниках дополнительные приемные катушки с индуктивностью, равной индуктивности основной приемной катушки, и для каждого зонда, начиная с самого короткого зонда, регистрируют отношения ЭДС (Е), как функции времени E(t_j,), измеренные каждой основной и дополнительными приемными катушками , при этом азимутальную неоднородность трубы устанавливают по величине превышения указанного отношения над единицей, чем больше превышение, тем больше выражена азимутальная неоднородность трубы,

где:

E(t_j)ocн. - измеренная ЭДС на основной катушке, мВ,

E(t_j)доп.- измеренная ЭДС на дополнительной катушке, мВ,

Т - длительность импульса тока, с,

Т_i - интервал отключения тока, с,

t_j - шаг интервала измерения ЭДС в интервале T_i, с,

τ - постоянная спада, 1/с,

Е - измеряемая ЭДС, мВ,

а - коэффициент пропорциональности, с/мм,

h - общая толщина колонн, мм.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема размещения зондов заявленного электромагнитного дефектоскопа в скважине с многоколонной конструкцией.

На фиг. 2 изображено устройство зонда с набором основной и дополнительных приемных катушек относительно оси скважинного прибора - дефектоскопа.

На фиг. 3 представлен набор регистрируемых импульсов кривых спада. E1, Е2, Е как функции времени отключения генераторных катушек - T1, Т2, Т.

На фиг. 4 представлен пример регистрации кривых спада Е для одноколонной модели скважины с толщиной стенки 8 мм и 10 мм.

На фиг. 5 изображена модель двухколонной скважины.

На фиг. 6 представлен пример регистрации отношения сигналов - A_5,10, - А_{5, 9} в двухколонной модели.

На фиг. 7 представлены результаты измерений с использованием физической модели двухколонной скважины.

На фиг. 8 изображены временная J(t) и частотная J(w) характеристики источника импульсов тока.

Реализация заявляемого способа обеспечивается применением электромагнитного скважинного дефектоскопа, выбранного с тремя зондами разной длины, и представленного на фиг. 1 и фиг. 2.

Скважинный прибор дефектоскопа содержит три зонда разной длины: короткий 1, средний 2 и длинный 3, каждый из которых состоит из генераторной 4, и основной приемной катушек 5 с единым сердечником 6. По периметру каждой основной приемной катушки размещены N дополнительных приемных (измерительных катушек) на магнитных сердечниках 7, оси которых параллельны оси зонда 8 и сдвинуты от оси 8 зонда на расстояние R, которое выбирается экспериментальным путем, причем индуктивность каждой из дополнительных приемных катушек выбрана равной индуктивности соответствующей основной приемной (измерительной) катушки (на фиг. 2, фиг. 5 и фиг. 6 обозначены две дополнительные катушки 9 и 10 из количества N).

Дефектоскоп спущен в скважину с пятью магнитными трубами 11, 12, 13, 14, 15.

Метод магнитоимпульсной электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии основан на исследовании пространственного распределения в колонне труб затухающих во времени вихревых токов, наводящих электродвижущую силу (ЭДС) в измерительной катушке индуктивности после прохождения импульса тока намагничивания в генераторной катушке.

Он позволяет производить зондирование многоколонных конструкций с временным разделением сигнала от разных колонн. Это осуществляется выбором длительности импульса тока возбуждения вихревых токов - Т в генераторной катушке, времени t измерения ЭДС кривых спада переходного процесса (ПП) в измерительной катушке и конструкцией зонда.

Выбор длительности тока возбуждения, интервала времени на кривых спада и длительности импульса позволяет оценить техническое состояние той или иной колонны.

Согласно теории электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ЭДС кривых спада переходного процесса (ПП) вихревых токов в колонне является функцией E(t)=f(μ,σ,h,D,M_г,M_п),

где

t - время регистрации ПП,

μ, σ - соответственно магнитная проницаемость и удельная проводимость металла,

h - толщина стенки колонны,

М_г, М_п - магнитный момент генераторной и приемной катушек.

Для расчета кривых спада используют алгоритм, приведенный в работах: Потапов А.П. Численное решение прямой и обратной задач импульсной электромагнитной толщинометрии обсадных колонн в скважинах. /А.П. Потапов, Л.Е. Кнеллер //Геология и геофизика. - Новосибирск: Наука, 2001. - Том 42. - №8. -С. 1279-1284, и Потапов А.П. К теории метода скважиной магнитоимпульсной дефектоскопии-толщинометрии. /А.П. Потапов, Л.Е. Кнеллер, В.В. Даниленко //«Геофизика». -М.: ЕАГО, 2012. -Вып. 2. -С. 20-26.)

