切割海上廢棄套管的完整性監(jiān)測方法

賈惠芹，黨 博

(西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

切割海上廢棄套管的完整性監(jiān)測方法

賈惠芹，黨 博

(西安石油大學光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

在探井任務結(jié)束后，必須把海上廢棄套管從泥線以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥線上的殘留物。高壓磨料射流切割系統(tǒng)屬于目前較常用的海上廢棄套管切割工具，但對該工具切割套管的完整性監(jiān)測還未有成熟的方法，導致無法確定廢棄套管的上提時間，這就造成了切割時間的延長和成本的增加。提出采用非接觸式聲發(fā)射的方法來檢測套管切割信號，并采用譜峭度法來判斷套管切割的完整性。在譜峭度法判別過程中，通過跟蹤全頻段中套管切割信號的快速譜峭度圖，確定了峭度最大時的帶通濾波器參數(shù)；對經(jīng)過濾波的套管切割信號作ZOOM FFT運算，可得出套管在某一個角度是否被完全切透。某油田的室內(nèi)外試驗表明，該方法可實現(xiàn)360°范圍內(nèi)的廢棄套管切割狀態(tài)實時判斷，提升了磨料切割的效率，降低了切割成本。所提出的方法適用于相關領域振動信號的檢測與故障診斷。

海上平臺； 石油探井； 套管； 聲發(fā)射； 非接觸式； 完整性； 監(jiān)測； 快速譜峭度圖

0 引言

根據(jù)國際慣例，在探井任務結(jié)束后必須把水下井口平臺從泥線以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥線上的殘留物[1-3]。文獻[4]通過聲音信號的強弱來判斷切割狀態(tài)，但沒有給出具體的實施方法。文獻[5]提出一種采用時間域反射技術進行套管切割完整性測試的方法，但未見到具體的現(xiàn)場應用實例。文獻[6]提出采用計算單位時間內(nèi)的切割深度來判別套管切割完整性的方法，但由于液體流速和磨料含量等存在差異，因此很難準確判別出套管是否被完全切斷。文獻[7]通過比較施加到套管上端的拉力和套管重力的大小來判斷套管是否被切斷。這種辦法在未切斷的情況下，無法判斷套管圓周中哪一點還沒有被切斷。本文利用聲發(fā)射技術來檢驗和分析套管切割的完整性。

1 基于聲發(fā)射的套管切割完整性檢測原理

聲發(fā)射技術自20世紀60年代就開始被廣泛應用于壓力容器、材料試驗、航天、航空、建筑、鐵路等工程結(jié)構的完整性檢測。它是一種動態(tài)檢驗方法，探測到的能量主要來源于被測試物體本身。本文將利用聲發(fā)射方法來檢測磨料射流切割套管時的特征參數(shù)，并探討一種從夾雜泥漿、浪花的噪聲信號中提取套管切割信號的方法。

快速譜峭度(spectral kurtosis，SK)是波形尖峰度的一個量綱,其定義為能量歸一化的4階譜累計量，常用作度量一個過程在某一頻率上的概率密度函數(shù)峰值的大小[8-9]。譜峭度通過分析不同頻帶上的峭度值找出故障[10]。這種方法能夠細查整個頻域并在強噪聲下檢測出瞬態(tài)信號成分，尋找頻率異常點的頻帶。該方法多用來判斷軸承的故障。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于具有多層套管的管柱，利用聲發(fā)射技術可以獲取不同層、不同角度的套管在完全切割時發(fā)射的應力波變化，應力波的頻譜在完全切透和未切透時會發(fā)生很大變化，每個頻點的峭度值也會發(fā)生變化。本文在分析現(xiàn)有技術的基礎上，提出一種基于聲發(fā)射技術和快速譜峭度圖的方法來判斷套管的切割完整性，旨在提高海上廢棄油氣套管的處理效率。

基于聲發(fā)射技術的套管切割完整性檢測原理如圖1所示。

圖1 套管切割完整性檢測原理圖

從圖1可以看出，套管在高壓磨料射流的作用下，隨著切割過程的進行，不同斷面處的材料在斷裂的某一時刻會釋放出塑性應變能，且以瞬態(tài)應力波的形式向外傳播擴展，這種應力波就是聲發(fā)射信號[11]。聲發(fā)射信號X(t)的數(shù)學模型如式(1)所示：

X(t)=A(t)ejθ(t)

(1)

式中：A(t)和θ(t)分別為聲發(fā)射信號的波形包絡幅值調(diào)整公式與頻率調(diào)整函數(shù)，具有瞬態(tài)隨機性、多態(tài)性和非線性等特點。

