連續(xù)油管的無(wú)損探傷方法優(yōu)選與集成

王哲 張健 周兆明

(中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢 618300)

0 引言

連續(xù)油管自20世紀(jì)70年代引入我國(guó)后，在油氣井應(yīng)用領(lǐng)域的工藝不斷拓展，目前包括鉆井、洗井、氮?dú)鈿馀e、鉆磨橋塞、壓裂、下速度管柱、射孔等30多種工藝，被稱為油田“萬(wàn)能作業(yè)機(jī)”[1]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)川渝頁(yè)巖氣大力開(kāi)發(fā)，連續(xù)油管用于深井、超深井和復(fù)雜井的作業(yè)逐年增多，但是愈加復(fù)雜的井下環(huán)境(高溫高壓、腐蝕性氣體、鋁合金套管)，造成連續(xù)油管出現(xiàn)磨損、腐蝕坑、機(jī)械損傷、疲勞裂紋等缺陷的幾率也成倍增長(zhǎng)，隨之增加了連續(xù)油管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。為了保證復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)油管作業(yè)安全有效運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外通常使用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行在線檢測(cè)，提前檢出缺陷并開(kāi)展相應(yīng)處理，阻止缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，但是受?chē)?guó)內(nèi)連續(xù)油管在線檢測(cè)業(yè)務(wù)起步慢、引進(jìn)設(shè)備成本高和國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)封鎖的制約，我國(guó)連續(xù)油管在線檢測(cè)技術(shù)和方法仍然存在檢測(cè)數(shù)據(jù)單一和缺陷信號(hào)識(shí)別困難等問(wèn)題。因此，亟需根據(jù)連續(xù)油管設(shè)備特性和復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，優(yōu)選與集成適合的無(wú)損檢測(cè)方法及裝置，以滿足油田作業(yè)的需求。

1 無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比

無(wú)損檢測(cè)主要是不破壞被檢測(cè)對(duì)象性能和結(jié)構(gòu)的條件下，進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)工作，無(wú)損檢測(cè)在連續(xù)油管檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是通過(guò)電磁技術(shù)、聲技術(shù)、光技術(shù)等新型技術(shù)，對(duì)連續(xù)油管外壁、內(nèi)壁、焊縫的缺陷和橢圓度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷連續(xù)油管是否能夠繼續(xù)使用。目前常用于連續(xù)油管的無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)以及金屬磁記憶方法檢測(cè)。

超聲波檢測(cè)是利用頻率為0.5～5MHz 機(jī)械波，在材料中以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面(如缺陷或被測(cè)物件的底面等)就會(huì)發(fā)生反射。遇到缺陷后，部分信號(hào)能夠沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上，根據(jù)缺陷反射波在熒光屏上的位置和幅度，即可測(cè)定缺陷的位置和大致尺寸。超聲檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)為能夠檢測(cè)工件內(nèi)部宏觀缺陷和壁厚且準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是需要耦合劑，且檢測(cè)時(shí)需要清蠟處理。

漏磁檢測(cè)是利用鐵磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁場(chǎng)，由感應(yīng)線圈或霍爾元件組成的傳感器通過(guò)獲取缺陷漏磁信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的電信號(hào)，對(duì)比標(biāo)定閾值，最終確定缺陷的有無(wú)和大小。

漏磁檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)為通過(guò)加載強(qiáng)磁，缺陷產(chǎn)生的漏磁信號(hào)強(qiáng)，容易檢測(cè)，同時(shí)漏磁檢測(cè)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不受油管表面銹蝕和油污的影響，適合組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，減少人為因素的干擾，缺點(diǎn)是漏磁檢測(cè)只能檢測(cè)缺陷無(wú)法檢測(cè)油管壁厚、橢圓度等參數(shù)，并且由于磁場(chǎng)加載方向，對(duì)于油管的縱向裂紋不敏感[2-3]。

金屬磁記憶檢測(cè)是利用鐵磁材料的磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)，通過(guò)表面漏磁場(chǎng)信息檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件微觀缺陷和應(yīng)力與變形集中區(qū)進(jìn)行辨識(shí)，具有良好的可靠性，是一種對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行早期失效診斷的一種行之有效的方法。金屬磁記憶檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)為對(duì)工件的應(yīng)力集中點(diǎn)比較敏感，能夠提前發(fā)現(xiàn)工件的易產(chǎn)生缺陷位置，缺點(diǎn)是管件在地層條件下受力復(fù)雜，地磁信號(hào)弱容易產(chǎn)生干擾信號(hào)，缺陷識(shí)別困難。渦流檢測(cè)是利用電磁感應(yīng)互感的原理，當(dāng)金屬導(dǎo)體在變化著的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用而在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生漩渦狀流動(dòng)電流，當(dāng)電渦流傳感器接近金屬物件時(shí)，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻震蕩能量，使震蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)[4]。渦流檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)為檢測(cè)速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、距離檢測(cè)精度高等。缺點(diǎn)是檢測(cè)參數(shù)比較單一，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)壁厚、橢圓度、直徑參數(shù)的測(cè)量，無(wú)法對(duì)連續(xù)油管缺陷開(kāi)展進(jìn)一步的檢測(cè)。

