在役石油套管漏磁檢測系統(tǒng)研究

張耕培，周俊然，邱曉寧，范永濤，楊曉勇，張媛媛

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津300280）

在役石油套管漏磁檢測系統(tǒng)研究

張耕培，周俊然，邱曉寧，范永濤，楊曉勇，張媛媛

（中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院，天津300280）

石油套管的服役狀態(tài)直接影響石油鉆探與開采的正常進(jìn)行。由于套管服役環(huán)境的影響，往往造成套管具有各類缺陷，檢測并掌握這些套管缺陷對于安全生產(chǎn)具有重要意義。目前常用的各類套管檢測手段難以定量定位的判斷套管缺陷。漏磁檢測技術(shù)是一種無損檢測技術(shù)，能夠有效檢測磁性材料的多種缺陷特征。將漏磁檢測技術(shù)引入在役套管檢測領(lǐng)域，構(gòu)建了一種新的在役套管漏磁檢測系統(tǒng)，試驗結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠有效檢測并識別在役套管的各類缺陷。

在役石油套管；漏磁檢測；缺陷識別

石油套管是石油鉆探與開采的重要部件，用于支撐井壁以保證鉆井過程進(jìn)行和完井后整個油井的正常運(yùn)行。由于使用環(huán)境因素的影響，石油套管服役時常發(fā)生如變形、錯斷、孔漏等失效情況，并最終造成重大經(jīng)濟(jì)與環(huán)境損失［1］。在役套管的質(zhì)量檢測、掌握在役套管的服役狀態(tài)對維持正常的石油鉆探與開采具有重要意義。目前用于檢測套管損傷變形的測井方法有常規(guī)的機(jī)械、聲波、放射性、光學(xué)、電測等方法，常用的檢測儀器有井下攝像電視測井儀、井徑儀和電磁探傷測井儀等。井下電視攝像測井儀受井內(nèi)的介質(zhì)影響。井徑儀簡易、堅固、穩(wěn)定、可靠、檢測速度快，能夠較準(zhǔn)確地測得全井套變部位及井勁的變化，但是對儀器居中要求很高，偏心會導(dǎo)致測量誤差，對套管有裂縫及管壁的腐蝕僅能做定性分析。電磁探傷測井在油管內(nèi)檢測油管和套管的損壞情況，以及在套管內(nèi)檢測套管和表層套管的損壞情況，節(jié)省了檢查套管情況時起下油管的作業(yè)費用是時間，但往往很難對測得的異常點進(jìn)行定性分析，很難準(zhǔn)確判定套管變形位置，繪解人員解釋也存在誤差。漏磁檢測自1947年受到普遍承認(rèn)以來，經(jīng)過70年的發(fā)展，已完全能夠完成在役石油套管的質(zhì)量檢測［2］。本文基于漏磁檢測原理，構(gòu)建了一套在役套管檢測系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗檢測其測量效果。

1　漏磁測量原理

由于套管通常采用鋼材制造，是良好的導(dǎo)磁材料，引入漏磁檢測方法將提高在役套管檢測質(zhì)量。根據(jù)平面電磁場理論，電磁場進(jìn)入導(dǎo)磁體時磁力線會發(fā)生折射，當(dāng)導(dǎo)磁體沒有缺陷存在時，磁化場進(jìn)入導(dǎo)磁體內(nèi)后，磁力線均平行于鋼管軸線并全部束縛在導(dǎo)磁體內(nèi)；當(dāng)導(dǎo)磁體缺陷存在時，破壞了磁化場回路，部分磁場泄漏并形成漏磁場，該漏磁場頻率與激勵頻率相同，大小與磁化強(qiáng)度有關(guān)。

如圖1所示，磁化器由U型導(dǎo)磁材料和激勵線圈組成，其中激勵線圈繞制在U型高導(dǎo)磁材料的兩個圓柱上，激勵線圈中施加交流電。磁敏感檢測元件與磁化器同步運(yùn)動，同時掃描缺陷區(qū)域，最終可以獲得缺陷漏磁信號。

圖1　漏磁檢測原理

磁敏感檢測元件通常采用霍爾元件或感應(yīng)線圈。霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)原理工作的，測量絕對磁場的大小，霍爾元件檢測靈敏度較高；感應(yīng)線圈是通過切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電壓的，測量的是磁場的相對變化量，并對空間域上高頻磁場較敏感。

磁化的磁場集中在被測構(gòu)件的表層，探傷的深度隨著交流頻率的提高而減小。因此交流漏磁檢測法可用于檢測表面和近表面的裂紋、腐蝕、盲孔等缺陷，具有對表面缺陷信號敏感、易于識別的特點。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)其它套管檢測設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了如圖2所示的在役套管檢測系統(tǒng)。在役套管檢測系統(tǒng)主要包括：上接頭、信號電纜、電路盒等。

