連續(xù)油管在線檢測系統(tǒng)壁厚測量功能在川渝地區(qū)的應(yīng)用分析

方福君，鄒先雄，蔣 濤，石孝志

(中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，成都 610213)

目前，川渝地區(qū)對非常規(guī)油氣資源開發(fā)力度逐漸加大，連續(xù)油管工藝技術(shù)日趨高端，井況復(fù)雜、技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，連續(xù)油管的安全可靠成為安全作業(yè)、提速提效的關(guān)鍵因素之一。為確保連續(xù)油管的作業(yè)安全和提高其使用效率，開展連續(xù)油管在線檢測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，國內(nèi)連續(xù)油管在線檢測技術(shù)還處于起步階段[1]，其中最具備代表性的是LXGJ-1型連續(xù)管無損檢測系統(tǒng)(簡稱LXGJ-1系統(tǒng))，其與代表國際先進(jìn)水平的斯倫貝謝公司的Coil SCAN系統(tǒng)和NOV CTES公司的Argus系統(tǒng)相比較，已具備連續(xù)油管缺陷、壁厚、直徑和橢圓度在線檢測功能，主要差距在于對同一缺陷進(jìn)行連續(xù)跟蹤對比分析和缺陷對連續(xù)管疲勞壽命影響的研究[2]。LXGJ-1系統(tǒng)[3]在檢測原理上與Coil SCAN系統(tǒng)類似，均采用無損檢測技術(shù)中的磁性檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)，但Coil SCAN系統(tǒng)還具有利用檢測數(shù)據(jù)3D軟件進(jìn)行解釋說明、通過油管缺陷漏磁檢測對磁通密度進(jìn)行定量檢測的優(yōu)勢[4]。監(jiān)測連續(xù)油管壁厚變化對于分析連續(xù)油管低周疲勞和計(jì)算剩余疲勞壽命有重要作用[5-6]，是確定連續(xù)油管安全疲勞壽命的關(guān)鍵因素。

1 磁橋路法連續(xù)油管壁厚測量原理

LXGJ-1系統(tǒng)連續(xù)油管壁厚檢測采用磁性檢測技術(shù)中的磁橋路法。磁橋路法是利用布置在磁通測量橋路中的集成霍爾元件測量連續(xù)油管壁厚的一種方法[7]，其本質(zhì)是通過測量連續(xù)油管橫截面在一定長度內(nèi)截面積變化量，據(jù)此推斷出此段連續(xù)油管的壁厚變化。LXGJ-1系統(tǒng)在測量連續(xù)油管壁厚時(shí)，采集的集成霍爾元件輸出電壓之和的變化量與各相關(guān)因素之間的關(guān)系如式(1)。

(1)

2 在川渝地區(qū)的應(yīng)用

連續(xù)油管技術(shù)在川渝地區(qū)的常規(guī)天然氣和非常規(guī)頁巖氣以及致密氣開發(fā)中應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)已開展通洗井、射孔、橋塞鉆磨、打撈作業(yè)等近30 種工藝[8]。隨著川渝地區(qū)頁巖氣開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，連續(xù)油管的使用量也隨之急劇增加，施工現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)油管無損在線檢測的需求十分迫切。自從2015年國產(chǎn)LXGJ-1系統(tǒng)在川渝地區(qū)連續(xù)油管施工現(xiàn)場應(yīng)用以來，基本能發(fā)現(xiàn)連續(xù)油管壁厚異常，提前進(jìn)行安全處理，降低連續(xù)油管意外斷裂、刺漏、爆裂等事件的發(fā)生。例如，在四川長寧頁巖氣區(qū)塊某井鉆磨施工作業(yè)過程中，對連續(xù)油管進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線檢測，在對壁厚數(shù)據(jù)篩查時(shí)成功發(fā)現(xiàn)了位于75 m處的波浪型缺陷，如圖1所示。此類缺陷會是連續(xù)油管受壓力和彎曲力的反復(fù)作用下，疲勞壽命達(dá)到晚期而出現(xiàn)[9]，具有代表性。實(shí)際檢測結(jié)果與LXGJ-1系統(tǒng)在線檢測結(jié)論一致，現(xiàn)場直接切除此段連續(xù)油管，從而避免了可能出現(xiàn)的連續(xù)油管斷管事故。

圖1 長寧頁巖氣區(qū)塊某井檢測出的連續(xù)油管波浪型缺陷

LXGJ-1系統(tǒng)在川渝地區(qū)應(yīng)用過程中，表現(xiàn)出了檢測速度快、不影響現(xiàn)場作業(yè)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、不受油污和水等影響、不需要耦合劑和其它輔助材料、缺陷油管自動聲光報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題。

