Defect detection apparatus and method of the tubular string

【発明の詳細な説明】 この発明は、地下石油およびガスの抗井に使用される一般的に連続した管状の例（以下、ストリングという）
を含む管状要素群の欠陥検査に関する。

連続した管状ストリングを形成するには、製造管類のストリング、穿孔管のストリングおよび被覆体のストリングなどの接続可能な管片すなわち管要素を用い、この連続した管状のストリングを用いて、地下石油およびガスの抗井の穿孔、完成および製造を行っている。 上述のようなストリングを含む管状要素は、抗井の内部に位置するときに機械的損傷を受け、また、管状要素内に含まれるかあるいは抗井表面と下部穴の位置の間で管状のストリングを通して輸送されることがある腐食性流体の作用にもさらされている。 従って、管状ストリングを含む個々の管状要素を定期的に検査することが有利である。
一般に、管状のストリングを抗井から撤去した後に、管状要素すなわち管状片の欠陥を検査している。 従来の管状片検査は、通常、管状ストリングを含む個々の配管部分を分解した後に行っている。 すなわち、従来、欠陥の検査は、各片ごとに行なっている。

管片の欠陥存在を決定する技術には多くのものがある。 例えば、スラグ介在物、機械的損傷、腐食ピットおよび疲労割れを含む欠陥が内外部にて径方向に伸び３次元になっている場合、その正確な位置は、ろう洩磁束法によって長手方向の磁界を一個以上の磁気誘導コイルによって誘起して決定してきた。 検出器を表面にまたがらせて配管の囲りに位置させ、そして最大信号を記録して欠陥の位置を正確に定める。

長手方向の欠陥を磁気的に検出する通常の方法は、
「回転磁極」法であって、この方法では電磁石を回転させながら外部から磁界を加え、そして磁極の間に位置させた検出器を管の外表面で走査させている。 管壁の厚さは、ガンマ放射の外部回転式放射線源からの放射線を、
管片の壁部を通して管の内側に位置する検出器に投射して測定されてきた。 管壁の厚さを測定する他の方法は、
後方散乱であるガンマ放射、二重壁貫通伝達（double−
wall through−transmission）およびコード（chord）
を用いる。 なお、この方法では管の外側に放射検出器と放射源の両方を位置させている。

管状ストリングが抗井から撤去されている最中に、管片の欠陥検査および測定に用いるには、被検査物表面に検出器をまたがらせ管要素のボア内部に検出器あるいは作動手段を挿入する方法、あるいは、管各部の外表面を完全にカバーするために機械的手段を回転させることを必要とする方法は適していない。 これらの欠陥検査法は、管片が管状ストリング内で相互に接続されている間に、管片の欠陥を測定するのにも適していない。 従ってこれらの検査法は、穿孔、完成もしくは再生作業リグ上で抗井表面にて管状のストリングが抗井から抜き出されているときに管状ストリング内の欠陥を測定するのにも不十分である。

可変速度で相対的に移動する管状要素を検査するのに適した一つの方法は、飽和長手方向磁界を用い、そして強磁性管部材に加えられた磁界によって起こされる電気信号の時間積分をあとから測定して、平均肉厚を決定する方法である。 この方法を用いる試験は、連続配管列装置に対して磁界および磁束検出素子を相対的に移動させる表面管装置で行われたが、このような装置は管片が石油あるいはガス抗井から撤去されているときに該管片の平均肉厚を測定するためには用いられなかった。

発明の概要 本願で開示される方法および装置は、石油もしくはガス抗井で使用される連続ストリングを含む強磁性管状要素内の欠陥の程度を定めるために使用される。 管移送器具は、管の平均肉厚、腐食ピッティング等の局部欠陥、
抗井から管を撤去しているときにサッカーロッド（suck
er rod:ポンプ内のピストン又はバルブのように吸入を誘発し又は調整する装置）が干渉して起こる摩耗などの軸方向欠陥を測定する。

管の少なくとも一部分に、一様な磁気的性質が誘起される。 好ましい一実施態様では、適切な一様磁化磁界を与えることによって適切な長手方向磁界が誘起される。
この磁界を積分した電気信号の強度は、管の肉厚を定める。

長手方向磁界内の磁束ろう洩は、腐食ピッティングなどの局部欠陥の存在に関連する。 例えば幾何学的信号処理によって磁束ろう洩のフィールドの形状を定めて、局部欠陥の深さを定量化する。 好ましい実施態様では、ホール（Hall）効果プローブなどの磁束ろう洩検出素子を複数用いて、磁束ろう洩の２つの異なる導関数を定め、
また腐食ピットなどの局部欠陥の深さを、異なる両導関数の局部的最大値で評価した該導関数の関数とする。

