Способ повышения помехоустойчивости технологии локации муфтовых соединений обсадных колонн геологоразведочных скважин и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G01V3/12 G01N27/82 E21B17/02 

Изобретение относится к промысловой геофизике, в частности к устройствам и способам неразрушающего контроля технического состояния обсадных ферромагнитных труб скважин.

Известен локатор соединительных муфт, патент RU 2191365 от 20.10.2002 (ЗАО "Геофизмаш") - аналог. Он состоит из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем. Наземная часть содержит блоки обработки телеметрической информации, поступающей с каротажного кабеля, и компьютер. Скважинный прибор содержит n индукционных преобразователей, подключенных к устройству обработки информации, которое состоит из n/2 дифференциальных усилителей, суммирующего устройства, n+1 аналоговых ключей, контроллера, аналого-цифрового преобразователя, передатчика на наземную каротажную станцию. При этом индукционные преобразователи укреплены посредством немагнитных вставок по диаметру прибора.

В работе данного устройства не учитывается вращение прибора вокруг продольной оси при движении и попеременный отрыв и соприкосновение индукционных преобразователей со стенкой обсадной трубы. По этой причине происходит появление ложных сигналов, схожих с сигналами от соединительных муфт.

В данном изобретении локатор муфт представляет собой достаточно громоздкую систему, сложную в промышленной эксплуатации, а также не учитывающую появление интервалов вариаций значений величины магнитной проницаемости металла трубы.

В варианте (RU 2191365) также совершенно не учитываются основные мешающие факторы, часто приводящие к интенсивным вариациям магнитной проницаемости металла труб.

Известен способ локации муфтовых соединений (патент RU 2715090 С2), основанный на подборе наиболее достоверных данных, а именно данных с наиболее приближенных к стенке обсадной трубы преобразователей, при этом выбор преобразователей происходит с помощью данных, полученных от устройства для определения положения прибора относительно скважины; а также повышение точности и достоверности индикации муфт обсадных труб за счет физического разнесения индукционных преобразователей для индукционного преобразователя для индикации соединительных муфт.

Поставленная задача решается за счет того, что локатор соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб состоит из управляющего микроконтроллера, устройства для определения положения прибора в пространстве (например, гироскопа или акселерометра), локатора муфт, при этом локатор муфт содержит один индукционный преобразователь, расположенный в центре прибора и сопоставимый по диаметру с корпусом прибора, что в совокупности значительно снижает его чувствительность вплоть до исключения их влияния.

В варианте (RU 2715090 С2) также не учитываются основные мешающие факторы, часто приводящие к интенсивным вариациям магнитной проницаемости металла труб.

Одна из модификаций локатора муфт (https://studopedia.ru/20_115929_magnitnie-lokatori-muft) - (прототип) представляет собой упрощенную дифференциальную магнитную систему, которая состоит из многослойной катушки с сердечником и двух относительно слабых постоянных магнитов, установленных только для создания в катушке и вокруг нее слабого постоянного магнитного поля.

При перемещении локатора вдоль колонны в местах нарушения однородности колонны (к примеру, утолщения за счет муфтового соединения) происходит изменение величины измеряемой ЭДС ε, наводимой за счет увеличения потока магнитной индукции Ф согласно закону Фарадея:

обусловленное повышением площади интервала муфтового соединения и, соответственно, магнитного потока. Считая магнитные проницаемости материалов колонны и муфты близкими, изменение величины ЭДС происходит за счет изменения площади магнитного материала, пересекаемого магнитным полем

где D_M - диаметр муфты, D_O - диаметр обсадной колонны.

Для оценки количественных значений параметров системы предлагаемого способа приведем данные основных применяемых обсадных труб и муфтовых соединений в нефтяных скважинах (ГОСТ 632-80):

К примеру, дополнительная площадь ΔS в интервале муфтового соединения, пересекаемая магнитным потоком, для труб диаметра 146 мм составит ΔS=S_M - S_O=4 901 мм².

