СПОСОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ СТАЛЬНЫХ ТРУБ В СКВАЖИНАХ Российский патент 2001 года по МПК E21B47/00 G01N27/83 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в скважинах и может быть использовано при электромагнитной дефектоскопии стальных труб, расположенных в скважине: бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб.

Известен способ магнитной дефектоскопии металлических труб в скважинах, заключающийся в перемещении локатора, содержащего магнитопровод, внутри исследуемой колонны и измерении изменения магнитного поля, соответствующего дефекту колонны (авт. св. СССР N 1263824, кл. E 21 B 47/00). Способ позволяет выделять муфтовые соединения, трещины, вмятины, однако он дает хорошие результаты только в скважинах с одноколонной конструкцией и не обеспечивает определение толщины колонны.

Известен способ обнаружения нарушений, вызванных механическим напряжением, в обсадных трубах нефтяных скважин (патент США N 3392732), заключающийся в измерении напряженности постоянного магнитного поля, индуцированного полем Земли, путем измерения э.д.с., наводимой изменением этого поля в индукционной катушке во время движения прибора по скважине.

Изобретение основано на открытии, что магнитное поле, соответствующее разрывам в железной обсадной трубе, заметно сильнее, чем то, которое связано с муфтами, переходниками или другими частями НКТ или обсадной трубы. Этот способ позволяет определить только разрывы во внешней (обсадной колонне) и муфты НКТ, но также не обеспечивает определение толщины колонны.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ электромагнитной дефектоскопии металлических труб в скважинах, заключающийся в излучении электромагнитного сигнала с помощью генераторной катушки и приема электромагнитного сигнала, вызванного вихревыми токами, возбуждаемыми в обсадных или насосно-компрессорных трубах, в момент выключения тока в генераторной катушке, по величине которого судят о наличии или отсутствии дефектов. Для избавления от квазипостоянных помех используют генераторные импульсы различной полярности, а полученные разнополярные электромагнитные сигналы вычитают (патент РФ N 2074314, кл. E 21 B 47/00, 47/12).

Однако способ не позволяет определять места разрывов колонны и рассоединения в муфтах обсадной колонны через НКТ.

Предлагаемое изобретение решает задачу получения дополнительной информации о местах разрывов колонны и рассоединения в муфтах обсадной колонны через НКТ посредством измерения естественного постоянного магнитного поля одновременно с измерением процесса спада электромагнитного поля после воздействия зондирующих импульсов переменной полярности, обеспечивающих получение информации о толщине стенки обсадной трубы.

Для решения этой задачи в способе электромагнитной дефектоскопии металлических труб в скважинах, заключающемся в излучении зондирующих двухполярных электромагнитных импульсов с помощью генераторной катушки и измерении э. д. с. , наведенной в приемной катушке процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующими импульсами, вычитании значений э.д.с., полученной после положительного и отрицательного генераторных импульсов, дополнительно измеряют напряженность естественного магнитного поля вдоль трубы, для чего замеры э.д.с. на приемной катушке в двух полуциклах работы генераторной катушки складывают, при этом сигналы, вызванные импульсами зондирующего тока, имеющие различную полярность, вычитаются и по величине результирующего сигнала, соответствующего величине скорости изменения естественного магнитного поля, судят о наличии или отсутствии разрывов в колонне.

На фиг. 1 показан процесс формирования измеряемого сигнала, на фиг. 2 - результаты скважинных измерений с использованием предлагаемого способа. На фиг. 3 приведены результаты наземного моделирования в случае наличия рассоединения в муфте обсадной трубы, на фиг. 4 - в случае отсутствия рассоединения.

Сущность способа заключается в следующем: возбуждение электромагнитного поля в предлагаемом способе осуществляется путем подачи импульсов тока в генераторную зондирующую катушку. В момент выключения тока в трубе, окружающей катушку, возникают вихревые токи, которые являются причиной возникновения спадающего электромагнитного поля. При этом в принимающей катушке возбуждается э.д.с. Измеряя эту э.д.с. на разных временных задержках относительно момента выключения тока, можно судить о состоянии окружающих катушки металлических труб.

При измерении э.д.с., наведенной процессом спада вихревых токов, возможно присутствие низкочастотных аддитивных помех, вклад которых можно считать постоянным в пределах одного цикла измерения.

Для устранения влияния этих помех могут применяться разнополярные импульсы зондирующего тока (природа помех будет рассмотрена ниже).

Рассмотрим процесс формирования измеряемого сигнала (фиг. 1), где: J_ген - разнополярные импульсы тока в зондирующей катушке, ε₁ - э.д.с. на зажимах измерительной катушки, обусловленная спадающими вихревыми токами, ε₂ - э.д. с. медленно меняющейся аддитивной помехи, ε = ε₁+ε₂ - суммарная э.д.с.

Предположим, что мы измеряем ε₁ на задержке Δt относительно момента выключения тока t₁ и t₂ (в момент t₁ + Δt после положительного импульса и в момент t₂ + Δt после отрицательного импульса). Мы получаем значения U₁ для положительного импульса J_ген и U₂ для отрицательного импульса. Предположим, что труба, в которой происходит замер, идеально однородна. Тогда, пренебрегая другими возможными источниками помех, мы можем записать:
U₁=-U₂,
где U₁ > 0 - напряжение э.д.с. вихревых токов после положительного импульса генератора тока при задержке от момента выключения тока Δt;
U₂ < 0 - то же, что и U₁, после отрицательного импульса генератора тока.

В момент измерения напряжения U₁ э.д.с. низкочастотной помехи ε₂ может принять значение U₃, а в момент измерения U₂ соответственно U₄. Предположим, что помеха ε₂ меняется настолько медленно, что
U₃ - U₄ = δ ≅ 0,
где δ - разность между значениями аддитивной помехи, образовавшаяся за время, прошедшее между положительным и отрицательным замерами ε₁.