局部欠陥を越える軸方向寸法を有する軸方向欠陥の存在は、第１の一様磁界に加えて、変動（fluctuating）
磁界を印加することにより定められる。 変動する磁界により管要素内に励起磁界を誘起し、次にこれを用いて軸方向欠陥を測定する。 好ましい実施態様では、管の周りに、相を異にする正弦波状（らせん状に巻かれた状態（円柱ばかりでなく角柱の周りに折り曲げられて巻かれたものを含む）を横から見ると正弦波状に見えるため、
本明細書ではこのような状態を正弦波状（sinusoidal）
と称す）導体分布を有する２つのコイルにより変動磁界が発生せしめられる。 さらに励起磁界は、相を異にする正弦波状導体分布を有する２つの正弦波検出コイルを用いて検出される。 印加される変動磁界は、静止コイルを用いて管の周りを回転せしめられ、そして軸方向に伸びる欠陥の存在が種々の角度位置で検出できる。

管移送工具 第１図においてＲは、通常の再生作業リグを概念的に示し、Ｔはケーシング、ボーリングあるいは管ストリングを示す管状ストリングである。 再生作業リグは、管ストリングＴを再生作業中に石油あるいはガス抗井から撤去するために用いられる。 再生作業は通常、産出中の抗井を回復させあるいは産出量を増大させるために、管状ストリングを撤去することを含む。 個々の管状要素が満足すべき状態であるならば、元の管ストリングが再使用されるのが通常である。 第１図にはリグ側で管移送器具２を用いて、管が抗井から撤去されているときに各管状要素の欠陥を測定することが図示されている。 本発明の好ましい実施態様によると管移送器具２は、リグ床Ｆの下方で抗井頂部Ｈに位置せしめられて、リグの通常の操作を妨害しないようにされる。 管移送器具を抗井上の吹出し防止装置に直接取付けることができる。

管移送器具の頭部４の一部が第２図に示されている。
この頭部には、個別の励起コイル２個と、個別の検出コイル２個と、個々の検出素子の複数個と、が管断片内の欠陥の程度を決定すべく含まれている。 さらに頭部と管断片との相対速度を決めるための速度検出器も含まれる。 本発明の好ましい実施態様によると、第３図に示す如く、頭部には４個のセグメント6a〜6dを設けて拡開可能にしている。 個々のセグメントは、複数の部分を含む容器８となっている。 容器８を構成する材料は、電気絶縁体としての性質を有する。 本発明の好ましい実施態様によると、電気部品の間に適切な量の空間を維持する封入材料または注封材料により、容器８を形成することができる。 封入材料は、上記部品を囲む空間あるいは空隙を占めて、電気部品と容器８を囲む外気との間の障壁になって、爆発性蒸気にさらされることがある抗井上部で容器８を安全に使用しうるようにする。

10aおよび10bは、絶縁体の最も内側の部分8aに担持された、交流（AC）を検出する２個の個別のコイルであって、これらのコイル10aおよび10bは、前記部分8aの適切な溝に外周上で連続して巻かれ、前記部分8aを取り囲む複数のループ（コイルの１巻をループという）が形成されていることとなる。 これらのループのそれぞれに含まれる導体が、個別の検出コイル10aおよび10bを形成しており、これらのループは、封入部材8aの軸を含む平面内に位置している。 それぞれのループを一般的に定義するものは、コイル導体部分（４辺から構成されるループの１辺をコイル導体部分という）であってその２個は軸方向に延在しかつ径方向に隔てられており、また他の２個は軸方向に隔てられかつ径方向に延在するものである。
従って、これらのコイル導体は、軸方向に通過する管状部材を取り囲む環を形成する。 ループすなわち４個のコイル導体によって形成される平面は、以下で完全に説明するコイル10aおよび10bによる検出磁界の線と一般的に垂直になっている。

14a〜14eは、複数個の磁束ろう洩検出素子であって、
内側封入体の一部8a内に位置している。 本発明の好ましい実施態様では、磁束ろう洩を検出するプローブ14a〜1
4eのそれぞれに、ホール効果に応答して電圧が発生せしめられる別個のプローブが含まれている。 各ホールプローブの平面は、管移送器具の頭部４の軸と垂直になっており、また管移送器具の頭部４に対して軸方向に動くそれぞれの管状要素に垂直に置かれている。 本発明の好ましい実施態様では、ホール効果ろう洩磁束検出プローブの５個を別々の群として、管移送器具の頭部４の囲りで角度が異なった位置に位置させている。 ホールプローブ
14a〜14eのそれぞれは、絶縁体部8a内に伸びている対応スロット18に受容されている。 本発明の好ましい実施態様では、個々のプローブの間隔を等しくして、それぞれの角度の位置に位置させている。

20は、１個以上の速度検出器であって、絶縁体の一部
8aの外部に位置づけられている。 本発明の好ましい実施態様では、それぞれの速度検出器30には、検出回路すなわちコイル22が含まれており、この回路の内部には２個以上のホールプローブ24aおよび24bが配置されている。
速度検出回路すなわちコイル22の平面は、管移送器具頭部４を通って伸びる径方向面に対して垂直になっている。 速度検出器内の個別のホールプローブ24aおよび24b
の平面は、磁束ろう洩検出に用いられるホールプローブ
14a〜14eの面と垂直になっている。