Для определения неустановившегося процесса в коаксиально-цилинд-рической среде используют спектральный подход, основанный на применении интеграла Фурье. (Кауфман А.А. Нестационарное поле вертикального магнитного диполя на оси скважины. / А.А. Кауфман, В.П. Соколов //В сб. "Электромагнитное поле на оси скважины", препринт.АН СССР СО ИГ и Г, 1971. -С.31-50).

При возбуждении поля ступенчатой функцией тока:

определено, что

где:

h(ω) - магнитное поле на оси скважины, выраженное в единицах поля магнитного диполя в воздухе. (Дмитриев В.И. Осесимметричное электромагнитное поле в цилиндрически слоистой среде. /В.И. Дмитриев //Физика Земли. - М.: Изв. АН СССР, 1972. -№12. -С. 56-61).

Применяем формулы для расчета z и r компонент магнитного поля:

где:

z и r - компоненты электромагнитного поля в однородной среде с удельной проводимостью σ_о.

и С₀ - определяются из рекуррентных формул:

(Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М.: Недра, 1974).

Для учета реальных размеров источника поля с учетом сердечников предложен следующий подход.

В выражении (2) заменяем l/iω на функцию источника J (ω) - частотную характеристику источника (катушка индуктивности защищена немагнитным проводящим кожухом).

Функция J(ω) для конкретного зонда определяется экспериментально. Для этого проводят измерения кривой спада для данного прибора в воздухе. Полученный сигнал как функция времени (J(t)) переводится по программе дискретного преобразования Фурье в частотную область - J(ω).

На фиг. 8 показаны функция J(t) и ее частотный спектр зонда с основной приемной катушкой - J(ω).

В процессе реализации способа подают импульсы тока намагничивания с длительностью Т одновременно на все обмотки 4, генераторных катушек (фиг. 1, фиг. 2) при этом длительность импульсов рассчитывают в зависимости от общей толщины колонн 11, 12, 13, 14, 15 по формуле Т=а h, где коэффициент «а» устанавливается экспериментальным путем, h - общая толщина колонн, при этом происходит возбуждение нестационарных электромагнитных полей в металлических колоннах скважины генераторными катушками в зондах разной длины при прохождении импульса тока Т одновременно через все генераторные катушки. Затем, начиная с самого короткого зонда 1, последовательно все зонды отключают от генератора с интервалом T_i, и измеряют ЭДС (Е) как функцию времени E(t_j,) (фиг. 3), наведенной в основных приемных катушках 5 и дополнительных приемных катушках 9 и 10, которых может быть установлено N количество, вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических магнитных трубах 11, 12, 13, 14, 15, при этом регистрируют отношения ЭДС (Е), как функцию времени E(t_j,), измеренные каждой основной и дополнительными приемными катушками 9 и 10, установленными по периметру основной катушки 5 на расстоянии R от оси прибора 8:

где:

E(t_j)ocн. - измеренная ЭДС на основной катушке, мВ,

E(t_j)доп. - измеренная ЭДС на дополнительной катушке, мВ,

Т - длительность импульса тока, с,

Т_i - интервал отключения тока, с,

t_j - шаг интервала измерения ЭДС в интервале T_i, с,

τ - постоянная спада, l/с,

Е - измеряемая ЭДС, мВ,

а - коэффициент пропорциональности, с/мм,

h - общая толщина колонн, мм.

В процессе измерений азимутальную неоднородность каждой трубы устанавливают по величине превышения отношения над единицей, чем больше превышение, тем больше выражена азимутальная неоднородность трубы.

На фиг. 6 представлен пример регистрации отношения сигналов - A_5,10, - А_{5, 9} в двухколонной модели. По положению точек кривых A_5,10, и A_5,9 определяют величину превышения отношений сигналов над единицей.

На фиг. 3 показан набор регистрируемых импульсов кривых спада: E1, Е2, Е как функции времени отключения генераторных катушек Т1,Т2,Т - E(t_j).

На фиг. 4 представлен пример регистрации кривых спада Е для одноколонной модели скважины и приведены результаты расчетов для трубы с толщиной h стенки 8 мм и 10 мм, диаметром 245 мм для разной магнитной проницаемости μ=30,40,60. Чем больше магнитная проницаемость среды, тем длиннее переходный процесс.

На фиг. 5 рассматривается модель с несимметричным дефектом, где поз. 11 - целая первая колонна, 12 - вторая колонна с несимметричным дефектом, 6 - сердечник с основной приемно катушкой 5, поз. 9 и 10 - дополнительные приемные катушки с сердечником 7, установленные на расстоянии R по периметру основной катушки (на фиг. 5 показан один зонд из трех).

