連續(xù)油管的無損探傷方法優(yōu)選與集成

王哲 張健 周兆明

(中國石油集團(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、氮氣氣舉、鉆磨橋塞、壓裂、下速度管柱、射孔等30多種工藝，被稱為油田“萬能作業(yè)機(jī)”[1]。

近年來，隨著我國川渝頁巖氣大力開發(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，隨之增加了連續(xù)油管作業(yè)風(fēng)險。為了保證復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)油管作業(yè)安全有效運行，國內(nèi)外通常使用無損檢測方法對連續(xù)油管進(jìn)行在線檢測，提前檢出缺陷并開展相應(yīng)處理，阻止缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展，但是受國內(nèi)連續(xù)油管在線檢測業(yè)務(wù)起步慢、引進(jìn)設(shè)備成本高和國外關(guān)鍵技術(shù)封鎖的制約，我國連續(xù)油管在線檢測技術(shù)和方法仍然存在檢測數(shù)據(jù)單一和缺陷信號識別困難等問題。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)選與集成適合的無損檢測方法及裝置，以滿足油田作業(yè)的需求。

1 無損檢測方法對比

無損檢測主要是不破壞被檢測對象性能和結(jié)構(gòu)的條件下，進(jìn)行相關(guān)的檢測工作，無損檢測在連續(xù)油管檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是通過電磁技術(shù)、聲技術(shù)、光技術(shù)等新型技術(shù)，對連續(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，通過檢測結(jié)果來判斷連續(xù)油管是否能夠繼續(xù)使用。目前常用于連續(xù)油管的無損檢測方法包括超聲波檢測、漏磁檢測、渦流檢測以及金屬磁記憶方法檢測。

超聲波檢測是利用頻率為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(如缺陷或被測物件的底面等)就會發(fā)生反射。遇到缺陷后，部分信號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，即可測定缺陷的位置和大致尺寸。超聲檢測優(yōu)點為能夠檢測工件內(nèi)部宏觀缺陷和壁厚且準(zhǔn)確性高，缺點是需要耦合劑，且檢測時需要清蠟處理。

漏磁檢測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，由感應(yīng)線圈或霍爾元件組成的傳感器通過獲取缺陷漏磁信號，再通過A/D轉(zhuǎn)換形成相應(yīng)的電信號，對比標(biāo)定閾值，最終確定缺陷的有無和大小。

漏磁檢測優(yōu)點為通過加載強(qiáng)磁，缺陷產(chǎn)生的漏磁信號強(qiáng)，容易檢測，同時漏磁檢測對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，不受油管表面銹蝕和油污的影響，適合組成自動檢測系統(tǒng)，減少人為因素的干擾，缺點是漏磁檢測只能檢測缺陷無法檢測油管壁厚、橢圓度等參數(shù)，并且由于磁場加載方向，對于油管的縱向裂紋不敏感[2-3]。

金屬磁記憶檢測是利用鐵磁材料的磁彈性和磁機(jī)械效應(yīng)，通過表面漏磁場信息檢測實現(xiàn)對構(gòu)件微觀缺陷和應(yīng)力與變形集中區(qū)進(jìn)行辨識，具有良好的可靠性，是一種對金屬構(gòu)件進(jìn)行早期失效診斷的一種行之有效的方法。金屬磁記憶檢測優(yōu)點為對工件的應(yīng)力集中點比較敏感，能夠提前發(fā)現(xiàn)工件的易產(chǎn)生缺陷位置，缺點是管件在地層條件下受力復(fù)雜，地磁信號弱容易產(chǎn)生干擾信號，缺陷識別困難。渦流檢測是利用電磁感應(yīng)互感的原理，當(dāng)金屬導(dǎo)體在變化著的磁場中或在磁場中運動時，由于電磁感應(yīng)作用而在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生漩渦狀流動電流，當(dāng)電渦流傳感器接近金屬物件時，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，可計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)[4]。渦流檢測的優(yōu)點為檢測速度快、易于實現(xiàn)自動化、距離檢測精度高等。缺點是檢測參數(shù)比較單一，只能實現(xiàn)對壁厚、橢圓度、直徑參數(shù)的測量，無法對連續(xù)油管缺陷開展進(jìn)一步的檢測。

上述4種無損檢測方法的技術(shù)特點、技術(shù)局限性、現(xiàn)場適用性如表1所示。

表1 4種無損檢測方法對比

2 無損檢測方法優(yōu)選與集成

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

連續(xù)油管檢測現(xiàn)場工況：連續(xù)油管現(xiàn)場作業(yè)類型較多，包括鉆磨橋塞、氮氣氣舉、射孔、壓裂等多種工藝，作業(yè)過程中油管內(nèi)部和表面均存在油污和腐蝕，并且作業(yè)過程中井底壓力會傳輸?shù)降孛妫瑢?dǎo)致連續(xù)油管存在輕微(10mm范圍內(nèi))振動，影響檢測精度，要求檢測方法能夠隨動跟蹤，避免信號漂移。

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

檢測長度：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)油管長度也在5000m左右，在線檢測長度較長，要求無損檢測設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自動化檢測。

檢測時機(jī)：為了保障連續(xù)油管現(xiàn)場作業(yè)安全，常用的檢測手段為在線檢測，要求檢測設(shè)備實現(xiàn)在線檢測，檢測信息也能夠通過信號云圖實時顯示反饋給現(xiàn)場人員，根據(jù)檢測數(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。

通過綜合對比4種無損檢測方法的優(yōu)缺點和連續(xù)油管現(xiàn)場檢測時復(fù)雜工況及檢測參數(shù)需求，優(yōu)選出易于實現(xiàn)自動化檢測、檢測效果好、檢出參數(shù)全面、數(shù)據(jù)實時傳輸和顯示的無損檢測方法為漏磁和渦流檢測集成，漏磁檢測主要功能是檢測連續(xù)油管表面、近表面和焊縫的缺陷，渦流檢測主要功能是檢測連續(xù)油管金屬表面損失，從而計算其壁厚和橢圓度。通過這兩種檢測方法的集成，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)油管多參數(shù)的精準(zhǔn)測量，保證連續(xù)油管剩余使用壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性，保障現(xiàn)場連續(xù)油管作業(yè)的安全。

3 結(jié)語

每種無損檢測方法均有其自身的優(yōu)點與局限，不能適用于所有工件和缺陷。因此，在確定連續(xù)油管無損檢測方案時，不僅需要綜合考慮檢測方法的環(huán)境適應(yīng)性、缺陷檢出率、缺陷類型、檢測參數(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)選和集成自動化程度高、檢測參數(shù)全面、工程適用性較高的檢測方法。