DE3445770C2 - Vorrichtung zur Fehlermessung an ferromagnetischen Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum simultanen Bestimmen des Ausmaßes von Defekten in gebrauchten Rohrstücken, die einen durchgehenden Rohrstrang für die Verwendung in einem Öl- oder Gasbohrloch bilden.

Durchgehende Rohrstränge, die aus miteinander verbind­ baren Rohrstücken oder -elementen gebildet werden, wie beispielsweise Förderrohrstränge, Gestängerohrstränge und Bohrrohrstränge sind beim Bohren, beim Auskleiden und beim Fördern von bzw. aus subterranen Öl- und Gas­ bohrungen im Einsatz. Die Rohrstücke, die diese Stränge bilden, sind mechanischen Beschädigungen ausgesetzt, wenn sie sich im Bohrloch befinden und sie sind auch dem Einfluß korrosiver Fluide ausgesetzt, die in den Rohr­ stücken enthalten sind oder die durch den Rohrstrang vom Bohrplatz nach unten geleitet werden. Es ist daher von Vorteil, wenn die einzelnen Rohrstücke, die einen Rohr­ strang zusammensetzen, regelmäßig geprüft werden. Gewöhn­ lich werden solche Rohrstücke auf Fehler untersucht, nach­ dem man den Rohrstrang aus dem Bohrloch herausgenommen hat. Überlicherweise findet die Prüfung der Rohrstücke statt, nachdem man die einzelnen Stücke, die den Rohr­ strang gebildet haben, voneinander getrennt hat. Die Feh­ lerprüfung findet demnach gewöhnlich Rohrstück für Rohr­ stück statt.

Es gibt eine Reihe von Verfahren zur Ermittlung von Feh­ lern in einem Rohrstück. Zur präzisen örtlichen Bestim­ mung von internen und externen radial verlaufenden und dreidimensionalen Fehlern, einschließlich Klumpenein­ schlüssen, mechanischen Beschädigungen, korrisiven Loch­ fraßes und Ermüdungsrissen wurde beispielsweise durch streufluß-Techniken bestimmt, bei denen man ein längs­ gerichtetes magnetisches Feld mit Hilfe einer oder meh­ reren magnetischen Induktionsspulen erzeugt. Um das Rohr werden die Rohroberfläche abtastende Detektoren angeord­ net und das Maximalsignal wird aufgezeichnet, um den Defekt präzise zu lokalisieren.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der Druckschrift DE 31 28 825 A1 bekannt, welche das Messen von Längsfehlern, Querfehlern und Dicke eine Rohrwand ermöglichen, wobei das Rohr von einem rotierenden, zwei Polschuhe aufwei­ senden Magneten umgeben ist, und das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld gleichzeitig zur elektrodynamischen Anregung von Ultraschall im Prüfling, als auch zur Streuflußmessung benutzt wird. Die aufgrund von Längsfehlern auftretenden Streufelder werden mittels Magnetfeldsonden, die um 90° versetzt zu den Polschuhen synchron um den Prüfling rotieren, erfaßt. Zur Di­ mensionsmessung und Ortung von Querfehlern erfolgt eine elek­ trodynamische Anregung von Ultraschallsignalen, wobei die er­ zeugten Ultraschallwellen entweder Transversalwellen sein kön­ nen, die zur Bestimmung der Wanddicke herangezogen werden, oder Oberflächenwellen, die zur Detektion von Querfehlern die­ nen. Es können zusätzlich Wirbelstromerreger und -empfängersonden angebracht werden, die ebenfalls um den Prüf­ ling rotieren.

Druckschrift US 33 63 170 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Querfehlern in Rohren, wobei ein Stabmagnet mit mehreren Flanschen und einer Spule rund um den Stabmagneten zwischen diesen Flanschen innerhalb des Prüflings angeordnet ist, und die Wandstärke und Fehler in Abhängigkeit der Spulen­ induktivität gemessen werden.

Dokument US 33 15 154 beschreibt eine Vorrichtung und Methode zur Messung von innerem und äußerem Lochfraß sowie der Dicke eines Rohres, wobei ein stabförmiger Dauermagnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes und eine rotierende Spule zum Erfassen der Änderung des magnetischen Flusses mit Hilfe von Rollen beweg­ lich innerhalb des Rohres angebracht ist, um die Änderung des magnetischen Flusses in Abhängigkeit von Dickenänderungen zu erfassen.

Druckschrift EP 0028 487 A1 beschreibt ein Schichtdickenmeß­ gerät, insbesondere zur zerstörungsfreien Messung einer Schicht auf einem Substrat, wobei entweder Schicht oder Substrat oder auch beide ferromagnetisch sind, mit der Hilfe eines Magneten und einer Hallsonde. Dabei wird der magne­ tische Fluß in Abhängigkeit der Schichtdicke gemessen.

Ein übliches Verfahren zur magnetischen Ermittlung von längsgerichteten Fehlern verwendet einen "rotierenden Pol", wobei das magnetische Feld von der Außenseite mit Hilfe rotierender Elektromagnete angelegt wird und De­ tektoren, die zwischen den Polen angeordnet sind, und die Außenfläche des Rohres abtasten. Die Wanddicke der Rohre hat man dadurch gemessen, daß man die Strahlung von einer äußeren, rotierenden, radioaktiven Gammastrahlenquelle, die die Rohrwand durchdringt, mit Hilfe eines im Inneren des Rohres angeordneten Detektors mißt. Andere Verfahren zur Bestimmung der Rohrwanddicke mittels Gammastrahlung, wie Rückstreuungs-Doppelwanddurchstrahlungsverfahren und Sehnenverfahren verwenden die Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektor an der Außenseite des Rohres.

Verfahren, die auf der Rohroberfläche verschiebbare De­ tektoren oder die Einführung eines Detektors oder An­ triebseinrichtungen innerhalb des von den Rohren um­ schlossenen Hohlraums verlangen oder die das Drehen me­ chanischer Einrichtungen erfordern, um eine vollständige kreisförmige Bedeckung von Rohrstücken zu erzielen, sind zur Fehlerermittlung und -messung von Rohrstücken, wenn der Strang aus dem Bohrloch herausgehoben wird, unge­ eignet. Diese Fehlerermittlungsverfahren sind ebenfalls ungeeignet zur Fehlermessung an Rohrstücken, solange die­ se noch miteinander zu einem Rohrstrang verbunden sind. Diese Fehlerermittlungsverfahren sind daher nicht brauch­ bar beim Bohren, Fertigstellen oder Überarbeiten der Boh­ rung am Bohrplatz, um Fehler an einem Rohrstrang zu er­ mitteln und zu messen, wenn dieser aus dem Bohrloch he­ rausgehoben wird.

Eine Verfahrensweise zur Untersuchung rohrförmiger Ele­ mente, die im Zusammenhang mit gegenseitiger Bewegung bei veränderlichen Geschwindigkeiten geeignet ist, sieht den Einsatz eines sättigenden, längsgerichteten Magnet­ feldes und die anschließende Messung des Zeitintegrals des elektrischen Signales vor, das von dem an das ferro­ magnetische Rohrstück angelegten Magnetfeld verursacht wird, woraus dann die durchschnittliche Wanddicke be­ stimmt werden kann. Rohrprüfungen unter Verwendung dieses Verfahrens wurden an oberirdischen Rohrinstallationen durchgeführt, bei denen das Magnetfeld und die den Fluß ermittelnden Elemente relativ zur durchgehenden Rohran­ ordnung bewegt werden. Solche Geräte wurden jedoch nicht zur Messung der durchschnittlichen Wanddicke von Rohr­ stücken verwendet, wenn diese aus dem Öl- oder Gasbohr­ loch herausgehoben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Ermittlung von Fehlern in fer­ romagnetischen Rohren anzugeben, die während des Heraus­ hebens des Rohres aus dem Bohrloch eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1, angegebene Erfindung ge­ löst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Von der Erfindung wird eine Vorrichtung und Verfahrens­ weise angegeben, mit der die durchschnittliche Wanddicke eines Rohres, örtliche Defekte, wie beispielsweise korro­ siver Lochfraß und axial gerichtete Defekte, wie bei­ spielsweise durch Pumpstangenberührung verursacht, wäh­ rend des Heraushebens des Rohres bzw. Rohrstranges aus dem Bohrloch ermittelt und ausgemessen werden können.

