Локатор перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб

 

Изобретение относится к промысловой геофизике, в частности к устройствам неразрушающего контроля технического состояния обсадных ферромагнитных труб скважин. Локатор перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб состоит из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем. В скважинном приборе установлено четное число n индукционных преобразователей, n/2 дифференциальных усилителей, суммирующее устройство, n+1 аналоговых ключей, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, передатчик, блоки обработки телеметрической информации и компьютер. Индукционные преобразователи укреплены через посредство немагнитных вставок по окружности стального каркаса скважинного прибора. Сигнальные катушки каждой пары соседних индукционных преобразователей соединены одна с инвертирующим, другая с неинвертирующим входами соответствующих дифференциальных усилителей. Вторые выходы n-сигнальных катушек через резисторы соединены с n соответствующими входами суммирующего устройства. Выходы всех дифференциальных усилителей и суммирующего устройства соединены с входами аналоговых ключей. С первым и вторым портами аналоговых ключей через шину управления и шину связи соединен контроллер, выход которого соединен с передатчиком, его выход - с одним концом каротажного кабеля. Второй конец каротажного кабеля соединен со входом блока обработки телеметрической информации, выход которого связан с входным портом наземного компьютера. Блок обработки телеметрической информации и компьютер составляют наземное устройство обработки, регистрации и считывания информации. Технический результат - повышение точности и надежности устройства. 4 ил.

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

Известны устройства, используемые для контроля технического состояния скважин, например детектор коррозии. Устройство предназначено для обнаружения коррозионных ям на внутренней и внешней поверхностях труб, а также нахождения в колонне мест утечек, т.е. сквозных дыр. Устройство содержит С-образные электромагниты, намагничивающие стенку колонны до магнитного насыщения, и систему измерительных катушек, расположенных по окружности, проходящей посредине между электромагнитами перпендикулярно оси скважины. Измерения проводятся при непрерывном перемещении прибора, охватывая весь периметр трубы. Результаты измерений передаются на поверхность в аналоговом виде, причем информация от всех измерительных катушек регистрируется одновременно.

Недостатком устройства является трудность распознавания истинных отверстий от ложных, обусловленных наличием на поверхности исследуемой трубы вмятин, раковин, наклепа и т.д.

Известно намагничивающее устройство для магнитографического контроля изделий, в частности трубчатого профиля, содержащее основной электромагнит, блок питания обмотки основного электромагнита, импульсный генератор, установленные в межполюсном промежутке основного электромагнита симметрично относительно его продольной оси симметрии два идентичных вспомогательных электромагнита, обмотки подключены к импульсному генератору, оно снабжено третьим и четвертым вспомогательными электромагнитами, расположенными с двух сторон от основного в его плоскости симметрии, обмотки которых подключены к блоку питания встречно обмотке основного электромагнита.

Недостатком данного устройства является его нетехнологичность, свидетельством чего является то, что процесс измерения должен осуществляться при остановках устройства, а также большие габариты и невозможность отличить сигнал о наличии отверстия от сигналов от других дефектов.

Известны способ и устройство для обнаружения дефектов в движущейся перфорированной полосе материала, патент Германии ДЕ 4304392 от 13.02.93 г., кл. G 01 N 21/89. В силу данного изобретения на одной стороне обследуемой полосы с помощью по меньшей мере одного датчика регистрируют и преобразовывают в электрический сигнал изменения физических или геометрических условий окружающего фона с направления полосы в материале. Указанный сигнал направляют в блок обработки. В предпочтительном варианте для распознавания дефектных отверстий счетчик принимает и суммирует в промежутке времени между двумя последовательными сигналами импульсы с тактового генератора до тех пор, пока счетчик не сбрасывается следующим сигналом. Счетчик сигнализирует о дефекте в том случае, если количество просуммированных тактовых импульсов превысит граничную величину.

Недостатком данного способа и устройства является то, что излучающие и воспринимающие датчики располагаются с двух сторон от исследуемой полосы. Это делает невозможным их использование в обсадных трубах.

