Детальная диагностика технического состояния скважин с помощью сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии

15.05.2020

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2020 - № 1 (15).

УДК 622.276.012.05.004.5

А.Ю. Вдовин, к.т.н., А.Э. Пекина, Р.Н. Минахметова, И.Ю. Асланян, к.ф.-м.н., А.В. Трусов
Компания TGT Oilfield Services
Р.Г. Шайдуллин
ПАО «Татнефть»

Электронные адреса: alexey.vdovin@tgtdiagnostics.com, roza.minakhmetova@tgtdiagnostics.com, irina.aslanyan@tgtdiagnostics.com, shajdullinRG@tatneft.ru

Ключевые слова: сканирующая магнитно-импульсная дефектоскопия, диагностика технического состояния скважины, 3D моделирование

Данная статья раскрывает концепцию конструктивных решений и особенности методологии интерпретации данных сканирующей магнитно-импульсной дефектоскопии. Представленная технология позволяет выявлять дефекты с минимальным размером сквозной коррозии, соизмеримым с размером перфорационных отверстий. Концепция апробирована в рамках лабораторных тестов и полевых исследований, выполненных с целью диагностики технического состояния нефтяных и газовых скважин.

Comprehensive well integrity diagnostiсs using a sсanning eleсtromagnetiс pulse teсhnology

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2020, no. 1 (15).

A.Yu. Vdovin, A.E. Pekina, R.N. Minakhmetova, I.Yu. Aslanyan, A.V. Trusov
TGT Oilfield Services, RF, Kazan
R.G. Shajdullin
Tatneft PJSC, RF, Almetyevsk

E-mail: alexey.vdovin@tgtdiagnostics.com, roza.minakhmetova@tgtdiagnostics.com, irina.aslanyan@tgtdiagnostics.com, shajdullinRG@tatneft.ru

Keywords: scanning electromagnetic pulse technology, well integrity diagnostics, 3D modelling

This paper expounds on the design concepts and specific features of scanning electromagnetic pulse technology. The proposed technology permits identification of small-scale penetration corrosion defects commensurate in size with perforations. The concept has been tried out during lab tests and field studies that were focused on oil and gas well integrity diagnostics.

DOI: 10.24887/2587-7399-2020-1-75-80

Введение

Поддержание фонда скважин в работоспособном состоянии является одной из важных задач нефтедобывающего предприятия, определяющих его технико-экономическую эффективность. Срок службы нефтяных и газовых скважин в неагрессивной среде варьируется от 10 до 30 лет и зависит от многих факторов: качества бурения и обсаживания скважины, глубины залегания и геолого-физических свойств целевого пласта, способов эксплуатации скважины, проведенных ремонтов и др. В процессе эксплуатации металлические элементы ее конструкции могут подвергаться коррозии (или эрозии), а также может происходить механический износ скважинных металлических труб. Для контроля технического состояния скважины используют различные глубинные приборы, наиболее распространенными из которых являются электромагнитные и ультразвуковые дефектоскопы, а также многорычажные механические профилемеры-каверномеры. Если ультразвуковые и механические профилемеры применяются для определения профиля сечения первого металлического барьера (НКТ и эксплуатационная колонна), то с помощью электромагнитных дефектоскопов может быть просканировано одновременно несколько металлических колонн без необходимости из влечения труб на поверхность [1]. Кроме того, в отличие от механических профилемеров электромагнитные приборы способны выявлять дефекты как на внешней, так и на внутренней стенках труб, они нечувствительны к солевым, парафиновым и другим непроводящим/немагнитным отложениям и не содержат движущихся механических частей. Точность определения потерь металла (дефектов) и разрешающая способность классического магнитно-импульсного дефектоскопа с расположенной вдоль оси прибора одиночной приемной катушкой, длина которой соизмерима с диаметром исследуемых труб, обычно существенно ниже, чем у многорычажного профилемера или ультразвукового дефектоскопа. Такие приборы фиксируют отклик от всего объема окружающего его металла и поэтому не позволяют различать равномерную потерю металла от локальных дефектов [2, 3]. Для увеличения точности сканирования НКТ и эксплуатационной колонны были разработаны сканирующий магнитно-импульсный дефектоскоп и 3D симулятор, который используется для интерпретации данных. Магнитно-импульсный дефектоскоп позволяет определить наличие и местоположение дефектов (поперечных и продольных) в НКТ, а также в эксплуатационной колонне, вычислить величину отклонения толщины стенок исследуемых труб от номинала. Полученная информация дать возможность контролировать техническое состояние скважины, выявлять дефекты, а также планировать ремонтные работы, оптимизируя эксплуатационные расходы и финансовые ресурсы. В данной статье представлены результаты лабораторных тестов и полевых испытаний разработанного прибора