Wenigstens in einen Teilbereich des Rohres werden gleich­ förmige magnetische Eigenschaften induziert. In dem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel wird ein geeignetes längs­ gerichtetes Magnetfeld durch Anlegen eines passenden gleichförmigen magnetisierenden Feldes induziert. Die Größe des Integrals des elektrischen Signals aus diesem Feldbereich gibt die Rohrwandstärke an.

Streufluß im längsgerichteten Magnetfeld ist durch die Anwesenheit örtlicher Defekte, wie beispielsweise korro­ siven Lochfraß, verursacht. Die Gestalt des Streufluß­ feldes wird beispielsweise durch geometrische Signalver­ arbeitung bestimmt, um die Tiefe des örtlichen Defekts zu ermitteln. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Streuflußdetektoren, wie beispielsweise Hall- Sonden, im Einsatz, um zwei unterschiedliche Ableitungen des Streuflusses zu bestimmen, und die Tiefe der örtli­ chen Defekte, wie beispielsweise des korrisiven Lochfra­ ßes, ist eine Funktion der beiden unterschiedlichen Ab­ leitungen an deren örtlichen Maxima.

Die Anwesenheit von axial verlaufenden Fehlern, die axia­ le Dimensionen haben, die über jene örtlicher Defekte hinausgehen, wird durch Anlegen eines veränderlichen Mag­ netfeldes zusätzlich zum erstgenannten gleichförmigen Magnetfeld ermittelt. Die erregten Felder, die in dem Rohrstück durch das veränderliche Feld induziert werden, dienen dann dazu, die axialen Fehler zu messen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die veränderlichen Felder mit Hilfe von zwei Spulen erzeugt, die eine sinus­ förmige Leiterverteilung unterschiedlicher Phasen um das Rohr aufweisen. Die erregten Felder werden mit Hilfe von ebenfalls zwei sinusförmigen Detektorspulen ermittelt, die sinusförmige Leiterverteilungen unterschiedlicher Phasen haben. Das angelegte veränderliche Feld wird unter Verwendung stationärer Spulen um das Rohr gedreht und die Anwesenheit von sich axial erstreckenden Fehlern unter verschiedenen Winkelpositionen läßt sich so bestimmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Einsatz der Rohrdurchlauf­ meßvorrichtung an einem Bohrloch;

Fig. 2 eine Darstellung eines Ausschnittes der Meß­ vorrichtung teilweise im Schnitt im aufge­ weiteten Zustand;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 im aufgeweiteten Zustand;

Fig. 4 eine Darstellung eines Rohrstücks und der Detektoren zur Messung örtlicher Defekte;

Fig. 5 eine Darstellung ähnlich Fig. 4, die rela­ tive Bewegung des Rohres zeigend;

Fig. 6 einen Querschnitt, der schematisch die sinusförmige Verteilung von Sinus- und Ko­ sinuswicklungen relativ zum Rohrelement zeigt;

Fig. 7 zeigt die Feldlinien des gesamten veränder­ lichen Magnetfeldes, wie es durch den ring­ förmigen Querschnitt eines Rohrstückes ohne axial erstreckte Defekte gestört wird;

Fig. 8 eine Darstellung ähnlich Fig. 7, die die Feldlinien des gesamten veränderlichen Mag­ netfeldes zeigt, wie sie sich in einem Teil­ bereich eines Rohrstücks ergeben, das einen sich an der Innenseite des Rohres axial er­ streckenden Fehler aufweist;

Fig. 9 eine Darstellung der Unterschiede der Feld­ linienverteilung zwischen den Feldern nach den Fig. 7 und 8;

Fig. 10 und 11 Darstellungen ähnlich Fig. 9, die die Differenzfeldlinien für unterschiedliche Orientierungen in bezug auf die erregenden Magnetfelder beim Vorliegen eines sich axial erstreckenden Fehlers zeigen;

Fig. 12 bis 15 die Drehung des veränderlichen Magnet­ feldes um ein Rohrstück zur Ermittlung axial erstreckender Fehler bei verschiedenen Win­ kelpositionen relativ zum erregenden Magnet­ feld;

Fig. 16 eine Darstellung eines Geschwindigkeits­ detektors zur Anbringung an der Meßeinrich­ tung nach Fig. 1;

Fig. 17 eine Darstellung des Endkupplungsdetektors; und

Fig. 18 die Wirkung der Bewegung des Rohrstücks auf den Streufluß.

Eine übliche Überholungsanlage, die insgesamt mit R be­ zeichnet ist, wird gemäß Fig. 1 dazu verwendet, um einen Rohrstrang zu Überholungszwecken aus einem Öl- oder Gas­ bohrloch herauszuheben. Der Rohrstrang, im ganzen mit T bezeichnet, kann ein Futterrohr, ein Bohrrohr oder dgl. sein. Die Überholung erfordert normalerweise das Heraus­ nehmen des Rohrstranges, um jene Tätigkeiten ausführen zu können, die vorgesehen sind, um die Förderleistung wie­ derherzustellen oder zu steigern. Üblicherweise wird der ursprüngliche Rohrstrang wiederverwendet, wenn die ent­ sprechenden Rohrelemente sich in zufriedenstellendem Zu­ stand befinden. Fig. 1 zeigt die Verwendung einer Durch­ laufmeßvorrichtung 2 bei der Überholungsanlage, um Fehler in jedem Rohrstück zu ermitteln, während dies aus dem Bohrloch herausgehoben wird. Eine Durchlaufmeßvorrichtung 2 nach der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung kann auf den Bohrlochkopf H unter der Plattform F der Überholungsanlage R aufgesetzt werden. Die Durchlaufmeß­ vorrichtung kann direkt an der Bohrlochsicherung befestigt werden.

Ein Ausschnitt des Meßkopfes 4 der Durchlaufmeßvorrich­ tung 2 ist in Fig. 2 dargestellt. Der Kopf enthält zwei getrennte Erregerspulen, zwei getrennte Detektorspulen und eine Vielzahl einzelner Detektorelemente zur Bestim­ mung des Ausmaßes von Fehlern in den Rohrstücken. Ein Geschwindigkeitsdetektor zur Bestimmung der relativen Ge­ schwindigkeit zwischen dem Kopf und den Rohrstücken ist ebenfalls vorhanden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel dieser Erfindung weist einen expandierbaren Kopf mit vier Segmenten 6a bis 6d auf, die man am besten in Fig. 3 erkennt. Jedes Segment ist in einem Gehäuse 8 unterge­ bracht, das aus mehreren Teilen besteht. Das Gehäuse 8 ist aus einem Material hergestellt, das die Eigenschaf­ ten eines elektrischen Isolators hat. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung besteht das Gehäuse 8 aus einem Vergußmaterial, das sicherstellt, daß ein Zwischenraum geeigneter Größe zwischen den elektrischen Komponenten verbleibt. Das Vergußmaterial füllt die Zwi­ schen- oder Leerräume aus, die die elektrischen Kompo­ nenten umgeben und schafft eine Trennung zwischen den elektrischen Bauteilen und der Atmosphäre, die das Gehäu­ se 8 umgibt, wodurch dieses gegenüber explosiven Dämpfen, die am Bohrloch auftreten können, geschützt ist.