AC磁気検出コイル10aおよび10b、磁束ろう洩検出プローブ14a〜14eおよび速度検出器20は、それぞれ欠陥を測定すべき管要素Ｔから径方向に隔てられている。 本発明をセグメントとして実施することを示す第２図では、個々のセグメントを測定位置から外側位置に径方向に変位可能として、管移送器具の頭部の通過に妨害にならないようにしている。 しかし検出コイルのそれぞれは、管Ｔ
の表面から内側の測定位置に隔てられている。 本発明の好ましい実施態様では、管移送器具の頭部４の内側表面は、管要素Ｔの表面から約１インチの３分の２の位置にある。 絶縁された部材8bおよび8cは、検出コイルを囲み、そして絶縁部8aに装着されたプローブを囲む。 エポキシあるいはその他の注封材料を用いて、可能性がある電気的ろう洩通路が相互にかつ外気から適宜断絶されるようにすることができる。

32aおよび32bは、外側に配置されたAC励起コイルであって、絶縁体部8dを囲む位置に置かれている。 AC励起コイル32aおよび32bのそれぞれは、連続コイルからなっており、その導体の分布は、AC検出コイル10aおよび10bと同様の角度分布となっている。 コイル32aおよび32bの正弦波状分布は互いにずれて、すなわち一周を相互に埋め合わせる形で配設され、コイル32aと32bとでは導体に流される電流の位相が異なる。 本発明の好ましい実施態様では、導体分布のずれを90゜として、コイル32aをサインコイルと、またコイル32bをコサインコイルと、称しうるようにしている。 コイル32aおよび32bのそれぞれは、別々のループで管移送器具の頭部４および管状要素Ｔを完全に取り囲み、それぞれのコイル32aおよび32bの導体がループに含まれ、また管移送器具の頭部４を取り囲む放射方向面にループが形成されるようにしている。
外側において、管移送器具２の共通封入絶縁体８内にAC
励起コイル32が封入されている。

本発明の好ましい実施態様では、管移送器具の頭部の外部を囲むように金属の外側鞘38を位置させることができる。 この金属の外側鞘は、アルミニウムなどの非強磁性材料から作ることができ、外側のDC励起コイル40aおよび40bならびに包囲側コイル30を担持するために供されている。 本発明の好ましい実施態様では、DC励起コイルは二つの別個の束に分離されている。 単一の励起コイル束も使用することができる。 包囲型励起コイル40には、管移送器具を通過する管状要素Ｔを飽和させるのに十分なアンペアターン数が含まれている。 包囲型コイル
30は、管移送器具の頭部４の周囲を完全に取り巻いて伸びており、そして包囲体コイルは、検出素子10aおよび1
0b,14a〜14e、並びに20よりも大きな径方向間隔で管状要素Ｔを取り囲んでいる。

肉厚測定 管移送器具２が管の一部分の肉厚を測定するために用いる技術は、飽和磁界により管の一部分に誘起された合計磁束を測定することにある。 飽和磁界内の強磁性管部分は、その強磁性管部分内に誘起された磁界の強度が最大になり、飽和磁界をさらに増加させても増加しないときに飽和する。 従って飽和磁界は、特定の断面積を有する管の部分内で均一な飽和磁界を作り出すことができる。 言い換えると、合計磁束は、管状部分の断面積または肉厚に依存する。 飽和磁界が一様ならば、与えられた領域内で管の材料が磁化することによって誘起される磁束の合計の寄与は、管の部分の断面積により変動する。
管の一段片を取り囲むコイル40内のアンペアターン数を多くすると、該管断片の壁部内で長手方向に伸びる飽和磁界を作り出すことができる。

管断片の軸と交叉しまた長手方向で飽和された磁界と交叉する面積を通過する合計磁束は、管状断片を取り囲むピックアップコイル30によって測定されうる。 ピックアップコイルの面積は、管断片の軸と垂直であることが好ましいが、必ずしもその必要はない。 ピックアップコイルを通過する合計磁束は、信号の積分によって検出可能である。 ピックアップコイル内に誘起された起電力（EMF）は、コイルを通過する磁束の時間的変化率に直接関係する。 従ってコイル内に作り出された起電力を時間で積分することによって、合計磁束を検出することができる。 実際、ピックアップコイルを通過する合計磁束が、平均肉厚と仮想線形状に依存していることが得られる。 従って平均肉厚の分離な直接測定をなしうる。

局部欠陥検出 強磁性管状部材または管の平均肉厚は、該要素内に飽和磁界によって誘起された合計磁束を検出することによって決定可能である。 内部および外部腐食などの因子による表面組織（surface texture）の変化に関する定性的情報は、管状部材の異なった位置での平均肉厚を比較することにより決定可能である。 個別コイル内に作り出された信号間の相違は、管状部材内の局部欠陥を記述する定量的情報を生み出さない。

石油およびガス抗井内で使用される管状断片では、管状部材の腐食の結果、局部的腐食ピットD1が起こって、
これが個別の管状断片の強度を著しく低下させることがある。 管状断片の残存壁の厚さが作業環境で機能する個々の管状断片の能力を決めるので、局部的腐食ピットの深さを定量して管状断片の合否を決めなければならない。

