Способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины и устройство для его осуществления

СПОСОБ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ОБСАДНЫХ КОЛОНН СКВАЖИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Анатолий Николаевич, Климочкин Александр Вениаминович,Яконовский Павел Александрович,Доломанов Владимир Серафимович Группа изобретений относится к геофизическим исследованиям в скважинах, в частности к магнитно-импульсной дефектоскопии обсадных колонн скважины, в том числе намагниченных,и может быть использована для выявления и классификации дефектов эксплуатационных и технических колонн, насосно-компрессорных труб в нефтяных и газовых скважинах. Электромагнитный мультисенсорный дефектоскоп для исследования труб обсадных колонн содержит источник электромагнитного поля в виде центральной генераторной катушки,выполненной с возможностью пропускания по ней импульсов тока от импульсного генератора тока, систему измерительных элементов, расположенную на рессорах для прижима к внутренней поверхности трубы обсадной колонны, и блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, соединнный с системой измерительных элементов посредством линий связи,причм система измерительных элементов, выполненная с возможностью регистрации сигнала,пропорционального величине продольной составляющей электромагнитного поля, представляет собой по меньшей мере три сенсорных датчика компенсационного типа, при этом каждый из них равноудалн по окружности поперечного сечения трубы обсадной колонны друг от друга на расстояние, обеспечивающее достаточную вероятность обнаружения дефектов на исследуемом участке трубы обсадной колонны, и закреплен на внутренней стороне рессоры. Способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии труб обсадных колонн, в котором возбуждают электромагнитное поле в исследуемом участке трубы обсадной колонны импульсами тока, в промежутках между импульсами возбуждения измеряют, в основном, сигналы отклика вторичного электромагнитного поля посредством системы измерительных элементов, а большую часть сигналов отклика первичного электромагнитного поля компенсируют, затем передают сигналы на блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, посредством которого регистрируют зависимость выходной ЭДС сигнала системы измерительных элементов от времени. Область техники Группа изобретений относится к геофизическим исследованиям в скважинах, в частности к магнитно-импульсной дефектоскопии обсадных колонн скважины, в том числе намагниченных, и может быть использована для выявления и классификации дефектов эксплуатационных и технических колонн, насосно-компрессорных труб в нефтяных и газовых скважинах. Уровень техники Известен электромагнитный модуль (МТТ) фирмы Sondex W.L.E. для выявления дефектов в насосно-компрессорных трубах (НКТ) (Magneticthicknesstools-MTT. LedingOilfieldtechnology.Sondex, p.10,http://www.sondex.com). Зонд МТТ состоит из одной генераторной катушки и двенадцати миниатюрных магнитных датчиков, установленных на внутренней стороне рессор. Генератор работает на трех частотах. Амплитуда и фаза сигнала на измерительной катушке зависят от количества металла, окружающего датчик. Недостатками известного зонда является то, что он позволяет определять дефекты на одной колонне НКТ, либо интервал обсадной колонны после выхода из НКТ, но не позволяет разделять дефекты на внутренней и внешней сторонах колонн. Кроме того, этот зонд не видит дефекты типа отверстий с диаметром менее 15 мм. Известно устройство, позволяющее выявлять дефекты колонн и перфорационные отверстия. Электромагнитный скважинный дефектоскоп содержит корпус, генераторную катушку, магнитная ось которой ориентирована вдоль оси, а магнитная ось измерительной катушки ориентирована перпендикулярно оси дефектоскопа (патент РФ 2215143, опубл. 27.10.2003, Е 21 В 49/00, G01N 27/90). В известном устройстве по генераторной катушке пропускается переменный ток, возбуждающий в окружающей стальной трубе круговые вихревые токи, которые наводят ЭДС в измерительных катушках. При прохождении измерительных катушек мимо дефектов в стенке колонны отмечаются характерные изменения магнитного поля. Недостатком устройства является отсутствие возможности разделять дефекты на внутренней и внешней поверхностях трубы. Кроме того, дефект может быть обнаружен, если находится в непосредственной близости от измерительной катушки. Из патента США 5233297 (Atlantic Richfield Company, опубл. 