基于相控超聲技術(shù)的氣井套管損傷檢測(cè)

曹志峰，仝其云，白海青

(東營(yíng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，東營(yíng) 257091)

以井筒為開(kāi)采媒介的油氣田開(kāi)發(fā)需要進(jìn)行鉆井工程后的下套管等，以天然氣開(kāi)采為例，套管損壞會(huì)影響通道密閉性，導(dǎo)致異常地層水涌入，因此天然氣井的套管完整性至關(guān)重要，需要定期進(jìn)行氣密性和腐蝕性檢測(cè)[1]。而不同開(kāi)發(fā)方式和地層特性會(huì)給套管帶來(lái)不同程度的損傷：地質(zhì)情況不穩(wěn)定、地面工程不當(dāng)作用、高礦化度地層水的侵蝕等原因均會(huì)誘發(fā)套管損傷[2-4]。

當(dāng)前針對(duì)不同原因的套管損傷問(wèn)題缺乏系統(tǒng)性和科學(xué)性的檢測(cè)觀察手段。大多采用材料腐蝕程度計(jì)算和完善性分析來(lái)預(yù)測(cè)套管剩余壽命[5]?；诙啾劬畯絻x和電磁探傷的套管檢測(cè)手段亦存在明顯弊端。多臂井徑儀只能測(cè)定多條沿油管內(nèi)壁靜態(tài)姿勢(shì)下的均勻分布半徑曲線，只能確定套變程度而不能確定套變方位，且不能一次性進(jìn)行數(shù)據(jù)收集[6]。電磁探傷技術(shù)只能根據(jù)套管金屬壁厚進(jìn)行四周平均值的裂縫損壞標(biāo)定，不能精確測(cè)定細(xì)節(jié)性的套管損傷程度和相關(guān)損傷原因。然而基于單趟次、多維度、全數(shù)據(jù)標(biāo)定的超聲波成像技術(shù)可以解決上述問(wèn)題[7]，因此，筆者采用超聲波套損檢測(cè)儀器進(jìn)行試驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)性分析。

1 超聲波套損檢測(cè)儀器與檢測(cè)原理

1.1 超聲波套損檢測(cè)儀器

該超聲波套損檢測(cè)儀器包括多個(gè)獨(dú)立的晶片陣元以及用于解析數(shù)據(jù)的電路控制端。在測(cè)試環(huán)節(jié)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)精度的要求和測(cè)試任務(wù)要求對(duì)不同晶片進(jìn)行幾何位置的排布，常采用線型陣列、圓柱形陣列以及二維陣列等布局，以滿(mǎn)足不同工況下的具體要求。在發(fā)射延時(shí)和接收延時(shí)方面，考慮了雜波干擾和其他因素引起的數(shù)據(jù)失真情況，在上位機(jī)上可對(duì)各個(gè)陣元進(jìn)行控制與預(yù)處理，進(jìn)行某一特定方位上的定點(diǎn)檢測(cè)，以確保檢測(cè)的完善性。

該檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性廣泛，其通過(guò)穿透能力強(qiáng)、方向控制性好的超聲波發(fā)射器進(jìn)行高精度測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)套管全過(guò)程內(nèi)壁損壞程度的檢測(cè)。筆者所用現(xiàn)場(chǎng)超聲波套損形態(tài)檢測(cè)工具主要由存儲(chǔ)式電池倉(cāng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與控制短節(jié)、電子儀短節(jié)、聲系短節(jié)、扶正器短節(jié)等五大元器件構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

