油管內窺鏡檢測方法研究

嚴正國，胡 朋，湯 英，李 磊

（西安石油大學，陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

目前中國在油氣田開采開發的生產過程中，存在著兩大方面的主要問題：一是隨著全世界油氣資源的長期開采與利用，大規模的油氣田逐漸陷于枯竭的狀態，探索新的油氣資源難度越來越大。二是油氣田隨著開采時間的增加，油管長期在含油、氣、水、聚合物等的復雜環境中工作，并承受液柱壓力、摩擦力、交變載荷，導致其聯接絲扣漏失、磨損、腐蝕、結垢，這些問題普遍存在并一直困擾著油田的生產。而油管的檢測與修復成為重中之重的問題，針對這一問題，提出了油管檢測的方法。由于傳統的人工檢測手段無法全面對油管內壁進行檢測，更無法對油管內壁存在的問題進行一個準確的判斷，給油管的修復工作帶來了難度，成本和風險也隨之變高。而油管內窺鏡檢測系統的研制旨在替代人工檢測手段，對油管內壁可以實現全面檢測，從而解決人工檢測不全面的問題。另一方面，通過對油管內壁的檢測，觀看檢測視頻，對油管內壁有一個直觀認識，從而進一步對油管內壁存在的問題進行定性的分析，為油管的修復提供可靠的依據，提高油管的修復質量，保證油井的作業質量，延長檢泵周期，減少作業返工，降低作業費用。

1 油管檢測方法

1.1 電磁探傷

瞬變電磁法套損檢測是以瞬變電磁法為原理。瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM），是近年來比較成熟的一種電法勘探方法。瞬變電磁法的檢測原理可概括為發射、電磁感應和接收這三個部分。

瞬變電磁檢測裝置中檢測的探頭有橫向和縱向2種探頭，每個探頭的收發線圈一體，線圈是由線徑不同的漆包線繞制而成的。通過給繞制在軟磁鐵芯上的發射線圈施加雙極性／斜階躍信號，在激勵關斷的間歇，接收線圈接收地層中呈指數衰減規律的二次渦流場，二次場主要來源于金屬管柱、良導電礦體內的感應電流，其衰減的快慢與地層介質的電性參數、方位、構造有關。由于探測裝置的發射和接收系統位于儀器內部，下放到套管中，而套管又是良導、磁體，所以在通過套管時若存在損傷或者地層中存在有導電異常體則接收的感應電動勢信號會有急劇的變化，一般電導率高則產生的渦流強度大二次場強，通過對所接收的電動勢信號進行分析和處理，提取與探測管柱相關的特征信息，來反演多層管柱的損傷類型和損傷定位，對套管的質量進行檢測，能夠準確多套管本體結構的老化及腐蝕等情況進行分析，此外，瞬變電磁法探測技術利用的是渦流擴散的時間域特性，二次場中包含了豐富的地層信息，早期時間對應的是淺層距離和高頻信號，隨著感應渦流的擴散，到了晚期二次場衰減則變緩，這時信號主要為低頻分量，反映的則是較遠處的地層信息，所以可根據時間擴散的早中晚不同時期來檢測不同層位的管柱結構，為石油生產井多層管柱損傷檢測提供實際依據。

1.2 超聲波探傷

許多不同種類的超聲成像，根據顯示回波的方式和檢測到的空間不同，可分為超聲A掃描法、超聲B掃描法、超聲C掃描方法，三維成像方法和其他成像方法。本文利用脈沖反射法原理，旋轉超聲換能器向井壁發射一定速度的超聲波波束，由于套管的厚度不同，所以接收到的反射波時間間隔和振幅值不同，基于反射波時間間隔不同和振幅值的大小，就可以判斷套管的厚度和實際受損狀。通過設計的硬件和軟件，對檢測到的發射波時間和振幅進行數據處理，最終得到套管壁的高分辨率成像圖。