03.08.1993, МПК G01N 27/72,G01N 27/82, G01R 33/12, G01B 7/10) известен способ обследования объектов, в частности труб, с помощью движущихся датчиков и устройство для его осуществления. Устройство включает в себя чувствительный участок, который имеет передающий элемент и по меньшей мере один приемный элемент (датчик). Передающий элемент соединен с источником импульсного тока для возбуждения магнитного поля,который, в свою очередь, соединн с микроконтроллером. Чувствительная часть расположена в непосредственной близости от стенок исследуемого объекта таким образом, что датчики прилегают к его стенкам и равноудалены друг от друга. Чувствительная часть перемещается вдоль объекта, при этом передающий элемент индуцирует импульсный ток в его стенках. Датчики регистрируют токи, индуцированные в стенках объекта после каждого импульса тока, и передают полученные сигналы на обработку. Затем эти данные интерпретируются для определения толщины объекта. Толщина стенок объекта определяется путм сравнения принимаемого сигнала с опорным, который получают на объекте известной толщины. Недостатком устройства является то, что измеряет оно только локальные толщины стенок трубы. Из авторского свидетельства 972895, опубл. 23.03.1992, G01N 27/87, известно устройство для контроля обсадных колонн в скважинах. Устройство содержит множество датчиков, расположенных по периметру обсадной колонны в одной плоскости. Датчики состоят из сердечников и магнитопроводов,разделнных немагнитной прокладкой или воздушным зазором, а также катушек, имеющих выходы. Магнитный поток, проходящий через дефекты, больше потока, проходящего через неповрежденные участки. Это является главным признаком обнаружения дефектов. Недостатком данного устройства является то, что с его помощью можно обнаруживать только достаточно крупные дефекты. Кроме того, его конструкция такова, что габаритные размеры достаточно велики. Поэтому использование его допустимо только в трубах большого диаметра, например для газопроводов. Из патента США 7960969, SCHLUMBERGER TECHNOLOGY CORP, опубл. 14.06.2011, МПК Е 21 В 47/08, известен электромагнитный способ визуализации дефектов, предназначенный для электромагнитных измерений физических параметров трубы посредством устройства, содержащего множеством передающих катушек и множество приемных катушек, соединнных между собой таким образом, что они образуют множество измерительных устройств, предназначенных для размещения в трубе и перемещения по ней. Физические параметры измеряются для множества позиций в трубе. Суть известного способа заключается в следующем. В исследуемом объекте с помощью импульсов тока, протекающих по генераторной катушке, возбуждается магнитное поле. Отклик этого поля в виде зависимости ЭДС выходных сигналов некомпенсационных датчиков (расположенных равноудаленно друг от друга по окружности поперечного сечения исследуемой трубы обсадной колонны) от времени регистрируется в памяти прибора. Затем производится обработка записанных сигналов, результатом которой является распреде-1 023275 ление дефектов по окружности поперечного сечения исследуемой трубы обсадной колонны. Это решение по технической сущности является наиболее близким к предлагаемой группе изобретений. Главным недостатком известного решения является то, что для измерения отклика магнитного поля используют измерительное устройство, которое не позволяет измерять, в основном, сигналы отклика вторичного электромагнитного поля при одновременной компенсации большей части сигналов отклика первичного электромагнитного поля, так как, в частности, содержит только некомпенсационные датчики. Это приводит к сужению динамического диапазона сигнала отклика магнитного поля для мелких дефектов. Это, в свою очередь, влечет за собой невозможность обнаружения таких мелких дефектов и приводит к уменьшению разрешающей способности. Таким образом, анализ современного уровня техники показывает, что известные технические решения не обеспечивают выявление мелких дефектов обсадной колонны, например отверстий диаметром от 3 до 5 мм. Кроме того, сравнительно мелкие дефекты (например, отверстия диаметром более 15 мм) могут быть обнаружены, если находятся в непосредственной близости от датчика. Раскрытие изобретения Общей задачей группы изобретений и требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании группы изобретений, является разработка нового способа мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии труб обсадных колонн и нового устройства для его осуществления, а также повышение информативности и разрешающей способности измерений при одновременном увеличении чувствительности к малым дефектам труб обсадных колонн. Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений достигаются тем, что электромагнитный мультисенсорный дефектоскоп для исследования труб обсадных колонн содержит источник электромагнитного поля в виде центральной генераторной катушки, выполненной с возможностью пропускания по ней импульсов тока от импульсного генератора тока, систему измерительных элементов, расположенную на рессорах для прижима к внутренней поверхности трубы обсадной колонны, и блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, соединнный с системой измерительных элементов посредством линий связи, согласно изобретению система измерительных элементов, выполненная с возможностью регистрации сигнала, пропорционального величине продольной составляющей электромагнитного поля, представляет собой по меньшей мере три сенсорных датчика компенсационного типа, при этом каждый из них равноудалн по окружности поперечного сечения трубы обсадной колонны друг от друга на расстояние, обеспечивающее достаточную вероятность обнаружения дефектов на исследуемом участке трубы обсадной колонны. Каждый сенсорный датчик компенсационного типа содержит две соосно расположенные примные катушки, имеющие одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку магнитные моменты, причм одна из них является одновременно датчиком некомпенсационного типа, при этом магнитные оси катушек датчиков расположены параллельно центральной продольной оси дефектоскопа. Каждый сенсорный датчик компенсационного типа расположен вблизи внутренней поверхности трубы обсадной колонны и симметрично относительно центральной генераторной катушки. Линии связи сенсорных датчиков с блоком регистрации сигналов, управления и обработки информации расположены в гибких охранных кожухах с высокой термобаростойкостью и устойчивостью к сероводороду, в качестве которых предпочтительно используют гибкие охранные кожуха со спиральной навивкой. Поставленная задача и требуемый технический результат при использовании группы изобретений также достигаются тем, что способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии труб обсадных колонн, в котором возбуждают электромагнитное поле в исследуемом участке трубы обсадной колонны импульсами тока, измеряют сигналы отклика этого электромагнитного поля в промежутках между импульсами возбуждения посредством системы измерительных элементов, передают сигналы в блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, согласно изобретению измеряют, в основном,сигналы отклика вторичного электромагнитного поля, а большую часть сигналов отклика первичного электромагнитного поля компенсируют, при этом регистрируют зависимость выходной ЭДС сигнала системы измерительных элементов от времени. Измерение сигналов отклика электромагнитного поля осуществляют, по меньшей мере, тремя сенсорными датчиками компенсационного типа, каждый из которых содержит две соосно расположенные примные катушки, имеющие одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку магнитные моменты. Измеряют разностную ЭДС, наведнную в примных катушках каждого из сенсорных датчиков компенсационного типа, при этом в качестве одного из признаков обнаружения дефектов трубы обсадной колонны используют изменение максимальной величины и знака зависимости выходной ЭДС сигнала сенсорного датчика компенсационного типа от времени. Отличительной особенностью предложенной группы изобретений является новый способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии, в котором, в частности, измеряют, в основном, сигналы отклика вторичного электромагнитного поля, а большую часть сигналов отклика первичного электромагнитного поля компенсируют, а также новый мультисенсорный электромагнитный дефектоскоп, в ча-2 