В итоге в момент t₁ + Δt на зажимах катушки будет присутствовать напряжение U₁ + U₃, а в момент t₂ + Δt соответственно U₂ + U₄.

Применяющийся метод избавления от аддитивной помехи заключается в вычитании значений суммарной э.д.с., полученной после положительного и отрицательного генераторных импульсов:
U_сигн = (U₁+U₃) - (U₂+U₄) = U₁-U₂+U₃-U₄ = U₁ - (-U₁) + δ ≅ 2U₁.

Получившееся значение полезного сигнала U_сигн приблизительно равно удвоенному значению э.д.с., измеренной после одного импульса тока генератора.

При замерах в стальных трубах основным источником аддитивных помех является постоянное магнитное поле, которое увеличивается на некоторых участках колонн. При движении измерительной катушки в этом магнитном поле возникает помеха типа описанной ε₂.

Измерение этого магнитного поля может дать дополнительную информацию о состоянии стальных труб. В частности, аномалии магнитного поля могут возникать при наличии в колонне немагнитного зазора, связанного с рассоединением в муфтах обсадной трубы. Информация о наличии аномалий магнитного поля также важна потому, что в их районе работа дефектоскопа может быть нарушена из-за ограничения сигнала в усилительном тракте.

Предлагаемый способ получения значения величины напряженности естественного магнитного поля, пропорциональной скорости движения скважинного прибора и производной напряженности поля по оси, направленной вдоль движения прибора, состоит в следующем:
находят величину
U_пом = (U₁+U₃)+(U₂+U₄) = U₁+U₂+U₃+U₄=U₁-U₁+2U₄ + δ ≅ 2U₄,
т. е. замеры, полученные после генераторных импульсов разной полярности, суммируют. Получившаяся величина U_пом примерно равна удвоенной величине аддитивной помехи (при условии, что сигналы от вихревых токов положительной и отрицательной полярности равны по модулю).

На фиг. 2 приведены реальные замеры U_сигн и U_пом, полученные в скважине с использованием данных одного зонда. При прохождении двух муфт кривая U_сигн имеет одинаковые аномалии, вызванные увеличением общей эффективной толщины металла, в котором циркулируют вихревые токи. В то же время аномалия U_пом отмечается на одной муфте и почти отсутствует на другой. Причиной появления аномалии является наличие в муфте, напротив которой наблюдается аномалия U_пом, немагнитного зазоpa, что вызывает возрастание магнитного сопротивления и скачок в этом районе напряженности постоянного магнитного поля.

На фиг. 3 показан результат наземного моделирования ситуации, когда прибор проходил мимо рассоединения в муфте. Для имитации индуцированного поля использовался постоянный магнит. В результате были получены кривые, по форме повторяющие те, что получены в скважине при прохождении прибора мимо аномальной муфты. На фиг. 4 показаны замеры в той же модели, но без рассоединения в муфте. Аномалии U_пом нет, как и в подавляющем большинстве случаев при скважинных замерах.

В способе по патенту США N 3392732 подобные аномалии получены с использованием скважинного прибора, состоящего из катушки индуктивности. Замеры производились через НКТ. Наличие рассоединений в муфтах было затем подтверждено прямым визуальным наблюдением с помощью телевизионной системы инспекции скважин после подъема НКТ.

Предлагаемый способ позволяет с помощью электромагнитного дефектоскопа одновременно обнаруживать разрывы и рассоединения, а также муфты обсадной колонны через НКТ, обнаруживать дефекты типа трещин в одноколонной конструкции и раздельно определять толщину стенок в обсадной трубе и НКТ в многоколонной конструкции.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в скважинах и может быть использовано при электромагнитной дефектоскопии стальных труб, расположенных в скважине: бурильных, обсадных и насосно-компрессорных. Техническим результатом является получение дополнительной информации о местах разрывов колонны и рассоединений в муфтах обсадной колонны через насосно-компрессорные трубы посредством измерения естественного постоянного магнитного поля одновременно с определением толщины стенки обсадной трубы. Для этого производят излучение зондирующих двухполярных электромагнитных импульсов с помощью генераторной катушки и измерение э.д.с., наведенной в приемной катушке процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующими импульсами. Затем производят вычитание значений э.д.с., полученной после положительного и отрицательного генераторных импульсов. Дополнительно измеряют напряженность естественного магнитного поля вдоль трубы. Для чего складывают замеры э. д. с. на приемной катушке в двух полуциклах работы генераторной катушки. При этом сигналы, вызванные импульсами зондирующего тока, имеющие различную полярность, вычитаются, а сигналы, вызванные естественным магнитным полем, складываются. По величине результирующего сигнала, соответствующего величине скорости изменения естественного магнитного поля, судят о наличии или отсутствии разрывов в колонне. 4 ил.

Способ электромагнитной дефектоскопии стальных труб в скважинах, заключающийся в излучении зондирующих двухполярных электромагнитных импульсов с помощью генераторной катушки и измерении э.д.с., наведенной в приемной катушке процессом спада электромагнитного поля, вызванного зондирующими импульсами, вычитании значений э.д.с., полученной после положительного и отрицательного генераторных импульсов, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряженность естественного магнитного поля вдоль трубы, для чего складывают замеры э.д.с. на приемной катушке в двух полуциклах работы генераторной катушки, при этом сигналы, вызванные импульсами зондирующего тока, имеющие различную полярность, вычитаются и по величине результирующего сигнала, соответствующего величине скорости изменения естественного магнитного поля, судят о наличии или отсутствии разрывов в колонне.