采氣樹超聲相控陣檢測工藝優(yōu)化與應(yīng)用

汪曉磊， 劉呈君， 劉祥康， 羅 偉， 周 浪， 汪傳磊， 王鈺淞

(1中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 2四川多麥爾科技有限公司)

采氣樹是氣井第二井屏障中的關(guān)鍵部件。井口長期受介質(zhì)腐蝕和沖蝕的影響導(dǎo)致泄漏，極易造成人員傷亡、環(huán)境污染，給氣井安全生產(chǎn)帶來巨大的威脅。當(dāng)前國內(nèi)石油企業(yè)越來越重視采氣樹的腐蝕、沖蝕檢測，國內(nèi)大量學(xué)者針對采氣樹腐蝕沖蝕檢測開展了大量的研究工作，實(shí)踐表明超聲相控陣檢測技術(shù)對檢測采氣樹內(nèi)壁腐蝕、沖蝕具有顯著的優(yōu)勢[1-4]。

超聲相控陣檢測技術(shù)在中國石油西南油氣田公司各種類型的在役氣井開展了大規(guī)模的應(yīng)用。通過多相流采氣井口裝置沖蝕數(shù)值模擬分析[5]，選取采氣樹8個(gè)部位作為檢測對象(如圖1所示)。在近年來的現(xiàn)場檢測過程中，主要面臨以下問題及挑戰(zhàn)：

圖1 采氣樹裝置檢測部位選擇圖

(1)檢測部位由于法蘭盤和連接處螺栓的遮擋，造成相控陣探頭檢測的空間受限，操作人員作業(yè)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。采氣樹日常保養(yǎng)或防腐，會(huì)導(dǎo)致掃描區(qū)域的定位標(biāo)記不易長期保存，無法保證每次檢測部位為同一位置，導(dǎo)致檢測結(jié)果存在誤差。

(2)目前檢測采用的硬質(zhì)探頭，耦合效果不好且易產(chǎn)生回波[6]，影響檢測精度，作業(yè)效率低。

(3)HH級的采氣樹閥門有耐蝕合金內(nèi)襯層，現(xiàn)用的檢測參數(shù)和成像處理方法在多層材質(zhì)檢測方面精度不夠，無法準(zhǔn)確檢測內(nèi)襯層相關(guān)情況。

一、檢測工藝優(yōu)化

1. 探頭優(yōu)選

國內(nèi)常采用小尺寸方塊式硬質(zhì)探頭開展采氣樹超聲相控陣檢測。這種探頭晶片集成在壓電材料內(nèi)部，探頭帶有外加固定螺釘，和曲率楔塊配合使用。在現(xiàn)場檢測中，使用硬質(zhì)探頭檢測出現(xiàn)了如下的不適應(yīng)性：

(1)不同規(guī)格的采氣樹，閥門脖頸的曲率不一樣，需要配備大量不同曲率的楔塊，增加作業(yè)成本。

(2)限于探頭的尺寸，固定掃描面積小，完成一個(gè)部位的掃面，需要沿采氣樹脖頸軸向和周向多次運(yùn)動(dòng)掃描，掃描時(shí)間長，操作要求高。

(3)超聲的聲束在楔塊本身內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生固定回波。例如20 mm高的楔塊，就會(huì)在20 mm、40 mm、60 mm位置產(chǎn)生一個(gè)固定波，缺陷檢測精度受影響。

(4)采氣樹的漆層表面凹凸不平，硬質(zhì)探頭易出現(xiàn)耦合不好，造成C掃圖像丟失。

柔性探頭是將晶片集成在柔性材料上，可直接緊密的貼合在被檢測部位上進(jìn)行檢測，不需要配備楔塊。

通過對晶片各參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，晶片中心距決定了檢測精度，激活孔徑?jīng)Q定了檢測覆蓋效率，晶片長度決定了耦合效果。結(jié)合西南油氣田公司各類采氣樹型號(hào)，優(yōu)選出了晶片參數(shù)的最佳組合(如表1所示)，制作出了適應(yīng)不同采氣樹閥門脖頸的128陣元柔性探頭。

表1 探頭參數(shù)對比表

2. 自動(dòng)化定位檢測工裝

為了持續(xù)跟蹤采氣樹內(nèi)壁沖蝕腐蝕狀況，需要按周期對采氣樹進(jìn)行復(fù)檢。為了檢測數(shù)據(jù)可追溯性，需要確保每次檢測部位完全保持一致，且盡量減少每次檢測的累積操作誤差。為此，結(jié)合采氣樹幾何特征，設(shè)計(jì)了一種裝有周向鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、周向編碼器、檢測結(jié)構(gòu)、軸向編碼組件的專用自動(dòng)化定位檢測工裝(如圖2所示)，實(shí)現(xiàn)檢測精準(zhǔn)定位和勻速檢測：