48.JPG

Технология применения сканирующего магнитноимпульсного дефектоскопа

Сканирующий электромагнитный прибор состоит из восьми сенсоров, представляющих собой короткие катушки индуктивности, которые расположены по окружности вокруг оси генерирующей катушки прибора (рис. 1). Генерирующая катушка возбуждает низкоамплитудный импульс, индуцирующий вихревые токи Фуко в трубе вокруг прибора, а восемь сенсоров (приемных катушек) регистрируют затухания магнитных полей, излучаемых от наиболее близкорасположенных к ним сегментов трубы [4, 5]. Подобное расположение восьми электромагнитных сенсоров реализует азимутальное разрешение и позволяет получить развертку толщины стенки трубы скважины, выделить локальные дефекты, а в интервале перфорации – отдельные перфорационные отверстия. При этом зоны чувствительности секторных сенсоров перекрываются, не оставляя «белых пятен», как это происходит в случае применения, например, многорычажного профилемера, когда часть внутренней поверхности труб оказывается между измеряющими рычагами [6]. Для защиты от агрессивной среды разработанный прибор имеет титановый кожух и специальные уплотнительные кольца, позволяющие проводить исследование в скважинах с содержанием сероводорода до 30 % и углекислого газа – до 100 %. Планирование исследования. Сканирующий магнитно-импульсный дефектоскоп может работать как автономно, так и на кабеле с передачей информации на устье скважины в режиме реального времени. Высокая разрешающая способность прибора достигается при достаточно низкой скорости спуска/подъема прибора (от 2 до 6 м/мин) и высокой стабильности скорости спуска прибора. Особых требований к режиму работы скважины при исследовании прибором не предъявляется, поскольку электрическая проводимость флюида внутри скважины пренебрежимо мала по сравнению с электрической проводимостью металлов. Область применения прибора не ограничивается широко распространенными магнитными углеродистыми сталями, он может использоваться для исследования труб из слабо- и немагнитных коррозионностойких хромированных и хромникелевых сплавов. Высокая скорость затухания токов Фуко в таких материалах потребовала применения быстродействующей электроники для обеспечения необходимого разрешения на коротких спадах электродвижущей силы (ЭДС) приемных катушек. Основные технические характеристики сканирующего магнитно-импульсного дефектоскопа приведены ниже. 

Диапазон рабочей температуры, °С . . -20–150
Максимальное рабочее давление, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Максимальная концентрация H 2 S/CO2, % . . . . . . . . . . ≤ 30/100
Материал корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Титан
Максимальная толщина стенки исследуемой трубы (одиночной), мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Внешний диаметр исследуемых труб, мм. . . . . . . . . . . . . . . 73 – 245

Методы интерпретации данных

Существует несколько методик количественной оценки толщины стенок скважины с помощью магнитной дефектоскопии: нормировка, использование палеток и метод численного моделирования. Метод нормировки является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным для количественной интерпретации данных магнитно-импульсной дефектоскопии. Он заключается в том, что для каждого металлического барьера в конструкции скважины на основании лабораторных и полевых тестов определяется характерный временной канал (точка) на сигнале ЭДС приемной катушки, зависящем от изменения толщины этого барьера. Измеренные значения ЭДС на выбранном временном канале нормируются на номинальное значение толщины соответствующего металлического барьера, при этом предполагается линейная зависимость между амплитудой сигнала ЭДС и искомой толщиной. Такое предположение приближенное. Метод палеток является альтернативой методу нормировки. Палетки представляют собой полученные в лаборатории эталонные спады ЭДС, замеренные магнитно-импульсным дефектоскопом на различных лабораторных стендах. Лабораторные стенды имитируют конструкции скважин c различным числом труб разных диаметров во всевозможных конфигурациях. Данный метод обеспечивает более точную оценку толщины труб, однако, не учитывает изменения электромагнитных параметров металлов (электрической проводимости и магнитной проницаемости)

