NO341138B1

NO341138B1 - Elektromagnetisk akustisk omformer med krysstale eliminasjon

Info

Publication number: NO341138B1
Application number: NO20100609A
Authority: NO
Inventors: Stanislav W Forgang; Arcady Reiderman
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2017-08-28
Also published as: US20090084185A1; NO20100609L; GB2466748A; GB2466748B; WO2009082524A9; WO2009082524A2; US7726193B2; WO2009082524A3; GB201007020D0

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Oppfinnelsens område

Oppfinnelsen her vedrører generelt elektromagnetiske signalomformere. Mer spesifikt vedrører foreliggende oppfinnelse en elektromagnetisk-akustisk signalomformer som anvendes ved ikke-destruktiv testing. Enda mer spesifikt beskrives det her en fremgangsmåte og et apparat for å fjerne forstyrrelse mellom atskilte elektromagnetisk-akustiske signalomformere.

2. Beskrivelse av beslektet teknikk

Overvåkning av oppførselen til akustiske bølger i et fast legeme er nyttig for å oppdage eventuelle ufullkommenheter i det faste legemet. Ett eksempel på anven-delse omfatter forplantning av en akustisk bølge inn i et element som testes, motta den resulterende bølgen og analysere bølgen. Bestemmelse av dempningen av den resulterende bølgen kan gi nyttig informasjon vedrørende ufullkommenheter i ele-mentet. Ufullkommenhetene kan omfatte sprekker/brudd, gropdannelse, korrosjon eller andre diskontinuiteter i det faste legemet. Elementene som testes omfatter konstruksjonsdeler, tanker, rørledninger og andre rørelementer. Andre anvendelser omfatter måling av dimensjoner og identifisering av materialet som bølgen forplanter seg gjennom.

DE 36 37 366 A1 omhandler en elektromagnetisk ultrasonisk signalomformer. US 7,024,935 B2 vedrører elektromagnetiske akustiske signalomformere.

US 2007/0211572 A1 beskriver en kombinert elektromagnetisk akustisk signalomformer.

Én anordning som er nyttig for å generere akustiske bølger i faste legemer for ikke-destruktiv testing er en elektromagnetisk-akustisk signalomformer (EMAT - Electromagnetic Acoustic Transducer). Figur 1 illustrerer i et sidesnitt et eksempel på en EMAT 10 fra kjent teknikk. EMAT 10 omfatter en permanentmagnet 14 som ligger hovedsakelig parallelt med et elektrisk ledende objekt 12. Elementer anordnet på terminalendene av magneten 14 danner en magnetåk 16 som strekker seg nedover mot objektet 12. En spole 18 omfattende en sekvens av ledninger 20 er anordnet i rommet mellom permanentmagneten 14 og objektet 12.

Funksjonen til en EMAT omfatter å sende elektrisk strøm gjennom spolen 18 og med det indusere virvelstrømmer i objektet 12 nær ved den elektrisk ledende ledningen 20. Vekselvirkning mellom et magnetfelt og induserte virvelstrømmer skaper i sin tur Lorentz-krefter som eksiterer objektet akustisk. Magnetfeltet blir generert av magneten 14. Akustisk eksitasjon resulterer typisk i akustiske bølger som forplanter seg i objektet 12. Tilsvarende kan plassering av en EMAT nær ved et objekt eksitert av akustiske bølger indusere en vekslende magnetisk fluks som igjen resulterer i at en elektromotorisk kraft blir påført på mottakerspolens ledninger. Ved å måle denne elektromotoriske kraften kan en EMAT således også tjene som en akustisk mottaker. Registrering og analysering av disse bølgene er nyttig for å detektere ufullkommenheter i det faste legemet.

Én ulempe med dagens EMAT-omformere er at dersom en EMAT-sender og en EMAT-mottaker befinner seg tilstrekkelig nær ved hverandre, det oppstår en parasittkobling eller krysstale mellom de respektive viklingene i senderen og mottakeren. Den resulterende krysstalen kan ha en ødeleggende innvirkning på data som mottas av mottakeren.

KORT OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelse fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Det beskrives her en elektromagnetisk-akustisk signalomformer nyttig for å analysere et objekt, omfattende en magnetisk kjerne, en kjernevikling som omslutter kjernen, der viklingen er innrettet for å føre strøm derigjennom, og en spole innrettet for å lede en vekselstrøm. Signalomformeren kan eventuelt videre omfatte en permanentmagnet, idet selektiv føring av strøm gjennom viklingen kan endre magnetpolariteten til den magnetiske kjernen og dermed selektivt kansellere det resulterende magnetfeltet fra kjernen og magneten. Kjernen omfatter fortrinnsvis en permanentmagnet eller et mykt magnetisk materiale.