腐食ピットの深さに基づいて使用ずみ管の等級分けをすることは、通常の手法となっている。 それぞれの個別腐食ピットは局部的欠陥D1を構成し、その寸法は一般には管状要素の直径より小さいけれども、腐食現象の本性によって不規則かつ重なり合う腐食ピットが、管状断片の内部の同じ一般的領域に位置することがある。 もちろん磁束ろう洩は、個別の腐食ピットの全体的寸法に依存し、腐食ピットの深さには依存しない。 従って検出される磁束のろう洩は、腐食ピットの長さおよび幅により影響されるであろう。 腐食ピットの輪郭もしくは形状および腐食ピットの形状の何らかの不連続の程度などの他の因子も、磁束のろう洩に影響するであろう。 従って管状断片内で同じ深さをもついろいろのピットのろう洩磁界は、ピットの長さおよび巾が異なれば異なり、またピットの輪郭が異なれば異なってくる。 言及しなかった現象による背景磁界または雑音も、管内部の飽和磁界および磁束ろう洩に関連する信号に影響を与えることがある。

本発明の好ましい実施態様では、複数の磁束ろう洩検出素子14を飽和磁界内に設けている。 これらの磁束ろう洩検出素子の配置位置は、飽和磁界内で軸方向に隔てられた複数の位置となっている。 本発明の好ましい実施態様では、ホール効果によって出力が作り出される複数個のプローブを別々に使用している。 本発明の好ましい実施態様では、同一の磁束ろう洩検出ホールプローブ14a
〜14eを、軸方向に等しく隔てられた５つの位置に位置させている。 第２図では磁束ろう洩検出ホールプローブ
14a〜14eの二組しか示されていないが、管移送器具の頭部の囲りに複数の素子の対応する組を周設して、管状要素の周囲を完全にカバーして、角度位置が異なる場所にある腐食ピットなどの局部欠陥を検出しうるようにしている。

本発明の好ましい実施態様では、個別の磁束ろう洩検出ホールプローブの方向を、ホール検知素子の面が移動中の管状要素の軸と垂直になるようにしている。 ここで使用されているように型式のホール素子は、入力電流と、磁束密度と、磁束密度およびホール発生器の面の間の角度のサインと、の積に比例する出力電圧を作り出す。 従って、ろう洩磁界が与えられた場合最大の出力電圧は、個別の磁束ろう洩検出ホールプローブを飽和磁界に垂直に配置することによって得られるであろう。 DC励起コイル40aおよび40bの位置は、管状要素Ｔ内に長手方向すなわち軸方向の飽和磁界を誘起する位置となっている。 プローブ14a〜14eを長手方向の飽和磁界と垂直に管内で向けることによって、磁束ろう洩検出プローブの位置は、磁界内の長手方向変化を検出するものとなる。

要素14により検出される磁束ろう洩の強度は、管状要素状の腐食ピッティング欠陥などの局部欠陥の深さを適切に定量的に測定しないことが分かった。 磁束ろう洩が局部的な欠陥の深さに依るよりもそれらの寸法および形状に依るとの事実は、ろう洩磁束強度のみの測定によっては局部欠陥の深さを測定しえないことの説明になると信じられる。 しかしながら、局部ピッティングなどの欠陥の長さおよび幅による作用が除かれるならば、得られた信号は、局部欠陥の深さを正確に測定できることになる。

本発明の好ましい実施態様では、腐食ピッティングによる欠陥などの局部欠陥の深さに対応する信号が、移動する管状部材の軸方向のすなわち長手方向の寸法に対する磁束ろう洩の強度を差分することによって決定可能となる。 腐食ピッティングによる欠陥などの局部欠陥の深さに対応する信号を得るためには、飽和磁界が各被測定不連続に対応する磁束ろう洩の最大値であるとき、異なる次数の二つの誘導値をそれぞれ磁束ろう洩の軸方向寸法について得、そして二つの誘導値を比較することができる。 本発明の好ましい実施態様では、有限要素近似法を用いて第２および第４の誘導値を得、これらを組合わせて局部欠陥の深さを測定する信号を作り出す。 局部欠陥の深さは、次のようにして測定できることが分かった。

本発明の好ましい実施態様では、複数個の磁束ろう洩検出素子14a〜14eを使用して等しく間隔を定めるとともに相互の関係を一定として配置することにより、幾何学的フィルタリングもしくは数値的差分が得られる（第４
図および第５図参照）。 それぞれの素子で同時に検出された磁束ろう洩の強度を適切なファクターで乗算しそして合計することによって、より高次の導関数のそれぞれの値が得られる。 本発明の好ましい実施態様では、個々の磁束ろう洩検出素子の出力を乗算するために使用するファクターは、定数であって、これらの定数を選択することによって、磁束ろう洩が不変ならば、導関数のそれぞれの値がゼロになるようにしている。 本発明の好ましい実施態様で用いられている通常の電圧発生磁束ろう洩検出素子14a〜14eは、スペースを隔てて離されており、
そしてそれぞれの磁束ろう洩検出素子14から磁束ろう洩の同時値が得られる。

