РЕГИСТРАЦИЯ ДАННЫХ
Короткий датчик модуля EmPulse-2 генерирует короткие низкоамплитудные электромагнитные импульсы, намагничивающие главным образом первый барьер, а затем регистрирует временные спады намагниченности. Датчик широко используется для контроля технического состояния насосно-компрессорных труб, но может также применяться в аналогичных целях в колоннах обсадных труб диаметром до 5". Минимальный размер обнаруживаемых дефектов определяется размером датчика, который составляет примерно 0,9". В случаях, когда дефект по своим размерам превышает минимальный, регистрируется уменьшение как амплитуды, так и времени спада намагниченности по сравнению с номинальным. Соответственно, когда в радиус сканирования прибора попадает дополнительный объем металла, например, муфта, спад намагниченности происходит дольше номинального спада. Таким образом, амплитуда магнитного поля, зарегистрированного в зоне муфты, будет выше номинала на всем протяжении спада (см. рис 5.3). Спад намагниченности начинает отклоняться от номинального не с самого начала, а спустя 0,003 сек после начала регистрации спада. Средний датчик EmPulse-2 оптимизирован под сканирование металлических барьеров диаметром от 5" до 13" для первого барьера и до 9-5/8" для второго барьера. Этот датчик генерирует электромагнитные импульсы с большей амплитудой, чем у короткого датчика. Менее чем за 0,05 секунды (рис. 5.4) происходит равномерный спад намагниченности по всему второму барьеру и его компонентам, Image ModifiedImage Modified Рис. 5.3. Электромагнитные спады, зарегистрированные коротким 5" датчиком в металлическом барьере 4-½" для интервала со стенкой номинальной толщины (черная кривая), зоны 10% коррозии (красная кривая) и муфты (зеленая кривая).
включая муфты. Отклонение спада от номинала напротив дефекта начинает происходить cпустя 0.05 сек после начала регистрации, что значительно позже, чем в случае нахождения дефекта в первом барьере (рис. 5.3). Данное явление используется для в определения места коррозий, встречающихся в первом, втором и третьем барьерах (рис. 5.4). Длинный датчик EmPulse-3 генерирует долгие высокоамплитудные электромагнитные импульсы и регистрирует более длительные спады намагниченности. Регистрируемые отклики отражают состояние первого, второго и третьего барьеров диаметром до 14". Отклонения зарегистрированных спадов намагниченности в интервалах напротив муфт и дефектов в третьем барьере начинаются позже, чем в первом и втором барьерах (рис. 5.5). Наличие коррозии или дефекта ускоряет затухание, в то время как в зоне напротив муфт происходит замедление магнитного спада. Важно отметить, что коррозии и муфты на спадах намагниченности проявляются на разных временах, т.к. отклонение замеренного электромагнитного спада от номинального в зоне коррозии происходит раньше, чем в зоне муфты. Коррозия проявляется на данных спада намагниченности каждого барьера в тот же самый интервал времени, в котором регистрируется отклик от соответствующей муфты. Данные электромагнитного спада, регистрируемые 5" датчиком оцифровываются по 42 каналам. Средний 13" датчик регистрирует спад по 51 каналу, в то время как длинный 19" датчик, обладая наибольшим временем наблюдения, производит оцифровку спада по 91 каналу. Таким образом, в общей сложности прибором осуществляется запись по 181 каналу за один спуск в скважину.
Image Modified Image Modified Рис. 5.4. Электромагнитные спады, зарегистрированные средним 13" датчиком в НКТ 4-½" для интервала со стенкой номинальной толщины (черная кривая), зоны 10% коррозии (красная кривая) и муфты колонны 9-5/8" (зеленая кривая).
Процедура регистрации данных Исследование EmPulse может проводиться как во время спуска, так и во время подъема, как в остановленной, так в работающей скважине. Тем не менее, рекомендуется производить запись на подъеме в остановленной скважине, т.к. скорость движения прибора при этом более равномерна. Несмотря на отсутствие каких-либо особых требований к режиму работы скважины, следует отметить, что в случаях, когда первый металлический барьер имеет малый диаметр или же скважина является добывающей и работает с высоким дебитом, прибор может двигаться неравномерно, что в свою очередь может сказаться на качестве замеренных данных. Любое спущенное в скважину электрическое оборудование, такое как ЭЦН, катодная защита, датчики температуры и давления, также может повлиять на работу прибора и записываемые данные. В связи с этим, перед исследованием необходимо отключить все скважинное оборудование от источника питания. Внизу представлена типовая схема исследования многобарьерной скважины. На рис. 5.7 представлен весь набор данных комплексного прибора EmPulse: данные с короткого 5" датчика представлены на панели SS, со среднего датчика – на панели MS для модуля EmPulse-2. Данные с длинного датчика представлены на панели данных LS для модуля EmPulse-3. На рис. 5.7 также показано увеличенное изображение каротажных кривых, записанных длинным 19" датчиком, на которых видны муфты каждого из трех барьеров скважин-
Image Modified Image Modified Рис. 5.5. Электромагнитные спады, зарегистрированные длинным датчиком EmPulse-3 в НКТ 4-½" и колонне 9-5/8" для интервала со стенкой номинальной толщины (черная кривая), зоны 10% коррозии (красная кривая) и муфты колонны 13-3/8" (зеленая кривая).
