Способ и устройство для электромагнитной дефектоскопии-толщинометрии ферромагнитных металлических труб в многоколонных скважинах Российский патент 2022 года по МПК G01N27/82 

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.

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.

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.