軸方向の欠陥測定 地下の石油およびガス抗井の管状ストリングに使用される管状部材すなわち管断片Ｔのボアは、管の一以上の周辺位置にある軸方向に伸びる欠陥D ₂を有していることがしばしばある。 軸方向に伸びる欠陥の一例は、サッカーロッド摩耗による欠陥である。 サッカーロッドがその往復運動中に管に接触するときに、管のボア上にサッカーロッド摩耗が起きる。 しかしながら、管断片すなわち管状要素のボアの周囲まわりで、サッカーロッド干渉は一様ではない。 サッカーロッド摩耗は、ひとつの周辺位置のみでしばしば起こる。 ただし、サッカーロッドが横方向に振動して、サッカーロッド干渉が二つの対向位置で起こることは、一般的でないことはない。 通常、個々のサッカーロッド集合体に加えられる荷重は、サッカーロッドと管との間の同じ場所で連続的干渉を生ぜしめるであろう。

サッカーロッド干渉による欠陥などの軸方向欠陥D ₂を検出するには、一様なDC磁化磁界B ₁に加えて、変動する
AC磁化磁界B ₂を用いることができる。 肉厚決定に用いる磁界の例のように、一様なDC磁化磁界が、長手方向すなわち軸方向において、強磁性要素すなわち管状断片をDC
界内で飽和させるのに十分な強度をもっていても、変動するAC横断磁界を加えると、両磁界内に位置する強磁性要素の磁気的状態を検出可能な変化とする。 事実、DC磁界は、AC磁界が管状断片内に浸透することを高める。 もちろん、変動する横断磁界を加えることにより検出可能となる変化は、幾何学的管状要素による。 例えば、疵ついていない管断片の応答は、ロッド摩耗干渉欠陥などの軸方向に伸びる欠陥を含む同様な管断片の応答とは異なってくるであろう。 本発明の好ましい実施態様では、石油フィールド管状断片内のサッカーロッド干渉欠陥D ₂などの軸方向に伸びる欠陥による変化は、変動する横断磁界の強さが一様飽和DC磁界の強さよりもかなり低くとも、検出可能である。 サッカーロッド干渉欠陥などの軸方向欠陥の測定は、周波数が約100Hzで、強度が長手方向に印加される一様飽和磁化磁界の強度の約10分の１倍の、正弦波状横断磁化磁界を印加することにより、可能であることが分かった。 本発明の好ましい実施態様では、励磁コイル32は、上述のような変動磁化磁界を印加するために使用される。

一様な長手方向飽和磁界に加えて横断方向の変動磁界を印加することによる応答は、磁束ろう洩効果による部分もあるが、主たる応答は渦流効果によるものであろう。 渦流効果は、強磁性および非強磁性管状部材の両方で起こる。 変動AC磁界を課することによる磁界の変化は、第６図〜第８図に示されている。 第６図〜第８図において、管状断片の軸に直行する平面内での磁界線は、
管Ｔの疵つけられていないおよび疵つけられている管状断片により影響されているものとして示されている。

管状断片の周辺を十分にカバーしまた測定可能な応答を得るためには、本発明の好ましい実施態様に、管状断片が、AC磁化磁界B ₂および一様なDC飽和磁化磁界B ₁の両者に対して軸方向に移動するときに、管状断片Ｔの囲りに変動AC磁化磁界を回転させる装置および方法を含ましめる。 従って、本発明の好ましい実施態様で測定されるロッド摩耗欠陥を応答は、管断片の囲りに回転しかつ一定の強度を有するAC磁化磁界による。

本発明の好ましい実施態様において、管移送器具の頭部４において使用されるロッド摩耗検出装置においては、速度を異にかつ非一様にして軸方向に移動する管状要素または管断片内の任意の周囲位置において、ロッド摩耗欠陥D ₂を検出しかつ測定することが可能になる。 管ストリングが石油およびガス抗井から撤去されるときにロッド摩耗欠陥を検出するための器具に使用される場合は、管各断片の速度は、毎分300フィートまでとすることができる。 移動する管状断片の囲りで磁界を回転させて、管断片を周囲で完全にカバーすることは、横断方向変動磁化磁界を誘起する装置を機械的に回転させることによっては実際に達成できない。 本発明の好ましい実施態様では、変動する横断磁界を発生する励起コイル32内の巻線を異相にして、磁界の回転を達成する。 従って磁界は、機械的ではなく電気的に回転する。 本発明の好ましい実施態様では、励起コイル32aおよび32bに設けられた導体の分布は、励起コイルの囲りの角方位とともに正弦波状に変化している。 二つの正弦波状コイル32aおよび32b内の導体分布の角度をずらして、コイル32a内の導体分布の相がコイル32b内のものと異ならしめている。
本発明の好ましい実施態様で使用される正弦波状励起コイルは、90゜に等しい相偏位を有しているので、コイル
32aをサインコイルと、コイル32bをコサインコイルと呼ぶことができる。 二つの相巻線間の導体分布の空間もしくは角度変位、並びに電流の時間変位は、角速度が一定でかつ振幅が一定の回転磁界が発生するようにされている。 第11図〜第14図は、一定のDC磁界B ₁の存在下で、一定のAC磁界B ₂が回転する様子を示しており、該AC磁界は軸方向欠陥D ₂を含む管区域Ｔの囲りで回転している。