Для контроля технического состояния скважины используют различные глубинные приборы, наиболее распространенными из которых являются электромагнитные и ультразвуковые дефектоскопы, а также многорычажные механические профилемеры-каверномеры

Метод численного моделирования не имеет недостатков двух предыдущих эмпирических методов, поскольку реализует в разработанном 3D симуляторе численное решение уравнений Максвелла, с помощью которых рассчитывается электромагнитное поле вокруг прибора, с учетом геометрии самого прибора и окружающих его труб, а также их электромагнитных свойств. Результатами расчетов являются отклики, зарегистрированные приемными катушками сканирующего магнитно-импульсного дефектоскопа. Толщина стенки определенного сектора колонны определяется в результате решения обратной задачи: модельные сигналы ЭДС на всех приемных катушках сопоставляются с измеренными сигналами. Пример конечно-элементной трехмерной сетки для расчета электромагнитного поля, создаваемого сканирующим магнитно-импульсным дефектоскопом, показан на рис. 2, а.

Лабораторные испытания

Для оценки и верификации метрологических возможностей сканирующего магнитно-импульсного дефектоскопа были проведены многочисленные лабораторные испытания, в том числе на чувствительность прибора в части определения минимальной потери металла, которую может фиксировать прибор при соблюдении рекомендуемых условий выполнения исследования. В результате установлено, что размер минимального дефекта (сквозного отверстия) существенно зависит от диаметра исследуемой трубы, наличия других колонн, спущенных в скважину, а также от свойств сплава, который определяет электромагнитные параметры труб. На рис. 2, б приведены результаты лабораторных тестов в трубе диаметром 89 мм (имитация типовой НКТ), спущенной в колонну диаметром 245 мм.

49.JPG

При этом было отмечено, что диаметр минимально определяемого отверстия составляет 8 мм. Такой дефект соответствует потере 0,9 % объема металла в расчете на сканируемый сектор трубы. В результате проведенных лабораторных испытаний были также определены возможности технологии сканирующего магнитно-импульсного дефектоскопа, включающей аппаратную часть, методику измерения и обработку данных с помощью 3D моделирования для определения качества перфорации. На рис. 3 приведены результаты лабораторных испытаний в эксплуатационной колонне диаметром 146 мм и длиной 6 м, в которой были выполнены перфорационные отверстия диаметром 12–15 мм с плотностью 10 отв/м в интервале 2 м. На основании измеренных каждым сенсором данных были рассчитаны толщины стенок труб, которые представлены в виде развертки

50.JPG

на 360° (см. рис. 3). Можно видеть, что все 20 перфорационных отверстий надежно определяются, причем каждое перфорационное отверстие фиксируется тремя ближайшими к нему приемными катушками. По совокупности данных, полученных в результате лабораторных испытаний, установлено, что прибор применим для определения потери металла в трубах диаметром от 73 до 245 мм при условии, что суммарная толщина стенок не превышает 14 мм.

Полевые исследования

На рис. 4 представлены результаты полевых исследований сканирующим магнитно-импульсным дефектоскопом в двух вновь пробуренных скважинах с целью оценки качества перфорации. Скв. П-1 была пробурена и обсажена эксплуатационной колонной диаметром 102 мм и после бурения находилась в освоении. Исследование выполнено после проведения перфорации в обсадной колонне в интервале зоны А. При освоении скважины планируемый приток вызвать не удалось. Задача исследования заключалась в определении технического состояния эксплуатационной колонны, а также интервала и качества перфорационных отверстий. На рис. 4, а приведены результаты исследования в области перфорационных отверстий в скв. П-1. Средняя потеря металла составила 6 %, в то время как ожидаемая (расчетная) величина для конкретного случая примененной перфорационной системы должна была