На качество измерения основное влияние оказывают вариации величины магнитной проницаемости металла колонны, обусловленные двумя причинами:

• развитие процессов коррозии металла, когда появляются в структуре металла очаги окислов, частично нарушающие систему ориентировки магнитных доменов;

• изменение геометрических параметров колонны при воздействии внешнего разнонаправленного давления со стороны массива вмещающих горных пород, что также приводит к нарушению комплексной ориентировки магнитных доменов, определяющих значение величины магнитной проницаемости металла.

В том случае, если нет вариаций величины магнитной проницаемости металла труб (μ_отн=const), измеряемая ЭДС на интервале муфтового соединения проявляется контрастно знакопеременным эффектом (резко меняется значение магнитного потока) на относительно спокойном фоне (приемные катушки включены дифференциально) протяженного участка безмуфтового интервала трубы.

В том случае, если она из причин вариаций μ присутствует, появляется высокий уровень интенсивных помех сигнала, на фоне которого измеряемые ЭДС от муфтовых соединений труб практически не различимы.

Цель предлагаемого технического решения - повышение помехоустойчивости технологии локации муфтовых соединений обсадных колонн при проведении геофизических исследований.

Метод локации муфтовых соединений обсадных колонн основан на принципе электромагнитной индукции в проводниках электрического тока. Измерения выполняются устройством локатора муфт, представляющим собой электромагнитную систему, состоящую из генератора 1, создающего переменное электромагнитное поле, измерителя 2, генераторной катушки 3 и двух приемных катушек 4 и 5 с общим сердечником, включенными дифференциально.

На генераторную катушку 3 подается питающий ток с генератора переменного тока 1. Измерения производят двумя приемными катушками с равными эффективными площадями, включенными дифференциально, что позволяет получать ЭДС практически равную нулю в том случае, если напротив каждой из измерительных катушек, находится неизмененная труба (фоновое значения). Величина измеряемой ЭДС отличается от нуля (комплексный дифференциальный сигнал резко увеличивается) в том случае, если одна из приемных катушек расположена в интервале неизмененной трубы, а вторая - в интервале муфтового соединения. При проведении измерений основным физическим параметром, определяющим величину переменного магнитного поля, является удельная электропроводность в. Резкое изменение величины продольной электрической проводимости S=σ⋅h (См) при переходе из обсадной колонны к муфтовому соединению происходит вследствие изменения толщины h в местах установки муфтового соединения.

Для качественного определения положения муфтового соединения колонн необходимо исключить влияние вариаций величины магнитной проницаемости металла колонны.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемый интервал колонны подвергается намагничиванию до уровня насыщения (кривая А.Г. Столетова - зависимость магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля в ферромагнетике. При определенных больших значениях внешнего магнитного поля его величина не будет влиять на изменение намагниченности металла колонны, и происходит магнитное насыщение).

Насыщение происходит потому, что, случайное расположение структуры молекулы в материале (магнитные домены) изменяется, когда моменты магнитных доменов в материале становятся «выстроенными».

По мере увеличения напряженности Н магнитного поля эти моменты магнитных доменов становятся все более и более ориентированно выстроенными вдоль направления поля, пока не достигнут идеального выравнивания, создавая максимальную плотность потока, и любое увеличение напряженности магнитного поля из-за увеличения электрического тока в катушке, будет иметь малую величину или вообще не будет иметь эффекта.

Для того, чтобы на практике достичь эффекта магнитного насыщения, необходимо создать на интервалах измерения приемными катушками ЛМ, включенными дифференциально, постоянное магнитное поле индукцией порядка 1.2-1.6 Тесла.

При этом, постоянное магнитное поле любого источника намагничивания, практически не создает помех индукционной природы на измерения приемными катушками.

Создание магнитного поля с таким значением индукции возможно двумя способами.

