場(chǎng)分布掃描套管腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究

蘇娟++嚴(yán)正國(guó)+張家田++吳銀川

摘 要： 場(chǎng)分布掃描法是一種基于多頻電流源激勵(lì)下電流密度分布的套管在線腐蝕檢測(cè)方法。設(shè)計(jì)場(chǎng)分布掃描套管腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)，為了初步驗(yàn)證場(chǎng)分布掃描法對(duì)腐蝕的可檢測(cè)性，進(jìn)行了穿孔實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，場(chǎng)分布掃描法能夠檢測(cè)穿孔腐蝕，設(shè)計(jì)的電極系和檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)直徑為16.8 cm的金屬套管上直徑為6 mm的穿孔有較強(qiáng)的電敏感性。

關(guān)鍵詞： 場(chǎng)分布掃描法； 電流密度響應(yīng)； 腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)； 腐蝕穿孔

中圖分類號(hào)： TN02?34； P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）09?0145?03

Abstract： The field distribution scanning method is a casing pipe online corrosion detection based on current density distribution excited with multi?frequency current source. A casing pipe corrosion detection system based on field distribution scanning was designed. To test the detectability of the field distribution scanning method to corrosion， a corrosion perforation experiment is carried out. The experiment result shows that the field distribution scanning method can detect the perforation corrosion， and the designed electrode array and detection system have strong electricity sensibility for the 6 mm perforation on a metallic casing pipe with 16.8 cm internal diameter.

Keywords： field distribution scanning method； current density response； corrosion detection system； corrosion perforation

0 引 言

套管是油氣井正常生產(chǎn)的重要保護(hù)屏障，套管腐蝕變形破損對(duì)油井的正常生產(chǎn)有至關(guān)重要的影響。套管損傷往往造成套管外串槽和漏失引發(fā)地層間串槽、注水能量分散等現(xiàn)象發(fā)生而引起采油效率降低和增產(chǎn)措施失效[1]。在美國(guó)，預(yù)計(jì)每年僅腐蝕造成的損失就達(dá)到了14億美元；其中地面管線和設(shè)施損失為5.89億美元，井下管柱損失4.63億美元，資本支出3.2億美元[2?3]。電磁檢測(cè)法由于受管道內(nèi)介質(zhì)影響小，對(duì)管壁的光滑度要求不高，不但能發(fā)現(xiàn)管道各種異常，而且能測(cè)量管道的剩余壁厚等優(yōu)點(diǎn)成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[4?7]。

文獻(xiàn)[8?9]通過(guò)有限元仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過(guò)腐蝕區(qū)域時(shí)，均勻電流將受到擾動(dòng)，使得電流場(chǎng)的分布發(fā)生改變；文獻(xiàn)[10]研究了因腐蝕引起電流重新分配而導(dǎo)致測(cè)量電壓的變化。基于此原理和套管建模仿真，本文提出了場(chǎng)分布掃描法（Field Distribution Scanning Method，F(xiàn)DSM）檢測(cè)套管腐蝕[11?13]。

1 場(chǎng)分布掃描套管腐蝕檢測(cè)原理

場(chǎng)分布掃描法首先采用直流電流激勵(lì)，向套管注入電流并使電流分布穩(wěn)定，測(cè)量管道壁上的電流分布。若套管無(wú)腐蝕，則其管壁電阻分布均勻，徑向電流密度相等，電流密度曲線將會(huì)重合；如果套管存在均勻腐蝕，電流密度會(huì)增大，電流密度曲線會(huì)平移后重合；如果套管存在非均勻腐蝕，套管介質(zhì)的非均勻性變化會(huì)引起其管壁電流分布的非均勻性變化，管道壁徑向各處電流密度不相等，電流密度曲線會(huì)發(fā)散。其數(shù)值反映腐蝕的嚴(yán)重程度，形態(tài)反映腐蝕形狀和分布。

其次改變激勵(lì)電流頻率，測(cè)出不同頻率下測(cè)量電極間的電位差值，繪制電流密度曲線。根據(jù)曲線形態(tài)可判斷腐蝕處于套管內(nèi)壁還是外壁，綜合多頻激勵(lì)電流下的電流密度曲線形態(tài)，進(jìn)行軟件聚焦和數(shù)據(jù)合成算法，能夠?qū)y(cè)量結(jié)果解釋為3D圖像。

場(chǎng)分布掃描測(cè)量原理如圖1所示。

被測(cè)套管內(nèi)部沿其長(zhǎng)度方向依次設(shè)置與其內(nèi)壁接觸的激勵(lì)電極A、測(cè)量電極C、測(cè)量電極D和激勵(lì)電極B。由A和B向管道注入激勵(lì)電流測(cè)量C和D之間的電位差測(cè)量電極C和D之間套管的電流密度δ可根據(jù)式（1）求得：

式中：V為C，D電極間的測(cè)量電位差；ρ為套管電阻率；L為測(cè)量電極間距。

當(dāng)激勵(lì)電流為直流信號(hào)時(shí)，用式（1）計(jì)算得到的是管壁的平均電流密度。根據(jù)趨膚效應(yīng)原理，不同頻率的激勵(lì)信號(hào)具有不同的壁厚作用深度。電流頻率越高，趨膚深度越小。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率較高時(shí)，電流主要在管壁內(nèi)表面附近流動(dòng)，趨膚深度用式（2）計(jì)算：