圖2 自動(dòng)化定位檢測工裝

(1)自動(dòng)化定位檢測工裝的檢測結(jié)構(gòu)中安裝有優(yōu)選出的柔性探頭。

(2)工裝的安裝定位是至為重要的。安裝時(shí)，必須將軸向編碼組件的垂直中心線與待檢閥門最頂部螺栓中心線對齊。

(3)檢測結(jié)構(gòu)垂直于外表面的高度是可調(diào)的。檢測結(jié)構(gòu)通過軸向編碼組件給出指令，從右至左(或從上至下)以40 mm/s的速度移動(dòng)，對脖頸該區(qū)域處進(jìn)行軸向檢測；該區(qū)域軸向檢測完成后，檢測結(jié)構(gòu)在周向編碼器和周向鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的作用下，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)67 mm，再從左至右(或從下至上)以40 mm/s的速度移動(dòng)，對脖頸處該區(qū)域進(jìn)行軸向檢測；直至整個(gè)脖頸完成全方位檢測。

3. 優(yōu)化檢測參數(shù)及成像處理方法

四川地區(qū)氣井多為“三高”氣井[7],采氣樹材質(zhì)通常為HH級，閥門內(nèi)部有3～3.5 mm厚度的耐蝕合金內(nèi)襯層，對閥門抗硫起著至關(guān)重要的作用，需要精確的識(shí)別耐蝕合金內(nèi)襯層并檢測完好性。但目前現(xiàn)用的檢測參數(shù)和成像處理方法在多層材質(zhì)檢測方面精度不夠。

3.1 檢測參數(shù)優(yōu)化

通過超聲相控陣檢測理論和反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化聚焦深度和一次性激發(fā)晶片數(shù)量，是提高檢測精度并準(zhǔn)確識(shí)別耐蝕合金內(nèi)襯層的關(guān)鍵因素。

(1)聚焦深度。聚焦深度的不同，決定著聲束是否集中覆蓋在檢測耐蝕合金內(nèi)襯層。由于井口采氣樹基材和耐蝕合金內(nèi)襯層聲速差異，在耐蝕合金內(nèi)襯層聲束會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)?？紤]到如上因素，以采氣樹基材聲速C1(5 918 m/s)和耐蝕合金內(nèi)襯層聲速C2(5 800 m/s)作為輸入范圍，在標(biāo)準(zhǔn)試塊上測試，測量出的壁厚與試件標(biāo)準(zhǔn)壁厚誤差最小時(shí)對應(yīng)的聲速為5 890 m/s。

根據(jù)柔性探頭參數(shù)，考慮西南油氣田公司采氣樹閥門脖頸壁厚在25～35 mm，以不偏轉(zhuǎn)和深度精度更準(zhǔn)確作為依據(jù)，測試采用聲速為5 890 m/s時(shí)25～35 mm之間的成像效果，查看儀器上DA(深度)和PA(前沿步進(jìn))值，最終把聚焦深度設(shè)在30 mm的效果最好。

(2)一次性激發(fā)晶片數(shù)量。帶有長方形晶片的線性相控陣探頭，所發(fā)出的聲束會(huì)在電子偏轉(zhuǎn)主動(dòng)方向上聚焦，而在被動(dòng)方向上不會(huì)聚焦。晶片數(shù)量的增加，會(huì)增強(qiáng)聚焦銳利度，但對于非焦點(diǎn)位置的能量則變得很弱，容易導(dǎo)致漏檢或被檢測出的缺陷精度降低，為了更好的保證檢測準(zhǔn)確性，比較了一次性激發(fā)1、2、4、8、16個(gè)晶片，根據(jù)試件的腐蝕缺陷檢測結(jié)果，把一次性激發(fā)晶片設(shè)為4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 不同激發(fā)晶片數(shù)量下缺陷檢測結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終形成采氣樹檢測參數(shù)如表3。

表3 參數(shù)設(shè)置

3.2 成像處理方法優(yōu)化

(1)TCG曲線。相控陣檢測需要使用C掃描作為缺陷識(shí)別圖像，而在C掃描里面，圖像的顏色以波高作為顯示標(biāo)尺，顏色越深，代表波高越高，即越有可能是疑似的缺陷信號(hào)。DAC曲線不對波高進(jìn)行深度補(bǔ)償，缺陷在較深的地方出現(xiàn)，在C掃描視圖中該缺陷也會(huì)顯示為淺色，這樣就容易將缺陷與底噪混淆在一起。

采用TCG代替DAC。TCG是選取幾個(gè)不同深度的相同當(dāng)量反射體，找到最高波，并將這些不同深度的最高波，統(tǒng)一通過增加增益的方式達(dá)到80%波高，因而TCG改變了原始的波高幅值，將不同深度的反射體波高全部提升并達(dá)到80%。