1. Применение постоянных магнитов. Для такой задачи возможно применение только ниодимовых (Nd) магнитов, которые создают магнитные поля с индукцией порядка 1.2-1.6 Тесла, и при этом практически не теряют своих свойств при высоких температурах до 150°С. Одним из основных достоинств применения ниодимовых постоянных магнитов для решения поставленной задачи является отсутствие энергозатрат при их эксплуатации, что важно при проведении скважинных исследований;

2. Применение электромагнита, представляющего собой плотно намотанные витки провода, которые создают магнитное поле при прохождении постоянного электрического тока. Известно, что полярность и напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и величину тока, протекающего через провод. Основным сердечником для усиления магнитного поля является ферритовый сердечник (фиг. 1) из магнитомягкого ферромагнитного материала, такого как, к примеру, мягкая сталь.

Цель предлагаемого технического решения - малогабаритное автономное устройство, основанное на эффективном технологичном способе повышения помехоустойчивости локатора муфт обсадных колонн в интервалах высоких вариаций магнитной восприимчивости металла колонн, вызванных различными причинами.

Поставленная задача решается одним из следующих приемов:

1. В ЛМ на двух интервалах приемных катушек устанавливается дополнительные внешние катушки, соединенные последовательно и питаемые постоянным током (фиг. 2). Амплитуда тока в питающих дополнительных катушках устанавливается в таком диапазоне, чтобы создать в интервалах приемных катушек постоянное магнитное поле порядка 1.2-1.6 Т. Питающее напряжение дополнительных катушек подается по каротажному кабелю.

В этом случае металл обсадной колонны намагничивается до уровня насыщения, что практически до нуля снижает все помехи, обусловленные неоднородностью магнитной проницаемости металла, вызванной как развитием окислительных процессов, так и внешним сторонним давлением в интервалах пластичных горных пород геологического разреза.

Следует отметить, что постоянное магнитное поле не создает никаких помех при работе приемных катушек, так как индуцирование тока в приемных замкнутых контурах происходит только в моменты изменения внешнего магнитного поля (в данном случае сигнала основной генераторной катушки).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

От источника 6 подается постоянный ток на намагничивающие катушки 7-8, расположенные на едином для всех катушек ферритовом сердечнике, постоянное магнитное поле которых намагничивает интервал колонны на участке действия каждой из двух приемных катушек.

Интервалы обследуемой трубы на участках действия измерительных катушек намагничивается до уровня магнитного насыщения, при этом практически нивелируются все магнитные неоднородности металла колонны разной природы.

Устройство позволяет уверенно фиксировать муфтовые соединения стальной колонны в условиях сильных магнитных помех.

2. В ЛМ на двух интервалах приемных катушек устанавливаются два постоянных ниодимовых магнита (Nd) с высокой коэрцитивной силой, сохраняющие свои свойства при температурах порядка 140°С.

Основное предназначение магнитов - создание постоянного магнитного поля 1.2 - 1.6 Т в интервалах измерения приемных катушек ЛМ. При этом металл колонны приходит в состояние магнитного насыщения, при котором никак не сказываются вариации магнитной проницаемости, наложенные в процессе эксплуатации скважины.

Интервалы обследуемой трубы на участках действия измерительных катушек так же намагничивается до уровня магнитного насыщения, при этом практически нивелируется почти до нуля магнитное поле неоднородностей металла колонны разной природы.

Устройство позволяет уверенно фиксировать муфтовые соединения стальной колонны в условиях сильных магнитных помех.

Постоянное магнитное поле 1.2 - 1.6 Т также не создает никаких помех при регистрации приемными катушками магнитных полей изменяющихся вихревых токов в металле обсадной колонны. Практическим результатом изобретения является высококачественное определение мест муфтовых соединений обсадных колонн в любых условиях эксплуатации.

Библиография

1. Патент №2191365 РФ. Локатор перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб. / Половко М.П., Ходаковский А.В., Пермяков А.Г., Головко Л.И., Мельников А.В. МПК G01N 3/18(2006.01) G01N 27/82(2006.01) 2002.10.2020.