圖1 超聲波套損檢測(cè)儀器外觀

超聲波套損檢測(cè)儀器工作原理如圖2所示，超聲換能器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在鋼絲牽引下以規(guī)定速率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)式井壁掃描，并通過(guò)超聲換能器的聲波特性進(jìn)行反向接收，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性聲波數(shù)據(jù)的傳遞與分析。當(dāng)測(cè)量回波最大幅度優(yōu)勢(shì)率達(dá)標(biāo)后，相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)數(shù)字化顯示。將收發(fā)信息進(jìn)行存儲(chǔ)后，使用軟件進(jìn)行不同函數(shù)方式的解析，由此判定工作面的受損情況，最終可得出變形程度、腐蝕程度等定性數(shù)據(jù)。該超聲波套損檢測(cè)儀器采用不銹鋼外殼，內(nèi)部支持結(jié)構(gòu)主體為硬鋁合金。為了便于設(shè)備元器件維修以及井眼軌跡通過(guò)，檢測(cè)儀外徑為52 mm，工具串總長(zhǎng)為5 200 mm，起換能器設(shè)備馬達(dá)采用72 電纜供電，要求轉(zhuǎn)速達(dá)到360～480 轉(zhuǎn)·min-1；最終數(shù)據(jù)圖像分辨率可以達(dá)315點(diǎn)/周，縱向和徑向上分辨率分別為2.08～8.33 mm和0.5～0.3 mm。若加裝電池倉(cāng)，工作時(shí)間可達(dá)8～10 h，可進(jìn)行存儲(chǔ)10 GB數(shù)據(jù)的獨(dú)立離線工作?；夭òl(fā)射和接收的分辨率可達(dá)0.3 μs。同時(shí)儀器具備遠(yuǎn)程休眠模式控制功能，可確保最佳功耗下的最優(yōu)工作時(shí)效。

圖2 超聲波套損檢測(cè)儀器工作原理示意

1.2 相控陣超聲發(fā)射和接收原理

相控陣超聲發(fā)射接收原理如圖3所示。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，可以快速進(jìn)行主波束的偏轉(zhuǎn)方向、聚焦點(diǎn)深度等參數(shù)的設(shè)定；然后基于通信協(xié)議進(jìn)行聚焦法則和迭代公式代入，當(dāng)數(shù)據(jù)包檢測(cè)無(wú)誤后進(jìn)行下位機(jī)硬件自動(dòng)計(jì)算，并動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)發(fā)射陣元。不同頻段和位置的超聲脈沖波在傳播過(guò)程中，會(huì)受到缺陷和不同介質(zhì)交界面等引起的聲阻抗突變的影響，發(fā)生不同的反射和折射，各個(gè)陣元接收回波信號(hào)會(huì)因?yàn)閭鞑r(shí)間的不同而產(chǎn)生畸變。在聚焦法則的逆過(guò)程延時(shí)迭代算法的幫助下，可獲取合成聲束的最終圖譜并進(jìn)行結(jié)果判定。

圖3 相控陣超聲發(fā)射接收原理示意

2 實(shí)例分析

選取某井氣套管，其表套外徑為224.50 mm，內(nèi)徑為206.62 mm，壁厚為8.94 mm，采用J55級(jí)鋼制作；油套外徑為139.70 mm，內(nèi)徑為124.26 mm，壁厚為7.72 mm，同樣采用J55級(jí)鋼制作。由于該井出現(xiàn)了套管變形，筆者對(duì)該管進(jìn)行了檢測(cè)。

2.1 工藝及步驟

(1) 檢查井筒。首先進(jìn)行洗井沖沙，采用通井規(guī)通井確保井眼相對(duì)干凈，無(wú)異物堵塞儀器底部旋轉(zhuǎn)元器件。同時(shí)配置滑溜水液體作為潤(rùn)滑和傳遞信號(hào)的介質(zhì)，并段曬式壓入待測(cè)層段。

(2) 儀器連接。依據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)設(shè)，進(jìn)行魚(yú)雷頭轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件、電池倉(cāng)和補(bǔ)償控制短接元器件等關(guān)鍵零部件的連接，同時(shí)設(shè)定狗腿度和最大轉(zhuǎn)彎半徑處的磨阻；確保儀器接線長(zhǎng)度合適，遇阻風(fēng)險(xiǎn)可控；然后調(diào)試各元器件；準(zhǔn)備保護(hù)套，下放儀器。

(3) 儀器串功能驗(yàn)證與下放。采用手控操作臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信號(hào)自鎮(zhèn)定。確保工作正常后以25 m·min-1的速度下放儀器。

(4) 主測(cè)段測(cè)井。當(dāng)休眠解除，開(kāi)始運(yùn)行相關(guān)元器件，并緩慢上提儀器，確保鋼絲載荷適中，工具串正常工作后回傳數(shù)據(jù)，并逐步開(kāi)始解釋成像。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