(2)希爾伯特算法?，F(xiàn)用的絕對值算法對底面信息成像模糊，不能清晰判斷基材層和耐蝕合金內(nèi)襯層，故采用希爾伯特算法代替處理。希爾伯特通過對雙極信號(hào)取包絡(luò)的形式更加符合真實(shí)的圖像信息，既避免了對信號(hào)直接成像出現(xiàn)的中空現(xiàn)象，也避免了絕對值算法出現(xiàn)的圖像分裂現(xiàn)象，成像結(jié)果更加清晰，更便于人員對圖譜進(jìn)行分析。

二、工藝優(yōu)化驗(yàn)證

選取一只HH級采氣樹閥門，運(yùn)用優(yōu)化后的自動(dòng)化定位檢測工裝+柔性探頭組合以及優(yōu)化后的參數(shù)、成像處理方法對該閥門脖頸進(jìn)行檢測、驗(yàn)證。

1. 耐蝕合金內(nèi)襯層檢測

如圖3上部所示，A掃描模式下，橫坐標(biāo)為顯示深度位置和縱坐標(biāo)為顯示波幅。由于聲束在不同材料邊界處會(huì)發(fā)生反射，檢測顯示出現(xiàn)了兩層底波，第一層底波底界為基材層底部，第二層底波底界為耐蝕合金內(nèi)襯層。通過軟件處理，測量的第一層底波對應(yīng)的最小厚度(M1)和平均厚度(P1)，計(jì)算第二層的最小厚度(M2)和平均厚度(P2)，求得的值分別相減(M2-M1，P2-P1)。計(jì)算出內(nèi)襯層厚度為2.9～3.2 mm。

2. 缺陷檢測

如圖3下部所示，C掃圖模式下，橫坐標(biāo)定義為沿閥門脖頸軸向移動(dòng)掃查長度和縱坐標(biāo)定義為脖頸周向上掃描覆蓋范圍。

圖3 閥門掃描顯示

圖3(a)中，C掃圖出現(xiàn)圓點(diǎn)有一定面積，其走向規(guī)則；第一層底波深度位置靠前，第二層底波幅值明顯增大。根據(jù)超聲波的特性，在兩層金屬材質(zhì)交界面存在點(diǎn)狀氣孔類缺陷，超聲回波會(huì)增強(qiáng)。軟件測得缺陷直徑為0.62～1.22 mm。

圖3(b)中，深度位置更靠近底面，波幅出現(xiàn)起伏和斷裂，下降到60%，C掃圖出現(xiàn)明顯的橫杠走向，縱坐標(biāo)的覆蓋呈現(xiàn)寬度狹窄，分析為劃槽，軟件測其寬度為0.94 mm。

圖4 閥門剖開驗(yàn)證

為確保檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，對該閥門進(jìn)行了二次檢測，檢測結(jié)果與第一次一致。為驗(yàn)證檢測結(jié)果準(zhǔn)確性，將該閥門沿軸向?qū)Π肫书_，觀察并測量閥門內(nèi)壁(見圖4)。選取兩處內(nèi)壁上的耐蝕合金內(nèi)襯層，用游標(biāo)卡尺測量，耐蝕合金內(nèi)襯層厚度分別為3.01 mm和3.20 mm；在兩層金屬材質(zhì)交界附近存在點(diǎn)狀缺陷，測量缺陷尺寸為直徑0.58～1.26 mm；耐蝕合金內(nèi)襯層存在一條劃槽，劃槽寬度0.98 mm。

精確的定位，配備優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置和成像處理，使超聲相控陣設(shè)備檢測、分析結(jié)果與測量結(jié)果相吻合，誤差僅為3.2%～6.9%。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

西南油氣田公司部分區(qū)塊的所有在役采氣樹每年都會(huì)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果建立采氣樹腐蝕沖蝕數(shù)據(jù)庫，了解采氣樹受腐蝕沖蝕影響規(guī)律，為采氣樹服役能力評估提供數(shù)據(jù)支撐。運(yùn)用優(yōu)化后的檢測工藝開展了多口氣井復(fù)檢工作，在提高檢測精度、提升工作效率的同時(shí)，還降低了操作難度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。以A井HH級采氣樹為例,檢測結(jié)果見表4。

表4 A井現(xiàn)場檢測

四、結(jié)論

采用自主研發(fā)的自動(dòng)化定位檢測工裝+柔性探頭組合，并優(yōu)化檢測參數(shù)設(shè)置和成像處理方法，開展采氣樹超聲相控陣檢測，有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)確保復(fù)檢部位一致，提高檢測精度，使檢測誤差低于7%。

(2)降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)度，提升檢測速度約60%。

(3)能精確識(shí)別出HH級井口裝置的耐蝕合金內(nèi)襯層，檢出率達(dá)到100%。