ной подвески. Это свидетельствует о том, что каждая каротажная кривая содержит в себе совокупную информацию о всех подвергшихся сканированию барьерах. Поэтому для количественной оценки степени коррозии в скважине недостаточно использовать только данные конкретного датчика или временного канала, но необходимо осуществлять совместный анализ всей совокупности данных, полученных со всех датчиков.
ОБРАБОТКА ДАННЫХ
Применение моделирования в магнитно-импульсной дефектоскопии
В магнитно-импульсной дефектоскопии толщина стенок металлических труб определяется с применением математического моделирования и последующим сравнением откликов, зарегистрированных в скважине прибором EmPulse, c модельными откликами для скважины определенной конструкции. Зарегистрированные спады намагниченности могут быть использованы не только для определения толщины каждого металлического барьера скважины, но также и для определения электромагнитных параметры труб – магнитной проницаемости и электромагнитной проводимости. Одним из преимуществ данного метода является то, что он является более гибким при адаптации модели к любым скважинам, имеющиминдивидуальныеособенности конструкции, металлического барьера и т.д. Прибор EmPulse регистрирует совокупность сигналов от всех металлических барьеров в скважине, включая данные о воздействии, оказываемом соседними барьерами. В связи с этим, для определения свойств материала, из которого изготовлены трубы, и точного расчета толщины их стенок модель должна учитывать индивидуальные отклики от всех барьеров. Данная задача решается при помощи двухмерного симулятора EmPulse, основанного на численном решении осесимметричного уравнения Максвелла (2), в котором используется моделирующий отклики датчика алгоритм. Симулятор учитывает геометрию прибора с центраторами и моделирует отклики одновременно от нескольких датчиков в двух измерениях – вдоль ствола скважины и в радиальном направлении (рис. 5.8). На рис. 5.9 показано, с какой степенью точности показания прибора могут быть адаптированы к двухмерной численной модели.
Определение толщины стенки
Для определения толщины стенок исследуемых барьеров необходимо сопоставить модельный спад намагниченности с замеренным спадом путем последовательного изменения параметров электрической проводимости, магнитной проницаемости и толщин барьеров для каждой глубины. Сопоставление модельных спадов с регистрируемыми производится для каждого из датчиков в отдельности(рис. 5.10). Моделирование EmPulse представляет собой многопараметрический математический процесс. На основании многочисленных лабораторных исследований можно сделать вывод, что значения электрической проводимости и магнитной проницаемости остаются более или менее постоянными на всем протяжении трубы (стандартной длины 33 фута) и зависят от сорта стали и степени ее механического старения. Исходя из этого, процедура моделирования может выполняться в несколько этапов. На
Image Modified Рис. 5.6. Типовая процедура исследования EmPulse со спуском прибора до нижней границы интервала исследования и записью на подъеме со стабильной скоростью не более 6 м/мин до верхней границы интервала. Image Modified Рис. 5.7. Исходные данные комплексного прибора EmPulse. На панели короткого датчика (EmPulse-2) представлены спады намагниченности, оцифрованные 42 временными каналами 5" датчика, на панели среднего датчика (EmPulse-2) – 51 каналом 13'' датчика (MID-2) и на панели длинного датчика (EmPulse-3) – 91 каналом 19'' датчика. Увеличенный фрагмент демонстрирует изменение отклика напротив муфт первого, второго и третьего барьеров.
Image ModifiedRadial Distance, mmRadial Distance, mmMagnetic fieldElectrical current, a.u.A Image ModifiedImage ModifiedBElectrical current, a.u.Magnetic fieldRadial Distance, mmRadial Distance, mm Рис. 5.8. Двухмерная модель EmPulse. Результат моделирования распределения электрических токов (слева) и магнитного поля (справа), индуцированные и замеренные приборами EmPulse-2 и EmPulse-3 в НКТ и двух обсадных колоннах.
