индукционный зонд для определения дефектов обсадной колонны и насосно-компрессорных труб

Формула изобретения

Индукционный зонд для определения дефектов обсадной колонны и насосно-компрессорных труб, состоящий из немагнитного герметичного корпуса и цилиндрического основания, на котором соосно размещен полый цилиндрический магнитопровод с кольцевыми полюсными наконечниками и кольцевым полюсным выступом, и двух катушек индуктивности, расположенных коаксиально магнитопроводу по обе стороны от кольцевого полюсного выступа и включенных встречно, а также четного количества индикаторных катушек, представляющих собой многовитковые рамки без сердечника и имеющих в сечении форму параллелограмма с наклоном большей стороны к цилиндрическому основанию, установленных аксиально и равноудаленно относительно цилиндрического основания, расположенных равномерно по окружности в два ряда с соблюдением соосности между последними и вплотную между собой, причем индикаторные катушки верхнего ряда установлены вплотную меньшей стороной параллелограмма к верхнему кольцевому полюсному наконечнику, при этом обмотки индикаторных катушек попарно соединены, отличающийся тем, что кольцевые полюсные наконечники полого цилиндрического магнитопровода выполнены в виде тора, а кольцевой полюсный выступ расположен на расстоянии от нижнего кольцевого полюсного наконечника, в три раза превышающем значение его высоты, причем катушка индуктивности, расположенная выше кольцевого полюсного выступа, образует генераторную катушку, при этом катушка индуктивности, расположенная ниже кольцевого полюсного выступа, образует силовую катушку, коаксиально которой дополнительно установлена компенсационная катушка, а индикаторные катушки нижнего ряда расположены над кольцевым полюсным выступом вплотную с индикаторными катушками верхнего ряда, причем ширина намотки индикаторной катушки рассчитывается по формуле

d=4 h/3,

где d - ширина намотки индикаторной катушки, м;

h - высота кольцевого полюсного выступа, м,

при этом угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию рассчитывается по формуле

tg =4d/L,

где - угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию, град.;

L - расстояние между верхним кольцевым полюсным наконечником и кольцевым полюсным выступом, которое должно быть не менее десяти значений высоты кольцевого полюсного выступа, м, причем пара индикаторных катушек представлена смежными индикаторными катушками из разных рядов, включенными встречно, при этом обмотки индикаторных катушек выполнены в один провод, а внутри индикаторных катушек нижнего ряда расположены измерительные катушки, идентичные индикаторным катушкам, соединенные между собой и с выводом компенсационной катушки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промысловой геофизике, в частности к средствам контроля технического состояния обсадных колонн и насосно-компрессорных труб, находящихся в скважине.

Анализ существующего уровня техники показал следующее:

- известен индукционный зонд для определения дефектов обсадной колонны, состоящий из немагнитного герметичного корпуса, цилиндрического основания, на котором соосно размещен полый цилиндрический магнитопровод с кольцевыми полюсными наконечниками (торцами), индуктора (генераторной катушки) и индикаторных катушек (см. п. 2203414 по кл. Е21В 49/00, G01N 27/83 от 09.08.2001 г., опубл. в БИПМ №12, 27.04.2003 г.). Индуктор расположен коаксиально магнитопроводу. Количество индикаторных катушек четное. Они представляют собой многовитковые рамки без сердечника и имеют в сечении форму параллелограмма с наклоном большей его стороны к цилиндрическому основанию. Катушки установлены аксиально и равноудаленно относительно цилиндрического основания, расположены равномерно по окружности в два ряда с соблюдением соосности между последними и вплотную между собой. Обмотки индикаторных катушек включены попарно. Каждая пара представлена диаметрально противоположными обмотками индикаторных катушек из разных рядов. Ширину намотки индикаторной катушки и угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию определяют по формуле.