Известен дефектоскоп для обследования поверхности изделий, заявка Японии GP 5060545 ВЧ от 10.09.86 г., кл. G 01 N 21/88. В этом устройстве исследуемая поверхность подвергается сканированию лазерным световым потоком. Отраженный от поверхности свет через объектив направляется в фотоэлектрический преобразователь, по сигналам которого формируется видеоинформация о дефектах поверхности. Дефектоскоп отличается тем, что содержит схему для автоматической регулировки коэффициента усиления. Эта схема интегрирует разность между значением видеосигнала и стандартной величиной в течение одного цикла сканирования, и в соответствии с результатом интегрирования регулирует характеристику преобразователей.

Недостатком данного устройства является его сложность и малая достоверность обнаружения отверстий в стенке трубы.

Известен локатор перфорационных отверстий, A. C. 949602 от 07.08.82 г., кл. G 01 V 3/18, принятый за наиболее близкий аналог предлагаемого технического решения.

Локатор перфорационных отверстий состоит из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем, и содержит в скважинном приборе индукционный преобразователь, подключенный к усилителю-формирователю сигнала, выход которого соединен с каротажным кабелем, а в наземной части - регистратор, соединенный с наземным усилителем-формирователем, вход которого подключен к каротажному кабелю, в скважинном приборе расположен датчик оборотов индукционного преобразователя, в наземной части имеется электронно-лучевая трубка с отклоняющей катушкой и модулятором, лентопротяжный механизм, блок горизонтального отклонения луча, формирователь синхроимпульсов и видеоусилитель, при этом датчик оборотов индукционного преобразователя через каротажный кабель соединен с формирователем синхроимпульсов, выход которого подключен к блоку горизонтального отклонения луча, выход последнего подсоединен к отклоняющей катушке электронно-лучевой трубки, а выход наземного усилителя-формирователя через видеоусилитель соединен с модулятором электронно-лучевой трубки.

Часть данного технического решения, состоящую из формирователя синхроимпульсов, выход которого подключен к блоку горизонтального отклонения луча, выход последнего подсоединен к отклоняющей катушке электронно-лучевой трубки, а выход наземного усилителя-формирователя через видеоусилитель соединен с модулятором электронно-лучевой трубки, будем называть устройством обработки, регистрации и считывания информации.

Недостатками устройства - наиболее близкого аналога являются недостаточные надежность и точность из-за наличия скользящих контактов в цепях съема информации с индукционного преобразователя и из-за сложности устройства. Недостаточная точность локации перфорационных отверстий усматривается в том, что при опускании зонда со значительной скоростью имеется большая вероятность того, что отверстие не будет обнаружено. Для исключения этого нужно индукционный преобразователь вращать с большой скоростью, но в этом случае надежность устройства снижается, т.к. скользящие контакты будут быстро выходить из строя. К тому же при передаче электрических сигналов от индукционного преобразователя за счет скользящих контактов будут наводиться помехи, будут наблюдаться перерывы в передаче сигналов из-за восстанавливаемых отказов в контактах. Кроме того, наиболее близкий аналог не выполняет функцию идентификации соединительных муфт обсадных труб скважин.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности устройства, а также расширение его функциональных возможностей за счет введения элементов, предназначенных для идентификации соединительных муфт труб.

Поставленная задача решается за счет того, что в локаторе перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб, состоящем из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем, и содержащем в скважинном приборе индукционный преобразователь, подключенный к усилителю сигнала, а в наземной части - устройство обработки, регистрации и считывания информации, установлено четное число n индукционных преобразователей за счет дополнительно введенных n-1 индукционных преобразователей, кроме того, в него дополнительно введены n/2 дифференциальных усилителей, суммирующее устройство, n+1 аналоговых ключей, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, передатчик, блоки обработки телеметрической информации и компьютер, при этом индукционные преобразователи укреплены через посредство немагнитных вставок по окружности стального каркаса скважинного прибора, сигнальные катушки каждой пары соседних индукционных преобразователей соединены одна с инвертирующим, другая с неинвертирующим входами соответствующих дифференциальных усилителей, причем вторые выходы n сигнальных катушек через резисторы соединены с n соответствующими входами суммирующего устройства, выходы всех дифференциальных усилителей и суммирующего устройства соединены с входами аналоговых ключей, с первым и вторым портами аналоговых ключей через шину управления и шину связи соединен контроллер, выход которого соединен с передатчиком, его выход соединен с одним концом каротажного кабеля, второй конец каротажного кабеля соединен с входом блока обработки телеметрической информации, выход которого связан с входным портом наземного компьютера, при этом блок обработки телеметрической информации и компьютер составляют наземное устройство обработки, регистрации и считывания информации.