En fremgangsmåte for å analysere et fast legeme er beskrevet, omfattende det å anordne første og andre elektromagnetisk-akustiske signalomformere nær ved det faste legemet, der den første elektromagnetisk-akustiske signalomformeren er en sender og den andre elektromagnetisk-akustiske signalomformeren er en mottaker; selektivt skru av et statisk magnetfelt i én av de elektromagnetisk-akustiske signal omformerne; generere et akustisk signal med den første elektromagnetisk-akustiske signalomformeren; og motta akustiske data med og uten tilstedeværelse av nevnte statiske magnetfelt for å fjerne artefakter i dataene som følge av parasittkoblinger mellom den elektromagnetisk-akustiske sender-signalomformeren og den elektromagnetisk-akustiske mottaker-signalomformeren.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Figur 1 er et sidesnitt av en elektromagnetisk-akustisk signalomformer fra kjent teknikk. Figurene 2a og 2b er sidesnitt som illustrerer driftsmåter for en utførelsesform av en elektromagnetisk-akustisk signalomformer. Figur 3 er et sidesnitt av en alternativ utførelsesform av en elektromagnetisk-akustisk signalomformer. Figur 4 er en utførelse av et nedihullsverktøy med en elektromagnetisk-akustisk signalomformer.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektromagnetisk signalomformer i stand til å fjerne krysstale som noen ganger oppstår mellom en sender-signalomformer og en mottaker-signalomformer. Krysstale er også omtalt her som et parasittsignal som følge av direkte kobling mellom sende- og mottaksspolene på en respektiv sender og mottaker. Én måte å fjerne artefakter som følge av krysstalen omfatter å nøytralisere eller fjerne magnetfeltet indusert av en signalomformer i objektet som analyseres. Signalregistreringen uten magnetfeltet (enten på sender-ener mottakersiden) representerer kun det krysstale-relaterte signalet. Subtraksjon av dette signalet fra signalregistreringen i full magnetfeltmodus gir akustisk signal-forplantning uten artefakter som følge av elektromagnetisk krysstale mellom sender og mottaker. For formålet med beskrivelsen her refererer benevnelsen "artefakt" til et uønsket signal eller en del av et signal som er uønsket. Ett eksempel på artefakt er støy eller korrelert støy. Som angitt nedenfor kan magnetfeltet fjernes enten ved å fjerne strømmen i elektromagneten eller ved å skape et "kansellerende" permanent magnetfelt. Med et kansellerende magnetfelt menes et felt skapt nær ved for å veksel- virke med et første magnetfelt, der det kansellerende magnetfeltet har en absoluttverdi og polaritet som tilnærmet opphever det første magnetfeltet.

I figurene 2a og 2b er én utførelsesform av en elektromagnetisk signalomformer ifølge foreliggende oppfinnelse vist i et sidesnitt. I figur 2a er en signalomformer 22 vist omfattende en kjerne 26 omgitt av en vikling 28. I denne utførelsesformen omfatter kjernen 26 et magnetisk materiale med betydelig magnetisk hysterese. I den viste utførelsesformen omfatter viklingen 28 en lang ledning 30 koaksielt omspunnet langs en del av kjernen 26. Et magnetåk 24, omfattende et mykt magnetisk materiale, er koblet til terminalendene av kjernen 26. Magnetåken 24 går nedover mot overflaten av objektet 40 som blir undersøkt av signalomformeren 22. Aken 24 leder magnetisk fluks fra kjernens endepoler til objektet som blir testet.

Tilnærmet parallelt med og nedenfor kjernen 26 er det anordnet en permanentmagnet 32. I den viste utførelsesformen fungerer magneten 32 som en magnetfeltkilde som genererer et magnetfelt. Permanentmagneten 32 er også omgitt ved sine terminalender av magnetåket 24.

Som vist av den tohodede pilen står viklingene 28 i elektrisk kommunikasjon med en pulserende strømkilde 29. Strømkilden 29 forsyner selektivt elektrisk pulsert kraft til viklingene 28. Den pulserte kraften er høy nok til å magnetisere/remagne-tisere den magnetiske kjernen 26. Som følge av magnetisk hysterese forblir den magnetiske kjernen 26 magnetisert etter at den pulserende strømmen generert av strømkilden 29 opphører. Magnetiseringsretningene til kjernen 26 og permanentmagneten 32 er vist henholdsvis av pilene 27 og 33 i figur 2a. I akustisk bølge-genereringsmodus for signalomformeren 22 vist i figur 2a peker restmagnetiseringen av kjernen 26 og magnetiseringen av permanentmagneten 32 i samme retning. Det resulterende magnetfeltet generert av den magnetiserte kjernen 26 og permanentmagneten 32 er illustrert av sekvensen av flukslinjer 38 som strekker seg gjennom objektet.