Недостатками описываемой конструкции является низкая чувствительность и разрешающая способность. Это обусловлено низким динамическим диапазоном измерений. В зоне небольших расстояний от исследуемой колонны имеет место лавинообразное увеличение крутизны кривой преобразования, что затрудняет проведение измерений на этом участке. В зоне, примыкающей к центру исследуемой колонны, проявляется неоднозначность измерений, обусловленная симметричным расположением пары индикаторных катушек, что затрудняет интерпретацию данных. В зоне, допустимой для измерений, чувствительность невысокая из-за значительной нелинейности кривой преобразования, обусловленной расположением катушек;

- в качестве прототипа взят индукционный зонд для определения дефектов обсадной колонны и насосно-компрессорных труб, состоящий из немагнитного герметичного корпуса, цилиндрического основания, на котором соосно размещен полый цилиндрический магнитопровод с кольцевыми полюсными наконечниками и кольцевым полюсным выступом, двух катушек индуктивности, а также четного количества индикаторных катушек (см. п. 2247240 по кл. Е21В 40/00, G01N 27/83 от 17.10.2003 г., опубл. 02.27.2005 г.). Торцы кольцевых полюсных наконечников магнитопровода выполнены в виде усеченного конуса. Кольцевой полюсный выступ выполнен в средней части магнитопровода. Катушки индуктивности расположены коаксиально магнитопроводу по обе стороны от кольцевого полюсного выступа и включены встречно. Индикаторные катушки представляют собой многовитковые рамки без сердечника и имеют в сечении форму параллелограмма с наклоном большей стороны к цилиндрическому основанию. Индикаторные катушки установлены аксиально и равноудаленно относительно цилиндрического основания, расположены равномерно по окружности в два ряда с соблюдением соосности между последними и вплотную между собой. Индикаторные катушки верхнего ряда установлены вплотную меньшей стороной параллелограмма к верхнему кольцевому полюсному наконечнику. Нижний ряд индикаторных катушек расположен под кольцевым полюсным выступом. Обмотки индикаторных катушек попарно соединены. Пара представлена диаметрально противоположными обмотками индикаторных катушек из разных рядов. Индикаторные катушки выполнены в два провода с образованием двух обмоток.

Недостатками описываемой конструкции является низкая чувствительность и разрешающая способность. Выполнение кольцевых полюсных наконечников магнитопровода в виде усеченного конуса, улучшая кривую преобразования канала определения дефектов типа «износ», в зоне, примыкающей к исследуемой колонне, сохраняет ее значительную нелинейность. Из-за низкой концентрации линий магнитной индукции индукционный зонд обладает низкой чувствительностью и разрешающей способностью канала определения дефектов типа «сквозные порывы». Низкая чувствительность обусловлена также расположением кольцевого выступа в средней части магнитопровода, поскольку именно эта часть индукционного зонда является рабочей для данного типа дефектов.

Технический результат сводится к повышению чувствительности и разрешающей способности индукционного зонда за счет расширения динамического диапазона измерений и достижения линеаризации кривой преобразования.

Технический результат достигается с помощью известного индукционного зонда для определения дефектов обсадной колонны и насосно-компрессорных труб, состоящего из немагнитного герметичного корпуса, цилиндрического основания, на котором соосно размещен полый цилиндрический магнитопровод с кольцевыми полюсными наконечниками и кольцевым полюсным выступом, двух катушек индуктивности, а также четного количества индикаторных катушек. Катушки индуктивности расположены коаксиально магнитопроводу по обе стороны от кольцевого полюсного выступа и включены встречно. Индикаторные катушки представляют собой многовитковые рамки без сердечника и имеют в сечении форму параллелограмма с наклоном большей стороны к цилиндрическому основанию. Индикаторные катушки установлены аксиально и равноудаленно относительно цилиндрического основания, расположены равномерно по окружности в два ряда с соблюдением соосности между последними и вплотную между собой. Индикаторные катушки верхнего ряда установлены вплотную меньшей стороной параллелограмма к верхнему кольцевому полюсному наконечнику. Обмотки индикаторных катушек попарно соединены.

Согласно изобретению кольцевые полюсные наконечники полого цилиндрического магнитопровода выполнены в виде тора.

Кольцевой полюсный выступ расположен на расстоянии от нижнего полюсного наконечника, в три раза превышающем значение его высоты.

Катушка индуктивности, расположенная выше кольцевого полюсного выступа образует генераторную катушку, при этом катушка индуктивности, расположенная ниже кольцевого полюсного выступа, образует силовую катушку.

Коаксиально силовой катушке дополнительно установлена компенсационная катушка.

Индикаторные катушки нижнего ряда расположены над кольцевым полюсным выступом вплотную с индикаторными катушками верхнего ряда.

Ширина намотки индикаторной катушки рассчитывается по формуле

d=4 h/3,

где d - ширина намотки индикаторной катушки, м;

h - высота кольцевого полюсного выступа, м.

Угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию рассчитывается по формуле

tg =4d/L,

где - угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию, град.;

L - расстояние между верхним кольцевым полюсным наконечником и кольцевым полюсным выступом, которое должно быть не менее десяти значений высоты кольцевого полюсного выступа, м.

Пара индикаторных катушек представлена смежными индикаторными катушками из разных рядов, включенными встречно.

Обмотки индикаторных катушек выполнены в один провод.

Внутри индикаторных катушек нижнего ряда расположены измерительные катушки, идентичные индикаторным катушкам, соединенные между собой и с выводом компенсационной катушки.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:

- на фиг.1 представлен индукционный зонд, продольное сечение;

- на фиг.2 представлена индикаторная катушка, общий вид;

- на фиг.3 представлена развертка части внешней поверхности индукционного зонда;

- на фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема индукционного зонда;

- на фиг.5 представлен график зависимости ЭДС от расстояния между кольцевым полюсным наконечником и стенкой исследуемой колонны;

- на фиг.6 представлен фрагмент обобщенной каротажной кривой.

Индукционный зонд (см. фиг.1) состоит из немагнитного герметичного корпуса 1 и цилиндрического основания 2, на котором соосно размещен полый цилиндрический магнитопровод 3 с кольцевыми полюсными наконечниками 4 и кольцевым полюсным выступом 5, расположенным на расстоянии от нижнего кольцевого полюсного наконечника 4, в три раза превышающем значение его высоты. Коаксиально полому цилиндрическому магнитопроводу 3, по обе стороны от кольцевого полюсного выступа 5, расположены катушки индуктивности. Катушка индуктивности, расположенная выше кольцевого полюсного выступа 5 образует генераторную катушку 6. Катушка индуктивности, расположенная ниже кольцевого полюсного выступа 5 образует силовую катушку 7. Указанные катушки включены встречно. Коаксиально силовой катушке 7 дополнительно установлена компенсационная катушка 8. Индукционный зонд содержит также четное количество индикаторных катушек 9 (см. фиг.2), представляющих собой многовитковые рамки без сердечника, имеющих в сечении форму параллелограмма (см. фиг.3) с наклоном большей стороны к цилиндрическому основанию 2. Индикаторные катушки 9 установлены аксиально и равноудаленно относительно цилиндрического основания 2 и расположены равномерно по окружности в два ряда с соблюдением соосности между последними и вплотную между собой. Индикаторные катушки 9 верхнего ряда установлены вплотную меньшей стороной параллелограмма к верхнему кольцевому полюсному наконечнику 4. Индикаторные катушки 9 нижнего ряда расположены над кольцевым полюсным выступом 5 вплотную с индикаторными катушками 9 верхнего ряда. Обмотки индикаторных катушек 9 попарно соединены. Пара представлена смежными индикаторными катушками 9 из разных рядов, включенными встречно. Обмотки индикаторных катушек 9 выполнены в один провод. Ширина намотки индикаторной катушки рассчитывается по формуле

d=4 h/3,

где d - ширина намотки индикаторной катушки, м;

h - высота кольцевого полюсного выступа, м.

Угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию рассчитывается по формуле

tg =4d/L,

где - угол наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию, град.;

L - расстояние между верхним кольцевым полюсным наконечником и кольцевым полюсным выступом, которое должно быть не менее десяти значений высоты кольцевого полюсного выступа, м.

Внутри индикаторных катушек 9 нижнего ряда расположены идентичные им измерительные катушки 10, соединенные между собой и с выводом компенсационной катушки 8.

Устройство работает следующим образом.

Индукционный зонд вместе с системой телеметрии ТИС-16 заключены в герметичный охранный кожух, снабженный устройствами механического центрирования, и образуют скважинный прибор. Последний, в процессе исследований, перемещают на каротажном кабеле внутри обсадной колонны. При спуске на скорости 0,3-0,4 м/с проводят обзорное исследование, а при подъеме, для более детального исследования, скорость варьируют в пределах 0,1-0,2 м/с.

Сигналы, снимаемые с измерительных катушек раздельно по нескольким каналам (в рассматриваемом примере двенадцати), по два канала на исследуемый сектор обсадной колонны, поступают в систему телеметрии ТИС-16, где смешиваются и преобразуются в частотно-модулированный сигнал. Последний по каротажному кабелю поступает в наземный блок каротажа Б-51, в котором смешанные сигналы разделяют и передают на ПЭВМ для их визуализации и записи в файл.