На фиг. 1 представлена схема блока индукционных преобразователей, входящих в состав скважинного прибора.

На фиг.2 изображена конструктивная схема индукционного преобразователя.

На фиг. 3 изображена функциональная электрическая схема включения индукционных преобразователей для идентификации перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных труб.

На фиг. 4 представлены экспериментальные графики сигналов при идентификации перфорационных отверстий и соединительных муфт.

Устройство состоит из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем. В состав скважинного прибора входит блок индукционных преобразователей 1, включающий в свой состав четное число (6, 8 или 10) индукционных преобразователей 2. Блок индукционных преобразователей 1 выполнен с возможностью свободного перемещения внутри обсадной трубы 3 скважины; обсадная труба изготовлена из ферромагнитного материала. С другой секцией трубы она соединяется с помощью соединительной муфты 4.

Блок преобразователей 1 крепится в стальном каркасе 5, состоящем из двух частей и имеющем возможность перемещения в трубе 3. Каждый преобразователь 2 имеет бронзовый наконечник 2'. Внутри преобразователей проходит немагнитная стяжка 6 двух частей каркаса 5. Индукционный преобразователь 2 состоит из двух стержневых постоянных магнитов 7' и 7'' круглого сечения со встречными направлениями намагниченностей, каждый из которых с торцов имеет магнитомягкие башмаки 8', 8'', 9', 9'' в виде цилиндров диаметра, равного внутреннему диаметру охранного кожуха скважинного прибора. Материал магнитов - это высококоэрцитивный сплав неодим-железо-бор, материал башмаков, например, магнитомягкая сталь 79НМ. Между двумя средними башмаками 8' и 8'' соосно с ними, а следовательно, с постоянными магнитами 7' и 7'', расположена сигнальная катушка 10, намотанная, например, медным проводом ПТВ на изоляционном каркасе. Наружный диаметр катушки 10 такой же, как и башмаков 8', 8'', 9', 9'', высота в 1,5...2 раза больше высоты отдельного башмака. Каждый индукционный преобразователь укреплен в стальной немагнитной втулке 11. Все индукционные преобразователи 2 укреплены соосно через бронзовые втулки на стальном каркасе цилиндрической формы с внутренней немагнитной стяжкой так, что образуют блок индукционных преобразователей 1. Охранный кожух скважинного прибора имеет рессорные центраторы (не показаны) для обеспечения соосности его и обсадной трубы 3. Электрическая схема фиг.3 соответствует соединениям основных элементов в скважинном приборе, в котором размещен импульсный источник всех электроэлементов (не показан), а также блок электроники (конструкция его также не показана). Сигнальные катушки имеют одинаковое включение: один ее конец, например левый по фиг.2, соединен на общую шину с корпусом скважинного прибора. Сигнальная катушка 12 свободным концом 13 через резистор 14 соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 15. Выход 16 этого усилителя с одной стороны соединен с аналого-цифровым преобразователем (не показан), а с другой стороны через резистор 17 - с инвертирующим входом операционного усилителя 15, являющегося дифференциальным. Входящие в состав дифференциального усилителя 15 резисторы R14, R20 определяют его входное сопротивление. Резисторы R17, R21 являются резисторами обратной связи. Коэффициент передачи К₁₅ дифференциального усилителя 15 определяется по формуле K₁₅=R₁₇/R₁₄ (1) Важно точно обеспечить равенства R17=R21; R14=R20. (2) Эта мера направлена на обеспечение максимального подавления синфазного сигнала, например, от муфты.