第８図〜第10図から分かるように、軸方向欠陥D ₂による磁界線が、移動する管要素Ｔに直交する平面に現われるときに、その乱されたもしくは差分の線は、主として円形となる。 本発明の好ましい実施態様によれば、これらの差分磁界線は、管移送器具頭部４の囲りに分配されたAC検出コイル10aおよび10bにより検出される。 それぞれのコイル10の平面の一般的方向は、第８図〜第10図における円形磁界線などのように、軸方向に伸びる欠陥により発生せしめられた円形磁界線に関して横断方向となる。 従って各コイルを連結する磁束であって変化中の磁束は、コイル10aおよび10bにより検出される。

検出器すなわち捕集（ピックアップ）コイル10には、
一対の垂直コイル10aおよび10bが含まれる。 本発明の好ましい実施態様では、検出コイル10aおよび10bのそれぞれの検出コイル導体の分布は正弦波状になっている。 一個の正弦波コイルの導体の分布は、他の正弦波コイルに対してずらされているので、導体分布の間には相変位がある。 本発明の好ましい実施態様では、この変位が90゜に等しいので、ひとつの検出コイル10aをサイン検出コイルと称し、一方、他の検出コイル10bをコサイン検出コイルと称することができる。 もちろん、第８図〜第10
図に示されているように、円形励起磁界線は、軸方向欠陥D ₂の位置に依存して、コイル32aおよび32bにより生じる励起磁界に関して角度位置が異なると強度が異なってくるであろう。 導体の分布が大きいコサインコイルの一部の近傍で欠陥が発生するならば、コサインコイル内で発生する信号は、サインコイル内で発生する信号よりも格段に大きくなるであろう。 こてはサインコイルが軸方向欠陥の近傍で対応して小さい電気導体分布をもつからである。 二つのコイル内の異なった位置における導体の分布は分かっているから、適切な利得ファクターを用いて、二つの別個の検出コイル10aおよび10bの信号の組合わせを調節し、この結果得られた信号が軸方向欠陥の寸法および位置の両者を反映するようにすることができる。

２つの検出コイル10a,10bには、第２図に示される励起コイル32の構造と同様に正弦波状コイル巻線が含まれる。 コイル10は管状要素Ｔの全周囲の囲りで延在しているから、周囲位置がどこであっても欠陥は、正弦波状検出コイル10aおよび10bの両方内に信号を発生する。 各コイル内の導体分布したがって電流には、管状要素Ｔの周りで角度上の相異があるから、乱されたもしくは差分の磁界が作り出す信号は、コイル内の角度位置によって異なってくる。

検出器コイル10aおよび10bは、渦流および磁束ろう洩効果を検知し、かくして検知された効果は、振幅変化および相変化として明示される。 例えば、渦流の相は、励起コイル32により発生した磁界の相より90゜外れる。 したがって、渦流効果は、励起信号に関して検出信号の相変化をもたらすことが明らかであろう。 本発明の好ましい実施態様では、上記相変化を検出して、管状要素２の直径よりも一般に長さが大である、サッカーロッド干渉による欠陥などの軸方向すなわち長手方向発生欠陥の寸法を測定する。

アナログおよびディジタル信号処理を組合わせて、これを、サイン検出コイル10aおよびコサイン検出コイル1
0bの両者内に作り出された信号の強度を得るために用いることができる。 しかし、両コイル内に作り出された信号が、管状要素内の一つの欠陥によるものであるかあるいは一様な肉厚減損などの他の撹乱によるものであるかを定めるためには、信号の角度変化を定めるための何らかの手段を用いなければならない。

検出コイル10aおよび10b内の信号を、検出しそしてアナログおよびディジタル信号処理して、サイン検出コイル10aおよびコサイン検出コイル10bの両者内に作り出される信号の強度を得ることができる。 励起コイル32aおよび32bは、それぞれ同じ周波数で励起される。 本発明の好ましい実施態様では、これらのコイルを励起する周波数を100Hzとする。 検出器コイル10aおよび10bも、管状要素Ｔの周りに位置しており、またコイル10aおよび1
0b内の信号を多数の別個のチャネルに分割する。 検出コイル内の巻線の角度変化に関連する適切な利得因子を選択して、検出コイル10aおよび10bからの信号を、別個のチャネル内の独立した信号に分離する。 本発明の好ましい実施態様では、巻線は、正弦波状であり、そして90゜だけずらされている。 したがって、それぞれのコイル内の信号を適切な正弦波関数で乗算し、そして次にそれぞれの別個のチャネル内で組み合わせると、各チャネル内に信号が得られる。 本発明の好ましい実施態様では、各チャネル内の電圧は次式： Vchannel＝Vs sin Angle＋Vc cos Angle により得られる。 但し、Vsは、サインコイルと称することができる検出器コイル10aの一つにて得られる電圧に等しく、またVcは、コサインコイルと称することができる検出器コイル10bの一つにて得られる電圧に等しい。
検出器コイル内の巻線分布に関連する利得ファクタを用い、そして次に適切な利得ファクタと当該コイル内の電圧との積を加算する結果として、チャネル信号が得られ、これを他のチャネルの信号と比較して、管状要素Ｔ
の周りの角度位置に対応する信号を得る。