3 問題及解決方案

3.1 LXGJ-1系統(tǒng)的標(biāo)定

磁橋路法測量連續(xù)油管壁厚的標(biāo)定包括標(biāo)準(zhǔn)無缺陷管標(biāo)定和標(biāo)準(zhǔn)缺陷管標(biāo)定兩方面。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)無缺陷管的標(biāo)定

采用無缺陷標(biāo)準(zhǔn)管進(jìn)行標(biāo)定的作用在于確定無缺陷連續(xù)油管的截面積和測量集成霍爾元件的輸出電壓之和，其標(biāo)定時(shí)要求與被檢測連續(xù)油管鋼級、材質(zhì)、直徑以及壁厚相同的樣管進(jìn)行壁厚標(biāo)定；同時(shí)，標(biāo)定時(shí)還需注意端部效應(yīng)造成的測量盲區(qū)。

標(biāo)準(zhǔn)無缺陷樣管標(biāo)定具有標(biāo)定準(zhǔn)確、方便的優(yōu)點(diǎn)，但不適用于連續(xù)油管現(xiàn)場應(yīng)用。由于現(xiàn)場使用的連續(xù)油管種類繁多，且同一管徑的連續(xù)油管也可能會存在廠家、成分配比、等級和壁厚等的不同，同時(shí)，同一盤連續(xù)油管也會存在不同的壁厚，若選用的標(biāo)準(zhǔn)無缺陷樣管不匹配，其檢測數(shù)據(jù)將會出現(xiàn)明顯的誤差。故在實(shí)際工作中，連續(xù)油管在線檢測壁厚的標(biāo)定通常是在檢測設(shè)備安裝后才采用被檢測連續(xù)油管作為標(biāo)準(zhǔn)無缺陷管進(jìn)行標(biāo)定。但這種方法的弊端亦十分明顯，原因是因?yàn)檫B續(xù)油管使用一段時(shí)間后，其壁厚必然會出現(xiàn)一定的減薄。如何選擇一段損傷較小的連續(xù)油管，并計(jì)算出平均截面積作為0線基準(zhǔn)值，較為繁瑣。

針對此問題的解決方案是首先根據(jù)施工情況在連續(xù)油管下深范圍內(nèi)利用 modelling Engineering & development Company limited連續(xù)油管分析系統(tǒng)軟件(簡稱TAS)選擇一段疲勞較低的區(qū)域作為備選的標(biāo)準(zhǔn)無缺陷管，其后采用手持式超聲波壁厚儀進(jìn)行人工壁厚測量。由于國際上對小徑管(外徑為32～89 mm，壁厚為4～8 mm)焊縫超聲檢測的準(zhǔn)確性和可靠性不予認(rèn)可[10]，而磁橋路檢測法又要求連續(xù)油管截面積變化的軸向分布范圍應(yīng)大于兩磁極之間的軸向距離，因此人工壁厚測量點(diǎn)應(yīng)回避焊縫位置后徑向均布設(shè)置的4個(gè)測量方向，且軸向測量點(diǎn)的均布范圍應(yīng)大于200 mm。目前采用的標(biāo)準(zhǔn)是20個(gè)測量點(diǎn)且各點(diǎn)差值不大于±0.1 mm，符合此條件的作為標(biāo)準(zhǔn)無缺陷管進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，并計(jì)算出此段連續(xù)油管的平均截面積，作為壁厚測量數(shù)據(jù)的0值基準(zhǔn)。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)缺陷管的標(biāo)定

采用標(biāo)準(zhǔn)缺陷管標(biāo)定的意義在于確定壁厚測量的靈敏度和測量精度。為保證標(biāo)準(zhǔn)缺陷管標(biāo)定的準(zhǔn)確性，須選用與被檢測的連續(xù)油管一樣的原管來制作。LXGJ-1系統(tǒng)并不具備調(diào)整Ks值功能，故在現(xiàn)場工作中對LXGJ-1系統(tǒng)自身提供的標(biāo)準(zhǔn)缺陷管性能指標(biāo)差異較明顯的連續(xù)油管進(jìn)行檢測時(shí)，其壁厚數(shù)據(jù)只能顯示變化趨勢，而對壁厚變化量的定量分析較為薄弱。

針對此問題，現(xiàn)階段的主要解決方法是在檢測與LXGJ-1系統(tǒng)自身提供的標(biāo)準(zhǔn)缺陷管性能指標(biāo)差異較大的連續(xù)油管時(shí)，選擇具有代表性的連續(xù)油管壁厚變化位置按上節(jié)所述方法進(jìn)行人工壁厚測量，計(jì)算出其截面積的變化量，并根據(jù)不同類型的連續(xù)油管對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理形成相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而能對常用類型的連續(xù)油管壁厚的變化量進(jìn)行定量分析。