Zwei getrennte Wechselstrom-Detektorspulen 10a und 10b werden vom innersten Isolierkörperabschnitt 8a getragen. Die in Umfangsrichtung durchgehenden Windungen 10 und 10b sind in geeignete Rillen am Körperabschnitt 8a gewickelt und eine Vielzahl getrennter Schleifen sind um den Körper 8a ausgebildet. Diese getrennten Schleifen, von denen jede Leiter enthält, die die getrennten Detektorspulen 10a und 10b bilden, sind in einer Radialebene an dem Ver­ gußkörper 8a angeordnet. Jede Schleife wird im allgemei­ nen von zwei radial beabstandeten, sich axial erstrecken­ den Spulenleiterabschnitten und zwei axial beabstandeten, sich radial erstreckenden Spulenleiterabschnitten gebil­ det. Die Spulenleiter umschließen so einen ringförmigen Raum, der die Rohrstücke umgibt, die axial hindurchge­ leitet werden. Radial erstreckte Ebenen zwischen den Spulenleitern verlaufen im allgemeinen senkrecht zu mag­ netischen Feldlinien, die von den Spulen 10a und 10b er­ mittelt werden, wie nachfolgend noch vollständiger er­ läutert werden wird.

Eine Vielzahl von Streuflußdetektorelementen 14a bis 14e sind ebenfalls am inneren Vergußkörperteil 8a angeord­ net. Bei der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung besteht jeder der Streuflußdetektoren 14a bis 14e aus einem eigenen Sondenelement, mit dem infolge des Hall- Effektes eine Spannung erzeugt wird. Die Ebene einer je­ den Hall-Sonde liegt senkrecht zur Achse des Durchlauf­ meßkopfes 4 und liegt senkrecht zu jedem Rohrstück, das sich axial durch den Durchlaufmeßkopf 10 hindurchbewegt. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind getrennte Gruppen von fünf Hall-Effekt-Streuflußsonden in verschiedenen Winkelpositionen um den Durchlaufmeß­ kopf 4 angeordnet. Jeder der Hall-Sonden 14a bis 14e sitzt in einem Schlitz 18, der sich in dem Isolierkörper­ teil 8a erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind an jeder Winkelposition fünf Sonden in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet.

Einer oder mehrere Geschwindigkeitsdetektoren 20 sind außen am Isolierkörperteil 8a angeordnet. In der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung besteht jeder Geschwindigkeitsdetektor 20 aus einem Detektorkreis oder einer Detektorspule 22 mit zwei oder mehr Hall-Sonden 24a und 24b innerhalb des Kreises. Die Ebene des Geschwindig­ keitsdetektorkreises oder der Spule 22 verläuft senkrecht zu einer Radialebene, die sich durch den Durchlaufkopf 8 erstreckt. Die Ebene der einzelnen Hall-Sonden 24a und 24b im Geschwindigkeitsdetektor verläuft senkrecht zur Ebene der Hall-Sonden 14a bis 14e, die für die Streufluß­ ermittlung verwendet werden.

Die magnetischen Wechselfeld-Detektorspulen 10a und 10b, die Streuflußdetektorsonden 14a bis 14e und der Geschwin­ digkeitsdetektor 20 sind jeweils in radialem Abstand zum Rohrelement T angeordnet, das auf Fehler untersucht wer­ den soll. In dem geschnittenen Beispiel der Erfindung nach Fig. 2 können die einzelnen Segmente radial von einer Meßposition in eine äußere Position verschoben wer­ den, damit Verstopfungen, die am Rohr haften, durch den Durchlaufkopf hindurchbewegt werden können. Jede der De­ tektorspulen weist jedoch von der Oberfläche des Rohres T in der inneren Meßposition einen Abstand auf. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die inne­ re Oberfläche des Durchlaufmeßkopfes 4 ungefähr 17 mm von der Oberfläche des Rohres T entfernt. Die Isolier­ körperstücke 8b und 8c umgeben die Detektorspulen und Sonden, die an dem Isolierkörperstück 8a befestigt sind. Epoxyharz oder ein anderes geeignetes Vergußmaterial kann ebenfalls verwendet werden, um sicherzustellen, daß alle möglichen elektrischen Leckstromwege in geeigneter Weise voneinander und von der Umgebung isoliert sind.

Äußere Wechselstromerregerspulen 32a und 32b sind um ein Isolierkörperstück 8d angeordnet. Die Wechselstromerre­ gerspulen 32a und 32b weisen jeweils durchgehende Windun­ gen auf mit einer winkelmäßigen Leiterverteilung, die ähnlich der der Wechselstromdetektorspulen 10a und 10b ist. Die sinusförmige Verteilung in den Spulen 32a und 32b ist versetzt, so daß die Leiterverteilung zwischen den Spulen 32a und 32b in der Phase differiert. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Lei­ terverteilung um 90° versetzt, so daß die Spule 32a als eine Sinusspüle und die Spule 32b als eine Kosinusspule bezeichnet werden können. Die Spulen 32a und 32b umge­ ben jeweils vollständig den Durchlaufmeßkopf 4 und das Rohr T mit getrennten Schleifen, die Leiter von jeder Spule 32a und 32b enthalten, die in radialen Ebenen um den Durchlaufmeßkopf 4 ausgebildet sind. An der Außensei­ te sind die Wechselstromerregerspulen 32 innerhalb des gemeinsamen umhüllenden Isolierkörpers 8 der Durchlauf­ meßvorrichtung 2 vergossen.

In der dargestellten Ausführungsform dieser Erfindung kann ein äußerer Metallmantel 38 um die Kopf angeordnet werden. Diese äußere Metallmantel, der aus einem nicht ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt sein kann, dient als Träger für die äußeren Gleichstromerregerspulen 40a und 40b und für die Umfangs­ spule 30. Wie dargestellt sind die Gleichstromerreger­ spulen in zwei getrennte Bündel unterteilt. Es kann auch ein einzelnes Erregerspulenbündel verwendet werden. Die Umfangserregerspulen 40 enthalten eine ausreichende Am­ perewindungszahl, um das Rohrstück T, das durch den Kopf läuft, vollständig zu sättigen. Die Umfangsspule 30 er­ streckt sich vollständig um den Umfang des Durchlaufmeß­ kopfes 4 und umgibt das Rohr T in einem größeren radialen Abstand als die Detektoren 10a und 10b, 14a bis 14e und 20.

Es soll nun die Wanddickenmessung beschrieben werden.

Die Durchlaufmeßvorrichtung 2 mißt die Wanddicke eines Rohrstücks nach einem Verfahren, bei dem der Gesamtfluß, der in dem Rohrstück durch ein sättigendes Magnetfeld induziert wird, gemessen wird. Das ferromagnetische Rohr­ stück in dem sättigenden Magnetfeld ist gesättigt, wenn die Stärke des magnetischen Feldes, das in dem ferromag­ netischen Rohrstück induziert wird, maximal ist und nicht infolge einer Verstärkung des erregenden Magnetfeld des weitersteigt. Auf diese Weise kann das sättigende magnetisierende Feld ein gleichförmiges gesättigtes Mag­ netfeld in einem Rohrstück einer spezifischen Querschnitts­ größe erzeugen. Mit anderen Worten, der magnetische Ge­ samtfluß hängt von der Querschnittsgröße oder der Wand­ dicke des Rohrstücks ab. Wenn das sättigende magnetisie­ rende Feld gleichförmig ist, dann variiert der Beitrag des Gesamtflusses, der durch die Magnetisierung des Rohr­ materials innerhalb einer gegebenen Fläche induziert wor­ den ist, mit der Querschnittsfläche des Rohrstücks. Mit Hilfe einer großen Amperewindungszahl in einer Spule 40, die ein Rohrstück umgibt, läßt sich ein gesättigtes Mag­ netfeld, das sich in Längsrichtung innerhalb der Wand des Rohrstücks erstreckt, erzeugen.

