Контроль технического состояния обсадной колонны методом электромагнитной дефектоскопии

Диаграммы акустического цементомера дают качественное представление о состоянии цементного кольца и его герметичности. Установить характер дефектов (каналы, разрывы или микрозазоры) по полученным материалам в большинстве случаев нельзя. Поэтому любые дефекты или их сочетания выражаются через чисто условный термин сплошность контакта.

Для характеристики контактов цементного камня с колонной или горной породой можно ввести три вида контактов.

Сплошной контакт – имеется жесткий контакт цементного камня с колонной или горной породой по всей поверхности прилегания.

Частичный контакт – есть контакт на отдельных участках поверхности цементного камня с колонной; имеются каналы в цементном камне размером не более половины периметра колонны, разрывы – не менее 1,5м; отмечается чередование участков размером 0,5–1,5м с хорошим или плохим сцеплением цементного камня с колонной.

Отсутствие контакта – в пределах базы измерения колонна свободна или имеет зазор на границе колонна – цементный камень.

Таким образом, акустический метод позволяет определять степень сцепления цементного камня с колонной. Сцепление цементного камня со стенками скважины устанавливают при сопоставлении данных акустического цементомера с замерами, полученными в необсаженной скважине.

Метод термометрии. Термометрия действующих скважин (высокочувствительная термометрия) отличается от традиционной термометрии (геометрия, метод закачки жидкости с контрастной температурой) тем, что измерения проводятся в процессе работы скважины и исследуются тепловые аномалии, обусловленные термодинамическими эффектами при движении флюидов в пласте и стволе скважины.

Определение места притока и интервала затрубной циркуляции жидкости методом термометрии показано на рисунке 1.2.

Исследования сводятся к спуску термометра в продуктивный интервал и регистрации распределения температуры вдоль ствола скважины с обязательным перекрытием зумпфа и приема НКТ. Желательно, чтобы прием НКТ был поднят на 40-50 метров выше кровли верхнего перфорированного пласта. В действующей скважине с квазистационарным тепловым полем обязательно регистрируется повторная термограмма и несколько термограмм в остановленной скважине. 

Интерпретация термограмм заключается в выявлении и анализе температурных аномалий. Анализ начинают с зумпфа. При наличии участка ненарушенной геотермы (в действующей скважине обычно на расстоянии 10 м от подошвы нижнего работающего пласта) определяют градиент температуры. Корреляция градиентов температуры с разрезом свидетельствует об отсутствии движения жидкости в скважине и заколонном пространстве по данным термометрии.

Рис. 1.2 – Определение места притока и интервала затрубной циркуляции

жидкости методом термометрии (по Д.И. Дъяконову)

I, II – термограммы, зарегистрированные в разное время; 1 – водоносный песчаник;

2 – глина; 3 –цемент; 4 –  колонна; 5 – интервал перфорации;

6 – направление движения  жидкости

 

Измерение температуры в интервале продуктивных пластов проводится на спуске. Скорость движения термометра зависит от постоянной времени датчика. Поскольку постоянная времени, определенная в лабораторных условиях, не всегда совпадает с реальным значением в скважине, рекомендуется писать со скоростью не более 200 м/ч. 

К настоящему времени определились следующие задачи, которые могут решаться высокочувствительной термометрией:

- выделение интервалов  притока, в том числе и слабоработающих перфорированных пластов;

- выявление заколонных перетоков из неперфорированных пластов;

- определение притоков  в скважину из мест негерметичности обсадной колонны.

Метод фотографирования. Изучить характер дефектов обсадных колонн можно путем их фотографирования. В скважинный прибор помещают фотокамеру, управление которой оператор осуществляет с поверхности. Скважинный прибор типа ФАС-1 состоит из оптической части, лентопротяжного механизма электрической части и кожуха со смотровым окном диаметром 60мм. Фотографирование – боковое одиночными кадрами или серией кадров при движении прибора. Размер изображения 11,4мм в масштабе 1:5.

