СПОСОБ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/87 

Изобретения относятся к области геофизических исследований технического состояния колонн в скважинах и могут быть использованы для обнаружения дефектов (в том числе перфорации), зон внутреннего корродирования и интервалов механических напряжений обсадных и насосно-компрессорных труб в эксплуатационных и разведочных нефтегазовых скважинах.

Известно устройство /Заявка на изобретение RU 95116626/28, 6 G01N 27/90/, в котором выравнивание чувствительности к дефектам различной ориентации и снижение вероятности пропуска локальных дефектов достигается путем размещения магниточувствительных элементов асимметрично относительно линии, пересекающей площадь измерительного элемента под любым углом. Измерительный элемент электромагнитного преобразователя содержит идентичные магниточувствительные элементы, выполненные с прямоугольными активными площадями. Магниточувствительные элементы расположены так, что образуют квадратную раму, при этом внешние стороны d этой рамы равны a+b+z, где а и b - стороны прямоугольника, ограничивающего активную площадь магниточувствительных элементов, z - зазор между большей и меньшей сторонами соседних магниточувствительных элементов. Магниточувствительные элементы электрически соединены между собой, при этом каждый из магниточувствительных элементов включен встречно относительно соседних.

Недостатком данного устройства является то, что при электрически связанных между собой магниточувствительных элементах отсутствует дифференциация обнаружения дефектов, а также то, что на результат измерения влияет величина напряженности магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности является способ электромагнитной дефектоскопии ферромагнитных труб /Заявка на изобретение RU 2002128312/, заключающийся в сканировании изделия (трубы) не менее чем двумя смещенными относительно друг друга на заданное расстояние многоэлементными электромагнитными (вихретоковыми) преобразователями с m чувствительными элементами и таким же количеством параллельных измерительных каналов; выделении сигналов от краев изделия путем подсчета m импульсов одновременно появившихся с заданной скважностью в многоэлементных преобразователях; подсчете в промежутке между сигналами от краев числа импульсов, не совпадающих по времени возникновения в многоэлементных преобразователях, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности и достоверности контроля путем разделения выявленных дефектов по их размерам и зонам расположения в стенке трубы дополнительно вводят намагничивание трубы поперечным постоянным магнитным полем, дополняют многоэлементные преобразователи набором с числом m чувствительных элементов магнитного типа (например, датчиками Холла), размещая их последовательно парами в виде рядом расположенных чувствительных элементов вихретокового и магнитного типа, дополняют измерительную схему m параллельными каналами для измерения сигналов магнитных чувствительных элементов, а подсчитанные в промежутке между краевыми импульсами сигналы разделяют на четыре группы, в первую из которых попадают импульсы с амплитудой выше первого заданного уровня, появившиеся одновременно в парах вихретоковых и магнитных чувствительных элементов только одного из числа сканирующих трубу многоэлементных преобразователей, во вторую - так же появившиеся в этих парах импульсы, но с амплитудой больше второго заданного уровня; в третью группу - импульсы, появившиеся только в магнитных каналах с амплитудой выше первого уровня; в четвертую - сигналы только магнитных каналов с амплитудой выше второго заданного уровня.

Данное устройство может быть выбрано в качестве прототипа, как для способа, так и для устройства, поскольку содержит следующие общие признаки с заявляемым изобретением.

Для способа: измерение характера электромагнитного поля производится многоэлементными электромагнитными преобразователями.

Для устройства: используется m чувствительных элементов магнитного типа (например, датчики Холла) с измерительной схемой для m параллельных каналов для измерения сигналов чувствительных магнитных элементов.

Недостатком данного устройства является невозможность реализации в виде внутритрубной скважинной аппаратуры, а так же то, что на точность измерения влияет величина напряженности магнитного поля.

Целью изобретения является повышение точности при определении зон различного вида дефектов (в том числе скрытых или внутренних), их пространственной ориентации и мест внутреннего корродирования обсадных и насосно-компрессорных труб. При эксплуатации скважин обсадные и насосно-компрессорные трубы подвергаются различным внешним воздействиям (взрывное перфорирование труб, сжатие, растяжение и т.п.). Для обнаружения неоднородностей (дефектов), используется такое свойство ферромагнетиков как анизотропия кристаллической структуры, которая проявляется в образовании определенных кристаллографических направлениях легкого намагничивания (в том числе под действием внешних напряжений сжатия, растяжений), определяющих направление магнитного поля /Теоретическая физика. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Том VIII. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы. 1982 г., стр.188-204/. Вследствие этого возникает сильная спонтанная намагниченность по объему вещества в местах дефектов даже при отсутствии внешнего магнитного поля /Е.И.Иродов. Основные законы электромагнетизма. Учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е, М., Высш. шк., 1991 г. стр.178/.

Повышение точности при определении зон различного вида дефектов достигается тем, что производится комплексное измерение характера магнитной анизотропии стенок труб за счет применения в качестве датчиков магнитного поля высокотехнологичных GMR датчиков, которые чувствительны только к изменению направления магнитного поля (изменению угла между направлением магнитного поля и нормалью к поверхности магнитного преобразователя /Справочник по элементарной физике. Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич, издание 7-е стереотипное, М., Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1976 г., стр.157-158/) и нечувствительны к его напряженности. Допускается большой воздушный зазор (до 50 мм) между поверхностью датчика и анализируемой поверхностью, высокая точность определяется также тем, что датчики магнитного поля этого вида обладают постоянным температурным коэффициентом.