Der Gesamtfluß durch eine Fläche, die die Achse des Rohrstücks und die Achse des längsgerichteten gesättig­ ten Magnetfeldes schneidet, kann mit der Aufnehmerspule 30 gemessen werden, die das Rohrstück umgibt. Die Ebene dieser Aufnehmerspule sollte vorzugsweise, jedoch nicht notwendig, senkrecht zur Rohrachse verlaufen. Der Gesamt­ fluß durch die Aufnehmerspule kann durch Signalintegra­ tion ermittelt werden. Die in der Aufnehmerspule indu­ zierte Spannung hängt direkt mit der Geschwindigkeit der Flußänderung durch die Spule zusammen. Der Gesamtfluß kann daher durch Integrieren der in der Spule induzier­ ten Spannung über der Zeit bestimmt werden. Tatsächlich läßt sich eine faktische lineare Abhängigkeit des Ge­ samtflusses durch die Aufnehmerspule von der Durch­ schnittswanddicke erzielen. Auf diese Weise ist eine be­ queme direkte Messung der Durchschnittswanddicke möglich.

Nachfolgend soll die örtliche Fehlerermittlung beschrie­ ben werden.

Die durchschnittliche Wanddicke eines ferromagnetischen Rohres kann durch Messen des Gesamtflusses, der durch ein sättigendes magnetisierendes Feld in dem Rohr indu­ ziert wird, ermittelt werden. Eine qualitative Informa­ tion über Änderungen der Oberflächentextur aufgrund sol­ cher Faktoren, wie innere oder äußere Korrosion läßt sich durch Vergleichen der durchschnittlichen Wanddicke an verschiedenen Stellen des Rohrstücks bestimmen. Der Unterschied zwischen den Signalen, die in getrennten Spu­ len erzeugt werden, ergibt jedoch keine quantitative In­ formation über den Zustand örtlicher Fehler in dem Rohr­ stück.

An Rohren, die in Öl- und Gasbohrlöchern verwendet wer­ den, kann Korrosion an örtlichen Stellen D₁ auftreten, die die Festigkeit einzelner Rohrstücke ernsthaft herab­ setzen können. Da die verbleibende Wanddicke des Rohr­ stücks die Einsatzfähigkeit desselben bestimmt, muß die Tiefe dieses örtlichen Lochfraßes quantitativ bestimmt werden, um zu ermitteln, ob das Rohrstück noch verwendbar ist.

Übliche Praxis ist es, die Rohrstücke entsprechend der Tiefe des Lochfraßes zu sortieren. Obgleich jede einzelne Korrosionsstelle einen örtlichen Defekt D₁ darstellt, dessen Dimensionen im allgemeinen geringer sind als der Durchmesser des Rohrstücks, kann die Natur des Korrisions­ phänomens dazu führen, daß eine Vielzahl unregelmäßiger und überlappender Korrosionsstellen in demselben Bereich im Inneren des Rohrstücks liegen. Der Streufluß ist selbstverständlich von der Gesamtgröße der einzelnen Kor­ rosionsstellen abhängig und nicht gerade von deren Tiefe. Die Länge und die Breite der Korrosionsstellen würde da­ her den ermittelten Streufluß beeinflussen. Andere Fak­ toren, wie der Umriß und die Gestalt der Korrosionsstellen und das Ausmaß und jede Diskontinuität in der Gestalt der Korrosionsstellen würde ebenfalls den Streufluß beeinflus­ sen. Die Streufelder von verschiedenen Lochfraßstellen, die die gleiche Tiefe bei einem Rohrstück haben, weichen voneinander bei unterschiedlichen Längen und Breiten der Lochfraßstellen und bei unterschiedlichen Umrissen der­ selben voneinander ab. Hintergrundfelder oder Störfelder aufgrund nicht in Beziehung stehender Phänomene können ebenfalls das Signal, das aus dem Streufluß und dem ge­ sättigten Magnetfeld innerhalb des Rohres gewonnen wird, negativ beeinflussen.

In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung sind eine Vielzahl von Streuflußdetektoren 14 innerhalb des sättigenden magnetisierenden Feldes angeordnet. Diese Streuflußdetektoren sind in einer Vielzahl von axial be­ abstandeten Positionen innerhalb des sättigenden magneti­ sierenden Feldes verteilt. Vorzugsweise werden eine Viel­ zahl einzelner Hall-Sonden verwendet. Identische Streu­ fluß-Hall-Sonden 14a bis 14e sind in gleichmäßigen Ab­ ständen an fünf getrennten axialen Positionen angeordnet.

Obgleich nur zwei Sätze Hall-Sonden 14a bis 14e in Fig. 2 zu sehen sind, sei doch betont, daß entsprechende Sätze aus mehreren Sonden in Umfangsrichtung um den Kopf verteilt angeordnet sind, um eine vollständige Bedeckung des Umfanges des auf Fehler zu untersuchenden Rohrstüc­ kes zu erreichen, da Korrosionsstellen an allen Umfangs­ stellen des Rohres auftreten können.

Vorzugsweise sind die Hall-Sonden so orientiert, daß die Ebene des Hall-Elementes senkrecht zur Achse des sich bewegenden Rohres verläuft. Hall-Elemente, wie sie hier verwendet werden, erzeugen eine Ausgangsspannung, die proportional dem Produkt des Eingangsstromes, der magne­ tischen Flußdichte und dem Sinus des Winkels zwischen der magnetischen Flußdichte und der Ebene des Hall-Gene­ rators ist. Es ergibt sich daher eine maximale Ausgangs­ spannung für ein gegebenes Streufeld, wenn man die ein­ zelne Hall-Sonde senkrecht zum gesättigten Magnetfeld anordnet. Die Gleichstromerregerspulen 40a und 40b sind so angeordnet, daß sie ein längs- oder axial-gerichtetes gesättigtes Magnetfeld innerhalb des Rohrstückes T er­ zeugen. Durch Orientieren der Sonden 14a bis 14e senk­ recht zum längsgerichteten gesättigten Magnetfeld inner­ halb des Rohres liegen die Streuflußdetektorsonden so, daß sie längsgerichtete Änderungen im Magnetfeld ermit­ teln.

Man hat gefunden, daß die Stärke des von den Sonden 14 ermittelten Streuflusses keine geeignete Ausgabe über die Tiefe örtlicher Defekte, wie korrosiven Lochfraß, in einem Rohrstück zuläßt. Die Tatsache, daß der Streu­ fluß von der Größe und der Gestalt örtlicher Defekte, anstelle von deren Tiefe allein, abhängt, trägt wahr­ scheinlich zu der Unmöglichkeit bei, die Tiefe örtlicher Defekte durch Messung der Größe des Streuflusses allein zu bestimmen. Es wurde jedoch gefunden, daß die Einflüs­ se, die die Länge und die Breite der Defekte, z. B. der Lochfraßstellen, haben, beseitigt werden können und daß das resultierende Signal eine genaue Messung der Tiefe örtlicher Fehler zuläßt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich ein Signal, das der Tiefe örtlicher Defekte, beispielsweise einer Lochfraßstelle, entspricht, durch Differenzierung der Stärke des Streuflusses nach der axialen oder longitudi­ nalen Ausdehnung des bewegten Rohrstücks ermitteln. Ein Signal entsprechend der Tiefe örtlicher Fehler läßt sich erzielen, indem man zwei Ableitungen unterschiedlicher Ordnung, jede jeweils nach der axialen Ausdehnung des Streuflusses, vergleicht, das man erhält, wenn das ge­ sättigte Magnetfeld den Maximalwert des Streuflusses ent­ sprechend jeder gemessenen Diskontinuität erreicht. Ge­ mäß der Erfindung können die zweiten und vierten Ablei­ tungen, die unter Verwendung endlicher Elementnäherungs­ werte bestimmt worden sind, kombiniert werden, um ein Signal zu erzeugen, das die Tiefe des örtlichen Defektes angibt. Es wurde gefunden, daß die Tiefe eines örtlichen Defektes auf folgende Weise gemessen werden kann:

worin
d der Tiefe örtlicher Fehler, wie beispielsweise eines Fehlers aufgrund Lochfraß entspricht,
k eine empirisch bestimmte Proportionalitätskonstan­ te,
f′′ die zweite Ableitung des Streuflusses über die axiale oder Längsausdehnung,
f′′′′ die vierte Ableitung des Streuflusses nach der axialen Ausdehnung,
a ein empirisch bestimmter Faktor, und
b ebenfalls ein empirisch bestimmter Faktor sind.

