切割海上废弃套管的完整性监测方法

贾惠芹，党 博

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

切割海上废弃套管的完整性监测方法

贾惠芹，党 博

(西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

在探井任务结束后，必须把海上废弃套管从泥线以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥线上的残留物。高压磨料射流切割系统属于目前较常用的海上废弃套管切割工具，但对该工具切割套管的完整性监测还未有成熟的方法，导致无法确定废弃套管的上提时间，这就造成了切割时间的延长和成本的增加。提出采用非接触式声发射的方法来检测套管切割信号，并采用谱峭度法来判断套管切割的完整性。在谱峭度法判别过程中，通过跟踪全频段中套管切割信号的快速谱峭度图，确定了峭度最大时的带通滤波器参数；对经过滤波的套管切割信号作ZOOM FFT运算，可得出套管在某一个角度是否被完全切透。某油田的室内外试验表明，该方法可实现360°范围内的废弃套管切割状态实时判断，提升了磨料切割的效率，降低了切割成本。所提出的方法适用于相关领域振动信号的检测与故障诊断。

海上平台； 石油探井； 套管； 声发射； 非接触式； 完整性； 监测； 快速谱峭度图

0 引言

根据国际惯例，在探井任务结束后必须把水下井口平台从泥线以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥线上的残留物[1-3]。文献[4]通过声音信号的强弱来判断切割状态，但没有给出具体的实施方法。文献[5]提出一种采用时间域反射技术进行套管切割完整性测试的方法，但未见到具体的现场应用实例。文献[6]提出采用计算单位时间内的切割深度来判别套管切割完整性的方法，但由于液体流速和磨料含量等存在差异，因此很难准确判别出套管是否被完全切断。文献[7]通过比较施加到套管上端的拉力和套管重力的大小来判断套管是否被切断。这种办法在未切断的情况下，无法判断套管圆周中哪一点还没有被切断。本文利用声发射技术来检验和分析套管切割的完整性。

1 基于声发射的套管切割完整性检测原理

声发射技术自20世纪60年代就开始被广泛应用于压力容器、材料试验、航天、航空、建筑、铁路等工程结构的完整性检测。它是一种动态检验方法，探测到的能量主要来源于被测试物体本身。本文将利用声发射方法来检测磨料射流切割套管时的特征参数，并探讨一种从夹杂泥浆、浪花的噪声信号中提取套管切割信号的方法。

快速谱峭度(spectral kurtosis，SK)是波形尖峰度的一个量纲,其定义为能量归一化的4阶谱累计量，常用作度量一个过程在某一频率上的概率密度函数峰值的大小[8-9]。谱峭度通过分析不同频带上的峭度值找出故障[10]。这种方法能够细查整个频域并在强噪声下检测出瞬态信号成分，寻找频率异常点的频带。该方法多用来判断轴承的故障。

通过试验发现，对于具有多层套管的管柱，利用声发射技术可以获取不同层、不同角度的套管在完全切割时发射的应力波变化，应力波的频谱在完全切透和未切透时会发生很大变化，每个频点的峭度值也会发生变化。本文在分析现有技术的基础上，提出一种基于声发射技术和快速谱峭度图的方法来判断套管的切割完整性，旨在提高海上废弃油气套管的处理效率。

基于声发射技术的套管切割完整性检测原理如图1所示。

图1 套管切割完整性检测原理图

从图1可以看出，套管在高压磨料射流的作用下，随着切割过程的进行，不同断面处的材料在断裂的某一时刻会释放出塑性应变能，且以瞬态应力波的形式向外传播扩展，这种应力波就是声发射信号[11]。声发射信号X(t)的数学模型如式(1)所示：

X(t)=A(t)ejθ(t)

(1)

式中：A(t)和θ(t)分别为声发射信号的波形包络幅值调整公式与频率调整函数，具有瞬态随机性、多态性和非线性等特点。

高灵敏度的声发射传感器安装在磨料射流切割工具的外径上，当磨料射流发射到套管上时产生声源。从声源发射的弹性波最终传播到套管的表面，通过涂抹在声发射传感器表面的黄油耦合剂实现了声发射传感器和切割工具表面的耦合。声发射传感器将套管的机械振动转化为电信号A(t)，经过前置放大、信号采集后，再利用谱峭度法提取套管切割信号θ(t)的频域特征，形成套管切割完整性判据。最后编写套管切割完整性判据程序，以自动判断套管是否被完整切割。

2 基于谱峭度法的套管切割信号提取方法

采用wold-cramer对声发射信号进行分解，其频域表达式可表示为：

(2)

