在用SAGD井口裝置檢測和剩余壁厚評價技術(shù)及其應(yīng)用

王 凱，徐偉津，傅登偉，邱福壽，彭 輝

(1.中石油川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院 四川 廣漢 618300； 2.中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院 新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

新疆油田SAGD井口裝置主要由四通、雙管六通和連接的閥門構(gòu)成，生產(chǎn)時最高工作溫度約為280 ℃，長期高溫高壓下的生產(chǎn)和注汽容易導(dǎo)致井口裝置沖刷腐蝕從而引發(fā)井口安全事故。新疆油田某作業(yè)區(qū)曾發(fā)生了六通生產(chǎn)副管沖蝕穿透事故。因此，評估井口裝置腐蝕情況，提高油田井口裝置安全管理，減小事故發(fā)生概率是非常必要的工作。SAGD井口裝置六通采用平行雙管結(jié)構(gòu)鑄造而成[1]，兩側(cè)流通道(即主管和副管)與垂直主通道相貫處易出現(xiàn)氣孔和砂眼，結(jié)合六通內(nèi)部結(jié)構(gòu)和注汽工藝分析得出流體沖蝕集中在主副管出口。根據(jù)以前相關(guān)試驗研究和檢驗結(jié)果[2]，腐蝕易發(fā)生在結(jié)構(gòu)和氣流突變處。根據(jù)井口裝置鑄造工藝和沖蝕特點，利用超聲檢測技術(shù)對SAGD井口裝置進(jìn)行在線檢測和評估，選用電磁超聲測厚儀進(jìn)行壁厚測量，選用超聲C掃描技術(shù)對沖蝕腐蝕進(jìn)行范圍定量，采用超聲相控陣檢測技術(shù)對材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行評級，完成井口裝置薄弱環(huán)節(jié)的超聲檢測。

1 超聲檢測技術(shù)的選擇

超聲檢測是集傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、模糊識別和圖像顯示等于一體的綜合技術(shù)，其技術(shù)的分類主要是選用不同耦合方式和不同換能器[3-5]。目前先進(jìn)的超聲無損檢測技術(shù)主要包括相控陣超聲檢測技術(shù)、空氣耦合超聲檢測技術(shù)和激光超聲檢測技術(shù)、超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)等，其中激光耦合超聲檢測技術(shù)脈沖激光轉(zhuǎn)換率和靈敏度低且易受材料表面粗糙度和環(huán)境振動的影響?？諝怦詈铣暀z測技術(shù)由于超聲衰減性質(zhì)，檢測橫向和縱向缺陷分辨率較低。超聲導(dǎo)波技術(shù)無法精確定量某一部位缺陷，缺陷檢出率較低[5-6]。而超聲相控陣檢測基于多陣元合成聲場的工作方式可執(zhí)行扇形掃查、電子掃查和動態(tài)聚焦掃查等，在不移動和更換傳感器的情況下，可實現(xiàn)不同角度的斜入射檢測，不但提高了檢測效率，還極大簡化了檢測幾何形狀較為復(fù)雜的工件的過程，同時可通過聚焦各區(qū)域各點，提高關(guān)鍵性缺陷精確定量能力[7-8]。另外，電磁超聲測厚因為不需要耦合劑，對探頭磨損小，測量精度較高，能測量小半徑管材厚度，已廣泛用于材料測厚[9]。超聲C掃描技術(shù)顯示直觀和檢測速度快[10]，能直觀地檢測出沖刷導(dǎo)致的六通副管腐蝕缺陷。

2 SAGD井口裝置檢測

2.1 設(shè)備與試塊

根據(jù)實際檢測情況，選用廣州多浦樂電子科技有限公司生產(chǎn)的32/128PR 型Phascan便攜式相控陣超聲檢測儀和德國NKD-019E電磁超聲測厚儀，如圖1所示。

圖1 超聲檢測用設(shè)備及試塊

相控陣檢測儀用32陣元相控陣探頭，探頭頻率為5 MHz，晶片寬度為0.5 mm，探頭為一維陣元排列，該探頭配備36°平直楔塊、平斜楔塊及帶弧度直楔塊和斜楔塊，檢測時用工業(yè)超聲耦合劑進(jìn)行耦合。

相控陣檢測儀調(diào)節(jié)參數(shù)主要有探頭選擇、楔塊參數(shù)、增益、靈敏度，延遲、距離和深度等，相控陣檢測儀探頭配楔塊校準(zhǔn)選用CSK-ⅠA和CSK-ⅡA試塊，電測超聲測厚儀選擇Auto模式，并用儀器自帶圓形標(biāo)準(zhǔn)塊和7B階梯試塊校準(zhǔn)。

2.2 檢測工藝流程設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)研結(jié)果，SAGD井口裝置六通的主副管薄弱環(huán)節(jié)圖如2所示。

圖2 SAGD井口裝置六通薄弱環(huán)節(jié)

六通主副管薄弱環(huán)節(jié)是圖2中的紅色標(biāo)識區(qū)域，由此設(shè)計出檢測和校核流程，如圖3所示。

圖3 SAGD井口裝置六通檢測與校核流程圖

對六通主管和副管的電磁超聲測厚為分別測量主通道出口附近的截面，按氣流順時鐘方向測量3、6、9和12點方位共4個點；超聲C掃描沖蝕壁厚減薄檢測采用探頭加直楔塊周向掃查，超聲相控陣氣孔夾渣等缺陷檢測采用探頭加斜楔塊周向和軸向結(jié)合掃查，如圖4所示。