對(duì)預(yù)控井段進(jìn)行評(píng)價(jià)測(cè)定后，可以確定其故障井段在750～850 m深處。采用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)鏈進(jìn)行波形繪制，套損井超聲波檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出偏心距為儀器圓心與井眼圓心間的距離，取值為0～12.7 mm。其測(cè)試深度與井深數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)，大體比例衰減率為1:200；進(jìn)一步得出的套管損傷百分比為套管壁厚原始數(shù)據(jù)對(duì)比，確定范圍為0～100%；套管內(nèi)徑最大值數(shù)據(jù)范圍為50.8～76.2 mm。通過(guò)觀察套管形狀截面圖，可以看出顏色淺的表面部分反射面質(zhì)地堅(jiān)硬、光滑，而顏色深的部分可以凸顯出電信號(hào)的不光滑。根據(jù)聲波傳遞規(guī)律，顏色淺表示到時(shí)短，顏色深表示到時(shí)長(zhǎng)。

圖4 套損井超聲波檢測(cè)結(jié)果

可以看出790～810 m處數(shù)據(jù)顯示光滑，判定未發(fā)生套損；判定存在套損的井段為810～847 m處。運(yùn)用歸一法進(jìn)行聚類(lèi)分析，得出4種典型套損特征。

(1) 824～826 m井深處以及842～844 m井深處判定有射孔孔洞特征，評(píng)估套管損傷至少有80%以上。

(2) 810～847 m井深處判定有連續(xù)、大面積的腐蝕特征，需要嚴(yán)防套管失效，進(jìn)一步取樣測(cè)定發(fā)現(xiàn)該井段地層存在腐蝕性地層水及其他介質(zhì)，且存在其他黏附物質(zhì)懸掛于套管內(nèi)壁，即套管在電化學(xué)腐蝕和其他類(lèi)型腐蝕共同干預(yù)下發(fā)生了多維破壞，進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)可知，套管腐蝕井段當(dāng)前剩余壁厚僅為1 mm。

(3) 825～847 m井深處的套管具有長(zhǎng)25 m的不規(guī)則劃痕特征，表現(xiàn)為硬表面切削磨粒的犁溝磨損特征。這應(yīng)該是工具對(duì)套管的磕碰而導(dǎo)致的機(jī)械損傷。該損傷可能發(fā)展為腐蝕和應(yīng)力薄弱點(diǎn)。

(4) 824～826 m井深處的套管存在擠壓變形現(xiàn)象，這種套損導(dǎo)致的金相微裂紋和應(yīng)力集中都會(huì)進(jìn)一步給天然氣排采帶來(lái)隱患，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)氫脆，最終誘發(fā)不同程度的全面失效。

2.3 檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

按照套管內(nèi)徑損傷百分比對(duì)井深為790～847 m處的套管檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出套管內(nèi)徑損傷分為以下情況：① 套管內(nèi)徑損傷百分比為0～20%，屬于正常井段；② 套管內(nèi)徑損傷百分比為20%40%，屬于輕微腐蝕井段(790～810 m)，套管存在零星斑狀腐蝕；③ 套管內(nèi)徑損傷百分比為40～60%，屬于中度腐蝕井段(810～820 m)，套管存在連續(xù)腐蝕和間斷劃痕；④ 套管內(nèi)徑損傷百分比為60%～80%，屬于嚴(yán)重腐蝕井段(820～822 m，827～842 m，844～847 m)，套管存在連續(xù)大面積腐蝕和連續(xù)劃痕；⑤ 套管內(nèi)徑損傷百分比為80～100%，屬于射孔孔洞(822～827m，842～844m)，套管存在連續(xù)大面積腐蝕、射孔孔洞、腐蝕漏洞和連續(xù)劃痕。

3 結(jié)論

采用超聲波套損檢測(cè)儀器對(duì)典型天然氣套損井進(jìn)行檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)不同程度的損傷;基于套管內(nèi)徑損傷百分比形成的套損檢測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)790～847 m井深處的套管檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并形成了三維柱狀圖像，可直觀地觀察套損嚴(yán)重井段情況。

以定量和定性的角度進(jìn)行多維分析，最終得出典型井段腐蝕損傷程度和損傷類(lèi)型，可為后續(xù)管柱力學(xué)的完整性和安全性評(píng)估提供參考。