3.2 導(dǎo)磁金屬粉末及鐵銹對壁厚檢測造成的干擾

通常連續(xù)油管現(xiàn)場施工中，不可避免地會出現(xiàn)連續(xù)油管表面附著具有導(dǎo)磁性的金屬粉末或鐵銹的情況。磁橋路法檢測連續(xù)油管壁厚最重要的是要求檢測對象的磁特性、檢測傳感器和信號處理器有關(guān)因素為相對的常量(Ks值恒定)，其集成霍爾元件的輸出電壓之和的變化量才與被測量段連續(xù)油管的截面積成線性關(guān)系。如果在連續(xù)油管表面存在過多的金屬粉末或鐵銹時(shí)進(jìn)行在線檢測，因金屬粉末或鐵銹在稀土永久磁鐵磁化下不斷在裝置周圍淤積(如圖2)，此時(shí)等同于檢測對象的磁特性不斷變化，所采集的壁厚數(shù)據(jù)沒有意義。例如，在四川威遠(yuǎn)地區(qū)施工中應(yīng)用磁橋路法進(jìn)行連續(xù)油管在線檢測，在檢測到連續(xù)油管3 891.7 m處稀土永久磁鐵吸附到較多導(dǎo)磁金屬粉末，造成壁厚檢測失真，金屬粉末隨連續(xù)油管的運(yùn)動在3 898.7 m位置逐漸運(yùn)移出兩磁極之間的位置，壁厚檢測信號逐漸正常，從而造成長約7 m的連續(xù)油管壁厚檢測數(shù)據(jù)缺失，如圖3所示。

針對該問題的常用解決方案是根據(jù)連續(xù)油管的施工工藝選取連續(xù)油管表面相對較為潔凈的時(shí)機(jī)進(jìn)行在線檢測。例如在連續(xù)油管進(jìn)行沖砂、鉆磨等工藝后，從井內(nèi)起出連續(xù)油管過程中進(jìn)行在線檢測(此類工藝在川渝地區(qū)連續(xù)油管施工占很大的比例)。由于連續(xù)油管外壁經(jīng)過含砂液體沖刷和防噴盒膠芯的擦拭后變得較潔凈，此時(shí)進(jìn)行連續(xù)油管在線檢測，能基本避免因裝置周圍淤積導(dǎo)磁粉末導(dǎo)致的相關(guān)問題。但此方案受施工情況影響較大，無法進(jìn)行連續(xù)油管施工全程的在線檢測。

圖2 導(dǎo)磁性金屬粉末淤積示意

圖3 壁厚測量失真示意

3.3 因擴(kuò)徑出現(xiàn)壁厚變薄導(dǎo)致壁厚無法檢測

連續(xù)油管在實(shí)際使用中屬于低周疲勞循環(huán)，經(jīng)常承受的內(nèi)壓較高，因施工工藝及現(xiàn)場情況的需要，連續(xù)油管某些部位疲勞循環(huán)次數(shù)較多就會出現(xiàn)管體直徑變大，壁厚減薄的情況[11]。

對于此類情況，LXGJ-1系統(tǒng)的壁厚檢測裝置不能有效檢測，主要原因是磁橋路法對壁厚的測量是通過測量連續(xù)油管截面積的變化量然后換算出平均壁厚值。因此，出現(xiàn)連續(xù)油管擴(kuò)徑引起壁厚降低的情況時(shí)，其截面積變化并不大，單純依靠磁橋路法時(shí)無法檢測出壁厚降低的情況。如圖4所示。

圖4 連續(xù)油管擴(kuò)徑時(shí)壁厚檢測示意

為解決此問題，通常采用的方案是要求數(shù)據(jù)解釋人員對壁厚數(shù)據(jù)篩查時(shí)引入連續(xù)油管直徑變化量這一指標(biāo)進(jìn)行綜合評判。但此方案人工數(shù)據(jù)處理量較大，生成連續(xù)油管檢測報(bào)告周期較長，明顯降低了連續(xù)油管在線檢測的時(shí)效性。

3.4 無法判斷壁厚減小的形狀與深度

采用磁橋路法典型連續(xù)油管壁厚測量靈敏度可達(dá)到10～20 mV/mm2，故采用磁橋路法的LXGJ-1系統(tǒng),對于平均壁厚的檢測，在排除以上3種干擾因素的情況下，能獲取較高精度的測量數(shù)據(jù)，但其無法判斷壁厚減少的形狀與位置。一般連續(xù)油管在實(shí)際使用過程中壁厚變化會出現(xiàn)兩種截然相反的情況，即連續(xù)油管在周向出現(xiàn)區(qū)域?qū)挼诤駵p少量小和區(qū)域窄但壁厚減少量大這兩種情況，如圖5所示。由于這兩種情況平均截面積相差不大，故LXGJ-1系統(tǒng)無法區(qū)分，但后者對安全作業(yè)的危害明顯大于前者。

