Профилемер-дефектоскоп для исследования технического состояния обсадных колонн и насосно-компрессорных труб нефтегазовых скважин

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин, а именно к комплексным средствам для изучения технического состояния обсадных колонн и НКТ нефтегазовых скважин. Решаемая задача: расширение области применения, повышение точности измерения внутреннего диаметра, уменьшение габаритов и упрощение конструкции прибора. Сущность полезной модели: в профилемере-дефектоскопе, содержащем электромагнитный дефектоскоп (Д), центраторы (Ц) с подпружиненными рычагами (рычагами) и профилемер с преобразователем механического перемещения рычагов в электрический сигнал, профилемер совмещен с одним из Ц с рычагами, отслеживающими неровности стенок скважины, и содержит постоянные магниты, установленные на рычагах Ц, и датчик Холла, расположенный в внутри корпуса Ц, выполненного из немагнитного материала, и измеряющий суммарную магнитную индукцию поля постоянных магнитов, при этом постоянные магниты установлены в середине диаметрально противоположных рычагов, оси постоянных магнитов в сложенном состоянии рычагов перпендикулярны оси Д, а ось наибольшей чувствительности датчика Холла направлена перпендикулярно оси Д и находится в одной плоскости с осями магнитов. Кроме того, датчик Холла электрически связан с электронной схемой Д, обеспечивающего прием и обработку сигналов от датчика Холла и передачу их на поверхность.

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин, а именно к комплексным средствам для изучения технического состояния обсадных колонн и насосно-компрессорных труб (НКТ) нефтегазовых скважин методами профилеметрии и дефектоскопии.

Известен скважинный электромагнитный дефектоскоп-толщиномер, предназначенный для дефектоскопии металлических труб, например расположенных в скважине, в частности стальных бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб, а также для одновременного измерения толщины стенок каждой из труб многоколонной конструкции (Авт. свид. 2074314, опубл. 27.02.1997, бюл. 6).

Известен электромагнитный дефектоскоп ЭМДС-ТМ-42, предназначенный для обнаружения коррозионных дефектов, как на внутренней, так и на внешней стенке трещин любого направления, дефектов второй от оси колонны и определения толщины стенок двух внутренних труб, положение муфт первой и второй от оси скважины колонны, башмаков, центраторов, пакеров (Теплухин В.К., Миллер А.В., Миллер А.А. и др. «Совершенствование аппаратуры и технологии скважинной электромагнитной дефектоскопии» // НТВ «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, 2006. - Вып.7-8 (148-149). - С.173-183.).

Дефектоскоп устанавливается внутри обследуемой обсадной колонны на подпружиненных центраторах. (Каталог ОАО НПП ВНИИГИС «Малогабаритный электромагнитный дефектоскоп ЭМДС-ТМ-42 с термометром и гамма-блоком» // www.vniigis.bashnet.ru) или Малогабаритный электромагнитный дефектоскоп ЭМДС-ТМ-42 с термометром и гамма-блоком» (Сводный каталог ГИРС. - «Новые технологии, технические и программные средства геофизических исследований и работ в нефтяных и газовых скважинах». Том 2. Аппаратура для проведения ГИС. Стр.А. 1.2.6.2).

При определении толщины стенок труб дефектоскопом необходимо знать информацию о толщине стенок на каком либо участке исследуемой колонны для привязки данных, получаемых дефектоскопом в процессе исследования. Для этого привлекаются паспортные данные при строительстве скважины, такие как толщина стенок или внутренний диаметр трубы на определенном участке. В старых скважинах таких данных может не быть, тогда используются данные других методов ГИС или для калибровки используются данные дефектоскопии и толщины стенок по соседней скважине. При этом погрешность определения толщины увеличивается.

При вычислении толщины стенок по данным дефектоскопа учитываются изменения магнитной проницаемости и электропроводности труб. Однако при одновременном изменении обоих этих параметров точность и достоверность определения толщины заметно ухудшается.

Известен профилемер, предназначенный для отслеживания неровности стенки скважины при перемещения по ней измерительного рычага, в котором для преобразования этого перемещения в электрический сигнал использован феррозондовый магнитометр с постоянным магнитом, установленным на конце шарнирно-соединенного с корпусом измерительного рычага вдоль его продольной оси. Феррозондовый магнитометр установлен в герметичной немагнитной камере в корпусе прибора, причем феррозонд установлен перпендикулярно продольной оси профилемера (Авт. свид. 1288290, Е21В 47/08, опубл. 07.02.1987, бюл. 5).

Таким образом, в известном устройстве постоянный магнит является индикатором положения раскрытия рычага, а феррозондовый магнитометр является непосредственно преобразователем этого положения в электрический сигнал.

Недостатком данного профилемера является сравнительно слабая зависимость показаний прибора от измеряемого диаметра скважины. Измеряемая феррозондом прибора напряженность магнитного поля Н прямо пропорциональна косинусу угла поворота измерительного рычага, который, в свою очередь, равен отношению расстояния от оси рычага до исследуемой стенки к длине рычага. При прохождении прибором неровности: косинус угла поворота рычага и соответственно измеряемая величина изменяется на величину dH, пропорциональную отношению высоты неровности к длине рычага. Относительное изменение напряженности магнитного поля dH/H будет равно отношению высоты неровности к расстоянию от оси рычага до исследуемой стенки.