速度および位置検出器 移動する管状要素の断面積、腐食ピッティング欠陥などの局部欠陥の深さ、およびサッカーロッド干渉による欠陥などの長手方向に伸びる欠陥の寸法は、検出器に対する管状要素Ｔの速度と独立して検出器４により定められる。 管移送器具２に対する管状要素Ｔの速度を決定する必要があるかもしれない。 例えば、管状ストリングＴ
の特定の管断片内の欠陥の寸法および存在を定めるばかりでなく、管ストリングおよびそれを構成する管状断片の両方にある欠陥の位置を定める必要があるかもしれない。 第２図では非接触速度検出器20が、管移送器具頭部４に位置して示されている。 本発明において使用される各速度検出器の好ましい実施態様は、磁界によって信号が作り出される二つの検出器要素24aおよび24bが含まれる。 この本発明の好ましい実施態様では、検出素子24a
および24bは、ホール効果により電圧が発生される素子を含む。 これらのホールプローグ24aおよび24bは、第15
図に概念的に示されるように速度検出器コイル22に合体される。 このコイルで作り出される信号は、そのコイルで検知される速度および磁界の両方に関連する。 コイル内の信号は、速度および磁界のベクトル交叉積に比例し、一方ホールプローブ内の信号は磁界のみによる。 変化している磁界近くの捕集コイルの出力電圧は、空間的に方向が固定されたコイルのそばを通過する磁界の変化率に比例するので、出力電圧があると、これは磁界強さおよび磁界速度の積に比例する。

管状要素Ｔの速度による変化磁界は、平均壁変化による信号としてのピッティング信号が、パイプから発生するものであるか、あるいはパイプの雑音として発生するろう洩磁界である。 例えば、強磁性管状要素Ｔ内部での透磁率変化によって、ろう洩磁界が作り出されることもある。 各速度検出器の好ましい実施態様では、コイル22
内に２つのホールプローブ24a,24bが合体され、ホールプローブを一定方向に向けてろう洩磁界の径方向変化を検出する。 第２図に示されているようにコイルおよびホールプローブが向けられているときは、コイル電圧はコイルの巻数、環状要素の速度、コイルの幅、およびコイルの両端でのろう洩磁界の径方向成分の差、の積に等しい。 各ホールプローブの電圧は、ホールプローブのろう洩磁界の径方向成分をホールプローブ装置の利得倍したものに等しい。 したがって、コイル電圧の、２つのホールプローブ間の電圧差に対する比率は、パイプの速度を決定する。

末端カップリング検出計 本願で説明されている非接触式速度検出計は、被検査管状部材内の欠陥の軸方向位置を定めるために使用される。 管ストリングを形成する特定管状断片内の欠陥の位置を知っていることが重要であり、また管ストリング内の欠陥の位置を知っているとオペレータが、肉厚減少、
腐食ピット、またはサッカーロッド干渉による摩耗が問題となっている抗井内の正確な場所を定めることができ、このような知見もまた有意義である。 このような知見があれば、ストリングの輪郭の構造上重要な問題領域を定められることになろう。

ストリングの輪郭の構造を定め、また欠陥が管状ストリングの何れで発生しているかを特定するとともに欠陥の場所を定めるためには、抗井頭部に対する管ストリングの位置を決定しなければならない。 本発明の好ましい実施態様では、非接触式速度検出計および非接触式末端カップリング検出計を用いて、管ストリングの位置を定める。 石油およびガス抗井で使用されるケーシング、産出中の管、完成ストリングなどの通常の管状ストリングについては、個々の区域をより大きな断面積をもつ末端カップリングにより接合する。

各管断片の正確な位置を定め、したがって管状ストリングの位置を定めるためには、各末端カップリングの存在も末端カップリングの移動方向も検出しなければならない。 本発明の好ましい実施態様では、一様な強さを有しまた抗井頭部に対して固定された磁界を、抗井頭部の近傍において管状ストリングの部分および管状断片に印加する。 この結果、管状断片内に磁界が誘起される。 第
16図には、末端カップリングＣにより相互に接続された管断片Ｔおよび末端カップリングＣの領域において誘起されている磁界B ₄を表わす磁束線が示されている。 末端カップリングＣの断面積は、管Ｔの断面積より大きいから、末端カップリングの近傍における磁界B ₄の強さは、
両端の中間での管状断片内に誘起された磁界の強さより大きくなる。 抗井頭部で検出される磁界B ₄の強さが、予め定められた基準値を、管断片末端の中間で断面積が一定である管断片に正常的に誘起される磁界の強さだけ越えるならば、カップリングの存在は管断片内で誘起された磁界の強さの正常な変動より識別される。 本発明の好ましい実施態様では、カップリング内で誘起される磁界の僅かな変化のために、誘起磁界強度の基準信号すなわちしきい値の強さは、既知の寸法の末端カップリングにより正常に誘起される磁界の強度より低くなる。