上述4種無(wú)損檢測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)局限性、現(xiàn)場(chǎng)適用性如表1所示。

表1 4種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)比

2 無(wú)損檢測(cè)方法優(yōu)選與集成

通過(guò)對(duì)比常用于連續(xù)油管的4種無(wú)損檢測(cè)方法，可知超聲檢測(cè)方法主要用于內(nèi)部缺陷檢測(cè)，對(duì)于面積型缺陷檢出率較高；金屬磁記憶檢測(cè)方法主要用于金屬材料微觀缺陷與應(yīng)力集中，對(duì)于工件的高應(yīng)力點(diǎn)比較敏感；渦流檢測(cè)方法可以檢測(cè)出工件壁厚變化，從而計(jì)算其壁厚和橢圓度，但對(duì)表面和近表面缺陷檢測(cè)靈敏度較低；漏磁檢測(cè)方法對(duì)表面、近表面和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)靈敏度較高，在現(xiàn)場(chǎng)也是應(yīng)用最為廣泛的一種檢測(cè)方法。綜上所述，每一種檢測(cè)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的檢測(cè)方法，綜合考慮多個(gè)影響因素，其中包括：連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)工況、連續(xù)油管材質(zhì)、檢測(cè)長(zhǎng)度、可能出現(xiàn)的缺陷類型、檢測(cè)參數(shù)、檢測(cè)時(shí)機(jī)、連續(xù)油管表面狀況等[5]。

連續(xù)油管檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工況：連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)類型較多，包括鉆磨橋塞、氮?dú)鈿馀e、射孔、壓裂等多種工藝，作業(yè)過(guò)程中油管內(nèi)部和表面均存在油污和腐蝕，并且作業(yè)過(guò)程中井底壓力會(huì)傳輸?shù)降孛?，?dǎo)致連續(xù)油管存在輕微(10mm范圍內(nèi))振動(dòng)，影響檢測(cè)精度，要求檢測(cè)方法能夠隨動(dòng)跟蹤，避免信號(hào)漂移。

檢測(cè)參數(shù)：連續(xù)油管在作業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷類型包括機(jī)械劃傷、腐蝕、疲勞、壁厚減薄、偏磨等，要求無(wú)損檢測(cè)參數(shù)主要包括裂紋、腐蝕坑、劃痕、直徑、橢圓度等參數(shù)的檢測(cè)，能夠更加全面評(píng)估連續(xù)油管剩余使用壽命。

檢測(cè)長(zhǎng)度：目前川渝地區(qū)作業(yè)井深在4500～6500m范圍內(nèi)，常用的連續(xù)油管長(zhǎng)度也在5000m左右，在線檢測(cè)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，要求無(wú)損檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)機(jī)：為了保障連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全，常用的檢測(cè)手段為在線檢測(cè)，要求檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，檢測(cè)信息也能夠通過(guò)信號(hào)云圖實(shí)時(shí)顯示反饋給現(xiàn)場(chǎng)人員，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及疲勞模型的剩余壽命分析，判斷連續(xù)油管可使用情況。

通過(guò)綜合對(duì)比4種無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和連續(xù)油管現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)復(fù)雜工況及檢測(cè)參數(shù)需求，優(yōu)選出易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)、檢測(cè)效果好、檢出參數(shù)全面、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和顯示的無(wú)損檢測(cè)方法為漏磁和渦流檢測(cè)集成，漏磁檢測(cè)主要功能是檢測(cè)連續(xù)油管表面、近表面和焊縫的缺陷，渦流檢測(cè)主要功能是檢測(cè)連續(xù)油管金屬表面損失，從而計(jì)算其壁厚和橢圓度。通過(guò)這兩種檢測(cè)方法的集成，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)油管多參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)量，保證連續(xù)油管剩余使用壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，保障現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)油管作業(yè)的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

每種無(wú)損檢測(cè)方法均有其自身的優(yōu)點(diǎn)與局限，不能適用于所有工件和缺陷。因此，在確定連續(xù)油管無(wú)損檢測(cè)方案時(shí)，不僅需要綜合考慮檢測(cè)方法的環(huán)境適應(yīng)性、缺陷檢出率、缺陷類型、檢測(cè)參數(shù)等，而且在保證充分安全可靠的情況下，兼顧設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)選和集成自動(dòng)化程度高、檢測(cè)參數(shù)全面、工程適用性較高的檢測(cè)方法。