2. Патент №RU 2715090 С2 РФ. Локатор перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб и способ его использования. / Пермяков А.Г., Ходаковский А.В., Петрусова А.Н., Половко М.П., Ходаковский А.В., Пермяков А.Г., Головко Л.И., Мельников А.В. МПК G01N 27/82(2006.01), 22.05.2017.

3. Магнитные локаторы муфт и прихватоопределитель. https://studopedia.ru/20_115929_magnitnie-lokatori-muft-i-prihvatoopredelitel.html?ysclid=1981uhe5q7260080784.

4. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. Электричество. М.: Наука, 1970. 432 с.

5. ГОСТ 632-80. Трубы обсадные и муфты к ним. Технические условия. - М. 1980. Дата введения 1983-01-01. Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 09.09.92 N 1146.

Способ повышения помехоустойчивости технологии локации муфтовых соединений обсадных колонн геологоразведочных скважин и устройство для его осуществления

Фиг. 1. Схема основного устройства локатора муфт: 1 - генератор переменного тока, 2 - измеритель, 3 - генераторная катушка, 4-5 - приемные катушки.

Фиг. 2. Схема устройства локатора муфт 1 по предлагаемому способу: 1-генератор переменного тока, 2 - измеритель, 3 - генераторная катушка, 4-5 - приемные катушки, 6 - источник постоянного тока, 7-8 - намагничивающие катушки.

Фиг. 3 Схема устройства локатора муфт 2 по предлагаемому способу: 1 - генератор переменного тока, 2 - измеритель, 3 - генераторная катушка, 4-5 - приемные катушки, М - намагничивающие постоянные Nd магниты.

Изобретение относится к промысловой геофизике, а область применения - геологоразведочные скважины на нефтяных и нефтегазовых месторождениях. Предлагаемый способ заключается в применении возбуждающего электромагнитного поля в окружающей среде переменным током в генераторной индуктивной катушке, расположенной соосно между двумя измерительными катушками с равными моментами, включенными встречно и перемещаемыми по исследуемой скважине. По величине измеряемой разности ЭДС производят определение положения муфтового соединения. Для исключения влияния неоднородного намагничивания ферромагнитного металла обсадных колонн устанавливаются дополнительные две внешние катушки, соединенные последовательно и питаемые постоянным током, или два ниодимовых магнита, намагничивающих металл до состояния магнитного насыщения, что позволяет проводить качественную локацию муфтовых соединений. Технический результат предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости технологии локации муфтовых соединений обсадных колонн геологоразведочных скважин. 2 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ локации муфтовых соединений обсадных колонн и насосно-компрессорных труб, заключающийся в создании генератором тока переменного электромагнитного поля с помощью генераторной катушки и регистрации разностной ЭДС от двух одинаковых приемных катушек, включенных дифференциально, отличающийся тем, что с целью повышения помехоустойчивости применяют способ дополнительного намагничивания металла колонн до уровня магнитного насыщения на интервале приемных катушек, и при полном отсутствии многочисленных помех по величине ЭДС делается вывод о фактическом положении муфтовых соединений.

2. Устройство для локализации муфтовых соединений обсадных колонн и насосно-компрессорных труб, содержащее генератор тока, создающий переменное электромагнитное поле, измеритель, генерирующую катушку и две приемные катушки с общим сердечником, включенные дифференциально, отличающееся тем, что устройство на двух интервалах приемных катушек дополнительно содержит соленоид, включающий две дополнительные внешние катушки, соединенные последовательно и питаемые постоянным током, или два постоянных ниодимовых магнита (Nd), обеспечивающих намагничивание металла труб для получения в интервале приемных катушек постоянного магнитного поля уровня 1.2-1.6 Тесла, причем внешние катушки расположены на едином для всех катушек ферритовом сердечнике.