По каротажному кабелю производится запитка устройства телеметрии, генераторной 6 и силовой 7 катушки переменным электрическим током частотой 200 Гц величиной 200 мА.

При пропускании переменного электрического тока через генераторную 6 и силовую 7 катушки между кольцевыми полюсными наконечниками 4 магнитопровода 3 наводится переменное магнитное поле. Кольцевой полюсный выступ 5 полого цилиндрического магнитопровода 3 является общим полюсом для генераторной катушки 6 и силовой катушки 7. Линии магнитной индукции, выходя из кольцевого полюсного выступа 5, складываются. Поэтому кольцевые полюсные наконечники 4 полого цилиндрического магнитопровода 3 формируют одинаковую мгновенную полярность магнитного поля. В результате по цилиндрической поверхности кольцевого полюсного выступа 5 формируется четкий раздел двух магнитных систем - измерительной и компенсационной.

Смежное расположение индикаторных катушек 9 из разных рядов, представляющих пару, а также их встречное включение, делает пару нечувствительной к изменению расстояния до исследуемой колонны в широком диапазоне. При этом чувствительность к локальному изменению магнитного поля, образованному дефектами типа «сквозные порывы», возрастает.

В свою очередь измерительные катушки 10, расположенные внутри индикаторных катушек 9, имеют одну общую компенсационную катушку 8. Эти катушки, в силу своего расположения, чувствительны к изменению расстояния до колонны, что позволяет получить информацию о дефекте типа «износ». К дефектам типа «сквозные порывы» измерительные катушки 10 малочувствительны. Такая избирательная чувствительность позволяет выполнять селекцию дефектов по их характеру.

Компенсационная катушка 8, является единой для всех измерительных катушек 10 и компенсирует величину амплитуды наводимого фона от излучения генераторной катушки. Силовая катушка 7 взаимодействует только с компенсационной катушкой 8 и не участвует в измерительной системе. Расположение кольцевого полюсного выступа 5 на расстоянии от нижнего полюсного наконечника 4, в три раза превышающем значение его высоты, позволяет создать магнитную систему, которая стабилизирует уровень сигнала в зоне малого удаления индукционного зонда от исследуемой колонны. Уменьшение этого расстояния приведет к снижению чувствительности зонда, так как линии магнитной индукции будут замыкаться между нижним кольцевым полюсным наконечником 4 и кольцевым полюсным выступом 5, не достигая стенки колонны. Увеличение расстояния приведет к уменьшению плотности линий магнитной индукции, достигающих стенки исследуемой колонны, что в свою очередь приведет к снижению чувствительности индукционного зонда.

В случае нарушения центровки индукционного зонда в исследуемой колонне и при приближении последнего к стенке колонны проявляется эффект частичной стабилизации уровня измеряемого сигнала, поскольку компенсация получается регулируемой. Это повышает динамический диапазон измерений и, как следствие, повышает чувствительность и разрешающую способность измерительной системы.

Измерительные катушки 10 расположены внутри индикаторных катушек 9 с целью получения фиксированного отступа от кольцевого полюсного выступа 5, равного величине ширины намотки d индикаторных катушек 9. Эта ширина должна составлять 4h/3, что обеспечивает повышение концентрации линий магнитной индукции, взаимодействующих со стенкой исследуемой колонны. Большее удаление измерительной катушки 10 от кольцевого полюсного выступа 5 приведет к снижению плотности линий магнитной индукции, исходящих из кольцевого полюсного выступа 5 и пересекающих контур измерительной катушки 10. Приближение измерительной катушки 10 снизит степень взаимодействия последней непосредственно с исследуемой колонной. Расположение измерительных катушек 10 внутри индикаторных катушек 9 нижнего ряда способствует линеаризации кривой преобразования, что повышает чувствительность и разрешающую способность. На фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема индукционного зонда, на которой Lг - генераторная катушка, Lc - силовая катушка, Lu-n - измерительные катушки, Lд-n, Lк-n - индикаторные катушки, Uи-n - ЭДС сигнала типа «износ», Uд-n - ЭДС сигнала типа «сквозной порыв», n - число каналов измерения.

Расстояние между верхним кольцевым полюсным наконечником 4 и кольцевым полюсным выступом 5 должно быть не менее десяти значений высоты кольцевого полюсного выступа 5, поскольку расстояние меньше указанного приведет к тому, что наибольший поток линий магнитной индукции будет замыкаться через исследуемую колонну, уменьшая при этом магнитную проводимость в зоне индикаторных катушек 9.