51.JPG52.JPG

составить 12 %. Такой результат позволил предположить, что проведенная перфорация оказалась неэффективной, и это стало причиной отсутствия планового притока в скважине при ее освоении. После повторной перфорации скважина вышла на плановый приток. В скв. П-2 (см. рис. 4, б) при введении в работу в эксплуатационной колонне диаметром 168 мм была применена перфорационная система с расчетной потерей металла 4-5 %. По результатам исследования средняя потеря металла оказалась в 3-4 раза больше расчетной и составила в среднем 17 %; при этом в ходе интерпретации данных не удалось выделить отдельные отверстия перфораций. Полученные результаты позволили сделать вывод, что в скважине произошло растрескивание эксплуатационной колонны вблизи перфорационных отверстий.

Заключение

При эксплуатации нефтяных и газовых скважин очень важно получить точную количественную оценку потерь металла в трубах, произошедших в результате коррозии, эрозии, механических повреждений или перфорации. Сканирующий магнитно-импульсный дефектоскоп позволяет успешно решить перечисленные задачи для первого барьера в скважине (НКТ, обсадная или эксплуатационная колонна). Для увеличения точности расчетов толщин и надежности интерпретации данных прибора был разработан трехмерный симулятор, который численно решает соответствующие уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные поля в физической модели прибора и конструкции скважины. В результате многочисленных лабораторных исследований был определен минимальный размер сквозного коррозионного отверстия, который может обнаружить рассмотренный прибор (7-8 мм для колонн диаметром 73-102 мм), что сопоставимо с размером перфорационных отверстий. Полевые испытания в скважинах после проведения перфорации показали, что предложенные сканирующий электромагнитный дефектоскоп, методика измерения и разработанный трехмерный симулятор являются эффективным решением для выявления не только равномерных потерь металла, но и небольших локализованных дефектов НКТ и эксплуатационных колонн.

Список литературы

    1. Field trial results for 3rd barrier evaluation using technology of individual electromagnetic metal loss logging validated by actual excavations / A. Yugay [et al.] // SPE-188258-MS. – doi.org/10.2118/188258-MS.
    2. Memory magnetic imaging defectoscopy / A.A. Arbuzov [et al.] // SPE-162054-MS. – 2012. – doi.org/10.2118/162054-MS.
    3. Triple-barrier thickness scanning using through-tubing pulse-magnetic logging tool / A.A. Ansari [et al.] // SPE-176655-MS. – 2015.
    4. Dodd C.V., Cheng C.C., Deeds W.E. Induction coils coaxial with an arbitrary number of cylindrical conductors // Journal of Applied Physics. – 1974. – № 45 (2). – С. 638–647.
    5. De Groot S.R. Foundations of electrodynamics. – Noord-Hollandsche U.M. – 1972. – P. 535.
    6. Заявка на евразийский патент № EA201800606A1. Устройство для осуществления мультисенсорной электромагнитной дефектоскопии обсадных колонн скважины и контроля технического состояния. Дата приоритета 28.11.18.

    Reference

    1. Yugay A. et al., Field trial results for 3rd barrier evaluation using technology of individual electromagnetic metal loss logging validated by actual excavations, SPE-188258-MS, 2017, https://doi.org/10.2118/188258-MS.
    2. Arbuzov A.A. et al., Memory magnetic imaging defectoscopy, SPE-162054-MS, 2012, https://doi.org/10.2118/162054-MS.
    3. Ansari A.A. et al., Triple-barrier thickness scanning using through-tubing pulse-magnetic logging tool, SPE-176655-MS, 2015.
    4. Dodd C.V., Cheng C.C., Deeds W.E., Induction coils coaxial with an arbitrary number of cylindrical conductors, Journal of Applied Physics, 1974, V. 45(2), pp. 638–647.
    5. De Groot S.R., Foundations of electrodynamics, Noord-Hollandsche U.M, 1972, 535 p.
    6. Patent no. EA201800606A1, Device for implementation of multi-touch electromagnetic defectoscopy of casing of wells and control of technical condition.

Возврат к списку