Например, при диаметре скважины 150 мм, диаметре прибора 42 мм и расположении оси рычага на оси прибора расстояние от оси рычага до исследуемой стенки составит:

150-42/2=129 мм.

Против неровности стенки амплитудой 1 мм относительное изменение измеряемой величины Н составит

dH/H=1/129=0,00780,8%.

Другим недостатком данного профилемера является сравнительно сложный тип преобразователя механического перемещения в электрический сигнал - феррозондовый магнитометр.

При построении комплексного прибора недостатком данного профилемера становится также необходимость использования отдельного модуля профилемера со своим датчиком, что увеличивает общую длину комплексного прибора.

Известен комплексный прибор профилемер-дефектоскоп DDS73F-EMD российско-китайского производства, построенный на основе российского электромагнитного дефектоскопа ЭМДС-ТМ-42 и китайского 40-рычажного профилемера DDS73F-20B диаметра 73 мм (Каталог ОАО НПП «ВНИИГИС» Комплексный прибор профилемер+дефектоскоп DDS73F-EMD //www.vniigis.bashnet.ru).

Прибор состоит из модуля профилемера и модуля дефектоскопа. В модуле профилемера используются мостовые бесконтактные индукционные датчики перемещения.

Данные модуля профилемера позволяют детально изучить состояние колонны с внутренней стороны, в том числе внутренний диаметр, а по данным модуля дефектоскопа обнаруживаются коррозионные дефекты как на внутренней, так и на внешней стенке, трещины любого направления, дефекты второй от оси скважины колонны.

Важнейшим недостатком комплексного прибора DDS73F-EMD является сравнительно узкий диапазон изменения диаметра изучаемых скважин: он работает в скважинах внутренним диаметром 80-210 мм, то есть он не может применяться для обследования действующих добывающих и нагнетательных скважин, а также ремонтируемых скважин, если в скважинах или в их верхней части находятся насосно-компрессорные трубы, что существенно ограничивает область применения прибора.

Другим недостатком данного профилемера-дефектоскопа является его большая длина, обусловленная длиной модуля профилемера, равной 1900 мм, что, при отсутствии у потребителя лубрикатора достаточной длины, исключает возможность использования комплексного прибора. Модуль профилемера DDS73F-20B является сложным и дорогим устройством.

Использование предлагаемого профилемера-дефектоскопа позволит решить задачу комплексного изучения технического состояния колонн в широком диапазоне изменения внутреннего диаметра, в том числе в скважинах с насосно-компрессорными трубами, таким образом - расширить область применения, при этом обеспечить высокую точность измерения внутреннего диаметра, уменьшить габариты и упростить конструкцию прибора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в профилемере-дефектоскопе для исследования технического состояния обсадных колонн и насосно-компрессорных труб нефтегазовых скважин, содержащем электромагнитный дефектоскоп (дефектоскоп), центраторы с подпружиненными рычагами (рычагами) и профилемер с преобразователем механического перемещения рычагов в электрический сигнал, профилемер совмещен с одним из центраторов с рычагами, отслеживающими неровности стенок скважины, и содержит постоянные магниты, установленные на рычагах центратора, и датчик Холла, расположенный в внутри корпуса центратора, выполненного из немагнитного материала, и измеряющий суммарную магнитную индукцию поля постоянных магнитов, при этом постоянные магниты установлены в середине диаметрально противоположных рычагов, оси постоянных магнитов в сложенном состоянии рычагов перпендикулярны оси дефектоскопа, а ось наибольшей чувствительности датчика Холла направлена перпендикулярно оси дефектоскопа и находится в одной плоскости с осями магнитов. Кроме того, датчик Холла электрически связан с электронной схемой дефектоскопа, обеспечивающего прием и обработку сигналов от датчика Холла и передачу их на поверхность.

На фиг.1 представлен заявляемый профилемер-дефектоскоп в статике.

На фиг.2 дана схема расположения элементов центратора, используемых при измерениях профилемером.

На фиг.3 приведен пример измерений с предлагаемым профилемером-дефектоскопом, а также показана кривая диаметра скважины, полученная с помощью серийного профилемера ПФ-73-М.

Профилемер-дефектоскоп состоит из электромагнитного дефектоскопа 1, установленного в скважине, имеющей, например, диаметр D, между двумя центраторами 2 и 3, каждый из которых содержит корпус 4 с условным диаметром d, с шарнирно соединенными с ним и подпружиненными относительно его рычагами 5 с условной длиной L. На одном или двух рычагах диаметрально-противоположных в их средней части установлены постоянные магниты 6 таким образом, чтобы их магнитные оси были перпендикулярны оси профилемера-дефектоскопа (фиг.2).