En koblingsvikling 34 er vist i utførelsesformen i figur 2a i rommet dannet mellom permanentmagneten 32 og objektets øvre overflate 49. I denne utførelses-formen omfatter koblingsviklingen 34 en koblingsviklingledning 36, der ledningen 36 er lang og elektrisk ledende. Denne ledningen 36 er vist anordnet i en standard sløy-fesekvens, men i én utførelsesform kan ledningen 36 omfatte en buktende anordnet ledning. En strømkilde 35 for RF-strøm er vist i elektrisk kommunikasjon med koblingsviklingen 34 av den tohodede pilen. Ved å drive RF-strøm gjennom koblingsviklingen 34 i nærvær av magnetfeltet 38, skaper således de resulterende kreftene på objektet 40 akustiske bølger i objektet 40. I en mottaker-driftsmodus for signalomformeren 22 er koblingsviklingen 34 koblet til en mottaker (ikke vist i figur 2).

Figur 2b, som er et sidesnitt tilsvarende figur 2a, representerer en alternativ driftsmodus for signalomformeren 22. I denne modusen forsyner den pulserende strømkilden 29 selektivt pulserende strøm til spolen 28 i en retning som reverserer kjernens magnetpolaritet til motsatt for den i modusen i figur 2a. Som følge av betydelig magnetisk hysterese i det magnetiske materialet i kjernen 26, forblir kjernen magnetisert etter at strømpulsen har opphørt. Den motsatte polariteten er vist av retningen til pilen 27a, som peker i motsatt retning av pilen 27. Denne reverseringen av polariteten gjør at kombinasjonen kjerne 26/vikling 28 genererer et magnetfelt med en polaritet som er motsatt av magnetfeltet generert av permanentmagneten 32. Vekselvirkning mellom to motsatt polariserte magnetfelter (eller introduksjon av et kansellerende magnetfelt på et annet magnetfelt) kansellerer begge feltene.

Følgelig går det ikke noe resulterende magnetfelt inn i legemet av objektet 40. Signalregistreringen gjort samtidig med generering av det kompenserte magnetfeltet blir subtrahert fra signalregistreringen gjort med det fulle magnetfeltet for å frembringe et rent signal. Fjerningen av krysstale som beskrevet over kan oppnås ved å kansellere det statiske magnetfeltet til én av mottaker- eller sender-signalomformeren.

Figur 3 viser en alternativ utførelsesform i en tverrsnittsskisse. I denne ut-førelsesformen omfatter signalomformeren 42 en kjerne 44 som har et hovedsakelig U-formet tverrsnitt. Som vist er en vikling 46 omspunnet rundt den aksielle delen av kjernen 44. Den tohodede pilen representerer elektrisk kommunikasjon mellom den elektriske strømkilden 47 og viklingen 46. En koblingsspole 52 anordnet mellom kjernen 44 og objektet 40a er vist i tverrsnitt, og omfatter en lang, elektrisk ledende ledning 54 anordnet i et typisk viklingsmønster. I forhold til foreliggende oppfinnelse kan viklingsmønsteret til ledningen 54 være et hvilket som helst mønster nyttig for kobling av signalomformeren med objektet 40a for å generere de nødvendige akustiske bølger. En strømkilde 53 er elektrisk koblet til spolen 52, idet koblingen er representert av den tohodede pilen. Som med signalomformerne i figur 2a vil aktivisering av spolen 46 med den elektriske strømkilden 47 skape et resulterende magnet felt som strekker seg inn i legemet til objektet 40a. Dette magnetfeltet i objektet 40a er illustrert av sekvensen av buede linjer 56. Dette magnetfeltet i kombinasjon med virvelstrømmer indusert i objektet 40a som reaksjon på magnetfeltet for aktivisering av spolen 52 genererer i sin tur de akustiske bølgene i legemet av objektet 40a.

I denne utførelsesformen kan strømkilden 47 selektivt skru den forsynte strømmen på og av og dermed fjerne magnetfeltet 56. Ved å synkronisere fjerning av magnetfeltet, sammen med datainnsamlingsfasen, kan artefaktene som følge av krysstalen mellom en akustisk sender og en akustisk mottaker fjernes.