первом этапе алгоритм анализирует отклики датчика на всех глубинах с применением коррелированных по глубине линий трендов и распознает трубные муфты во всех барьерах. Затем он разбивает каждый из барьеров на несколько отрезков, расположенных между муфтами, и создает список скважинных интервалов, в которых имеются все барьеры, но отсутствуют муфты. На следующем этапе алгоритм анализирует все спады для каждого из отрезков, выбирает статистически репрезентативные спады и, исходя из допущения, что электрическая проводимость и магнитная проницаемость являются постоянными по всему отрезку трубы (хотя их значения могут различаться для разных барьеров), изменяет эти два параметра и толщину стенки трубы до получения оптимального соответствия с откликом датчика (рис. 5.11). На заключительном этапе данный алгоритм создает профили толщины стенки, электрической проводимости и магнитной проницаемости для каждого из трех барьеров (рис. 5.11). Этот алгоритм получил название адаптации в реальном времени или Real-Time Fitting (RTF), т.к. с его помощью моделируются отклики и производится адаптация модельных и измеренных откликов непосредственно в процессе расчета толщин. Алгоритм RTF является автокалибруемым и учитывает любые сочетания концентрически расположенных труб без необходимости введения данных о сорте стали, коэффициенте старения и особенностях конструкции, т.к. сорт стали определяется по произведению магнитной проницаемости и электрической проводимости (μ∙σ) с введением этих данных в процесс
Image Modified Рис. 5.9. Представлены результаты адаптации замеренных (пунктирные линии) и моделируемых (сплошные линии) спадов намагниченности для всех трех сенсоров прибора EmPulse.
Image Modified Рис. 5.10. Результаты моделирования EmPulse для первого барьера (колонна 7") с оптимальным соответствием, полученным при толщине стенки 7,5 мм (зеленая линия).
моделирования на отдельной панели данных. Это зачастую позволяет распознать трубы, изготоленные из нестандартных материалов, таких как стальные сплавы, содержащие хром или магний в различных концентрациях. Cканируемые трубы могут иметь остаточную намагниченность по следующим причинам:
- Работа электрического скважинного оборудования.
- Механические нагрузки на скручивание, изгиб и т.д.
- Трение бурильной трубы о колонну во время бурения.
- Воздействия в процессе транспортировки и хранения.
Остаточная намагниченность значительно искажает регистрируемый сигнал, особенно в случае увеличения скорости движения прибора в скважине. Подобные искажения достаточно хорошо фильтруются, т.к. они производят одинаковый эффект на всех каналах прибора. На поздних временах магнитного спада, когда вихревые токи затухают, регистрируемый прибором EmPulse сигнал содержит лишь эту остаточную намагниченность. Симулятор EmPulse автоматически вычитает этот вклад от магнитной помехи в отклик прибора.
Image Modified Рис. 5.11. Результаты численного моделирования для определения толщины стенки. Черные пунктирные линии в трубах «НКТ» и «ОБСАДНАЯ КОЛОННА» обозначают номинальную толщину стенок НКТ и обсадной колонны соотвественно, зеленые сплошные линии в колонках «Толщина» обозначают модельную толщину стенок НКТ и обсадной колонны по данным зарегистрированного отклика EmPulse. Отмеченные синим цветом участки означают зоны, где модельная толщина превышает номинальную, а коричневым – те зоны, где модельная толщина ниже номинальной. Значения электрической проводимости (σ) и магнитной проницаемости (µ) приводятся в соответствующих колонках для типов стали каждой трубы НКТ или обсадной колонны.
ТЕСТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ХОДЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Была осуществлена обширная программа лабораторных исследований, с целью определения характеристик прибора EmPulse, его регистрируемого отклика на дефекты в первом, втором и третьем скважинных барьерах. С помощью подобных исследований можно оценивать качество, чувствительность и надежность датчиков, электроники прибора и технологии в целом путем моделирования вариантов конструкции скважины с различными сочетаниями типов спущенных труб. Тест 1. Определение минимальной потери металла для каждого барьера в конструкциях с двумя барьерами Ниже приводится описание процедуры лабораторного испытания, проведенного с целью определения минимальной потери металла в конструкциях скважин с двумя барьерами. В ходе испытания была применена двухбарьерная система, состоящая из труб диаметром 3-½" и 9-5/8" длиной по 3 метра каждая, с проточенными по окружностями желобками, расположенными на расстоянии 0,75 м друг от друга, имитирующими постепенную потерю металла.