式中：H(t,f)为随时间变化的函数，可解释为频率f处过程Y(t)的复包络。

过程Y(t)的四阶谱累计量定义为：

(3)

式中:S(f)为谱瞬时矩。其值为：

S2nY(f)

(4)

式中:S2nY(f)为x(t)的2n阶谱累积量。

于是，谱峭度可定义为：

(5)

套管切割时产生的振动信号往往包含故障信号和强烈的加性噪声，即：

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

(6)

式中:Z(t)为测得的套管切割信号;Y(t)为切割完整性特征信号;N(t)为浪花噪声和电源噪声。故Z(t)的谱峭度可表示为：

(7)

由式(7)可知：当ρ(f)很小时，KZ(f)≈KY(f)；当ρ(f)很大时，即在噪声信号N(t)很强处，KZ(f)趋近于0。所以，局部地把谱峭度应用到不同的频带时，可以细查整个频域，得出翘度最大时带通滤波器的中心频率和带宽参数。

3 套管切割完整性监测方法应用实例

3.1 套管切割完整性监测试验

通过试验来验证套管完全切割时的判断结果是否与实际相符。首先把声发射传感器安装在磨料射流切割工具上，通过一根电缆将其与采集终端连接起来。选择谐振频率为750 kHz的声发射传感器和采样频率为1.25 MHz的数据采集卡，构成数据采集系统。在200 MPa的高压下，切割工具360°旋转带动砂粒切割套管，砂粒撞击管壁，产生机械能。采集终端完成机械能与电能的转换、数字化显示切割位置以及套管的切割状态。

3.2 试验结果分析

基于LabVIEW软件平台开发了基于快速谱峭度图的套管切割状态监测软件，调用MATLAB程序得出的磨料切割套管时信号的快速谱峭度图如图2所示。从图2可以看出，谱峭度最大值为6，此时带通滤波器的中心频率fc=155 kHz，带宽BW=28 kHz。

图2 套管切割信号的快速谱峭度图

利用该带通滤波器对信号进行滤波后，采用ZOOM FFT分段细化，得出频谱图。但是考虑到套管切割信号受浪花、水泥、电源噪声等因素的影响，在下文进行频谱特性分析时，应拓宽分析的频带。套管未切透与切透的全频段信号频谱图如图3所示。

图3 全频段信号频谱图

由图3可知，有用信号的截止频率在0～150 kHz内；套管切透与未切透在频域的差异主要体现在0～125 kHz内。根据上述结论，利用ZOOM FFT对图3中的信号进行局部放大，以分析0～125 kHz范围内的套管切割信号，得到套管未切透与切透的信号频谱图如图4所示。

图4 0～125 kHz信号频谱图

从图4中可看出：不同频段所表现出的特征差异有所不同，其中差异比较明显的频段如下。

①在48～80 kHz范围内，套管切透后的信号幅度远小于切透前的幅度，其最大幅值相差5倍。造成这种差异的原因是：套管被切透后，磨料撞击在水泥上，其介质的硬度远小于套管的金属材料，因而幅度有了明显的降低。

②在80～98 kHz范围内，虽然套管未切透与切透时频谱特性有一定的差异，但区分度较小，因此该频段不作为判断依据。

③在98～108 kHz范围内，套管未切透与切透基本上没有差异。

④在108～125 kHz范围内，如果套管被切透，则信号的频域特性是平坦的，且幅度较低；但如果套管没有被切透，则不仅频域的幅值高，而且出现了112 kHz和119 kHz两个特征频率。

由上述分析可知，套管是否被切透的特征频段为108～125 kHz。在这个频段中，对幅值进行积分运算，运算结果作为套管是否被切透的判据。在每个角度，以上述方法作为套管是否被完全切透的判断依据，在LabVIEW软件界面下实时显示套管360°的切割状态。

4 结束语

本文将声发射技术和快速谱峭度图方法相结合，用于监测磨料射流切割海上废弃套管的完整性。该方法首先通过跟踪全频段中套管切割信号的快速谱峭度图，确定峭度最大时的带通滤波器参数；对经过滤波的套管切割信号作ZOOM FFT运算，可得出套管在某一个角度是否被完全切透。基于该方法研制的套管切割状态完整性检测装置目前已经在某企业的试验基地得到了验证，可实现360°范围内的套管切割状态实时监测。

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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

陕西省工业科技攻关项目(2016GY-177)

贾惠芹(1972—)，女，博士，教授，主要从事石油检测仪器的研究。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