Gemäß der Erfindung wird eine geometrische Filterung oder numerische Differenzierung erhalten, indem man eine Viel­ zahl von Detektorelementen 14a bis 14e einsetzt, die in gleichmäßigen axialen Abständen angeordnet sind und in bezug zueinander festliegen (s. Fig. 4 und 5). Durch Multiplizieren der Stärke des Streuflusses, der simultan von jedem Element ermittelt worden ist, mit geeigneten Fak­ toren und Summieren der Werte, läßt sich der Wert jeder der Ableitungen höherer Ordnung bestimmen. Die Faktoren, die zur Multiplikation der Ausgangssignale der einzelnen Streuflußdetektorelemente verwendet werden, sind Konstan­ ten und sind so gewählt, daß der Wert einer jeden Ablei­ tung Null ist, wenn der Streufluß sich nicht ändert. Die üblichen Spannung abgebenden Streuflußdetektorelemente 14a bis 14e, die bei der Erfindung verwendet werden, ha­ ben Abstand zueinander und man erhält simultane Werte des Streuflusses von jedem Streuflußdetektorelement 14.

Es wird nun eine Axialfehlermessung beschrieben.

Der Innenraum eines Rohrstücks T, das in einem Rohrstrang eines Öl- oder Gasbohrlochs verwendet wird, kann häufig axial verlaufende Schäden D₂ aufweisen, die an einer oder mehreren Umfangsstellen liegen. Ein Beispiel für solche axiale verlaufende Schäden sind die, die von einer Pump­ stange erzeugt werden. Abnutzungen durch die Pumpstange an der Rohrinnenwand treten auf, wenn die Pumpstange die Rohrwand während ihrer Auf- und Abbewegung berührt. Die Berührung mit der Pumpstange ist jedoch in Umfangsrich­ tung des Rohrinneren gesehen nicht gleichmäßig. Abnutzung durch die Pumpstange tritt häufig nur an einer Umfangs­ stelle auf, obgleich es nicht ungewöhnlich ist, daß eine Pumpstange in Querrichtung schwingt und daher an zwei gegenüberliegenden Stellen die Rohrwand berührt. Die Be­ lastung, der eine Pumpstange unterliegt, führt normaler­ weise zu einer fortgesetzten Berührung zwischen der Pump­ stange und dem Rohr an denselben Stellen.

Axiale Beschädigungen D₂, wie beispielsweise Beschädigun­ gen durch die Pumpstangenberührung, können ermittelt wer­ den, indem man ein veränderliches Wechselstrom-Magnetisie­ rungsfeld B₂ zusätzlich zu einem gleichförmigen Gleich­ strom-Magnetisierungsfeld B₁ verwendet. Selbst wenn ein gleichförmiges Gleichstrom-Magnetisierungsfeld in Längs- oder Axialrichtung von so großer Intensität ist, daß das ferromagnetische Rohrstück innerhalb des Gleichstromfel­ des gesättigt wird, wie es der Fall ist, wenn man das Feld zur Bestimmung der Wanddicke benutzt, führt die Hin­ zufügung eines wechselnden quergerichteten Wechselstrom- Magnetfeldes doch zu detektierbaren Veränderungen im magnetischen Zustand des innerhalb beider Felder liegen­ den ferromagnetischen Elements. Tatsächlich begünstigt das Gleichstromfeld das Eindringen des Wechselstromfeldes in die Rohrstücke. Selbstverständlich hängen die detek­ tierbaren Veränderungen, die aus der Hinzufügung des ver­ änderlichen Querfeldes resultieren, von der Geometrie des Rohrstücks ab. Beispielsweise verhält sich ein unbe­ schädigtes Rohrstück anders als ein ähnliches Rohrstück, das einen sich axial erstreckenden Fehler, wie beispiels­ weise durch Pumpstangenberührung hervorgerufen, aufweist. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung kön­ nen die Änderungen, die von solchen axial erstreckten Fehlern, wie durch Pumpstangenberührung hervorgerufene Beschädigungen D₂ in einem Bohrlochrohrstück selbst dann ermittelt werden, wenn die Stärke des veränderlichen Quer­ magnetfeldes wesentlich geringer ist als die eines gleich­ förmigen, sättigenden Gleichstrom-Magnetisierungsfeldes. Es wurde gefunden, daß die Messung axialer Fehler, wie Beschädigungen durch Kolbenstangenberührung durchgeführt werden kann, indem man ein sinusförmiges Quermagnetisie­ rungsfeld einer Frequenz von ungefähr 100 Hz anlegt des­ sen Intensität ungefähr 1/10 der Intensität eines gleich­ förmigen, sättigenden Magnetisierungsfeldes beträgt, das in Längsrichtung angelegt ist. In dem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel dieser Erfindung werden Erregerspulen 32 dazu eingesetzt, solch ein veränderliches Magnetisie­ rungsfeld anzulegen.

Obgleich das Verhalten auf das Anlegen eines veränderli­ chen Quermagnetfeldes zusätzlich zu dem gleichförmigen, längsgerichteten, sättigenden Magnetfeld teilweise von Streuflußeffekten hervorgerufen wird, sind hauptsächlich dafür doch Wirbelstromeffekte verantwortlich. Wirbel­ stromeffekte ergeben sich sowohl bei ferromagnetischen als auch bei nicht ferromagnetischen Rohrstücken. Die Feldänderungen, die aus dem Anlegen des veränderlichen Wechselstromfeldes resultieren, sind in den Fig. 7 bis 9 dargestellt. In den Fig. 7 bis 9 sind die magnetischen Feldlinien in einer Ebene senkrecht zur Rohrachse darge­ stellt, wie sie von unbeschädigten und beschädigten ring­ förmigen Abschnitten des Rohres T beeinflußt werden.

Um eine volle Umfangsbedeckung eines Rohrstückes und um ein meßbares Verhalten zu erzielen, umfaßt die darge­ stellte Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Drehen des veränderlichen Wechsel­ strommagnetisierungsfeldes um das Rohrstück T, wenn sich der Rohrstrang axial gegenüber sowohl dem Wechselstrom- Magnetisierungsfeld B₂ als auch dem gleichförmigen, sät­ tigenden Gleichstrom-Magnetisierungsfeld B₁ bewegt. Das gemessene Antwortverhalten im Falle von Beschädigungen durch Pumpstangenberührung ergibt sich aus einem Wechsel­ strom-Magnetisierungsfeld, das um das Rohrstück rotiert und eine konstante Stärke hat.

