Скважинный магнитно-имульсный дефектоскоп-толщинометр

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при дефектоскопии металлических труб, например, расположенных в скважине, в частности стальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, а также одновременного вычисления толщины стенок каждой из труб в многоколонных скважинах. Дефектоскоп-толщиномер содержит генераторную систему с генератором и таймером, генераторными катушками индуктивности; измерительную систему с измерительными катушками индуктивности и усилителями, контроллер и передатчик телеметрической линии связи (ТЛС). Дефектоскоп дополнительно снабжен катушками индуктивности, идентичными катушкам в измерительной системе, расположенными на расстоянии, обеспечивающем исключение влияния генераторной системы. Выход дополнительных катушек соединен с системой измерения и контроллером, обеспечивающим синхронизацию измерений по глубине основной и дополнительной систем измерений. Техническим результатом является повышение точности измерения толщины стенки колонн и определения дефектов путем учета магнитной неоднородности металла и «магнитного шума», вызванного остаточной намагниченностью, за счет исключения влияния на измеряемый сигнал остаточной намагниченности и магнитной неоднородности труб. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к геофизике и может быть использовано при дефектоскопии металлических труб, например, расположенных в скважине, в частности стальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, а также одновременного вычисления толщины стенок каждой из труб в многоколонных скважинах.

Известен электромагнитный дефектоскоп MAG фирмы Western Atlas (каталог ATLAS WIRILINE SERVIS 1991 г. с.53), содержащий генераторные и измерительные катушки. Дефектоскоп регистрирует э.д.с. вихревых токов. Толщина стенки обсадных колонн определяется по разности фаз тока в генераторной и измерительной катушках относительно номинального значения толщины. Данный дефектоскоп не позволяет производить абсолютные измерения толщины.

Известен электромагнитный дефектоскоп фирмы Sondex (http://sondex.com/products/casing_inspection.php), основанный на том же принципе, но позволяющий проводить измерения толщины одиночной трубы. Полностью неработоспособен при наличии второй трубы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является дефектоскоп-толщиномер (прототип), содержащий генераторную систему с генератором, таймером и генераторными катушками индуктивности; измерительную систему с измерительными катушками индуктивности и усилителями; контроллер и передатчик телеметрической линии связи (пат. РФ № 2074314 от 27.02.1997).

Недостатком данного прибора является низкая точность определения толщины стенок труб и дефектов при каротаже скважин из-за влияния остаточной намагниченности труб.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения точности измерения толщины стенки колонн и определения дефектов путем учета магнитной неоднородности металла и «магнитного шума», вызванного остаточной намагниченностью («магнитного шума» - неоднородность магнитного поля, возникающая вследствие остаточной намагниченности колонны).

Поставленная задача решается тем, что в скважинный магнитно-импульсный дефектоскоп-толщиномер, содержащий генераторную систему с генератором, таймером и генераторными катушками индуктивности, соединенными с генератором, измерительную систему с измерительными катушками индуктивности и усилителем, контроллер и телеметрическую линию связи с передатчиком, введены дополнительные катушки индуктивности, функционально-идентичные измерительным катушкам измерительной системы и усилитель, выходы которых соединены с контроллером измерительной системы, при этом дополнительные измерительные катушки индуктивности расположены вне зоны влияния на них генераторных катушек индуктивности.

На фиг.1 дана блок-схема дефектоскопа-толщиномера.

На фиг.2 представлен пример выделения муфты второй колонны со сравнительной записью сигналов, полученных прототипом и заявленным устройством.

Фиг.3 иллюстрирует пример идентификации дефекта, а фиг.4 - пример определения толщины стенки трубы.

На фиг.5 и фиг.6 представлен режим измерений амплитуд э.д.с. при выборе расстояния L между основными и дополнительными катушками.

Устройство содержит генераторную систему, состоящую из генератора с таймером 1, генераторных катушек индуктивности 2, измерительную систему, состоящую из измерительных катушек индуктивности 3 и усилителя 4. Указанные блоки соединены с контроллером 5, который соединен с передатчиком телеметрической линии связи 6 (фиг.1).

В устройство введены дополнительные катушки индуктивности 7, функционально-идентичные измерительным катушкам 3 измерительной системы и усилитель 8, которые соединены с контроллером 5.

Дополнительные катушки индуктивности 7 располагаются на расстоянии L от генераторных катушек индуктивности 2, которое подбирается экспериментально таким образом, чтобы дополнительные катушки 7 находились вне зоны влияния генераторных катушек 2.

Метод электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии основан на регистрации электродвижущей силы (э.д.с.), наведенной в трубах 9 после выключения тока намагничивания.

Устройство работает следующим образом.

По генераторным катушкам индуктивности 2, магнитная ось которых совпадает с осью прибора, пропускается постоянный ток, возбуждающий в окружающей стальной трубе 9 круговые вихревые токи после его выключения («ток намагничивания»). Вихревые токи создают изменяющийся во времени магнитный поток Ф(t), который наводит э.д.с. в измерительной катушке 3.

Следует заметить, что характер указанных процессов определяется толщиной стенок (m), диаметром колонны (d), удельной электрической проводимостью (σ) и магнитной проницаемостью (μ) металла.

Чем больше произведение μ·σ·m, тем медленнее затухают вихревые токи, возникшие в трубах при изменении возбуждающего магнитного поля. В свою очередь μ и σ могут зависеть не только от заводской технологии, но и от степени коррозии труб.

К затуханию токов приводит развитие сети трещин при перфорации, отдельные трещины на протяжении 60-90 мм, уменьшение массы металла при износе. Увеличение массы металла (например, увеличение толщины стенок колонны, соединительная муфта и т.п.) соответственно увеличивает время затухания переходных процессов.

