基于寬頻超聲法的在產井井筒完整性檢測技術研究*

張 昕，吳奇兵，葛偉鳳，徐光鵬，于連波

(中海油安全技術服務有限公司 天津 300456)

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·試驗研究·

基于寬頻超聲法的在產井井筒完整性檢測技術研究*

張 昕，吳奇兵，葛偉鳳，徐光鵬，于連波

(中海油安全技術服務有限公司 天津 300456)

渤海油田在產油氣井開發年限長，井下油套管、水泥環損傷是普遍現象，在井筒完整性失效之前，及時發現井下油套管、水泥環損傷并評價損傷程度是油氣田開發階段非常關注的問題。針對此問題，分析了寬頻超聲檢測原理和優勢，提出了基于寬頻超聲法的在產井井筒完整性檢測系統的設計方法以及數據采集和處理技術。針對寬頻超聲檢測技術，開展了基于寬頻超聲技術的高速旋轉探頭在多層管柱、水泥環完整性檢測中的應用研究，探索了信息處理采集與立體成像技術。研究表明，該方法可實現一次性測量3層管柱的腐蝕狀況，測厚精度±0.5 mm、腐蝕分辨率10 mm×10 mm，管柱截面變形測量精度±1 mm；同時，可實現多層管柱腐蝕缺陷、水泥環空腐蝕裂縫三維圖像化技術。

寬頻超聲技術；多層管柱；井筒完整性；三維圖像

0 引 言

渤海油田在產油氣井開發年限長，井下油套管、水泥環損傷是普遍現象，1980～2015年已完井中，200余口井套管腐蝕穿孔，約占全部井數的4%，為了保障井筒完整性，弄清套管腐蝕破壞、水泥石腐蝕竄槽的原因，獲取井下井筒完整性現狀及層間竄槽風險程度。筆者對寬頻超聲檢測原理和效果進行了室內試驗及理論探討，提出了基于寬頻超聲法的在產井井筒完整性檢測系統的設計方法以及數據采集和處理技術。

針對套管腐蝕的機理和方式、水泥環損壞的類型和部位，結合寬頻超聲檢測的特點，開展了基于寬頻超聲技術的高速旋轉探頭在多層管柱、水泥環完整性檢測中的應用研究，探索了信息處理采集與立體成像技術。通過大量的室內實驗模擬研究表明，該方法可實現一次性測量3層管柱的腐蝕狀況，測厚精度±0.5 mm、腐蝕分辨率10 mm×10 mm，管柱截面變形測量精度±1 mm；同時，可實現多層管柱腐蝕缺陷、水泥環空腐蝕裂縫三維圖像化技術。

1 井筒完整性檢測技術進展和寬頻超聲技術特點

渤海油田在產油氣井開發年限長，在產井井下油套管損傷和水泥環腐蝕破壞在油氣勘探、開發中現象越來越普遍,不但造成國民經濟的巨大損失, 而且也給油氣生產、環境保護等造成極大的困難[1-3]。在井下油套管管柱損傷失效之前, 及時發現井下油套管損傷并正確評價損傷程度,也是降低油氣勘探開發成本、減小環境污染的有效措施。目前,國內外許多學者和科研機構在從事井筒完整性檢測方面研究：電磁檢測技術、超聲波成像技術、光學成像技術，但對于多層金屬管柱和水泥環檢測與評價技術還有較大的不適應性。針對目前在產井筒完整性檢測評估技術不足, 展開了寬頻窄波檢測技術研究[4-6]。

寬頻超聲具有脈沖窄、高分辨力和相位識別能力的優點，因此采用了具有窄脈沖和相位幅度信息特點的寬頻超聲液侵自動檢測圖像化技術。進行腐蝕缺陷檢測時，通過多通道系統實現高速實時處理得到一系列數字化油程、管壁方波、水泥環方波，因此，采用寬頻窄脈沖超聲檢測技術也使超聲腐蝕檢測缺陷誤判問題得到了克服[3]。