Die Fehlerermittlungsvorrichtung in dem Durchlaufmeßkopf 4 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kann Beschädigungen D₂, die durch Pumpstangenberührung hervor­ gerufen sind, an beliebigen Umfangsstellen eines Rohr­ stückes ermitteln und messen, das sich axial mit verschie­ denen und ungleichförmigen Geschwindigkeiten bewegt. Wenn die Vorrichtung eingesetzt wird, während der Rohrstrang aus dem Bohrloch herausgehoben wird, kann die Geschwin­ digkeit des Rohrstranges bis zu etwa 100 m pro Minute be­ tragen. Die Rotation des Magnetfeldes um den sich bewe­ genden Rohrstrang zur Erzielung einer vollständigen um­ fangsmäßigen Bedeckung des Rohrstranges kann praktisch durch mechanisches Rotieren der Vorrichtung erzielt wer­ den, die das quergerichtete veränderliche Magnetisierungs­ feld induziert. Die Rotation des Magnetfeldes wird bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung durch Verwendung separater Phasenwicklungen in den Erregerspu­ len 32 erzielt, die das veränderliche Quermagnetfeld er­ zeugen. Das Feld wird daher elektrisch anstelle mecha­ nisch gedreht. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung haben die Erregerspulen 32a und 3b jeweils eine Leiterverteilung, die sich sinusförmig mit der Winkel­ orientierung um die Erregerspulen herum ändert. Die Lei­ terverteilungen in den zwei Sinusspulen 32a und 32b sind im Winkel so versetzt, daß die Phase der Leiterverteilung in der Spule 32a von der in der Spule 32b abweicht. Die Sinus-Erregerwicklung, die in der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung verwendet wird, weist einen Phasenver­ satz von 90° auf, so daß die Spule 32a als eine Sinusspu­ le und die Spule 32b als eine Kosinusspule bezeichnet werden können. Der Zwischenraum oder Winkelversatz der Leiterverteilung zwischen den zwei Phasenwicklungen und der Zeitversatz des Stromes sind so gewählt, daß ein ro­ tierendes Feld von konstanter Winkelgeschwindigkeit und konstanter Amplitude erzeugt wird. Die Fig. 12 bis 15 zeigen die Rotation des konstanten Wechselstrom-Magnet­ feldes B₂ bei Anwesenheit des konstanten Gleichstrom- Magnetfeldes B₁, wenn das Wechselstrom-Magnetfeld um das Rohrstück T rotiert, das eine axial verlaufende Beschä­ digung D₂ hat.

Aus den Fig. 9 bis 11 geht hervor, daß die gestörten oder Differenz-Magnetfeldlinien, die sich aus axialen Defekten D₂ in Ebenen senkrecht zum sich bewegenden Rohrstück T ergeben, hauptsächlich kreisförmig sind. In der bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung werden diese Differenz- Feldlinien durch Wechselstrom-Detektorspulen 10a und 10b aufgenommen, die um den Umfang des Durchlaufmeßkopfes 4 angeordnet sind. Die Ebene einer jeden einzelnen Spule 10 ist im wesentlichen quer in bezug auf die kreisförmigen Feldlinien angeordnet, die von sich axial erstreckenden Defekten hervorgerufen werden und wie sie beispielsweise die kreisförmigen Feldlinien in den Fig. 9 bis 11 dar­ stellen. Der sich verändernde magnetische Fluß, der jede Spule erreicht, wird von den Spulen 10a und 10b ermit­ telt.

Die Detektor- oder Aufnahmespule 10 besteht aus einem Paar vertikaler Spulen 10a und 10b. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist jede der Detektorspu­ len 10a und 10b eine sinusförmige Verteilung der Leiter auf. Die Leiterverteilung einer sinusförmigen Spule ist gegenüber der der anderen sinusförmigen Spule so ver­ setzt, daß sich ein Phasenversatz zwischen den Leiter­ verteilungen ergibt. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung beträgt der Phasenversatz 90°, so daß eine Detektorspule 10a als Sinusdetektorspule und die an­ dere Detektorspule 10b als Kosinusdetektorspule bezeich­ net werden können. Die Intensität der sich ergebenden kreisförmigen Feldlinien, wie sie in den Fig. 9 bis 11 dargestellt sind, an den unterschiedlichen Winkelpositio­ nen, hängt von der örtlichen Lage des axialen Defektes D₂ ab, die dieser in bezug auf das von den Spulen 32a und 32b erregte Magnetfeld einnimmt. Wenn der Defekt in der Nähe eines Abschnitts der Kosinusspule erscheint, der eine große Verteilung der Leiter aufweist, dann ist das in der Kosinusspule erzeugte Signale wesentlich stärker als das Signal, das in der Sinusspule erzeugt wird, weil die Sinusspule dann entsprechend eine kleinere Verteilung der elektrischen Leiter in der Nähe des axialen Defektes aufweist. Da die Verteilung der Leiter an den unterschied­ lichen Stellen der zwei Spulen bekannt ist, können geeig­ nete Verstärkungsfaktoren dazu verwendet werden, die Kom­ bination der Signale in den zwei getrennten Detektorspu­ len 10a und 10b einzujustieren, so daß das resultierende Signal sowohl die Größe als auch den Ort des axialen Defektes angibt.

Die zwei Detektorspulen 10a und 10b enthalten Sinus-Spu­ lenwicklungen ähnlichen Aufbaus wie die Erregerspule 32 in Fig. 2. Da die Spulen 10 sich vollständig um den Um­ fang des Rohrstücks T erstrecken, erzeugt ein Defekt an einer beliebigen Umfangsstelle Signale in beiden Detek­ torspulen 10a und 10b. Da die Leiterverteilung und daher auch der Strom in jeder der Spulen winkelmäßig um das Rohrstück T variiert, erzeugt das gestörte oder Diffe­ renzfeld unterschiedliche Signale in den Spulen in un­ terschiedlichen Winkelpositionen.

Die Wirbelstrom- und Streuflußeffekte, die von den Detek­ torspulen 10a und 10b ermittelt werden, drücken sich in Amplituden- und Phasenänderungen aus. Beispielsweise ist die Phase des Wirbelstromes um 90° gegenüber der Phase des Feldes verschoben, das von den Erregerspulen 32 er­ zeugt wird. Die Wirbelstromeffekte haben dann eine Pha­ senänderung des detektierten Signals gegenüber dem Erre­ gersignal zur Folge. In der beschriebenen Ausführungsform dieser Erfindung wird diese Phasenänderung ermittelt, um die Größe von axialen oder longitudinalen Defekten, wie beispielsweise Beschädigungen, die durch Pumpstangenbe­ rührung hervorgerufen wurden, zu ermitteln, die eine Län­ ge aufweisen, die im allgemeinen größer sind als der Durchmesser des Rohrstücks T.

Eine kombinierte analoge und digitale Signalverarbeitung kann dazu verwendet werden, um die Stärke der Signale zu ermitteln, die in der Sinus-Detektorspule 10a und in der Kosinus-Detektorspule 10b erzeugt werden. Um jedoch zu bestimmen, ob die in den beiden Spulen erzeugten Signale von einem Fehler im Rohrstück oder von einer anderen Störung, wie beispielsweise einen gleichförmigen Wand­ verlust herrühren, müssen Einrichtungen verwendet werden, die die Veränderung der Signale in Abhängigkeit von der Winkellage ermitteln lassen.

Die Signale in den Detektorspulen 10a und 10b können durch analoge und digitale Signalverarbeitungseinrich­ tungen ermittelt und verarbeitet werden, um die Stärke der Signale zu erhalten, die in den beiden Detektorspulen 10a und 10b erzeugt werden. Die Erregerspulen 32a und 32b sind jeweils mit derselben Frequenz erregt. Die Erreger­ frequenz beträgt vorzugsweise 100 Hz. Die Detektorspulen 10a und 10b sind ebenfalls um das Rohrstück T angeordnet und die Signale in den Detektorspulen 10a und 10b werden auf eine Anzahl getrennter Kanäle aufgeteilt. Geeignete Gewinnfaktoren, die auf die Winkelvariation der Windun­ gen der Detektorspule bezogen sind, sind ausgewählt, um die Signale von den Detektorspulen 10a und 10b in diskre­ te Signale in getrennten Kanälen aufzuteilen. In der ge­ schilderten Ausführungsform der Erfindung sind die Win­ dungen sinusförmig verteilt und um 90° gegeneinander ver­ setzt. Das Signal in jedem Kanal erhält man daher, indem das Signal in jeder Spule mit geeigneten Sinusfunktionen multipliziert wird und dann kombiniert wird, um das Si­ gnal in jedem separaten Kanal zu erhalten. In der darge­ stellten Ausführungsform erhält man die Spannung in jedem Kanal gemäß folgender Gleichung:

V_Kanal = V_S Sin Winkel + V_c Cos Winkel,

worin V_S gleich der Spannung ist, die man in einer der Detektorspulen 10a erhält, die man als Sinusspule bezeich­ nen kann und Vc gleich der Spannung in der Spule 10b ist, die man als Kosinusspule bezeichnen kann. Durch Verwen­ dung eines Stärkungsfaktors, der auf die Windungsvertei­ lung in den Detektorspulen bezogen ist und durch Summie­ ren des Produkts des geeigneten Verstärkungsfaktors mit der Spannung in der fraglichen Spule erhält man ein re­ sultierendes Kanalsignal, das man mit Signalen in den an­ deren Kanälen vergleichen kann, um Signale zu erhalten, die den Winkelpositionen um das Rohrstück T entsprechen.