Выбранное расстояние между верхним кольцевым полюсным наконечником 4 и кольцевым полюсным выступом 5 обеспечивает равенство потока, взаимодействующего со стенкой исследуемой колонны, и потока, пересекающего контур измерительных катушек 10, минуя стенку колонны, что приводит к линеаризации кривой преобразования и в свою очередь повышает чувствительность индукционного зонда и его разрешающую способность.

Расстояние между нижним кольцевым полюсным наконечником 4 и кольцевым полюсным выступом 5, в три раза превышающее значение его высоты, и расположение измерительных катушек 10 внутри индикаторных 9 способствует расширению диаграммы взаимодействия измерительной катушки 10 с исследуемой колонной.

Соблюдение неразрывности исследования колонны выполняется при сдвиге нижнего просвета рамки относительно верхнего на величину, равную 2d, при условии, что большая сторона рамки приблизительно равна L/2. Исходя из этого, целесообразно использовать индикаторные 9 и измерительные 10 катушки, имеющие в сечении форму параллелограмма с углом наклона большей стороны параллелограмма к цилиндрическому основанию, рассчитываемому по формуле tg =4d/L, что обеспечивает неразрывность исследования стенки колонны.

С помощью индукционного зонда определяли состояние обсадной колонны на Северо-Ставропольской эксплуатационной скважине №512 предприятия «Кавказтрансгаз». Исследования проводили комплексным прибором ЭСП-2/12, в состав которого вошел заявляемый индукционный зонд, со следующими основными параметрами:

ширина намотки индикаторной катушки, d	10 мм
высота кольцевого полюсного выступа, Н	8 мм
расстояние между верхним кольцевым полюсным
наконечником и кольцевым полюсным выступом	100 мм
расстояние между кольцевым полюсным выступом
и нижним полюсным наконечником	24 мм
число каналов для дефектов типа «износ»	6
число каналов для дефектов типа «сквозные порывы»	6

На фиг.5 представлен график зависимости ЭДС от расстояния между кольцевым полюсным наконечником и стенкой исследуемой колонны (1), на котором А и В - кривые преобразования известных приборов КСПТ-7 и ЭСП-1/22 соответственно, а С - кривая преобразования заявляемого индукционного зонда.

На графике видно, что кривая С на всем интервале имеет наибольшую крутизну характеристики и максимально приближена к линейной зависимости.

Полученные данные исследования обсадной колонны были обработаны и отражены на фрагменте обобщенной каротажной кривой, представленной на фиг.6. Усредненное значение диаметра обсадной колонны по шести секторам исследования соответствует кривой «Вн. диаметр». Суммарная реакция зонда на перфорационные отверстия в колонне отражена кривой «Датчик дефектов». Анализ указанных кривых подтверждает наличие интервала перфорации на глубине 725-752 м.

Проведенные исследования с помощью индукционного зонда и полученные результаты подтверждают промышленную применимость устройства.

Анализ изобретательского уровня:

известно расположение генераторной катушки на магнитопроводе и коаксиально установленной на ней компенсационной катушки (см. а.с. №947407 по кл. Е21В 47/00, G01N 27/84 от 20.06.80 г., опубл. 30.07.82, ОБ №28). Компенсационная катушка компенсирует величину фазы наводимого сигнала;

известно соединение измерительной катушки с компенсационной (дополнительной) катушкой, которая в свою очередь подключена к катушке индуктивности (см. п. №1052656 по кл. Е21В 49/00, Е21В 47/00 от 24.06.82 г., опубл. 07.11.83 г., ОБ №41). Каждая измерительная катушка относится к своей дополнительной катушке;

известно выполнение магнитопровода в виде опоры с тремя полюсными наконечниками, расположенными на разном расстоянии друг от друга (см. п. США №3845381 по кл. G01R 33/12 от 12.04.73 г., опубл. ИСМ №21, 1974 г., стр 60). Такое выполнение магнитопровода обеспечивает расщепление магнитного поля на две измерительные части разной длины;

известно расположение катушки в катушке (Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 192 с.). Катушки взаимосвязаны между собой и служат для передачи энергии из одного контура в другой.

Таким образом, заявляемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого индукционного зонда и связями между ними. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.