023275 стности, новая конструкция системы измерительных элементов, которая и позволяет измерять, в основном, сигналы отклика вторичного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой индуктивности, возбуждаемой подачей периодических импульсов тока с заданной длительностью. Причм система измерительных элементов регистрирует те сигналы, которые пропорциональны величине продольной составляющей электромагнитного поля. Это позволяет повысить информативность измерений и одновременно увеличить чувствительность к малым дефектам. Кроме того, новая конструкция системы измерительных элементов содержит комбинацию сенсорных датчиков компенсационного и некомпенсационного типов, что позволяет повысить разрешающую способность. Это позволяет обнаруживать неоднородности магнитного поля, возникающие даже от мелких дефектов (например, от отверстия диаметром от 3 мм) металлической обсадной колонны, в том числе сильно намагниченной. Кроме того, новая конструкция системы измерительных элементов позволяет после регистрации сигналов и их соответствующей обработки (обработки данных измерений) разделять дефекты на внутренней и внешней поверхностях трубы, что также обеспечивает повышение информативности. Краткое описание чертежей Сущность группы изобретений поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен продольный разрез электромагнитного мультисенсорного дефектоскопа, расположенного в обсадной колонне. На фиг. 2 изображена схема взаимного расположения примных катушек компенсационного датчика, где M1 и М 2 - относительные магнитные моменты. Осуществление изобретения В трубу 1 обсадной колонны помещают электромагнитный дефектоскоп 2, содержащий помещнную в корпус 3 продольную генераторную катушку индуктивности 4 зонда, ось которого совпадает с осью трубы 1, и четыре сенсорных датчика 5, 6 компенсационного типа, помещнных в корпус (на чертежах не показано) и расположенных на внутренней стороне немагнитных пружинных рессор 7, которые обеспечивают прижим сенсорных датчиков 5, 6 к внутренней поверхности трубы 1 обсадной колонны(фиг. 1). Сенсорные датчики 5, 6 расположены предпочтительно на внутренней стороне рессор 7, так как это способствует их меньшему изнашиванию в процессе эксплуатации за счт отсутствия трения (истирания) датчиков 5, 6 (корпусов датчиков) о стенки трубы 1 обсадной колонны. Сенсорные датчики 5, 6 равноудалены друг от друга по окружности поперечного сечения трубы 1 в одной плоскости (фиг. 1). Так как фиг. 1 представляет собой поперечный разрез дефектоскопа 2 в трубе 1, то на ней видно только два датчика 5, 6. В действительности датчиков может быть большее количество, но не менее трх. Количество датчиков не менее трх объясняется необходимостью достаточной детализации распределения дефектов по окружности поперечного сечения трубы 1 в одной плоскости. Количество датчиков 5, 6 зависит от диаметра исследуемой трубы 1. Чем больше диаметр трубы, тем большее количество датчиков должен содержать дефектоскоп для обеспечения достаточной вероятности обнаружения дефектов на исследуемом участке трубы обсадной колонны. Продольная генераторная катушка 4 индуктивности имеет вытянутую форму вдоль центральной продольной оси 8 дефектоскопа 2. Магнитная ось генераторной катушки 4 индуктивности направлена вдоль зонда. Сенсорные компенсационные датчики 5, 6 расположены строго напротив середины генераторной катушки 4. Это обеспечивает наилучшую компенсацию датчика в сплошной (без дефектов) трубе обсадной колонны. Каждый сенсорный датчик 5, 6 содержит две соосно расположенные примные катушки (9, 10, фиг. 2). Одна из катушек 9 или 10 является одновременно датчиком некомпенсационного типа, что дает возможность дополнительно уточнять распределение толщины по окружности поперечного сечения трубы 1 в одной плоскости. Так как сенсорные компенсационные датчики 5, 6 расположены строго напротив середины генераторной катушки 4, то пара катушек каждого компенсационного датчика 5, 6 строго скомпенсирована в условиях сплошной (без дефектов) трубы обсадной колонны 1 (фиг. 1, 11 - ось симметрии катушек). Катушки 9 и 10 включены противофазно, т.