Nachfolgend soll der Geschwindigkeits- und Positions­ detektor beschrieben werden.

Die Querschnittsfläche eines bewegten Rohrstücks, die Tiefe der örtlichen Defekte, wie beispielsweise durch Lochfraß hervorgerufen, und die Größe der in Längsrich­ tung sich erstreckenden Beschädigungen, wie beispielswei­ se durch Pumpstangenberührung hervorgerufen, können mit­ tels des Meßkopfes 4 unabhängig von der Geschwindigkeit des Rohrstücks T gegenüber dem Meßkopf 4 ermittelt wer­ den. Es kann jedoch die Notwendigkeit der Bestimmung der Geschwindigkeit des Rohrstücks T gegenüber der Durchlauf­ meßvorrichtung 2 gegeben sein. Beispielsweise kann es notwendig sein, nicht nur die Existenz und die Größe eines Defekts in einem speziellen Rohrabschnitt oder Rohrstrang zu ermitteln, sondern es kann auch notwendig sein, die Lage des Fehlers sowohl im Rohrstrang als auch in dem diesen bildenden Rohrstück zu ermitteln. Ein be­ rührungsfreier Geschwindigkeitsdetektor 20 ist in Fig. 2 als Bestandteil des Durchlaufmeßkopfes 4 dargestellt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines in der vorlie­ genden Erfindung verwendeten Geschwindigkeitsdetektors enthält zwei Detektorelemente 24a und 24b, in denen durch das Magnetfeld ein Signal erzeugt wird. In der bevorzug­ ten Ausführungsform der Erfindung enthalten die Detektor­ elemente 24a und 24b solche Bauelemente, in denen Span­ nung aufgrund des Hall-Effektes erzeugt wird. Diese Hall- Sonden 24a und 24b sind in eine Geschwindigkeitsdetektor­ spule 22 eingesetzt, wie schematisch in Fig. 16 darge­ stellt ist. Das in der Spule erzeugte Signal hängt sowohl von der Geschwindigkeit und von dem von der Spule gemes­ senen Magnetfeld ab. Das Signal in der Spule ist propor­ tional zum vektoriellen Produkt von Geschwindigkeit und Magnetfeld, während die Signale in den Hall-Sonden nur vom Magnetfeld abhängen. Die Ausgangsspannung einer Ab­ nehmerspule nahe einem sich ändernden Magnetfeld ist proportional der Änderungsrate des Magnetfeldes fester räumlicher Orientierung, das durch die Spule läuft, so daß die Ausgangsspannung proportional dem Produkt aus Feldstärke und Feldgeschwindigkeit ist.

Die sich wegen der Geschwindigkeit des Rohrstücks T än­ dernden Magnetfelder sind die magnetischen Streufelder, die von dem Rohr entweder als Lochfraßsignale, als Si­ gnale wegen Durchschnittswandstärkenänderungen oder als Rohr-Rauschsignale ausgehen. Beispielsweise wird ein Streufeld durch Permeabilitätsschwankungen innerhalb des ferromagnetischen Rohrstücks T hervorgerufen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel jedes Geschwindigkeits­ detektors sind die zwei Hall-Sonden 24a und 24b in die Spule 22 einbezogen, wobei die Hall-Sonden so orientiert sind, daß sie radiale Änderungen in den Streufeldern ermitteln. Wenn die Spule und die Hall-Sonden wie in Fig. 2 orientiert sind, dann ist die Spulenspannung gleich dem Produkt aus der Windungszahl der Spule, der Geschwindig­ keit des Rohrstücks, der Breite der Spule und der Dif­ ferenz zwischen den radialen Komponenten des magnetischen Streufeldes an den zwei Enden der Spule. Die Spannung an jeder Hall-Sonde ist gleich dem Gewinn der Hall-Sonde mal der radialen Komponente des Streufeldes der Hall-Sonde. Das Verhältnis der Spulenspannung zur Differenz der Span­ nungen zwischen den Hall-Sonden bestimmt somit die Rohr­ geschwindigkeit.

Nachfolgend soll der Endstückdetektor beschrieben werden.

Der beschriebene berührungsfreie Geschwindigkeitsdetek­ tor kann dazu verwendet werden, die axiale Lage eines Defektes in einem untersuchten Rohrstück zu bestimmen. Die Kenntnis des Fehlerortes in spezifischen Rohrstücken, die den Rohrstrang bilden, ist sehr wichtig und die Kennt­ nis des Fehlerortes im Rohrstrang ist auch insofern sig­ nifikant, als sie es erlaubt, die exakte Stellung in der Bohrung zu ermitteln, an der eine Verringerung der Wand­ dicke, Korrosion infolge Lochfraß oder Abnutzung auf­ grund von Pumpstangenberührung, ein Problem darstellen. Diese Kenntnis würde es erlauben, ein Rohrstrangprofil entsprechend spezieller Problembereiche auszuwählen.

Um ein Rohrstrangprofil zu erstellen und um exakt Infor­ mation über den Ort von Defekten in jedem einzelnen Rohr­ strang zu erhalten, muß die Position des Rohrstranges in bezug auf den Bohrlochkopf bestimmt werden. In der ge­ schilderten Ausführungsform der Erfindung wird die Orts­ bestimmung am Rohrstrang mit Hilfe des kontaktlosen Ge­ schwindigkeitsdetektors und durch Verwendung eines kon­ taktlosen Endstückdetektors durchgeführt. Übliche Rohr­ stränge, wie sie in Bohrlöchern verwendet und oben be­ reits beschrieben wurden, weisen einzelne Rohrstücke auf, die miteinander durch Endkupplungen verbunden sind, die eine größere Querschnittsfläche haben.

Der exakte Ort eines jeden Rohrstücks und somit der Ort innerhalb des Rohrstücks können durch Ermittlung sowohl der Anwesenheit als auch der Richtung der Bewegung jeder Rohrkupplung bestimmt werden. In der beschriebenen Aus­ führungsform der Erfindung wird ein Magnetfeld einer gleichförmigen Stärke, das in bezug auf den Bohrlochkopf feststeht, auf den Bereich des Rohrstrangs aufgebracht, der sich in der Nähe des Bohrlochkopfes befindet. Es er­ gibt sich daraus ein in dem Rohrstück induziertes Mag­ netfeld. Fig. 17 zeigt Rohrstücke T, die durch eine End­ kupplung C miteinander verbunden sind, sowie die magne­ tischen Flußlinien, die das induzierte Magnetfeld B4 im Bereich der Endkupplung C darstellen. Da die Querschnitts­ fläche an der Endkupplung C größer ist als die Quer­ schnittsfläche des Rohres T, ist die Stärke des Magnet­ feldes B4 in der Nähe der Entkupplung größer als die Stärke des Magnetfeldes, das im Rohrabschnitt zwischen seinen Enden induziert wird. Wenn die Stärke des Magnet­ feldes B4, das am Bohrlochkopf ermittelt wird, größer als ein vorbestimmter Vergleichswert ist, der über der Feldstärke liegt, die normalerweise in einem Rohrstück konstanter Querschnittsfläche zwischen seinen Enden indu­ ziert wird, dann läßt sich die Anwesenheit einer Kupplung aus den normalen Veränderungen der Feldstärke des im Rohr induzierten Magnetfeldes bestimmen. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Stärke des Ver­ gleichssignals oder der Schwellenwert der Stärke des in­ duzierten Magnetfeldes kleiner als die Stärke eines Mag­ netfeldes, das normalerweise von einer Endkupplung be­ kannter Dimensionen induziert wird, um leichten Änderun­ gen des Magnetfeldes, das in der Kupplung induziert wird, Rechnung zu tragen.