円形包囲コイル29によって末端カップリングの存在が一旦検出されると、検出器28aおよび28bなどの別個の検出器により運動の変更が検出可能になる。 本発明の好ましい実施態様では、検出計28aおよび28bに含まれるホールプローブが、入力電流、磁束密度、及び磁束密度とホール発生器の平面間の角度のサイン、の積に比例する電圧を発生する。 これらの素子は腐食ピッティング検出に使用される素子に類似しており、また電圧は一般にホール効果と称せられている電磁現象に応じて発生する。 ホールプローブ28aおよび28bが磁界内で反対方向に伸びる磁力線を受けているときは、その出力電圧の符号は反対になる。 第16図には、管状ストリングＴの移動方向が矢印で示されており、磁界B ₄の磁力線は図示されている方向に伸びる。 図示されているように磁力線が外側に伸びる場合は、末端カップリングＣが印加磁界内に移動した時に、末端カップリングＣによる磁力線は強度が増加する。 末端カップリングＣの後縁部では、第16図に概念的に示されているように、誘起磁界B ₄内の磁力線は、管状ストリングＴおよび末端カップリングＣに向かって内向きに伸びる。 したがって、末端カップリングＣが印加磁界を通過する最中、ホールプローブ28aおよび28bは、反対方向に伸びる磁力線すなわち磁束を受ける。 ホールプローブ28a,28bの位置が、移動中の末端カップリングＣ
の前縁の近くに来たときには、磁力線は径方向外向きに伸びる。 ホールプローブ28a,28bの位置が末端カップリングＣの後縁に近くなるときは、ホールプローブ28aおよび28bは末端カップリングＣに向かって内側に伸びる磁力線を受ける。 したがって、末端カップリングＣの前縁近傍でホールプローブ28aおよび28bにより発生せしめられる電圧の符号は、ホールプローブ28aおよび28bが末端カップリングＣの後縁近傍にあるときに発生せしめられる電圧の符号と反対になる。 ホールプローブ28aおよび28bにより発生せしめられる電圧の符号の一つの順序は、管ストリングＴおよび末端カップリングＣが一つの方向に移動することに対応する。 これと反対方向に管ストリングＴおよび末端カップリングＣを移動させると、
ホールプローブ28a及び28bにより発生せしめられる電圧の符号の順序は、反対になる。 したがって、印加磁界を通過する末端カップリングＣの移動方向は、通常の計算手段によって認識することができ、また特定の管状断片が配置可能となる。

管ストリングＴの速度を測定可能な装置により提供されるような位置指標と関連して用いると、平均肉厚減損、腐食ピッティング、およびサッカーロッド干渉による摩耗を含む欠陥の輪郭が、管状ストリングの抗井内位置の関数として図表化される。 このような情報は、地下の石油またはガスの抗井内で直面中の現象を洞察しうる有益な情報としてオペレータに与えられる。 さらに、本発明の好ましい実施態様として記載した末端カップリング検出器および速度検出器は、個々の使用ずみ管断片内での欠陥の正確な図表化を可能にして、かかる管断片を交換するべきか否かをオペレータに決定せしめる。

本発明を好ましい実施態様について詳しく説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本願開示を考慮すると当業者に代替態様および操作法が明らかであるから、本発明の精神から逸脱しない変更が考えられることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は地上リグ上の管移送器具の概念図、 第２図は管移送器具のセグメントの拡大図、 第３図は管移送器具頭部の拡大断面図、 第４図は管ストリングおよび局部欠陥測定検出器の図、 第５図は管の相対移動を示す第４図に類似する図面、 第６図は、全変動磁界線が、軸方向に伸びる欠陥をもたない管状要素の環状断片により乱されていることを示す図、 第７図は、全変動磁界線が、軸方向に伸びる欠陥を管状要素の内面に含む管状要素の環状断片により乱されていることを示す図、 第８図は第６図および第７図の磁界の磁界線上の相違を示す図、 第９図および第10図は、軸方向に伸びる欠陥の方向が励起磁界に対して異なっていることによる差分磁界線を示す図、 第11図〜第14図は管状要素の周りに変動磁界を回転させて、励起磁界に対する角度が異なった位置で軸方向延在欠陥を検出する図、 第15図は管移送器具頭部に装着可能な速度検出器の図、 第16図は末端カップリング検出計の図、 第17図は環状要素を移動させるとろう洩磁束が受ける作用を示す図である。 ２……管移送器具、 ６……セグメント、10……AC検出コイル、 14……磁束ろう洩検出素子、 20……速度検出器、32……AC励起コイル、 40……DC励起コイル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク サイモン ハイネス アメリカ合衆国，テキサス 77088，ヒ ユーストン，ログ ホロウ ドライブ, 5627 (72)発明者 ジエームス エルドン ブレイドフイー ルド アメリカ合衆国，テキサス 77088，ヒ ユーストン，ウエスト ガルフバンク 128，5714 (56)参考文献 特開 昭58−218644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−58303（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−65990（ＪＰ，Ａ)