高靈敏度的聲發(fā)射傳感器安裝在磨料射流切割工具的外徑上，當磨料射流發(fā)射到套管上時產(chǎn)生聲源。從聲源發(fā)射的彈性波最終傳播到套管的表面，通過涂抹在聲發(fā)射傳感器表面的黃油耦合劑實現(xiàn)了聲發(fā)射傳感器和切割工具表面的耦合。聲發(fā)射傳感器將套管的機械振動轉(zhuǎn)化為電信號A(t)，經(jīng)過前置放大、信號采集后，再利用譜峭度法提取套管切割信號θ(t)的頻域特征，形成套管切割完整性判據(jù)。最后編寫套管切割完整性判據(jù)程序，以自動判斷套管是否被完整切割。

2 基于譜峭度法的套管切割信號提取方法

采用wold-cramer對聲發(fā)射信號進行分解，其頻域表達式可表示為：

(2)

式中：H(t,f)為隨時間變化的函數(shù)，可解釋為頻率f處過程Y(t)的復包絡。

過程Y(t)的四階譜累計量定義為：

(3)

式中:S(f)為譜瞬時矩。其值為：

S2nY(f)

(4)

式中:S2nY(f)為x(t)的2n階譜累積量。

于是，譜峭度可定義為：

(5)

套管切割時產(chǎn)生的振動信號往往包含故障信號和強烈的加性噪聲，即：

Z(t)=Y(t)+N(t)

(6)

式中:Z(t)為測得的套管切割信號;Y(t)為切割完整性特征信號;N(t)為浪花噪聲和電源噪聲。故Z(t)的譜峭度可表示為：

(7)

由式(7)可知：當ρ(f)很小時，KZ(f)≈KY(f)；當ρ(f)很大時，即在噪聲信號N(t)很強處，KZ(f)趨近于0。所以，局部地把譜峭度應用到不同的頻帶時，可以細查整個頻域，得出翹度最大時帶通濾波器的中心頻率和帶寬參數(shù)。

3 套管切割完整性監(jiān)測方法應用實例

3.1 套管切割完整性監(jiān)測試驗

通過試驗來驗證套管完全切割時的判斷結(jié)果是否與實際相符。首先把聲發(fā)射傳感器安裝在磨料射流切割工具上，通過一根電纜將其與采集終端連接起來。選擇諧振頻率為750 kHz的聲發(fā)射傳感器和采樣頻率為1.25 MHz的數(shù)據(jù)采集卡，構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在200 MPa的高壓下，切割工具360°旋轉(zhuǎn)帶動砂粒切割套管，砂粒撞擊管壁，產(chǎn)生機械能。采集終端完成機械能與電能的轉(zhuǎn)換、數(shù)字化顯示切割位置以及套管的切割狀態(tài)。

3.2 試驗結(jié)果分析

基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)了基于快速譜峭度圖的套管切割狀態(tài)監(jiān)測軟件，調(diào)用MATLAB程序得出的磨料切割套管時信號的快速譜峭度圖如圖2所示。從圖2可以看出，譜峭度最大值為6，此時帶通濾波器的中心頻率fc=155 kHz，帶寬BW=28 kHz。

圖2 套管切割信號的快速譜峭度圖

利用該帶通濾波器對信號進行濾波后，采用ZOOM FFT分段細化，得出頻譜圖。但是考慮到套管切割信號受浪花、水泥、電源噪聲等因素的影響，在下文進行頻譜特性分析時，應拓寬分析的頻帶。套管未切透與切透的全頻段信號頻譜圖如圖3所示。

圖3 全頻段信號頻譜圖

由圖3可知，有用信號的截止頻率在0～150 kHz內(nèi)；套管切透與未切透在頻域的差異主要體現(xiàn)在0～125 kHz內(nèi)。根據(jù)上述結(jié)論，利用ZOOM FFT對圖3中的信號進行局部放大，以分析0～125 kHz范圍內(nèi)的套管切割信號，得到套管未切透與切透的信號頻譜圖如圖4所示。

圖4 0～125 kHz信號頻譜圖

從圖4中可看出：不同頻段所表現(xiàn)出的特征差異有所不同，其中差異比較明顯的頻段如下。

①在48～80 kHz范圍內(nèi)，套管切透后的信號幅度遠小于切透前的幅度，其最大幅值相差5倍。造成這種差異的原因是：套管被切透后，磨料撞擊在水泥上，其介質(zhì)的硬度遠小于套管的金屬材料，因而幅度有了明顯的降低。

②在80～98 kHz范圍內(nèi)，雖然套管未切透與切透時頻譜特性有一定的差異，但區(qū)分度較小，因此該頻段不作為判斷依據(jù)。

③在98～108 kHz范圍內(nèi)，套管未切透與切透基本上沒有差異。

④在108～125 kHz范圍內(nèi)，如果套管被切透，則信號的頻域特性是平坦的，且幅度較低；但如果套管沒有被切透，則不僅頻域的幅值高，而且出現(xiàn)了112 kHz和119 kHz兩個特征頻率。