3 SAGD井口裝置檢測結(jié)果分析

對新疆油田一作業(yè)區(qū)65口注汽井井口裝置進(jìn)行檢測和分析。

3.1 聲測厚結(jié)果分析

對上述65口井的主管和副管的壁厚進(jìn)行超聲測量，測量結(jié)果如圖5所示。其中主管的設(shè)計壁厚為19.95 mm，副管的設(shè)計壁厚為17.80 mm。將壁厚實測值小于87.5%壁厚設(shè)計值(最低標(biāo)準(zhǔn)值)作為壁厚異常處理[11]。

圖5 主管和副管壁厚值分布圖

由圖5可以看出，主管測量值中低于黑色最低標(biāo)準(zhǔn)值線所占比例為15.9%，副管測量點數(shù)中低于紅色標(biāo)準(zhǔn)值線所占比例為14.8%。初步判定SAGD井口裝置在使用過程中存在因壁厚減薄或原始壁厚較小而導(dǎo)致的安全風(fēng)險。

3.2 超聲C掃描檢測結(jié)果分析

采用超聲C掃描對主副管進(jìn)行全面檢測和分析，對檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析后，其中比較典型的異常信號如圖6所示。

圖6 某副管壁厚異常信號圖

將C掃描檢測厚度值小于87.5%設(shè)計壁厚的部位和沖刷腐蝕發(fā)生點和區(qū)域確定為腐蝕異常，將六通的主管和副管中出現(xiàn)異常的井?dāng)?shù)百分比結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，如圖7所示。

由圖7可以看出，主副管所占的比例均在60%以上，副管存在問題的比例多于主管，這也與井口裝置的生產(chǎn)工藝相符。主管的長時間生產(chǎn)和副管的工藝流體注入均會導(dǎo)致沖刷腐蝕的出現(xiàn)，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)C掃描腐蝕異常處通常都是接近主副管靠近主通道的部位且沖蝕區(qū)域較大，應(yīng)對沖蝕問題井進(jìn)行定期監(jiān)測，降低生產(chǎn)安全風(fēng)險。

圖7 超聲C掃描主副管壁厚異常統(tǒng)計

3.3 超聲相控陣檢測結(jié)果分析

采用超聲相控陣檢測技術(shù)對主副管進(jìn)行缺陷檢測，其中典型缺陷如圖8所示，并按照GB/T 7233.2—2010《鑄鋼件 超聲檢測 第2部分：高承壓鑄鋼件》中缺陷評定的方法將六通主管和副管分別評級并進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖9所示。

圖8 某副管內(nèi)部缺陷檢測圖

圖9 主副管材料內(nèi)部缺陷級別統(tǒng)計

由圖9可以看出主副管1級和2級所占比例均達(dá)到70%以上，與材料的原始缺陷進(jìn)行對比，這些1級和2級范圍內(nèi)的主副管安全系數(shù)高，主副管3級和4級所占比例為20%以上，這些3級和4級范圍內(nèi)的主副管安全系數(shù)較低。以前的低水平生產(chǎn)工藝制造的SAGD井口裝置成型后的裝置內(nèi)存在較多的缺陷，應(yīng)對安全系數(shù)較低的井口裝置進(jìn)行定期監(jiān)測，降低安全風(fēng)險。

3.4 強度校核分析

根據(jù)API Spec 6A中的相關(guān)規(guī)定，井口裝置強度計算按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷第Ⅱ冊的要求[12]，主副管設(shè)計壁厚采用公式(1)進(jìn)行計算。

(1)

式(1)中：δ為壁厚極限值，mm；Di為設(shè)備最大內(nèi)徑，mm；P為設(shè)計工作壓力，MPa；E為焊接接頭系數(shù)，其數(shù)值設(shè)定為1；C為腐蝕余量，mm；S為材料的許用應(yīng)力，MPa。

將超聲測厚和超聲C掃描的檢測結(jié)果中的最小值作為強度校核的檢測最小壁厚，并代入公式(1)，得到主管和副官的強度校核結(jié)果，如圖10所示。

圖10 強度校核不通過數(shù)統(tǒng)計

由圖10結(jié)果得出腐蝕余量取3 mm時主副管不通過數(shù)在0～10%之間；腐蝕余量取4 mm時不通過數(shù)在20%～40%之間；腐蝕余量取5 mm時不通過數(shù)在50%以上。綜合分析生產(chǎn)和安全的要求，建議腐蝕余量C取3 mm或者4 mm。建議對余量C=3 mm情況下不通過的井口裝置進(jìn)行更換，對其他情況下校核不通過的井進(jìn)行定期監(jiān)控并復(fù)檢和復(fù)核。

4 結(jié) 論

超聲檢測技術(shù)作為綜合性檢測技術(shù)對于在役SAGD井口裝置的在線檢測有較大的優(yōu)勢，其中超聲相控陣成像缺陷顯示比較清晰，超聲壁厚檢測和C掃描檢測能確定井口裝置部位的腐蝕程度、腐蝕位置和腐蝕范圍。超聲相控陣檢測能確定井口裝置材料內(nèi)部缺陷情況，對材料內(nèi)部缺陷在3級和4級以上的井口裝置進(jìn)行定期監(jiān)測。在進(jìn)行強度校核時腐蝕余量取3 mm或4 mm，可符合現(xiàn)場安全和生產(chǎn)的要求。