2 寬頻超聲檢測原理

管道寬頻超聲檢測井筒管柱和水泥環厚度及直徑原理如圖1所示。超聲探頭垂直于井筒的管壁置于被測管道內探頭環上。探頭發射寬頻超聲波窄脈沖，并接收由管道內外壁反射回的脈沖(A波，B波)。從激勵脈沖到接收到內壁反射回的A波信號時間差表示探頭與內壁之間的距離(L)；A波到外壁反射回B波信號的時間差表示壁厚(T)。通過時間差和聲速(v)可計算出L和T[3]。

圖1 井筒管柱和水泥環檢測原理圖

在井筒液浸檢測過程中，在探頭環上同一直徑上的一對探頭會測量出探頭與管壁之間的距離L1和L2以及管壁的厚度T1和T2。由于探頭是安裝在剛性探頭環上，兩個探頭之間的距離是確定的(Lo)，因此可以計算出管道、水泥環的內、外直徑(Din，Dout)：

Din=Lo+(L1+L2)

Dout=Din+(T1+T2)

通過多通道寬頻超聲電子系統限幅、前放、選通、整形、方波成型等高速實時處理，將得到一系列油程(L)、管壁(T1)、水泥環壁(T2)數據。

油程和管壁的B-掃描曲線分別表示探頭環掃描時探頭與內壁間的距離(L)和壁厚(T)的變化。當內壁有缺陷時L變大，而外缺陷對L沒有影響，因此可利用水程距離的變化判斷內外缺陷(如圖2所示)。

圖2 井筒多層管柱內缺陷、外缺陷示意圖

3 寬頻超聲檢測誤判分析和克服方法研究

井筒完整性檢測除了存在著大面積的均勻腐蝕外，還存在比超聲波束覆蓋面積小的腐蝕點坑。在均勻腐蝕情況下，常規超聲檢測系統能夠正確的計算出多層管道和水泥環的壁厚；但當內壁腐蝕點坑比超聲波束覆蓋面積小時，多層管道殘余壁厚的測量就容易出現誤差。因為聲束面比點坑大，在未腐蝕的管壁處形成一個回波A1，并在內壁腐蝕點坑底也形成一個回波A2，得到兩組回波信號A1、B1和 A2、B2，如圖3所示。這樣，超聲儀器會將先接收到的點坑表面波A2誤認為底面波B1，從而將根據A1、A2之間的回波時間計算管壁厚度，得到管壁厚度的錯誤結論。當內壁腐蝕點坑很淺時(<0.25T)，會誤認為壁厚減薄的程度很嚴重；同樣的道理，當內管壁出現比聲束面積小的凸缺陷時，也會出現誤判的情況，如圖4所示。

圖3 比聲束面積小腐蝕點坑回波信號

圖4 內管壁凹、凸小缺陷厚度誤判曲線圖

寬頻超聲與窄頻超聲相比，具有相位識別能力。由于井筒流體阻抗<鋼材聲阻抗，因此在井筒流體和管壁的界面上入射波與反射波同相；而水泥石/井壁〈鋼材聲阻抗，從而造成底面反射波(B1,B2)與內表面反射波(A1,A2)相位相差180°。這樣利用寬頻超聲電路和軟件可實現實時相位識別分析，從回波中區分表面波和底面波，解決超聲在井筒多層管道腐蝕檢測中的誤判、漏判問題[3,7,8]。

4 管柱軸向裂紋超聲檢測技術的研究

由于在產井井筒內充滿壓力，正常生產時井筒中的壓力很大(30～50 MPa)，在長期使用過程中，在產井井筒多層管柱遭受到應力腐蝕、疲勞、動載荷等作用，除腐蝕減薄外，會萌生裂紋。軸向裂紋是套管和生產油管中最危險的一種缺陷。常規MFL漏磁檢測只能檢測出徑向裂紋。超聲橫波可檢測管壁內外軸向裂紋進行檢測[9-11]。為了保證裂紋檢出率，文章對時序和探頭環設計方案進行了研究。