Электроэлементы 14, 15, 17, 20, 21 образуют схему дифференциального усилителя 22. Аналогичные схемы дифференциальных усилителей 23, 24, 25 применяются в трех других каналах. При этом пары сигнальных катушек 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31 своими свободными концами 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37 соединены через резисторы с инвертирующими и не инвертирующими соответственно входами схем дифференциальных усилителей 23, 24, 25. Свободные, т.е. незаземленные концы 13, 19, 32-37 через жгут 41 выводятся и соединяются через резисторы 42-49 с инвертирующим входом 50 операционного усилителя 51, составляющего основу суммирующего устройства. К этому же входу 50 подсоединен резистор 52, через который реализована отрицательная обратная связь с выхода 53 операционного усилителя 51 на его вход 50. Резистор 54 служит для компенсации напряжения смещения суммирующего усилителя и выбирается из следующего соотношения: Нетрудно видеть, что если на вход 50 суммирующего устройства 55 поступают одновременно сигналы с восьми входов, то выходное напряжение будет иметь высокий уровень, при сигнале только от одного входа - низкий. Выходы 16, 38, 39, 40 дифференциальных усилителей и выход 53 суммирующего устройства 55 через аналоговые ключи 56 соединены с входом аналого-цифрового преобразователя 57. Контроллер 58 связан посредством шины управления 59 с аналоговыми ключами 56, а с помощью шины связи 60 - с выходом аналого-цифрового преобразователя 57. Выход 61 контроллера 58 (это, например PIC-контроллер) соединен с входом передатчика 62, выход которого соединен с помощью жилы каротажного кабеля 63 с блоком преобразования телеметрической информации 64. Выход блока 64 соединен кабелем 65 с входным портом компьютера 66, например, это порт RS-232 переносного компьютера ROVER-BOOK. Блоки 64 и 66 входят в состав наземной части. В качестве блока преобразования телеметрической информации служит, например, станция "Кедр-01" ("Геофизмаш", г. Саратов), которая предназначена для усиления и повторной оцифровки ослабленного в каротажном кабеле 63 сигнала. Блоки 64 и 66 составляют устройство обработки, регистрации и считывания информации и выполняют роль, аналогичную подобному устройству по патенту 949602, принятому за наиболее близкий аналог данного изобретения.

Дифференциальные усилители 22, 23, 24 и 25 служат для идентификации перфорационных отверстий, в том числе малого диаметра, выполненных путем сверления. Суммирующее устройство 55 служит для идентификации соединительных муфт обсадных труб.

Работает устройство следующим образом. При опускании блока преобразователей в скважину осуществляется локация внутренней поверхности обсадной трубы. При этом в каждом индукционном преобразователе при исправной гладкой обсадной трубе магнитные потоки будут замыкаться от северного полюса 7' (7'') - на левый 9' (правый 9'') башмак, через зазор, через металл трубы, вновь через зазор - к правому 9'' (левому 9') башмаку и затем - к южному полюсу. ЭДС, наводимые в катушке от встречных магнитных потоков, будут одинаковы по величине и противоположны по направлению, так что разностная ЭДС будет равна нулю. Аналогичные картины наблюдаются в остальных индукционных преобразователях. Значит, сигналы с дифференциальных усилителей и с сумматора также будут равны нулю. Пусть теперь на стенке обсадной трубы против индукционного преобразователя с индуктивностью ₁ появилось перфорационное отверстие. В этом случае вначале в одном из магнитных потоков магнитное сопротивление возрастает, и равенство ЭДС в сигнальной катушке 12 нарушится: ЭДС от противоположного магнитного потока, где нет отверстия, превысит ЭДС от магнитного потока, где имеется отверстие. В процессе движения блока индукционных преобразователей 1 отверстие окажется против второго магнита, в силу этого результирующая ЭДС изменит знак на противоположный. В дифференциальном усилителе 22 этот сигнал усилится и, т.к. сигнал с катушки 18 практически не изменится, то на выходе 16 дифференциального усилителя 22 появится один период переменного напряжения.

