連續油管的無損探傷方法優選與集成

王哲 張健 周兆明

(中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300)

0 引言

連續油管自20世紀70年代引入我國后，在油氣井應用領域的工藝不斷拓展，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“萬能作業機”[1]。

近年來，隨著我國川渝頁巖氣大力開發，連續油管用于深井、超深井和復雜井的作業逐年增多，但是愈加復雜的井下環境(高溫高壓、腐蝕性氣體、鋁合金套管)，造成連續油管出現磨損、腐蝕坑、機械損傷、疲勞裂紋等缺陷的幾率也成倍增長，隨之增加了連續油管作業風險。為了保證復雜環境下連續油管作業安全有效運行，國內外通常使用無損檢測方法對連續油管進行在線檢測，提前檢出缺陷并開展相應處理，阻止缺陷進一步擴展，但是受國內連續油管在線檢測業務起步慢、引進設備成本高和國外關鍵技術封鎖的制約，我國連續油管在線檢測技術和方法仍然存在檢測數據單一和缺陷信號識別困難等問題。因此，亟需根據連續油管設備特性和復雜的作業環境，優選與集成適合的無損檢測方法及裝置，以滿足油田作業的需求。

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構的條件下，進行相關的檢測工作，無損檢測在連續油管檢測領域的應用，主要是通過電磁技術、聲技術、光技術等新型技術，對連續油管外壁、內壁、焊縫的缺陷和橢圓度等參數進行檢測，通過檢測結果來判斷連續油管是否能夠繼續使用。目前常用于連續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界面(如缺陷或被測物件的底面等)就會發生反射。遇到缺陷后，部分信號能夠沿原途徑返回探頭，探頭又將其轉變為電脈沖，經儀器放大而顯示在示波管的熒光屏上，根據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。超聲檢測優點為能夠檢測工件內部宏觀缺陷和壁厚且準確性高，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轉換形成相應的電信號，對比標定閾值，最終確定缺陷的有無和大小。

漏磁檢測優點為通過加載強磁，缺陷產生的漏磁信號強，容易檢測，同時漏磁檢測對環境適應性強，不受油管表面銹蝕和油污的影響，適合組成自動檢測系統，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，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械效應，通過表面漏磁場信息檢測實現對構件微觀缺陷和應力與變形集中區進行辨識，具有良好的可靠性，是一種對金屬構件進行早期失效診斷的一種行之有效的方法。金屬磁記憶檢測優點為對工件的應力集中點比較敏感，能夠提前發現工件的易產生缺陷位置，缺點是管件在地層條件下受力復雜，地磁信號弱容易產生干擾信號，缺陷識別困難。渦流檢測是利用電磁感應互感的原理，當金屬導體在變化著的磁場中或在磁場中運動時，由于電磁感應作用而在金屬導體內產生漩渦狀流動電流，當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，根據衰減量的變化，可計算出與被檢物體的距離、振動等參數[4]。渦流檢測的優點為檢測速度快、易于實現自動化、距離檢測精度高等。缺點是檢測參數比較單一，只能實現對壁厚、橢圓度、直徑參數的測量，無法對連續油管缺陷開展進一步的檢測。

上述4種無損檢測方法的技術特點、技術局限性、現場適用性如表1所示。

表1 4種無損檢測方法對比

2 無損檢測方法優選與集成

通過對比常用于連續油管的4種無損檢測方法，可知超聲檢測方法主要用于內部缺陷檢測，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力集中，對于工件的高應力點比較敏感；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、近表面和內部缺陷的檢測靈敏度較高，在現場也是應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缺點，因此，需要結合現場選擇合適的檢測方法，綜合考慮多個影響因素，其中包括：連續油管現場工況、連續油管材質、檢測長度、可能出現的缺陷類型、檢測參數、檢測時機、連續油管表面狀況等[5]。

連續油管檢測現場工況：連續油管現場作業類型較多，包括鉆磨橋塞、氮氣氣舉、射孔、壓裂等多種工藝，作業過程中油管內部和表面均存在油污和腐蝕，并且作業過程中井底壓力會傳輸到地面，導致連續油管存在輕微(10mm范圍內)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：連續油管在作業過程中常見的缺陷類型包括機械劃傷、腐蝕、疲勞、壁厚減薄、偏磨等，要求無損檢測參數主要包括裂紋、腐蝕坑、劃痕、直徑、橢圓度等參數的檢測，能夠更加全面評估連續油管剩余使用壽命。

檢測長度：目前川渝地區作業井深在4500～6500m范圍內，常用的連續油管長度也在5000m左右，在線檢測長度較長，要求無損檢測設備能夠實現自動化檢測。

檢測時機：為了保障連續油管現場作業安全，常用的檢測手段為在線檢測，要求檢測設備實現在線檢測，檢測信息也能夠通過信號云圖實時顯示反饋給現場人員，根據檢測數據及疲勞模型的剩余壽命分析，判斷連續油管可使用情況。

通過綜合對比4種無損檢測方法的優缺點和連續油管現場檢測時復雜工況及檢測參數需求，優選出易于實現自動化檢測、檢測效果好、檢出參數全面、數據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，能夠實現連續油管多參數的精準測量，保證連續油管剩余使用壽命預測的準確性，保障現場連續油管作業的安全。

3 結語

每種無損檢測方法均有其自身的優點與局限，不能適用于所有工件和缺陷。因此，在確定連續油管無損檢測方案時，不僅需要綜合考慮檢測方法的環境適應性、缺陷檢出率、缺陷類型、檢測參數等，而且在保證充分安全可靠的情況下，兼顧設備的經濟性，優選和集成自動化程度高、檢測參數全面、工程適用性較高的檢測方法。