1.3 多臂井徑成像技術

多臂井徑成像測井系統由機電扶正臂、機電測量臂和測臂信號處理、數據編碼傳送和地面解碼成像5大部分組成。儀器由機械和電路兩大部分組成。基本工作原理是：由電機拖動測量臂、扶正臂的打開與收攏，儀器的測量臂由彈簧支撐，沿套管內壁運動，測量臂隨套管內徑變化而變化，當井壁有變形時，測臂隨井壁的變形而張收，從而帶動測桿的軸向移動；由于彈簧的作用使位移傳感器測桿緊貼測量臂的端面，當測桿軸向移動時，測量臂作同步跟隨運動。由于測桿的軸向移動使得位移傳感器輸出波形的峰值隨之變化，這些變化量經編碼后傳回地面接收設備，由地面設備完成對全部數據的記錄、處理。

井徑儀成果圖具有圖形清晰、直觀、彩色成像等優點。能計算出套管的最大內徑、最小內徑及平均內徑；根據這些曲線數據經過軟件處理，能描繪出套管內結構狀況包絡圖和彩色成像顯示圖以及套管某測點的內徑截面圖。

1.4 總結

以上三種檢測方法具有：檢測靈明度高、可以對檢測目標進行定量分析、對管子的內部可以進行檢測、能同時檢測多層管柱的特點，缺點是成本高，體積龐大、攜帶不方便、不好成像、不能準確描述問題的形狀，而且對操作人員的要求比較高，檢測結果不直觀。但是我們的檢測設備的應用環境是在井場，要求檢測設備一定要滿足輕量化，便攜的要求，而且要操作簡單，根據現場檢測結果，無需專業人員解釋，就能直觀對油管存在的問題進行定性地分析。綜合前面三種儀器設備特點，都不是解決這個問題的最佳方案，為此我們展開油管內窺鏡的研究。

2 油管內窺鏡檢測方法研究

2.1 系統原理組成

油管內窺鏡檢測系統主要由探頭、主控模塊、光電編碼器和控制面板四部分組成，如圖1。

圖1 油管內窺鏡檢測系統框圖

探頭主要對油管內壁的情況進行錄取，將錄取的視頻通過主控模塊進行處理之后在控制面板上進行顯示；光電編碼器主要是對攝像頭進入油管的位置信息進行記錄，為以后判斷油管內壁問題的具體位置提供可靠的依據。

2.2 應用研究

為了驗證該檢測方法的實際應用效果，在長慶油田選取了兩口井，對這兩口井除垢后的油管進行檢測，通過獲取內管壁表面的視頻數據，實現對管壁內表面腐蝕以及磨損的一個初步估計，為判斷油管能否再次下井作業提供可靠的依據，同時驗證了該檢測方法的可行性。如圖2所示，為除垢后的油管和現場照片。

圖2 現場照片

2.3 實驗結果分析

如圖3所示，為檢測結果圖。

圖3 檢測結果圖

圖3a中紅色圓圈位置為油管在長期使用過程中所出現的偏磨問題，根據圖片能夠直觀的發現這個問題。圖3b是在檢測過程中發現結果較為嚴重的油管，通過圖片。圖3c是在檢測未除垢油管的過程中所截取的圖片。對比除垢的油管和未除垢的油管，一方面能檢驗除垢的一個效果，另一方面也能結垢的油管內壁有一個更清晰地認識，為以后判斷油管是否存在結垢打下基礎。圖2d是對新油管的檢測過程中截取的新油管內壁的圖片，通過對新舊油管的一個對比，更容易判斷腐蝕和偏磨問題.

3 總結

通過對油管內窺鏡檢測方法的研究與實驗分析，一方面能科學準確指導油管檢查更換，極大減少了“風險”油管的二次入井，同時降低了材料的浪費；另一方面，此檢測方法代替了原來的人工檢測，大大提高了檢測的效率；其次，此檢測方法檢測結果直觀，無需任何專業人員的解釋，只需通過觀看采集到的視頻和圖像信息，就可以對油管內壁存在的問題進行判斷和分析，為下一步的措施提供可靠的依據。