Рис. 1.3 – Скважинный акустический телевизор САТ

1 – центратор; 2 – акустически прозрачное стекло; 3 – пьезоэлектрический преобразователь;

4 – механизм вращения  пьезоэлектрического преобразователя; 5 – блок электроники;

6 – геофизический кабель; 7 – регистратор; 8 – наземная панель; 9 – кинескоп; 10 – объектив;

11 – механизм протяжки  фотопленки

Фотографирование стенок скважины возможно только в прозрачных средах. Поэтому перед спуском прибора скважину необходимо промыть чистой водой. Это резко ограничивает область возможного применение метода.

Если скважина заполнена непрозрачной жидкостью – глинистым раствором, нефтью, минерализованной водой, то получить изображение стенок обсадной колонны или открытого ствола скважины можно с помощью скважинного акустического телевизора (рисунок 1.3). Изображение получают методом ультразвуковой эхолокации.

В скважинном приборе установлен вращающийся вокруг продольной оси пьезоэлектрический преобразователь, который совмещает функции излучателя и приемника ультразвуковых импульсов. За один оборот вокруг оси прибора излучатель посылает около 400 посылок импульсов. Посылаемые импульсы имеют форму узкого акустического луча, сфокусированного в точке на поверхности скважины. Амплитуда отраженного импульса зависит от состояния поверхности. Отраженный импульс воспринимается приемником и передается на поверхность. Изображение отраженного сигнала по одному витку высвечивается в виде одной строки переменной яркости на экране кинескопа и регистрируется на фотопленку, движущуюся синхронно с протяжкой кабеля (рисунок 1.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Физические основы электромагнитной дефектоскопии

 

Метод скважинной электромагнитной дефектоскопии и толщинометрии, основан на регистрации электромагнитного отклика от вихревых токов, возникающих в металлических колоннах и элементах конструкции скважины под воздействием электромагнитного излучения генераторной катушки. В ходе исследований измеряются различные параметры ЭДС индукции: амплитуда, декремент затухания, фазовый сдвиг сигнала относительно фазы возбуждающего тока в зависимости от модификации метода. На формирование ЭДС главным образом влияют: удельная электропроводность и магнитная восприимчивость (являющиеся характеристиками материала труб), толщина и сплошность интервала исследования, диаметр колонн и их соосность (являющиеся геометрическими характеристиками), конструкция катушек, характеристики излучаемого сигнала и положение прибора в стволе (являющиеся характеристиками аппаратуры и условий измерения). На сигнал могут оказывать влияние блуждающие и гальванические токи, а также большая концентрация ферромагнетиков в разрезе скважины при исследовании обсадных колонн. Современные скважинные дефектоскопы-толщиномеры позволяют выделить элементы конструкции скважины (трубы, муфтовые соединения, пакеры, центраторы, перфорационные интервалы и др.), выделить продольные и поперечные дефекты типа «трещина» практически с нулевой раскрытостью и протяженностью от нескольких сантиметров, обрывы колонны и интервалы активной коррозии, определять толщину трубы с точностью до 0.5 мм. При проведении исследований прибор должен быть центрирован. Простейшим устройством этого типа является индукционный индикатор дефектов, принцип работы которого основан на регистрации фазового сдвига между возбуждаемым и регистрируемым сигналом, обусловленного наличием дефекта в колонне. Для повышения разрешающей способности прибор изготавливают из расчета наибольшего сближения диаметров катушек и внутреннего диаметра труб. Метод дает интегральную картину потери металла (коррозия) или нарушение сплошности (трещина) в кольцевом секторе колонны, обусловленное геометрическим фактором измерительного зонда.

В настоящее время разработаны и активно применяются системы, позволяющие проводить изучение многократных колонн, в том числе и при малом диаметре внутренней колонны (диаметр прибора 36 мм). В отечественной геофизической практике наибольшее развитие получили направления электромагнитной дефектоскопии (серия «ЭМДС») и магнитно-импульсной дефектоскопии (серия «МИД»). Аппаратура этих серий несколько различна по принципам формирования и регистрации сигнала, телеметрии и разрешающей способности, но в обоих типах используется методика регистрации и анализа декремента затухания ЭДС индукции для зондов с различной базой. Дальнейшим развитием этого направления являются сканирующие дефектоскопы, которые позволяют локализовать дефекты в определенном сегменте и существенно повысить разрешающую способность метода. Исходной информацией для обработки и интерпретации является серия кривых амплитуды ЭДС индукции для нескольких зондов на различных временах задержки от инициирующего импульса. Специальная обработка позволяет восстановить декремент затухания для различных по удаленности зон, настроиться на соответствующий диаметр исследуемой колонны и отфильтровать влияние других колонн. Результатом интерпретации является серия дефектограмм и толщинограмм для каждой колонны. Средством калибровки прибора является набор из аттестованных стальных труб, отличающихся диаметром и толщиной стенок, а также искусственными дефектами.