圖2　在役套管檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

上接頭位于最上方，下接頭位于最下方，均連接信號電纜。扶正器徑向中心的電纜連接器用于連接信號電纜。扶正器固定在主體上，信號電纜位于主體徑向中心處。上接頭與上扶正器之間、下接頭與下扶正器之間具有電路盒，位于主體內(nèi)部，用于放置電路系統(tǒng)。上扶正器與下扶正器之間位置，自上而下分布橫向探頭、磁化器、縱向探頭、磁化器，均位于主體外部，且與信號電纜相連。測井時通過電纜連接上接頭，將在役套管探傷短節(jié)下入井下進(jìn)行套管檢測。橫向探頭用于探測套管徑向漏磁量，進(jìn)而檢測徑向損傷特征，縱向探頭用于探測套管軸向漏磁量，進(jìn)而檢測軸向損傷特征。

如圖3所示，漏磁檢測信號處理系統(tǒng)包括激勵電路、檢測探頭、信號調(diào)理電路、A/D采集卡、計算機(jī)、信號分析軟件等［3］。激勵電路產(chǎn)生一定頻率的交流電供給檢測探頭中的磁化線圈，霍爾元件檢測的信號經(jīng)調(diào)理電路后送至A/D采集卡，最后由計算機(jī)對數(shù)字信號分析并記錄信號波形。

圖3　漏磁檢測系統(tǒng)信號處理流程

3　測試實例

為了檢測在役套管漏磁檢測系統(tǒng)的檢測效果，本文進(jìn)行了測試實驗。測試對象為12寸套管，套管內(nèi)部加入了各類缺陷：盲孔、通孔、刻槽、裂紋、縮頸。如圖4所示，通過漏磁檢測系統(tǒng)信號處理后得到的套管缺陷可以在信號圖譜中得到相應(yīng)表征。

圖4　各類套管缺陷的信號表征

根據(jù)信號表征規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：（1）刻槽的信號幅值比盲孔幅值大；（2）裂紋的信號幅值比盲孔幅值大；（3）縮頸的信號幅值表征為連續(xù)變化。其原因可以包括以下幾點：（1）由于刻槽截斷的導(dǎo)磁體面積比盲孔和通孔截斷的導(dǎo)磁體面積大的多，漏磁量相對較大，信號幅值較大；（2）裂紋與刻槽類似，但裂紋的深度較刻槽更深，漏磁量更大，信號幅值更大；（3）與裂紋、刻槽、通孔、盲孔相比較，縮頸多由腐蝕和磨損引起，其表面形貌變化較為平緩，漏磁變化較為緩慢。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，各類套管缺陷在漏磁信號中的表征各具特點，通過識別漏磁信號幅值變化可以識別出當(dāng)前位置的缺陷類型和缺陷大小。因此，本文提出的在役石油套管漏磁檢測系統(tǒng)可以有效檢測在役套管的服役狀態(tài)。

4　結(jié)束語

本文針對在役套管檢測現(xiàn)有技術(shù)局限，基于一般的漏磁檢測原理，提出了一種新型在役套管漏磁檢測系統(tǒng)，并開展了驗證試驗，試驗結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠有效檢測并識別不同的在役套管缺陷。考慮到提高整體在役套管檢測的效率與結(jié)果可識別性，建議該系統(tǒng)與井下電視攝像測井儀協(xié)同使用。

［1］潘志勇，宋生印，張樹茂，等.石油套管管體刺漏失效分析［J］.機(jī)械工程材料，2014，38（2）:98-101.

［2］康宜華.漏磁探傷及其信號處理［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，1999，（4）:52-53.

［3］邵雙方.井口鉆桿漏磁檢測方法與儀器［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.

Study in Magnetic Flux Leakage Testing of oil Casing in Service

ZHANG Geng-pei，ZHOU Jun-ran，QIU Xiao-ning，F(xiàn)AN Yong-tao，YANG Xiao-yong，ZHANG Yuan-yuan，HU Tao
（Bohai Drilling Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300280，China）

The service condition of oil casing influence the oil drilling and production directly.Due to the casing environment，oil casing generates kinds of defects，which must be detected for the sake of production security. Currently，the casing detecting instruments could not inspect casing defects thoroughly.As a nondestructive testing，magnetic flux leakage（MFL）testing could detect many defects.This paper introduces MFL testing into detection of oil casing in service，and builds a new oil casing MFL detection system，experiment demonstrates that this system could detect many kinds of oil casing defects.

oil casing in service；magnetic flux leakage testing；defect detection

TH6

A

1672-545X（2016）07-0191-02

2016-04-02

張耕培（1984-），男，湖北荊州人，工學(xué)博士，工程師，主要從事井下工具研發(fā)工作。