油井金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測儀

梁 冰

(大慶測試技術(shù)服務(wù)分公司監(jiān)測技術(shù)研發(fā)中心 黑龍江 大慶)

0 引 言

金屬磁記憶檢測技術(shù)［1］是20 世紀(jì)90 年代后期，由俄羅斯學(xué)者杜波夫率先提出的。該方法不僅是對金屬部件進(jìn)行早期診斷唯一行之有效的方法，而且可以快速檢測出已經(jīng)出現(xiàn)的金屬缺陷位置，在機(jī)械、航空、鐵路、石油等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

1 金屬磁記憶的基本概念

磁記憶檢測的基本原理是處于地磁環(huán)境下的鐵制構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成最大的漏磁場(Hp)的變化，如圖1 所示。即磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變符號且具有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工作載荷消除后繼續(xù)保留。從而通過對漏磁場法向分量Hp(y)的測定，便可準(zhǔn)確推斷工件的應(yīng)力集中部位。

圖1 應(yīng)力集中區(qū)漏磁場分布圖

2 檢測儀器的電路設(shè)計(jì)

1999 年中國機(jī)械工程學(xué)會率先從俄羅斯引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)。目前，國內(nèi)研制的儀器主要有兩種:一種是廈門愛德森公司的EMS2000 金屬磁記憶診斷儀［2］;另一種是清華大學(xué)的掌上金屬磁記憶檢測儀。兩種儀器大部分硬件構(gòu)成相似，綜合兩種儀器的優(yōu)點(diǎn)、結(jié)合油田工程測井領(lǐng)域的具體要求，設(shè)計(jì)出了油井金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測儀系統(tǒng)原理框圖，如圖2 所示。

圖2 油井金屬套管應(yīng)力磁記憶檢測儀原理框圖

系統(tǒng)主要包括:

1)傳感器:儀器的關(guān)鍵元件，由于被檢部件的磁場微弱，需選擇靈敏度高的磁敏傳感器。

2)溫度補(bǔ)償:磁敏傳感器對溫度較敏感，需設(shè)置溫度補(bǔ)償電路。

3)放大電路:不同的環(huán)境，傳感器與工件的間距不同或工件表面本身的記憶磁場強(qiáng)弱不等，信號的大小差異較大。為了保證適當(dāng)?shù)男盘杽討B(tài)范圍，放大電路的增益需可變、受CPU 控制。此外放大電路還需完成A/ D 轉(zhuǎn)換器對信號所要求的電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。

4)A/ D 轉(zhuǎn)換器:為保證適當(dāng)?shù)姆直媪?，A/ D 轉(zhuǎn)換器要求適當(dāng)?shù)奈粩?shù)。本儀器選用逐次通過型A/ D 轉(zhuǎn)換器，同時為簡化電路選用了多路輸入的A/ D 變換器。

3 井下試驗(yàn)樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖3 所示為井下試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

儀器外徑:90 mm;

儀器傳感器測量系統(tǒng)采用八臂推靠式結(jié)構(gòu);

傳感器耐溫指標(biāo):150℃;

傳感器及儀器耐壓指標(biāo):60 MPa。

圖3 井下試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

如圖4 所示是大慶油田拉15 丙264 井291 m ～308 m 首次測井曲線。從圖4 中可以看到套管井接箍顯示清晰，在兩個接箍之間的301 m 處有一明顯的應(yīng)力集中區(qū)現(xiàn)象的顯示，八個探頭其中之一測得的最大的金屬磁記憶峰峰值300 m/A 左右，屬于產(chǎn)生的了應(yīng)力集中現(xiàn)象，還沒有達(dá)到塑性形變階段。在井徑測井過程中，301m 處沒有絲毫套管變形顯示，這就說明該處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 大慶油田拉15 丙264 井磁記憶檢測曲線(首次測量)

如圖6 所示是大慶油田拉15 丙264 井第二次重復(fù)測井曲線。從圖5 中可以看出各個探頭的測試曲線顯示的金屬磁記憶響應(yīng)的幅值稍有不同，儀器在井中旋轉(zhuǎn)了方向，但可以看到首次測井的第3、4 號探頭曲線趨勢完全和第二次測井的第1、2 號探頭曲線趨勢重復(fù)較好;首次測井的第5、6 號探頭曲線趨勢完全和第二次測井的第3、4 號探頭曲線趨勢重復(fù)較好;首次測井的第7、8 號探頭曲線趨勢完全和第二次測井的第5、6號探頭曲線趨勢重復(fù)較好;首次測井的第1、2 號探頭曲線趨勢完全和第二次測井的第7、8 號探頭曲線趨勢重復(fù)較好。從二次測井曲線上看，完全驗(yàn)證了金屬磁記憶測井儀的重復(fù)性。

圖5 大慶油田拉15 丙264 的40臂井徑測井曲線

如圖7 所示是大慶油田高133 -36 井射孔井段內(nèi)變形部位的磁記憶檢測曲線，在1 003 m ～1 005 m 之間正好是套管變形位置，磁記憶響應(yīng)峰峰值大約在600 A/m 左右，剛好對應(yīng)了圖7 中顯示的高133 -36 井射孔井段內(nèi)套管變形部位的16 臂井徑檢測曲線檢測的變形部位。從井徑測井結(jié)果看，該部位已經(jīng)破損，應(yīng)力已經(jīng)部分釋放。

圖7 大慶油田高133 -36 井磁記憶檢測曲線

如圖8 所示是大慶油田高133 -36 井射孔井段內(nèi)變形部位的16 臂井徑檢測曲線，在1 003 m ～1 005 m之間是變形位置，最大井徑150 mm、最小井徑118 mm。

圖8 高133 -36 井的16 臂井徑測井曲線

5 結(jié) 論

1)根據(jù)金屬磁記憶檢測原理，套管井壁法向漏磁場分布狀況反映了套管井壁的殘余應(yīng)力分布狀況;

2)通過對現(xiàn)場測井資料的分析，磁記憶檢測儀的井下測井資料的確反映了套管井壁法向漏磁場分布狀況，在套管變形和未變形情況下均測得了異常磁記憶響應(yīng)，為井下套管安全狀況評價及套損預(yù)防提供了依據(jù);

3)采用時間推移方式評價套損區(qū)應(yīng)用該儀器，為油田井下套管安全狀況評價及套損預(yù)防提供依據(jù)。

［1］任吉林，林俊明，池永濱，等. 金屬磁記憶檢測技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2000

［2］林俊明，林發(fā)炳，林春景，等.EMS2000 金屬磁記憶診斷儀的研發(fā)［J］.無損檢測，2002，24(4)