В измерительных катушках 3 э.д.с. регистрируется как функция параметров трубы E(t)=f(μ, σ, m, d). При движении прибора вдоль трубы с локальной намагниченностью в измерительных катушках наводится дополнительная э.д.с.- dE, которая зависит от степени намагниченности (магнитной неоднородности) и скорости прибора - V (фиг.1). Здесь же: В - вектор магнитной индукции, dB - изменение вектора В.

Таким образом, при движении прибора в измерительных катушках 3 регистрируется э.д.с. вихревых токов, наведенных в колонне после выключения тока намагниченности и сигнал, вызванный локальной намагниченностью. В дополнительных катушках 7 регистрируется э.д.с. (dE), вызванная только локальной намагниченностью. Контроллер 5 обеспечивает синхронизацию измерений по глубине основной и дополнительной катушек и исключение влияния «магнитного шума» (dE) на данные магнитно-импульсного дефектоскопа-толщиномера.

Поскольку катушки 3 и 7 разнесены на расстояние L и измеряют величины E(t) и dE соответственно, то контроллер 5 принимает сигналы от катушек 3 и 7 и обеспечивает их увязку по глубине и исключает dE из основного сигнала катушки 3.

Таким образом, контроллер 5, обеспечивающий синхронизацию измерений по глубине основной и дополнительной систем измерений, позволяет исключить влияние на измеряемый сигнал остаточной намагниченности и магнитной неоднородности труб. Дополнительная катушка располагается вне зоны влияния генераторной катушки на расстоянии L, выбираемом экспериментально в зависимости от параметров измерительного зонда с основной измерительной катушкой 3, например, на испытательном стенде. Как правило, расстояние L равно примерно 5-ти кратному продольному размеру измерительного зонда.

Расстояние L выбирается следующим образом.

Вплотную, соосно к основному измерительному зонду (основные измерительные катушки) помещаем дополнительную измерительную катушку индуктивности (дополнительный зонд) и проводим измерения. В этом режиме измерений, когда дополнительный зонд находится в зоне влияния генераторных катушек основного зонда, наблюдается картина, представленная на фиг.5, где изображены спады сигналов основного зонда (основная измерительная система) и спад сигнала дополнительного зонда (дополнительная измерительная катушка), который аналогичен спаду основного зонда. Далее, сохраняя соосность основного и дополнительного зондов, увеличиваем расстояние L между ними до величины, когда в окне дополнительного зонда будет зафиксирован сигнал, как на фиг.6. В этом режиме измерений, когда дополнительный зонд находится вне зоны влияния основного зонда, в окне дополнительного зонда отсутствует характерный спад сигнала, что свидетельствует об отсутствии влияния основного зонда на сигнал дополнительного зонда.

Временное разделение сигналов позволяет производить зондирование многоколонных конструкций. Это осуществляется выбором длительности электромагнитного импульса и паузы, во время которой регистрируют информацию, и конструкции зондовой установки (Сидоров В.А. Скважинные дефектоскопы-толщиномеры для исследования многоколонных скважин. // Научно-технический вестник «Каротажник». - Тверь: АИС. - 1996. - Вып.24. - С.83-94).

Это позволяет повысить достоверность определения дефектов, толщины и конструкции скважин.

На фиг.2 приведен сигнал, полученный прототипом, и сигнал, полученный в предлагаемом изобретении, где а - сигнал, полученный прототипом, b - сигнал в измерительной катушке заявляемого устройства после исправления за магнитный шум, с - сигнал в дополнительной катушке.

Поз.1 - сигнал против муфты 2-й колонны, поз.2 - сигнал против намагниченности, поз.3 - сигнал против муфты 1-й колонны.

Предлагаемое изобретение позволяет однозначно выделять муфты второй колонны при «магнитном» шуме.

На фиг.3 приведен пример идентификации «дефекта», где а - сигнал, полученный прототипом, b - сигнал в измерительной катушке заявляемого устройства после исправления за магнитный шум, с - сигнал в дополнительной катушке.

Предлагаемое изобретение позволяет однозначно разделять «дефект» и «магнитный шум». В интервале 62-63 м в сигнале прототипа отмечена аномалия, которую можно интерпретировать как «дефект» (а). Сигнал предлагаемого устройства исключает влияние намагниченности (b) по результатам измерений дополнительной катушкой (с) и показывает отсутствие «дефекта».

На фиг.4 дан пример определения толщины. Номинальная толщина трубы 8,2 мм. Погрешность определения составляет до 0,5 мм без учета намагниченности (а). Учет магнитной неоднородности позволяет повысить точность определения толщины до 0,25 мм по первой колонне (b) и до 0,7 мм по второй, (с) - э.д.с., наведенная в дополнительной катушке, где а - толщина, определяемая прототипом,

b - толщина, определяемая заявляемым устройством, после исправления за магнитный шум,

с - сигнал в дополнительной катушке.

Скважинный магнитно-импульсный дефектоскоп-толщиномер, содержащий генераторную систему с генератором, таймером и генераторными катушками индуктивности, соединенными с генератором, измерительную систему с измерительными катушками индуктивности и усилителем, контроллер и телеметрическую линию связи с передатчиком, отличающийся тем, что в устройство введены дополнительные катушки индуктивности, функционально-идентичные измерительным катушкам измерительной системы, и усилитель, выходы которых соединены с контроллером измерительной системы, при этом дополнительные измерительные катушки индуктивности расположены вне зоны влияния на них генераторных катушек индуктивности.