式中：為套管電導(dǎo)率；為激勵(lì)信號(hào)頻率；為相對(duì)磁導(dǎo)率；為空氣磁導(dǎo)率。

一般石油工業(yè)鋼套管的相對(duì)磁導(dǎo)率為40～100 H/m，電阻率范圍為Ω·m，套管厚度在5.87～13.84 mm之間。取H/m，S/m。

趨膚深度與激勵(lì)信號(hào)頻率的關(guān)系如圖2所示。

2 腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

場(chǎng)分布掃描套管腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)由套管、電流源、電極系、超低噪聲放大器、高精度多通道采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，原理框圖如圖3所示。

電流源產(chǎn)生的直流或高頻電流注入激勵(lì)電極，從另一組激勵(lì)電極回流。測(cè)量電極檢測(cè)電流均衡區(qū)域的兩點(diǎn)電位差，經(jīng)過(guò)超低噪聲放大器進(jìn)行調(diào)理并提高信噪比，經(jīng)過(guò)高精度多通道采集系統(tǒng)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和腐蝕曲線繪制。

2.1 電極陣列

場(chǎng)分布掃描檢測(cè)套管腐蝕系統(tǒng)的電極系采用四電極。電極系采用三組電極，一組激勵(lì)電極連接在被檢對(duì)象兩端用于電流注入，兩組測(cè)量電極連接在被測(cè)對(duì)象的中間位置，電極間保持一定間距，用于測(cè)量電勢(shì)差。這種電極系的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠避免電極極化效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。此時(shí)電流僅流過(guò)外端電極，極化在外端電極上產(chǎn)生，中間電極幾乎不產(chǎn)生極化現(xiàn)象，能夠明顯消除兩電極法中因?yàn)闃O化而產(chǎn)生的接觸電阻。

激勵(lì)電極為兩對(duì)，其中為激勵(lì)電極對(duì)，電流從注入套管內(nèi)壁，流經(jīng)一段距離，到回路電極在電流均勻區(qū)域，采用測(cè)量電極測(cè)量套管內(nèi)壁的電壓，套管徑向平均分布6對(duì)測(cè)量電極電極陣列如圖4所示。

2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

腐蝕信號(hào)檢測(cè)電路框圖如圖5所示。硬件電路由超低噪聲放大器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、ADC、主控制器、傳輸模塊和計(jì)算機(jī)組成。

6對(duì)測(cè)量電極檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)超低噪聲放大器提高信噪比，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分時(shí)進(jìn)入ADC進(jìn)行采集。DSP作為主控制器控制采集時(shí)序，采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB模塊送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算并繪制電流密度曲線并進(jìn)行測(cè)量結(jié)果解釋。

3 穿孔實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證場(chǎng)分布掃描檢測(cè)套管缺陷的可行性，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。激勵(lì)電極間距為3 m，測(cè)量電極間距為0.06 m。在長(zhǎng)為4 m，內(nèi)直徑為16.8 cm的金屬套管上鉆出一個(gè)直徑為6 mm的穿孔，穿孔位于軸向1.2 m。檢測(cè)測(cè)量電極之間的電位差，觀察其與穿孔腐蝕的關(guān)系。

向套管激勵(lì)電極分別注入不同大小的直流電流，在徑向測(cè)量電極距離穿孔位置分別為-1 cm，-2 cm，-3 cm，1 cm，2 cm和3 cm時(shí)，以激勵(lì)電流大小為橫坐標(biāo)，檢測(cè)電位差為縱坐標(biāo)，繪制曲線如圖6（a）所示。

由圖6（a）可以看出，離穿孔-3 cm和3 cm的檢測(cè)電位差隨著激勵(lì)電流的增大基本呈線性關(guān)系，說(shuō)明離穿孔較遠(yuǎn)的電流密度曲線受套管穿孔的影響較小；而離穿孔-2 cm和2 cm的電位差曲線已經(jīng)開始顯現(xiàn)出異常，在激勵(lì)電流大于6 A時(shí)曲線斜率有較大變化；離穿孔-1 cm和1 cm的曲線在電流更小時(shí)開始顯現(xiàn)非線性，說(shuō)明此段套管上有腐蝕存在，可進(jìn)一步采用有限元分析軟件繪制電流密度分布曲線確定腐蝕位置。

以徑向測(cè)量電極距離穿孔位置為橫坐標(biāo)，檢測(cè)電位差為縱坐標(biāo)，繪制曲線如圖6（b）所示。穿孔附近電位差有明顯起伏變化，較遠(yuǎn)處電位差變化相對(duì)很小。激勵(lì)電流大小與檢測(cè)的靈敏度有關(guān)。當(dāng)激勵(lì)電流大于4 A時(shí)，腐蝕的可觀測(cè)性更為明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

場(chǎng)分布掃描法檢測(cè)套管腐蝕是向套管內(nèi)壁注入多頻電流，測(cè)量電極間電壓的變化并繪制電流密度曲線來(lái)檢測(cè)各種腐蝕參數(shù)。本文設(shè)計(jì)了場(chǎng)分布掃描腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)的電極系和數(shù)據(jù)檢測(cè)處理電路。為了初步驗(yàn)證場(chǎng)分布掃描法對(duì)腐蝕的可檢測(cè)性，進(jìn)行了穿孔實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，場(chǎng)分布掃描法能夠檢測(cè)套管穿孔腐蝕，設(shè)計(jì)的電極系和檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)直徑為16.8 cm的金屬套管上直徑為6 mm的穿孔有較強(qiáng)的電敏感性。

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