е. имеют одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку магнитные моменты, что обеспечивает строгую компенсацию первичного магнитного поля в условиях сплошной (без дефектов) трубы обсадной колонны 1. Магнитные оси катушек 9 и 10 параллельны центральной оси 8 дефектоскопа 2, что позволяет измерять продольную составляющую отклика вторичного магнитного поля. Катушки 9 и 10 скомпенсированы так, что в отсутствие дефектов датчики 5, 6 выдают минимальную величину ЭДС на выходе измерительной схемы, при этом вблизи дефекта 12 происходит дополнительная раскомпенсация сенсорных датчиков 5, 6, что приводит к существенному изменению ЭДС на выходе измерительной схемы. Это позволяет обнаруживать неоднородности магнитного поля, возникающие даже от мелких дефектов (например, от отверстий диаметром от 3 мм) металлической обсадной колонны, в том числе сильно намагниченной. Величиной, характеризующей размеры и геометрию дефектов, является амплитуда и форма кривой выходной ЭДС сигнала сенсорного датчика от времени (отклика от трубы с дефектами). Следует отметить, что чувствительными областями каждого из сенсорных датчиков 5, 6 являются зоны, расположенные недалеко от торцов катушек сенсорного датчика, а также рядом с торцами сердечника генераторной катушки 4. Сенсорные датчики 5, 6 соединены с блоком регистрации сигналов, управления и обработки ин-3 023275 формации (на чертежах не показано) посредством линий связи (на чертежах не показано). Линии связи сенсорных датчиков 5, 6 с блоком регистрации сигналов, управления и обработки информации расположены в гибких охранных кожухах (на чертежах не показано) с высокой термобаростойкостью и устойчивостью к сероводороду, предпочтительно используют гибкие охранные кожуха как прямые, так и со спиральной навивкой. Эти требования обусловлены условиями эксплуатации дефектоскопа. Устройство работает следующим образом. В трубу 1 обсадной колонны помещают электромагнитный дефектоскоп 2. Через генераторную катушку 4 индуктивности пропускают периодические импульсы тока с заданной длительностью от импульсного генератора тока (на чертежах не показано). В промежутках между импульсами возбуждения измеряют разностную ЭДС, наведнную в примных катушках 9 и 10 каждого из сенсорных датчиков 5,6 вихревыми токами от спада электромагнитного поля, возбуждаемыми в исследуемой обсадной колонне процессом, вызванным импульсами тока намагничивания осевой генераторной катушки 4. Следует отметить, что измеряют сигналы вторичного электромагнитного поля, тогда как сигналы первичного электромагнитного поля компенсируют за счт равенства магнитных моментов катушек компенсационных датчиков 5, 6. Сигналы, полученные от датчиков 5, 6, передают в блок регистрации сигналов, управления и обработки информации (на чертежах не показано), где признаком обнаружения дефекта 12 трубы 1 обсадной колонны является изменение максимальной величины и знака кривой зависимости выходной ЭДС сигнала каждого из сенсорных датчиков 5, 6 от времени. В процессе работы дефектоскоп 2 двигается вдоль трубы 1. При этом переход дефектоскопа 2 из одного диаметра трубы 1 в другой не будет мешать процессу измерений и снижать их качество благодаря наличию пружинных немагнитных рессор 7 особой конструкции, которые выполнены с возможностью регулирования степени своего изгиба в соответствии с диаметром трубы 1, а также тому, что сенсорные датчики 5, 6 закреплены именно на внутренней стороне рессор 7. Таким образом, новая конструкция системы измерительных элементов позволяет измерять сигналы вторичного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой индуктивности, при этом система измерительных элементов регистрирует те сигналы, которые пропорциональны величине продольной составляющей электромагнитного поля. Кроме того, новая конструкция системы измерительных элементов содержит комбинацию сенсорных датчиков компенсационного и некомпенсационного типов,что позволяет обнаруживать неоднородности магнитного поля, возникающие даже от мелких дефектов(например, от отверстия диаметром от 3 мм) металлической обсадной колонны, в том числе сильно намагниченной, что в совокупности с вышеупомянутыми отличительными особенностями обеспечивает повышение разрешающей способности и информативности измерений при одновременном увеличении чувствительности к малым дефектам труб обсадной колонны, т.