Sobald man die Anwesenheit der Endkupplung durch die Um­ fangswicklung 29 festgestellt hat, kann man die Bewe­ gungsrichtung durch separate Detektoren, wie beispiels­ weise durch die Detektoren 28a und 28b ermitteln. Die Detektoren 28a und 28b enthalten vorzugsweise Hall-Sonden, die eine Spannung erzeugen, die proportional dem Produkt aus Eingangsstrom, magnetischer Flußdichte und dem Sinus des Winkels zwischen der magnetischen Flußdichte und der Ebene des Hall-Generators ist. Diese Elemente sind ähn­ lich jenen Elementen, die für die Ermittlung der Loch­ fraß-Fehlerstellen verwendet werden, und die Spannung wird als Folge der elektromagnetischen Phänomene erzeugt, die im allgemeinen mit Hall-Effekt bezeichnet werden. Das Vorzeichen der Ausgangsspannung der Hall-Sonden 28a und 28b ist einander entgegengesetzt, wenn sie magneti­ schen Kraftlinien in einem Magnetfeld ausgesetzt werden, das sich in entgegengesetzten Richtungen erstreckt. Wie Fig. 17 zeigt, in der die Bewegungsrichtung des Rohr­ stücks T in Richtung des eingezeichneten Pfeiles verläuft, erstrecken sich die magnetischen Kraftlinien des Magnet­ feldes B4 in den gezeigten Richtungen. Magnetische Kraft­ linien für die Endkupplung C steigen in ihrer Intensität, wenn sich die Endkupplung C in ein angelegtes Magnetfeld bewegt, wenn die magnetischen Kraftlinien sich nach außen erstrecken, wie dargestellt. Am hinteren Ende der End­ kupplung C verlaufen die magnetischen Kraftlinien im in­ duzierten Magnetfeld B4 nach innen gegen das Rohrstück T und die Endkupplung C, wie schematisch in Fig. 17 gezeigt ist. Die Hall-Sonden 28a und 28b sind daher magnetischen Kraft- oder Flußlinien ausgesetzt, die sich in umgekehr­ ten Richtungen während des Durchlauf s der Rohrkupplung C durch das angelegte Magnetfeld erstrecken. Wenn die Hall- Sonden 28a und 28b nahe dem vorderen Rand der sich bewe­ genden Endkupplung C angeordnet sind, dann erstrecken sich die magnetischen Kraftlinien radial nach außen. Wenn die Hall-Sonden 28a und 28b sich nahe dem hinteren Rand der Endkupplung C befinden, dann sind sie magnetischen Kraft­ linien ausgesetzt, die sich nach innen gegen die Endkupp­ lung C erstrecken. Die Spannung, die von den Hall-Sonden 28a und 28a in der Nähe des vorderen Randes der Endkupp­ lung C erzeugt wird, hat daher entgegengesetztes Vorzei­ chen zu der Spannung, die erzeugt wird, wenn die Hall-Son­ den 28a und 28b sich nahe dem hinteren Rand der Endkupp­ lung C befinden. Eine Folge der Vorzeichen der von den Hall-Sonden 28a und 28b erzeugten Spannungen entspricht der Bewegung des Rohrstücks T und der Endkupplung C in einer Richtung. Eine Bewegung des Rohrstücks T und der Endkupplung C in der entgegengesetzten Richtung führt zu einer umgekehrten Folge der Vorzeichen der von den Hall-Sonden 28a und 28b erzeugten Spannung. Die Bewegungs­ richtung der Endkupplung C durch das angelegten Magnet­ feld läßt sich auf diese Weise mittels konventioneller Recheneinrichtungen ermitteln und es können spezielle Rohrstücke genau geortet werden.

Wenn man die Vorrichtung zusammen mit einem Positions­ indikator verwendet, wie er beispielsweise durch eine Vorrichtung verkörpert sein kann, die die Geschwindigkeit des Rohrstranges T mißt, dann läßt sich ein Fehlerprofil als Funktion der Position des Rohrstranges in dem Bohr­ loch tabularisch aufzeichnen, wobei dieses Profil Durch­ schnittswanddickenverringerungen, korrosiven Lochfraß und Beschädigungen durch Pumpstangenberührung enthalten kann. Solche Informationen geben dem Bedienungspersonal wert­ volle Einblicke in die Phänomene, die sich innerhalb eines subterranen Öl- oder Gasbohrloches ereignen. Die Verwendung des Endkupplungsdetektors und des beschriebe­ nen Geschwindigkeitsdetektors erlauben eine exakte tabel­ larische Erfassung der Fehler in den einzelnen Rohrstüc­ ken, so daß es möglich wird, zu bestimmen, daß und wann ein spezielles Rohrstück ausgetauscht werden soll.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum simultanen Bestimmen des Ausmaßes von Defekten in gebrauchten Rohrstücken, die einen Rohr­ strang T bilden, wobei die Vorrichtung folgende Einrich­ tungen enthält:
eine magnetische Einrichtung (40a, 40) zum Bestimmen des Ausmaßes der Abnahme der Durchschnittswandstärke eines jeden Rohrstücks, eine weitere magnetische Einrichtung (14a-14e) zum Bestimmen des Ausmaßes von korrosivem Lochfraß in jedem Rohrstück, und schließlich eine magne­ tische Einrichtung (32a, 32b, 10a, 10b) zum Bestimmen von Axialfehlern eines jeden Rohrstücks mit den Merkma­ len,

• - daß die Vorrichtung zur ortsfesten Anordnung an einem Bohrloch ausgebildet ist,
• - daß der Rohrstrang während der Messung aus dem Bohr­ loch heraus oder in das Bohrloch hinein bewegt wird,
• - daß ortsfeste Magnetspulen zur Erzeugung eines sätti­ genden, in Längsrichtung des Rohrstrangs sich er­ streckenden Magnetfeldes vorgesehen sind,
• - daß die magnetische Einrichtung (40a, 40) zum Bestim­ men des Ausmaßes der Abnahme der Durchschnittswand­ stärke eine Aufnahmespule zur Messung des in dem Rohr­ stück induzierten magnetischen Gesamtflusses aufweist,
• - daß die magnetische Einrichtung zum Bestimmen des Aus­ maßes von korrosivem Lochfraß eine Vielzahl von Streu­ flußdetektoren aufweist, die axial beabstandet inner­ halb des sättigenden Magnetfeldes angeordnet sind, und
• - daß die magnetische Einrichtung zum Bestimmen von Axi­ alfehlern zusätzliche ortsfeste Magnetspulen, die ein Wechselstrom-Magnetfeld quer zum Rohrstrang erzeugen, das sich um den Rohrstrang dreht, und zwei Detektor­ spulen aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei­ ne Einrichtung (20) zum Ermitteln der Geschwindigkeit eines jeden Rohrstücks simultan zur Ermittlung der Feh­ ler des Rohrstücks.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ei­ ne Einrichtung (28a, 29) zum Ermitteln des Durchlaufs von Endkupplungen an den aneinander gesetzten Rohr­ stücken durch die Vorrichtung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuflußdetektoren als Hall-Sonden ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur ortsfesten Anordnung der Vorrichtung eine Ein­ richtung zum Montieren der Vorrichtung an der Bohrloch­ sicherung am oberen Ende eines subterranen Bohrlochs vorgesehen ist.