Сущность заключается в том, что осуществляют регистрацию переменного электромагнитного поля, создаваемого генераторной катушкой, с помощью нескольких пар дифференциально соединенных измерительных катушек, вместе с тем при создании переменного электромагнитного поля по генераторной катушке пропускают периодическую последовательность прямоугольных импульсов тока с такой частотой следования, при которой толщина скин-слоя для первой гармоники превышает толщину металла стенки колонны, а в напряжении на измерительных катушках выделяют первую гармонику, измеряют активную и реактивную составляющие указанного напряжения, затем вычисляют амплитуду и величину фазового сдвига указанного напряжения относительно тока в генераторной катушке, в каждой точке наблюдения рассчитывают кривые напряжения с величиной фазового сдвига, изменяющейся от 0 до 360 градусов с шагом 5-10 градусов, выбирают среди них кривую, наименее искаженную помехами от электромагнитных неоднородностей трубы, далее на выбранной кривой выделяют локальные аномалии напряжения, соответствующие дефектам колонны. Технический результат: повышение информативности и упрощение интерпретации результатов дефектоскопии путем выделения аномалий против локальных дефектов обсадных колонн на фоне аномалий, создаваемых электромагнитными неоднородностями металла стальных обсадных колонн, а также обеспечение возможности выявления формы и ориентировки обнаруженных дефектов.

Недостатком способа является высокий уровень помех на получаемых диаграммах дефектоскопии, обусловленный неоднородностями магнитной проницаемости и электропроводности металла обсадных колонн. Выявление небольших по размерам дефектов на фоне интенсивных помех весьма затрудняется или становится невозможным.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения информативности и упрощения интерпретации результатов дефектоскопии путем выделения аномалий против локальных дефектов обсадных колонн на фоне аномалий, создаваемых электромагнитными неоднородностями металла стальных обсадных колонн, а также позволяет выявить форму и ориентировку обнаруженных дефектов относительно оси колонн.

Затем в заявляемом способе по величине фазового сдвига в экстремальных точках локальных аномалий напряжения при условии, что их интенсивность в 5 раз и более превышает флуктуации общего фона расчетной кривой напряжения, определяют ориентировку длинной оси дефекта по отношению к оси обсадной колонны и по результатам интерпретации устанавливают форму дефекта.

Кроме того, в способе электромагнитной дефектоскопии по генераторной катушке пропускают прямоугольные импульсы тока с паузой, причем длительность паузы выбирают из необходимости обеспечения минимальной относительной доли третьей гармоники сигнала в пределах 1/5 -1/6 от длительности импульса тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4 Устройство  и характеристика ЭМДС-ТМ-42У

 

Скважинный электромагнитный дефектоскоп-толщиномер ЭМДС-ТМ-42У выполняет следующие функции:

1. Предназначен для дефектоскопии и раздельного определения толщины стенок труб в скважинах;
2. Позволяет исследовать конструкцию скважины, в том числе: определить положение всех муфт в двух внутренних трубах. Получить полную картину расположения всех труб по глубине, глубину размещения башмаков колонн, пакеров, клапанов и т.д;
3. Определяет толщину двух внутренних труб отдельно для каждой трубы (после машинной обработки);
4. Обнаруживает дефекты типа трещин, порывов, интервалы коррозии и механического истирания стенок, зоны взрывной перфорации и фильтры, а также рассоединения в муфтах;
5. Содержит чувствительный термометр для выявления притока и поглощения флюида;
6. Используется с каротажными станциями, позволяющими получить электрические импульсы глубины и магнитные метки. Сведения о телеметрии открыты для доступа;
7. Позволяет проводить исследования в действующих нефтяных и газовых скважинах без остановки процесса эксплуатации.