油田套管超聲探傷技術(shù)研究

盧立維(中石化勝利油田分公司物資供應(yīng)處物資檢驗(yàn)所山東東營(yíng)257000)

套管在石油開采中發(fā)揮著巨大的作用，由于套管在制造時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)部分疏松或者有雜質(zhì)的現(xiàn)象，容易引起套管內(nèi)部裂紋和孔隙的產(chǎn)生，在使用的過程中容易發(fā)生安全事故。因此需要加強(qiáng)油田套管的檢測(cè)技術(shù)研究，超聲波檢測(cè)是目前常用的套管檢測(cè)方法之一，超聲波檢測(cè)技術(shù)利用超聲波的反射和折射等特性可以實(shí)現(xiàn)套管損傷的監(jiān)測(cè)，超聲波探傷技術(shù)以其應(yīng)用范圍大、精度高、費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單、安全等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被普遍的應(yīng)用各個(gè)行業(yè)部件的探傷。

1.套管超聲波探傷方法研究

套管超聲波探傷技術(shù)是利用超聲波在傳輸過程中的反射和折射規(guī)律來進(jìn)行探傷的，當(dāng)超聲波傳輸?shù)教坠鼙砻鏁r(shí)，在套管的表層會(huì)發(fā)生超聲波的折射和反射現(xiàn)象，超聲波的折射和反射規(guī)律和光的折射反射規(guī)律一致，當(dāng)超聲波折射到套管內(nèi)部時(shí)，就會(huì)在套管內(nèi)壁和外壁之間來回的反射。套管內(nèi)部如果出現(xiàn)裂紋和孔隙，這些裂紋和孔隙可以作為一個(gè)新的波源，波源反射的超聲波將會(huì)被超聲波接受探頭接受。如果套管內(nèi)部沒有損壞，探頭則接收不到相應(yīng)的反射波。通過對(duì)探頭接受到的回波信號(hào)分析，可以確定套管內(nèi)部損壞程度的大小。橫向超聲波探傷技術(shù)，主要用來探傷套管的橫向損壞，通過將探頭對(duì)準(zhǔn)套管的中心，在套管的上部以一定的角度，利用超聲波發(fā)射探頭向套管表面發(fā)射超聲波，超聲波會(huì)在套管內(nèi)外壁之間來回的反射，通過對(duì)每個(gè)點(diǎn)發(fā)射波信號(hào)的強(qiáng)弱分析，就可以判斷出該位置套管是否發(fā)生損壞。同時(shí)還可以確定在橫向方向上套管內(nèi)部損壞程度的大小?？v向超聲波探傷技術(shù)主要是用來探測(cè)套管內(nèi)部圓周方向的套管損傷，該方法在套管圓周截面上，超聲波探頭和套管截面存在一定的角度，超聲波發(fā)射探頭在套管的上部發(fā)射超聲波，超聲波會(huì)在套管截面方向上，在套管的內(nèi)外壁之間來回的反射，由于截面形狀因素的限制，探頭發(fā)射的超聲波會(huì)被探頭接受一部分，其余大部分還是入射到套管內(nèi)部中。接觸式超聲波套管探傷技術(shù)主要指的是將測(cè)量探頭直接和套管接觸，這種方式可以保證探頭和套管良好的連接，在探頭的設(shè)計(jì)中要保證探頭和套管的良好接觸，需要根據(jù)套管的曲率半徑來設(shè)計(jì)相應(yīng)曲率半徑的探頭，從而保證探頭和套管表面良好的耦合，同時(shí)在套管和探頭之間要涂抹相應(yīng)的超聲波耦合劑。這種探頭和套管直接接觸的方式，超聲波的能量損失小，因此監(jiān)測(cè)的范圍相對(duì)大一些。但是該方法在操作的過程中，受到人為操作方式限制，超聲波入射套管方式差別較大，造成了套管內(nèi)超聲波各種波形的混雜，從而降低了超聲波探傷的精度。套管的半徑越小，這種現(xiàn)象越明顯，因此該類型的探傷方法不適合小直徑的套管探傷。水浸法超聲波探測(cè)技術(shù)的探頭和套管不直接接觸，而是利用水作為套管和探頭的耦合劑，在探測(cè)的過程中，將套管浸到水中。該技術(shù)可以避免探頭和套管的直接接觸，從而有效的減少了探頭的損壞，同時(shí)該方法可以使用大功率的超聲波探頭，而且適用于套管的自動(dòng)化探傷，極大的減少了套管探傷的時(shí)間，提高了探傷的效率。該方法采用的耦合劑為水，不需要特殊的耦合劑，使用成本低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于該方法探頭和套管不直接接觸，超聲波在水中傳播時(shí)會(huì)損耗一定的能量，到達(dá)套管的超聲波能量不是很高，該技術(shù)超聲波探頭檢測(cè)的范圍要相對(duì)的小一些，為了能夠保證超聲波探傷能夠完全的監(jiān)測(cè)整個(gè)套管表面，需要將套管不斷的旋轉(zhuǎn)，該方法的使用需要配備相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備。局部水浸超聲探測(cè)探傷技術(shù)指的是將待監(jiān)測(cè)的套管一部分放入到水中，再把超聲波探頭放到水中或者部分放到水中，這種方式可以節(jié)約大量的水資源，而且在探傷的過程中，套管放到水中的時(shí)間較短，減少了套管在水中的浸泡時(shí)間。這種方式也是利用水作為耦合劑，超聲波在水中傳輸時(shí)能量會(huì)衰減，所以該方法也不能一次完全的將套管整個(gè)表面檢查完，需要一定的機(jī)械裝置來輔助移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)套管。