根據斜探頭接收到回波信號的時間計算出橫波在管壁中的聲程時間，識別內、外壁裂紋和在圓周上的位置；對裂紋的回波信號峰值幅度進行數字化采樣后，判斷裂紋的深度等級；根據探頭環前進的速度和回波數據量可計算出裂紋長度；根據探頭環前進的速度和回波數據量可計算出裂紋長度。

5 井筒多層管柱與水泥環檢測掃描成像研究

針對渤海油田在產井的生產管柱和井深特點，對檢測掃描成像技術進行深入研究，目前檢測樣機由多個程控超聲子系統組成，在每個超聲子系統中，探頭按時序相控分時觸發工作。渤海地區生產管柱以Φ178 mm為主，寬頻超聲波檢測掃描技術選擇64探頭陣列，周向分辨率優于10 mm，此探頭陣列為最佳探頭數目及探頭陣列排列方法，具有高分辨率超聲單元和重復頻率。目前達到可檢測出在產井井筒多層管柱10 mm×10 mm腐蝕減薄缺陷、測厚精度±0.5 mm。檢測儀器通過電纜將信號傳送到地上工作站，進行數據圖形再現完成數字圖象處理、缺陷定位，打印出厚度變化B-型、C-型數字彩色圖和三維圖象圖(如圖5所示)。

圖5 檢測后的成像厚度B-型、C-型顯示圖

6 總 結

1)寬頻超聲波檢測技術在井筒多層管柱的裂縫性、點蝕缺陷識別上具有優越性，能精準檢測多層管柱和水泥環的厚度、變形、腐蝕狀態，從而為井筒完整檢測技術拓展了研究思路。

2)基于寬頻超聲法的井筒完整性檢測技術可實現一次性測量3層管柱的腐蝕狀況，測厚精度達到±0.5 mm、腐蝕分辨率為10 mm×10 mm、管柱截面變形測量精度控制在±1 mm。

3)根據渤海油田在產井的特點，設計數據采集和多探頭掃描成像系統軟件，能實現了超聲檢測數值化和腐蝕缺陷的三維圖象化，為評估判井筒完整性提供了直觀圖象化的檢測結果。

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Research on In-service Shaft Integrity Detection Technique Based Broadband Ultrasonic Method

ZHANG Xin, WU Qibing, GE Weifeng, XU Guangpeng, YU Lianbo

(CNOOCSafetyTechnologyServiceCo.Ltd.,Tianjin300456,China)

The oil wells in Bohai oil field have developed for a long time. It’s a common phenomenon that the tube and the casing in downhole and cement sheath damaged. Before the failure of well integrity, timely finding the tube and casing and cement sheath damage is key issue for oil field development. Against this issue, the broadband ultrasonic inspection’s principle and advantage were analyzed, and the scheme design and data acquisition and processing technology of well integrity detection system were proposed. Aimed at broadband ultrasonic inspection technology, an application research of rotating high-speed probe in the multilayer casing and cement sheath integrity detection were carried out, and information processing collection and stereo imaging technology were explored. The research showed that the method can realize to measure 3 layer pipe string’s corrosion situation by one-time. The wall thickness precision was ±0.5 mm, the corrosion resolution was 10 mm×10 mm, the string section deflection measurement accuracy was ±1 mm. In addition, based on broadband ultrasonic inspection technology, the method can generate three-dimensional image of multilayer string corrosion defects and annular space corrosion crack.

broadband ultrasonic；multi-layer pipe string；shaft integrity；three-dimension image

國家杰出青年科學基金(51325402)

張 昕，男，1984年生，高級工程師，2008年畢業重慶科技學院石油工程專業，學士學位，主要從事鉆完井安全技術服務和管理。E-mail：zhangxin11@cnooc.com.cn

TE242

A

2096-0077(2016)05-0027-03

2016-07-05 編輯：葛明君)