Этот же сигнал поступит на вход 50 суммирующего устройства 55. В силу формулы (4) он будет иметь низкий уровень и не будет воспринят компьютером за полезный сигнал. Если в ходе опускания блока индукционных преобразователей 1 встречается соединительная муфта 4 соседних колен обсадной трубы, то сигналы пар сигнальных катушек 12 и 18, 26 и 27, 28 и 29, 30 и 31 будут вычитаться, и на выходах 16, 38, 39, 40 дифференциальных усилителей 22-25 сигналы будут практически отсутствовать.

Наоборот, сигналы от сигнальных катушек 12, 18, 26-31 одновременно поступят на входы 13, 19, 32-37 суммирующего устройства 55, просуммируются, и на выходе 53 появится один период волны переменного напряжения.

Сигналы с выходов 16, 38, 39, 40, 53 поступают либо одновременно, либо последовательно на соответствующие входы аналоговых ключей 56. Эти ключи управляются по шине управления 59 и поочередно подключают сигналы дифференциальных усилителей 22-25 и суммирующего устройства 55 к входу аналого-цифрового преобразователя 57. Контроллер 58 через шину связи 60 воспринимает оцифрованный сигнал в виде фазоуравновешенного кода и посылает его на вход передатчика 62. Передатчик 60 усиливает и согласует этот сигнал с сопротивлением кабеля 63. Поскольку за счет реактивного и активного сопротивлений кабеля электрический сигнал ослабляется и форма импульсов изменяется, в наземной части применен блок преобразования телеметрической информации 64, который усиливает, дешифрует и вновь оцифровывает сигналы, приводя их к виду, имеющему место на выходе 61 контроллера. С выхода блока 64 информация через кабель 65 и входной порт поступает в компьютер 66. Компьютер производит отображение информации на экране, а также производит запись ее либо на винчестер, либо на флэш-карту, либо на бумажный носитель с помощью принтера.

Устройство, описанное в данном изобретении, реализовано и внедрено силами авторов. На фиг.4 представлены экспериментальные эпюры напряжений по каналу идентификации муфт - кривая I и по каналу идентификации отверстий - кривая II. Эти кривые получены с помощью устройства, выполненного по данному изобретению, они распечатаны с помощью принтера компьютера ROVER-BOOK и подтверждают высокую точность идентификации муфт и отверстий. Разработка и изготовление устройств по данному изобретению произведены на предприятии ЗАО "Геофизмаш", г. Саратов. Изделие носит название либо КЕДР-90С, в котором 6 индукционных преобразователей, т. е. n=6, либо КЕДР-112С, в котором 8 индукционных преобразователей, т.е. n=8.

Формула изобретения

Локатор перфорационных отверстий и соединительных муфт обсадных ферромагнитных труб, состоящий из скважинного прибора и наземной части, соединенных каротажным кабелем, и содержащий в скважинном приборе индукционный преобразователь, подключенный к усилителю, а в наземной части - устройство обработки, регистрации и считывания информации, отличающийся тем, что в нем установлено четное число n индукционных преобразователей за счет дополнительно введенных n-1 индукционных преобразователей, кроме того, в него дополнительно введены n/2 дифференциальных усилителей, суммирующее устройство, n+1 аналоговых ключей, контроллер, аналого-цифровой преобразователь, передатчик, блоки обработки телеметрической информации и компьютер, при этом индукционные преобразователи укреплены через посредство немагнитных вставок по окружности стального каркаса скважинного прибора, сигнальные катушки каждой пары соседних индукционных преобразователей соединены одна с инвертирующим, другая с неинвертирующим входами соответствующих дифференциальных усилителей, причем вторые выходы n сигнальных катушек через резисторы соединены с n соответствующими входами суммирующего устройства, выходы всех дифференциальных усилителей и суммирующего устройства соединены с входами аналоговых ключей, с первым и вторым портами аналоговых ключей через шину управления и шину связи соединен контроллер, выход которого соединен с передатчиком, его выход - с одним концом каротажного кабеля, второй конец каротажного кабеля соединен с входом блока обработки телеметрической информации, выход которого связан с входным портом наземного компьютера, при этом блок обработки телеметрической информации и компьютер составляют наземное устройство обработки, регистрации и считывания информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4