由上述分析可知，套管是否被切透的特征頻段為108～125 kHz。在這個頻段中，對幅值進行積分運算，運算結(jié)果作為套管是否被切透的判據(jù)。在每個角度，以上述方法作為套管是否被完全切透的判斷依據(jù)，在LabVIEW軟件界面下實時顯示套管360°的切割狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文將聲發(fā)射技術和快速譜峭度圖方法相結(jié)合，用于監(jiān)測磨料射流切割海上廢棄套管的完整性。該方法首先通過跟蹤全頻段中套管切割信號的快速譜峭度圖，確定峭度最大時的帶通濾波器參數(shù)；對經(jīng)過濾波的套管切割信號作ZOOM FFT運算，可得出套管在某一個角度是否被完全切透。基于該方法研制的套管切割狀態(tài)完整性檢測裝置目前已經(jīng)在某企業(yè)的試驗基地得到了驗證，可實現(xiàn)360°范圍內(nèi)的套管切割狀態(tài)實時監(jiān)測。

[1] 田曉潔，劉永紅，林榮桔，等.深海套管切割工具的研究和發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油機械,2011,39(11):67-71.

[2] 樊晶明，王成勇，王軍.微磨料空氣射流加工技術的發(fā)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(1): 25-30.

[3] 史亮,王強,趙輝.水射流切割設備中磨料混合方式的比較[J].機械研究與應用,2007,20(5):88-105.

[4] CHIDAMBARAM R,JOHN O,CURTIS L,et al.Method and apparatus for cutting metal casings with an ultrahigh-pressure abrasive fluid jet:US5381631A[P].1995-01-17.

[5] STEVE B,PETER R,ANTHONY P,et al.Method of cutting and testing a pipeline cut under water or under a seabed:US8912806B2 [P].2014-11-16.

[6] JURISEVIC B,BRISSAUD D,JUNKAR M.Monitoring of abrasive water jet (AWJ) cutting using sound detection[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2004,24(9):733-737.

[7] 趙妍,李志民,李天云.一種基于譜峭度的異步電機故障診斷方法[J].電工技術學報,2014,29(5):191-192.

[8] 慶光蔚，岳林; 馮月貴，等.聲發(fā)射信號特征分析中的小波變換應用方法[J].無損檢測,2012,34(11):48-65.

[9] 周靜.基于DSP的金屬裂紋聲發(fā)射信號特征參數(shù)提取[D].南寧：廣西大學,2011,30(2):10-16.

[10]石林鎖，沈金偉，張亞洲，等.基于模型和譜峭度法的滾動軸承故障診斷[J].振動與沖擊,2011,30(12):258-259.

[11]王瑞和,曹硯鋒,周衛(wèi)東，等.磨料射流切割井下套管的模擬實驗研究[J].石油大學學報(自然科學版),2001,25(6):35-38.

Integrity Monitoring Method for Cutting Abandoned Casing Pipe at Sea

JIA Huiqin，DANG Bo

(Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

To remove residues of the mud line,after completing the well exploration mission,it is necessary to cut the abandoned casing pipes 4-meter below mud line and recover them to the ground.Currently,the high pressure abrasive jet cutting system is the commonly used cutting tool for abandoned casing pipe at sea,but still lacks of mature tool for monitoring the cutting integrity,which leads to waste cutting time and increase the cutting costs,and the lifting time of the abandoned casing pipe cannot be determined.A non-contact acoustic emission method and the spectral kurtosis method are proposed to detect casing pipe cutting signal,and to determine the cutting integrity.In the judging process of spectral kurtosis method,by tracking the fast speed spectral kurtosis diagram of the cutting signals in the whole frequency band,the parameters of the bandpass filter at maximum kurtosis are determined; and the ZOOM FFT operation is made for the cutting signals filtered,thus whether casing pipe is completely cut or not in a certain angle can be judged.The indoor and outdoor experiments at a certain oilfield indicate that this method can realize the judgement of the cutting status of abandoned casing within the range of 360° in real time,and improve the efficiency of abrasive jet cutting and reduce the costs.The proposed method can also be applied in vibration signal detection and fault diagnosis in related field.

Offshore platform; Oil exploration well; Casing pipe; Acoustic emission; Contactless; Integrity; Monitoring; Fast spectral kurtogram

陜西省工業(yè)科技攻關項目(2016GY-177)

賈惠芹(1972—)，女，博士，教授，主要從事石油檢測儀器的研究。E-mail:jiahq@xsyu.edu.cn。

TH82;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706019

修改稿收到日期:2017-02-06