е. обеспечивает достижение заявленного технического результата. Кроме того, новая конструкция системы измерительных элементов позволяет после соответствующей обработки данных измерения разделять дефекты на внутренней и внешней поверхностях трубы, что также обеспечивает повышение информативности. Для осуществления заявляемой группы изобретений способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины, устройство для его осуществления, как в общем случае, так и в частных случаях выполнения, в основном, могут быть использованы известные и применяемые в области электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн материалы, элементы и блоки. Так, в качестве корпуса 3 и корпусов сенсорных датчиков 5, 6 могут быть использованы баростойкие кожухи из немагнитного и слабопроводящего материала, например из титана марки ВТ 3-1 или бронзы марки БРБ 2. Устройство мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины может дополнительно содержать: адаптер для считывания информации, автономный блок питания и т.д. Устройство мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины может найти применение также для дефектоскопии металлических труб в других отраслях, например газопроводах, водопроводах и т.д. Данная группа изобретений не ограничена описанными вариантами осуществления, а наоборот, она охватывает различные модификации и варианты в рамках сущности и объема предлагаемой формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электромагнитный мультисенсорный дефектоскоп для исследования труб обсадных колонн, содержащий источник электромагнитного поля в виде центральной генераторной катушки, выполненной с возможностью пропускания по ней импульсов тока от импульсного генератора тока, систему измерительных элементов, расположенную на рессорах для прижима к внутренней поверхности трубы обсадной колонны, и блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, соединнный с системой измерительных элементов посредством линий связи, отличающийся тем, что система измерительных элементов, выполненная с возможностью регистрации сигнала, пропорционального величине продольной составляющей электромагнитного поля, представляет собой по меньшей мере три сенсорных датчи-4 023275 ка компенсационного типа, каждый из которых содержит две одинаковые соосно расположенные приемные катушки, включенные противофазно, магнитные оси которых расположены параллельно центральной продольной оси дефектоскопа, причм одна из катушек является одновременно датчиком некомпенсационного типа, и где каждый из сенсорных датчиков компенсационного типа равноудалн друг от друга по окружности поперечного сечения трубы обсадной колонны и расположен вблизи внутренней поверхности трубы обсадной колонны напротив центральной генераторной катушки. 2. Электромагнитный мультисенсорный дефектоскоп по п.1, отличающийся тем, что линии связи сенсорных датчиков с блоком регистрации сигналов, управления и обработки информации расположены в гибких охранных кожухах с высокой термобаростойкостью и устойчивостью к сероводороду. 3. Электромагнитный мультисенсорный дефектоскоп по п.2, отличающийся тем, что гибкие охранные кожухи имеют спиральную навивку. 4. Способ мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии труб обсадных колонн, реализуемый электромагнитным мультисенсорным дефектоскопом по п.1, в котором возбуждают электромагнитное поле в исследуемом участке трубы обсадной колонны импульсами тока, измеряют сигналы отклика этого электромагнитного поля в промежутках между импульсами возбуждения посредством системы измерительных элементов, передают сигналы в блок регистрации сигналов, управления и обработки информации, отличающийся тем, что измеряют сигналы отклика вторичного электромагнитного поля по меньшей мере тремя сенсорными датчиками компенсационного типа, каждый из которых содержит две соосно расположенные приемные катушки, имеющие одинаковые по абсолютной величине и противоположные по знаку магнитные моменты, при этом большую часть сигналов отклика первичного электромагнитного поля компенсируют, измеряют разностную ЭДС, наведенную в приемных катушках каждого из сенсорных датчиков компенсационного типа, причем в качестве одного из признаков обнаружения дефектов трубы обсадной колонны используют изменение максимальной величины и знака зависимости выходной ЭДС сигнала сенсорного датчика компенсационного типа от времени.