DE3445770C2 - Vorrichtung zur Fehlermessung an ferromagnetischen Rohren - Google Patents
Vorrichtung zur Fehlermessung an ferromagnetischen RohrenInfo
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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.
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:
VKanal = VS Sin Winkel + Vc Cos Winkel,
worin VS 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,
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.
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