На фиг. 6 представлен пример регистрации отношения сигналов - A_5,10, - А_5,9 в двухколонной модели.

Расчет отношений в результате регистрации сигналов E(t_j,) основной 5 и дополнительных катушек 9 и 10 заложен в алгоритм электронно-вычислительной программы измерений дефектоскопом, которая показывает конечный результат по характеристике азимутальной неоднородности трубы по величине превышения отношения над единицей, чем больше превышение, тем больше выражена азимутальная неоднородность трубы. В результате расчетов отсекаем сигнал от основной катушки на результаты измерений дополнительных катушек, что повышает разрешающую способность метода.

Экспериментально установлено, что для двухколонной модели чувствительность к локальному дефекту начинается со 100 мс (отношение больше единицы). Чувствительность растет с увеличением времени регистрации переходного процесса -t, так, для трехколонной модели чувствительность начинается с 270 мс.

На фиг. 7 приведены результаты физического моделирования в реальных обсадных колоннах. Диаметр первой колонны 146 мм, толщина стенки 8 мм, диаметр второй колонны 324 мм, толщина стенки 11 мм, в которой помещены три зонда с основными приемными катушками и 6 дополнительными приемными катушками, размещенными по периметру каждой основной катушки, где Depth-глубина в м, completion deagram- модель, D1, D2 - диаметр труб, LR01, LR02,- LR03 показания ЭДС как функция времени Е(t_j,) на основной измерительной катушке на трех зондах, I, II, III-временные каналы регистрации, R= - отношение ЭДС основной и дополнительной катушек, 1-6 номера катушек, t_j- время регистрации ЭДС кривых спада переходного процесса (ПП) в измерительных катушках, Ан- выявленная аномалия от дефекта размером 550×140×6 мм на трубе 324 мм.

Применение в коаксиально цилиндрических средах метода возбуждения электромагнитного поля осесимметричным источником (основной генераторной катушкой, расположенной по оси зонда), а прием ЭДС - не осесимметричными приемниками, расположенными по периметру прибора, позволяет наряду с радиальным глубинным сканированием добиться и глубинного азимутального сканирования окружающего пространства в многоколонных конструкциях скважин, при этом, за счет исключения из результатов измерения влияния основной приемной катушки на показания дополнительных приемных катушек, повышается разрешающая способность метода.

1. Электромагнитный скважинный дефектоскоп, содержащий корпус, блок электроники, расположенные вдоль оси устройства зонды с электромагнитными катушками разной длины, магнитные оси которых совпадает с осью устройства, включающие основные приемно-генераторные катушки, каждая из которых состоит из генераторной и приемной катушек с единым сердечником, магнитные оси которых совпадают, при этом по периметру каждой основной приемной катушки размещены N дополнительных приемных катушек на магнитных сердечниках, оси которых параллельны оси зонда и сдвинуты от оси зонда на расстояние R, причем индуктивность каждой из дополнительных приемных катушек выбрана равной индуктивности соответствующей основной приемной катушки.

2. Способ электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ферромагнитных металлических труб в многоколонных скважинах, включающий возбуждение нестационарных электромагнитных полей в металлических колоннах скважины генераторными катушками в зондах разной длины при прохождении одновременно через все генераторные катушки импульса тока Т, выбранного из условия Т=аh, затем, начиная с самого короткого зонда, последовательное их отключение от генератора с интервалом T_i и измерение ЭДС (Е) как функции времени E(t_j,), наведенной в приемных катушках вихревыми токами, протекающими в исследуемых металлических трубах, при этом в зондах разной длины по периметру каждой приемной катушки, далее обозначенной как основная приемная катушка, на магнитных сердечниках, оси которых параллельны оси зонда, размещают дополнительные приемные катушки с индуктивностью, равной индуктивности основной приемной катушки, и для каждого зонда, начиная с самого короткого зонда, регистрируют отношения ЭДС (Е) как функции времени E(t_j,), измеренные каждой основной и дополнительными приемными катушками: при этом азимутальную неоднородность трубы устанавливают по величине превышения указанного отношения над единицей, чем больше превышение, тем больше выражена азимутальная неоднородность трубы,

где E(t_j)ocн. - измеренная ЭДС на основной приемной катушке, мВ,

E(t_j)дoп. - измеренная ЭДС на дополнительной катушке, мВ,

Т - длительность импульса тока, с,

T_i - интервал отключения тока, с,

t_j - шаг интервала измерения ЭДС в интервале Т_i, с,

τ - постоянная спада, 1/с,

Е - измеряемая ЭДС, мВ,

а - коэффициент пропорциональности, с/мм,

h - общая толщина колонн, мм.