!worddavb9db6492b00d6cd1f8206b40e4890356.png|height=422,width=312!Рис. 5.12a. Результаты лабораторных исследований: согласованное изменение измеренной и номинальной толщины стенок первого и второго барьеров (3-½" и 9-5/8"). Смоделированные толщины обеих труб отображены зеленой и синей кривыми с учетом влияния изменения толщины первого барьера на расчет толщины второго.
!worddav71a95bbf048541c993700a41567cc2e2.png|height=408,width=308!Рис. 5.12b. Результаты лабораторных исследований: обратно пропорциональное изменение измеренной и номинальной толщины стенки труб диаметром 3-½" и 9-5/8". Смоделированные толщины обеих труб отображены зеленой и синей кривыми с учетом влияния изменения толщины первого барьера на расчет толщины второго.
На рис. 5.12a показаны результаты лабораторных испытаний для труб обоих диаметров (3-½" и 9-5/8") с уменьшением толщины стенки в зависимости от глубины. На рис. 5.12b показаны результаты лабораторных испытаний для системы, при которой толщина стенки трубы 3-½" увеличивалась, в то время как толщина трубы 9-5/8" уменьшалась. Расхождение между смоделированными и фактическими толщинами было менее 0,4 мм (6%) для первого барьера и менее 0,8 мм (8%) для второго. Тест 2. Оценка размеров наименьшего дефекта в третьем барьере (труба 13-3/8") Данное исследование проводилось с целью проверки способности прибора выявлять дефекты в третьем барьере, который обычно представлен кондуктором 13-3/8", а также для демонстрации чувствительности прибора к дефектам в трубах большого диаметра в целом и его способности определять толщину стенок первых трех барьеров. Ниже представлено описание одной из лабораторных установок. Компоновка состояла из трубы 3-½", трубы 9-5/8", представляющей промежуточную колонну, и трубы 13-3/8". В последней трубе обсадной колонны было просверлено отверстие диаметром 7-½", что эквивалентно равномерной потере металла, составляющей 8,8%. На рис. 5.13 приводятся результаты лабораторного исследования. Модельная кривая толщи-
Image Modified Рис. 5.13. Результаты лабораторных исследований прибором EmPulse-3: зарегистрированный дефект в третьем барьере (колонна 13-3/8").
ны стенки трубы 13-3/8" однозначно показывает наличие дефекта. Расчетная потеря металла в районе местонахождения дефекта составила 6,7%. Во временном интервале дефекта не отмечено каких-либо значительных отклонений от откликов первого и второго барьеров. Тест 3. Оценка размеров наименьшего дефекта в трубе 13-3/8" при наличии колонны трубы 18" Еще одно лабораторное исследование проводилось с целью проверки способности прибора EmPulse выявлять дефекты во втором барье- ре трехбарьерной конструкции и определять толщину стенок первых трех барьеров. Тестовая модель состояла из вставленных друг в друга труб диаметром 9-5/8", 13 3/8" и 18". В трубе 13-3/8" было просверлено отверстие диаметром 7-½", имитирующее равномерную потерю металла, составляющей 8,8%. Задача заключалась в выявлении дефектов в первых трех барьерах. На рис. 5.14 показаны результаты лабораторного исследования. Дефект во втором барьере (труба 13-3/8") фиксируется как потеря металла, составляющая 6,7%.
Image Modified Рис. 5.14. Результаты лабораторных исследований прибором EmPulse-3: (а) дефект во втором барьере трехбарьерной конструкции из труб диаметром 9-5/8", 13-3/8" и 18".
ПРЕИМУЩЕСТВА И ОГРАНИЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ Indigo EmPulse Технология Indigo EmPulse основана на регистрации затухания магнитного поля во временной области и моделировании спадов намагниченности, что дает неоспоримые преимущества при анализе многобарьерных конструкций и позволяет правильно оценивать влияние изменения толщины одного барьера на оценку толщины другого. Ниже перечислены преимущества и ограничения технологии Indigo EmPulse. Преимущества:
- Определение толщин стенок каждого из первых трех металлических барьеров за одну спуско-подъемную операцию Основнымпреимуществомтехнологии Indigo EmPulse является то, что отклонения от номинальной толщины стенки и дефекты в металлических трубах могут выявляться и оцениваться одновременно для первого, второго и третьего барьеров. В результате этого исследование трехбарьерной конструкции может быть выполнено за один спуск прибора, что повышает экономическую эффективность исследования и снижает затраты времени на его проведение.
|