В корпусе 4 из немагнитного материала какого-либо из центраторов на его продольной оси установлен датчик Холла 7, соединенный электрической линией 8 с электронной схемой внутри дефектоскопа (на фиг.1 не показана). Датчик Холла находится поблизости от пересечения осей постоянных магнитов с осью прибора и ориентирован так, чтобы его ось наибольшей чувствительности была перпендикулярна оси прибора и находилась в одной плоскости с осями постоянных магнитов 6. r - расстояние от постоянного магнита 6 до датчика Холла 7.

Устройство работает следующим образом.

При движении профилемера-дефектоскопа по скважине рычаги 5 длины L отслеживают изменения внутреннего диаметра D, отклоняясь на угол от оси центратора профилемера-дефектоскопа (фиг.2). При этом изменяется расстояние r от постоянного магнита 6 до датчика Холла 7. Если рычаги сжимаются одной общей пружиной, как это показано на фиг.1, то измеряется наименьший диаметр на данной глубине. Поскольку диаметр колонны заданного конкретного номинала изменяется незначительно, то при движении рычагов вдоль неровной стенки положение оси постоянного магнита слабо отклоняется от точки расположения датчика Холла. Напряженность магнитного поля Н_о вблизи оси постоянного магнита в точке расположения датчика Холла равна:

где М - магнитный момент постоянного магнита.

Составляющая этого магнитного поля Н, измеряемая датчиком Холла, равна:

Как видно из фиг.2, величина r равна:

где: d - наружный диаметр корпуса центратора.

Угол между осью центратора и рычагом равен:

Например, при диаметре скважины D=150 мм, диаметре прибора d=42 мм, длине рычага L=150 мм и магнитном моменте М=1 А·м² согласно формулам 1-4 измеряемая датчиком Холла напряженность магнитного поля составит:

а против неровности стенки 1 мм:

Тогда относительное изменение измеряемой величины Н против неровности стенки амплитудой 1 мм составит:

На фиг.3 приведен пример измерений с предлагаемым профилемером-дефектоскопом, а также показана кривая диаметра скважины, полученная с помощью серийного профилемера ПФ-73-М. (Профилемер-каверномер скважинный ПФ-73-М. ОАО НПФ «Геофизика» // Сводный каталог ГИРС. - «Новые технологии, технические и программные средства геофизических исследований и работ в нефтяных и газовых скважинах». Том 1. Аппаратура для проведения ГИС. Стр.А.1.1.6.3) [7].

В верхнем интервале скважины до глубины 30 м установлена колонна номинального внутреннего диаметра 152 мм, а ниже - колонна внутреннего диаметра 132 и 130 мм.

Слева на фиг.3 отображены кривые электромагнитного дефектоскопа Uc, Ub, Ua2, Ua3, а также вычисленная кривая толщины стенки колонны Техр и кривая внутреннего диаметра Demds, полученная с помощью предлагаемого прибора. Толщина стенки, измеренная дефектоскопом (кривая Техр), с учетом погрешности равна половине разности наружного и внутреннего диаметров труб.

Регистрируемые значения Demds нелинейно зависят от диаметра колонны. Однако при неизменном номинальном внешнем диаметре колонны внутренний диаметр изменяется незначительно, нелинейность Demds невелика и устраняется при компьютерной обработке данных измерений.

Справа показаны результаты измерений (кривая D) диаметра профилемером ПФ-73-М.

Результаты измерений диаметра с помощью блока профилемера предлагаемого прибора соответствуют проектным данным и данным серийного профилемера с погрешностью менее 1 мм.

По сравнению с профилемером по авт. свид. 1288290 блок профилемера предлагаемого прибора обеспечивает в несколько раз более высокую чувствительность к неровностям стенки.

По сравнению с российско-китайским профилемером-дефектоскопом DDS73F-EMD предлагаемый прибор имеет существенно меньшие диаметр и длину, что значительно расширяет его область его применения.

1. Профилемер-дефектоскоп для исследования технического состояния обсадных колонн и НКТ нефтегазовых скважин, содержащий электромагнитный дефектоскоп, размещенный между двумя центраторами, каждый из которых содержит корпус с шарнирно соединенными с ним и подпружиненными относительно его рычагами, и профилемер с преобразователем механического перемещения рычагов в электрический сигнал, отличающийся тем, что профилемер совмещен с одним из указанных центраторов с рычагами, отслеживающими неровности стенок скважины, и содержит постоянные магниты, установленные на рычагах центратора, и датчик Холла, расположенный на оси дефектоскопа внутри корпуса центратора, выполненного из немагнитного материала, и измеряющий суммарную магнитную индукцию поля постоянных магнитов, при этом постоянные магниты установлены в середине диаметрально противоположных рычагов, оси постоянных магнитов в сложенном состоянии рычагов перпендикулярны оси дефектоскопа, а ось наибольшей чувствительности датчика Холла направлена перпендикулярно оси дефектоскопа и находится в одной плоскости с осями магнитов.

2. Профилемер-дефектоскоп для исследования технического состояния обсадных колонн и НКТ нефтегазовых скважин по п.1, отличающийся тем, что датчик Холла электрически связан с электронной схемой дефектоскопа, обеспечивающего прием и обработку сигналов от датчика Холла и передачу их на поверхность.