I figur 4 er én utførelsesform av et nedihulls avlesningssystemsystem i hen-hold til foreliggende oppfinnelse vist i et sidesnitt. I denne utførelsesformen er et nedihullsverktøy 72 vist anordnet inne i en brønnboring på en kabel 74. Signalomformere 76 er tilveiebragt på overflaten av nedihullsverktøyet 72. I denne utførel-sesformen kan signalomformerne 76 omfatte en EMAT-utførelse og kan være en kombinasjon av sendere og mottakere. Videre, når det befinner seg i et utforet hull, er nedihullsverktøyet 72 nyttig for å bestemme informasjon vedrørende foringsrøret og bindingen av foringsrøret. Eventuelt vil signalomformerne 76 kunne anvendes for å frembringe informasjon vedrørende formasjonen rundt brønnboringen.

I denne utførelsesformen blir en vogn 78, som befinner seg på overflaten, anvendt for å styre og aktivere innsetting og uthenting av nedihullsverktøyet 72. Eventuelt kan et informasjonshåndteringssystem (IHS) bli anvendt sammen med overflatevognen 78 for innsamling, registrering og analyse av hvilke som helst akustiske eller andre innhentede signaldata frembrakt med bruk av signalomformeren 76.

Foreliggende oppfinnelse som beskrevet her er derfor velegnet til å utføre hensiktene og oppnå de angitte mål og fordeler, så vel som andre som følger naturlig med disse. Selv om en for tiden foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er vist for beskrivelsesformål, er en rekke endringer mulige i detaljene i prosesser for å oppnå de ønskede resultater. Strømkilden som anvendes for å forsyne elektrisk kraft til de omtalte utførelsesformene kan være plassert sammen med anordningen, for eksempel inne i en brønnboring, eller fjernt fra anordningen og koblet til et strøm-ledende element, så som en ledning. Denne og andre tilsvarende modifikasjoner vil være nærliggende for fagmannen, og er ment å være omfattet innenfor rammen til de vedføyde kravene.

Claims

1. Elektromagnetisk-akustisk signalomformer (22, 42, 76) egnet for å analysere et objekt (40; 40a), omfattende: en kjerne (26; 44); en kjernevikling (28; 46) som omslutter kjernen (26; 44),karakterisert vedat kjerneviklingen (28; 46) er innrettet for å føre strøm fra en strømkilde (29; 47) i kommunikasjon med kjerneviklingen (28; 46) derigjennom i en valgbar retning; en magnetfeltkilde (32) nær ved kjernen (26; 44); og en spole innrettet for å lede strøm fra en vekselstrømkilde i kommunikasjon med spolen, hvor, under bruk, selektiv føring av strøm gjennom kjerneviklingen (28;

46) endrer magnetpolariteten til kjernen (26; 44) for derved selektivt å kansellere det resulterende magnetfeltet fra kjernen (26; 44) og magnetfeltkilden (32).

2. Signalomformer ifølge krav 1, der magnetfeltkilden omfatter en permanentmagnet (32).

3. Signalomformer ifølge krav 1 eller 2, der kjernen (26; 44) omfatter en permanentmagnet (32) med foranderlig polaritet.

4. Signalomformer ifølge krav 2 eller 3, videre omfattende en magnetåk (24) anordnet på en terminalende av kjernen (26; 44) og magnetfeltkilden (32).

5. Signalomformer ifølge ethvert av de foregående krav, der signalomformeren (22, 42, 76) fungerer som en akustisk sender.

6. Signalomformer ifølge ethvert av krav 1-4, der signalomformeren (22, 42, 76) fungerer som en akustisk mottaker.

7. System omfattende en signalomformer (22, 42, 76) ifølge ethvert av de foregående krav og et nedihullsverktøy (72) som kan bli plassert inne i en rørstruktur.

8. Fremgangsmåte for å analysere et fast legeme (40; 40a),karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter trinn med å: anordne en første og en andre elektromagnetisk-akustisk signalomformer nær ved det faste legemet, der den første elektromagnetisk-akustiske signalomformeren er en sender og den andre elektromagnetiske signalomformeren er en mottaker; selektivt deaktivere et statisk magnetfelt i én av de elektromagnetiske signalomformerne; generere et akustisk signal med den første elektromagnetisk-akustiske signalomformeren; og motta akustiske data med og uten tilstedeværelse av nevnte statiske magnetfelt, og med det å fjerne dataartefakter som følge av parasittkobling mellom den elektromagnetisk-akustiske sender-signalomformeren og den elektromagnetisk-akustiske mottaker-signalomformeren.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, der én av de elektromagnetisk-akustiske signalomformerne (22, 42, 76) omfatter en permanentmagnet (32), og der trinnet med å selektivt skru av et statisk magnetfelt omfatter trinnet med å reversere magnetiseringen til permanentmagneten (32) for derved å forårsake kansellering av det statiske magnetfeltet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, videre omfattende trinnet med å anordne signalomformeren (76) i en brønnboring.