На чертеже поблочно представлена структурная схема измерительного устройства для магнитной дефектоскопии.

Устройство содержит измерительную систему 1 с N датчиками магнитного поля, расположенными равномерно, не менее чем по трем уровням в виде квадратных ячеек по периметру круга, выходы которых подключены к входу аналогового коммутатора 2, выход которого подключен ко входу прецизионного дифференциального усилителя 3, второй вход которого соединен с нулевой точкой, выход прецизионного дифференциального усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 4, выход которого подключен ко входу микропроцессорного устройства 5, соединенного с оперативной памятью 6 двунаправленной линией связи.

Измерительное устройство для магнитной дефектоскопии работает следующим образом. Измеренный угол вектора магнитной индукции преобразуется датчиками измерительной системы 1 в определенное значение э.д.с., пропорциональное углу индукции. Далее полученные сигналы поступают на аналоговый коммутатор 2, коммутирующий N параллельных каналов к прецизионному дифференциальному усилителю 3, где производится его нормализация, после чего сигнал преобразуется в цифровой код аналого-цифровым преобразователем 4. Затем цифровой сигнал записывается микропроцессорным устройством 5 в оперативную память 6, после чего производится анализ сигналов методом конечных элементов /Марчук Г.И., Агошков В.И. Введение в проекционно-сеточные методы. М.: Наука, 1981/, /Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1980/, /Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов, М.: Мир, 1981/, /Андреева Е. Г., Шамец С.П., Колмогоров Д.В. Конечно-элементный анализ стационарных магнитных полей с помощью программного пакета ANSYS: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. 90 с.: ил./, /М.Ю.Баландин, Э.П.Шурина, Векторный метод конечных элементов: Учеб. пособие. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2001 - 69 стр., ил./.

В результате анализа определяется местоположения дефекта, его характер и пространственная ориентация /Седых А.Д., Дедиков Е.В. (РАО "Газпром"), Гриценко А.И., Харионовский В.В. (ВНИИГАЗ), Клишин Г.С., Селезнев В.Е., Алешин В.В. (АОЗТ "НПО ВНИИЭФ-Волгогаз"). Методы оценки состояния трубопроводов по результатам диагностики. "Газовая промышленность", №8, 1998, с.58-60/.

Предложенное устройство позволяет обнаруживать различного вида нарушения (в том числе скрытые или внутренние), а также позволяет дифференциально измерять характер дефекта, его пространственную ориентацию в стальных (ферромагнитных) колоннах нефтегазовых скважин.

Использование: изобретения относятся к области дефектоскопии и могут быть использованы для обнаружения различного вида неоднородностей и определения характера этих неоднородностей, их пространственной ориентации в стальных колоннах нефтегазовых скважин. Сущность: способ использует свойство образования в ферромагнетиках кристаллографических направлений легкого намагничивания, определяющих направление магнитного поля. Многоэлементным магнитным преобразователем измеряется направление магнитного поля путем преобразования угла вектора магнитной индукции в определенное значение эдс, пропорциональное углу индукции. После этого производится анализ сигналов. Измерительное устройство содержит набор идентичных, электрически не соединенных между собой датчиков магнитного поля, чувствительных только к направлению магнитного поля и нечувствительных к значению напряженности магнитного поля. Датчики расположены равномерно не менее чем по трем уровням, в виде квадратных ячеек по периметру круга, Измерительное устройство также содержит электронный коммутатор, прецизионный дифференциальный усилитель и аналого-цифровой преобразователь. Технический результат: повышение точности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ магнитной дефектоскопии колонн в нефтегазовых скважинах, заключающийся в том, что для обнаружения дефектов в ферромагнитных трубах используется эффект возникновения кристаллографических направлений легкого намагничивания, определяющих направление магнитного поля и характеризующих пространственную ориентацию дефекта, отличающийся тем, что многоэлементным магнитным преобразователем измеряется направление магнитного поля путем преобразования угла вектора магнитной индукции в определенное значение эдс, пропорциональное углу индукции, после чего производится анализ сигналов с магнитных элементов, результатом которого является определение местоположения дефекта, его характер и пространственная ориентация.2. Измерительное устройство для осуществления способа магнитной дефектоскопии, содержащее набор идентичных, электрически не соединенных между собой магнитных измерительных элементов, отличающееся тем, что в качестве магнитных измерительных элементов используют датчики, чувствительные только к направлению магнитного поля и нечувствительные к значению напряженности магнитного поля, магнитные измерительные элементы расположены равномерно не менее чем по трем уровням в виде квадратных ячеек по периметру круга, выходы датчиков подключены ко входам электронного коммутатора, выход которого подключен ко входу прецизионного дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с нулевой точкой, выход усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, сигнал которого записывается микропроцессорным устройством в оперативную память, количество датчиков магнитного поля выбирается исходя из диаметра исследуемых труб, причем расстояния между ними выбираются исходя из их максимальной продольной чувствительности к изменению направления магнитного поля, а также по требуемой степени дифференциальной детализации измерений.