對于此問題，現(xiàn)階段無有效的解決方案，目前只能對比其缺陷檢測的曲線數(shù)據(jù)，如果同步出現(xiàn)較大的峰值信號則此處作為重點(diǎn)觀測點(diǎn)，但還無有效的手段進(jìn)行壁厚減少區(qū)域的形狀描述。

圖5 壁厚減少的兩種形式

3.5 起下長度進(jìn)行累加計(jì)數(shù)精度低

LXGJ-1系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的啟動是通過輥輪帶動旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行觸發(fā)。為了提高數(shù)據(jù)采集精度，LXGJ-1系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)編碼器的A、B兩路信號同時(shí)引入并進(jìn)行了倍頻處理，系統(tǒng)對連續(xù)油管的長度計(jì)數(shù)也利用其觸發(fā)脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而造成對連續(xù)油管起、下兩個(gè)方向的運(yùn)動都進(jìn)行累加計(jì)數(shù)的問題。由于連續(xù)油管實(shí)際作業(yè)過程會隨時(shí)根據(jù)施工情況進(jìn)行連續(xù)油管起和下的過程，此問題將給連續(xù)油管問題點(diǎn)的精確定位以及對同一問題點(diǎn)連續(xù)跟蹤造成極大的不便。

針對此問題的解決方案是獨(dú)立安裝一套連續(xù)油管計(jì)數(shù)系統(tǒng)，將軟件設(shè)置成對連續(xù)油管起、下兩個(gè)方向的運(yùn)動都進(jìn)行累加計(jì)數(shù)和按方向進(jìn)行加減計(jì)數(shù)兩種計(jì)數(shù)方式同時(shí)進(jìn)行，并將兩項(xiàng)數(shù)據(jù)合并生成一個(gè)記錄文件，待在線檢測結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀時(shí)通過此文件與LXGJ-1系統(tǒng)記錄文件對照比對出問題點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。但此方案存在需對兩套計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行同步標(biāo)定和后期數(shù)據(jù)人工復(fù)核量大等問題。

4 結(jié)論與建議

1) 國產(chǎn)LXGJ-1連續(xù)油管在線檢測系統(tǒng)在川渝地區(qū)實(shí)際應(yīng)用中，已多次成功檢測出高風(fēng)險(xiǎn)問題點(diǎn)，現(xiàn)已成為連續(xù)油管問題點(diǎn)的篩查以及評估連續(xù)油管剩余使用壽命的重要手段之一。但在系統(tǒng)標(biāo)定、導(dǎo)磁金屬粉末清除、壁厚變薄和變薄區(qū)域以及形狀和深度識別與測量、定位精度等方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)完善。

2) 改進(jìn)建議：①優(yōu)化系統(tǒng)標(biāo)定方式。由于依托施工現(xiàn)場被檢測油管作為標(biāo)定樣管相當(dāng)繁瑣，且準(zhǔn)確性不高，故應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)標(biāo)定方法，從而能針對不同類型的連續(xù)油管進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的標(biāo)定，減少測量誤差；②安置導(dǎo)磁金屬粉末自動清除裝置。采用磁橋路法理論上能較為精確地檢測出連續(xù)油管截面積變化量，但在實(shí)際在線檢測中易受到連續(xù)油管表面附著具有導(dǎo)磁性的金屬粉末或鐵銹影響，故可考慮在采用磁橋路法的連續(xù)油管在線檢測系統(tǒng)中安置導(dǎo)磁金屬粉末自動清除裝置，以避免金屬粉末或鐵銹的不利影響；③積極開展相關(guān)研究。由于現(xiàn)階段采用磁橋路法的連續(xù)油管在線檢測系統(tǒng)還無法分辨連續(xù)油管擴(kuò)徑造成的壁厚變薄和壁厚變薄區(qū)域以及形狀和深度，故應(yīng)積極進(jìn)行與此方面有關(guān)的各種研究，從而尋找到確實(shí)可行的方法；④提高系統(tǒng)定位精度和完善軟件對比功能。LXGJ-1系統(tǒng)采用的雙向累加計(jì)數(shù)的定位方式不匹配連續(xù)油管的施工現(xiàn)場，無法準(zhǔn)確定位問題點(diǎn)，更談不上軟件對問題點(diǎn)的跟蹤對比。故首先應(yīng)改變現(xiàn)有的定位方式，提高定位精度并完善軟件跟蹤對比功能，為進(jìn)一步深入研究分析各類缺陷對連續(xù)油管疲勞壽命的影響創(chuàng)造條件。