2.新型套管超聲探傷復(fù)合探頭技術(shù)研究

在套管超聲波探傷的過程中，套管的探傷速率是探頭設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，在利用自動(dòng)套管超聲探傷技術(shù)中，通常情況下采用的是螺旋式前進(jìn)方式，通過研究可以得到，探頭的探傷速度和探傷的螺旋間距以及探頭的檢測(cè)范圍有關(guān)，在探傷的過程中，探頭在橫向上的探傷面積和縱向的探傷面積不同，探頭在橫向上的監(jiān)測(cè)面積要比縱向上的監(jiān)測(cè)面積要大，在本設(shè)計(jì)中探頭的橫向監(jiān)測(cè)范圍為縱向的監(jiān)測(cè)范圍的兩倍，這樣可以提高套管超聲探傷的效率。超聲波探頭的探測(cè)范圍和探頭的形狀也有很大關(guān)系，我們改變了探頭晶片的參數(shù)，提高了探頭的探測(cè)范圍，將現(xiàn)有的探頭晶片分成的兩部分，將其對(duì)稱的放置。套管超聲探傷探頭的頻率和套管的組成、制造工藝、探頭結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)，因此需要綜合考慮影響探頭頻率的各種因素。在使用焦點(diǎn)探頭時(shí)，探頭的頻率增加，會(huì)導(dǎo)致超聲波束焦距的減小，這樣可以提高薄壁套管的檢測(cè)精度，對(duì)于厚壁的套管探測(cè)的精度要相對(duì)降低。而且當(dāng)探頭的焦距減小時(shí)，探傷的速度也會(huì)相應(yīng)的減小。因此不能盲目的增加超聲波探傷探頭的頻率，要根據(jù)實(shí)際條件確定合適的探頭頻率，本設(shè)計(jì)采用的探頭頻率為四兆赫茲。超聲波在入射到套管表面時(shí)，一部分的超聲波會(huì)反射到水中，另外一部分的超聲波會(huì)折射到套管中，當(dāng)超聲波以不同的角度入射時(shí)，折射后套管中的折射波也不同，通過實(shí)驗(yàn)可以得到當(dāng)超聲波的折射角為四十度時(shí)，超聲波的透射能量最高，因此選擇該角度相對(duì)應(yīng)的入射角為20°。

3 結(jié)束語

油田套管的探傷是保證套管質(zhì)量，減少油氣生產(chǎn)事故的有效途徑，因此需要加強(qiáng)油田套管超聲探傷技術(shù)研究，文章研究了套管超聲探傷技術(shù)的原理方法，并且提出了一種新型的超聲波探傷探頭技術(shù)，確定了該套管超聲探頭的關(guān)鍵參數(shù)。通過研究提高了油田套管探傷的精度，對(duì)于促進(jìn)油田的安全穩(wěn)定生產(chǎn)具有一定的意義。

[1]沈里亞.超聲波探傷原理及其應(yīng)取[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]朱曉恒.超聲探傷技術(shù)在無損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010.