连续油管的无损探伤方法优选与集成

王哲 张健 周兆明

(中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300)

0 引言

连续油管自20世纪70年代引入我国后，在油气井应用领域的工艺不断拓展，目前包括钻井、洗井、氮气气举、钻磨桥塞、压裂、下速度管柱、射孔等30多种工艺，被称为油田“万能作业机”[1]。

近年来，随着我国川渝页岩气大力开发，连续油管用于深井、超深井和复杂井的作业逐年增多，但是愈加复杂的井下环境(高温高压、腐蚀性气体、铝合金套管)，造成连续油管出现磨损、腐蚀坑、机械损伤、疲劳裂纹等缺陷的几率也成倍增长，随之增加了连续油管作业风险。为了保证复杂环境下连续油管作业安全有效运行，国内外通常使用无损检测方法对连续油管进行在线检测，提前检出缺陷并开展相应处理，阻止缺陷进一步扩展，但是受国内连续油管在线检测业务起步慢、引进设备成本高和国外关键技术封锁的制约，我国连续油管在线检测技术和方法仍然存在检测数据单一和缺陷信号识别困难等问题。因此，亟需根据连续油管设备特性和复杂的作业环境，优选与集成适合的无损检测方法及装置，以满足油田作业的需求。

1 无损检测方法对比

无损检测主要是不破坏被检测对象性能和结构的条件下，进行相关的检测工作，无损检测在连续油管检测领域的应用，主要是通过电磁技术、声技术、光技术等新型技术，对连续油管外壁、内壁、焊缝的缺陷和椭圆度等参数进行检测，通过检测结果来判断连续油管是否能够继续使用。目前常用于连续油管的无损检测方法包括超声波检测、漏磁检测、涡流检测以及金属磁记忆方法检测。

超声波检测是利用频率为0.5～5MHz 机械波，在材料中以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面(如缺陷或被测物件的底面等)就会发生反射。遇到缺陷后，部分信号能够沿原途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大而显示在示波管的荧光屏上，根据缺陷反射波在荧光屏上的位置和幅度，即可测定缺陷的位置和大致尺寸。超声检测优点为能够检测工件内部宏观缺陷和壁厚且准确性高，缺点是需要耦合剂，且检测时需要清蜡处理。

漏磁检测是利用铁磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，由感应线圈或霍尔元件组成的传感器通过获取缺陷漏磁信号，再通过A/D转换形成相应的电信号，对比标定阈值，最终确定缺陷的有无和大小。

漏磁检测优点为通过加载强磁，缺陷产生的漏磁信号强，容易检测，同时漏磁检测对环境适应性强，不受油管表面锈蚀和油污的影响，适合组成自动检测系统，减少人为因素的干扰，缺点是漏磁检测只能检测缺陷无法检测油管壁厚、椭圆度等参数，并且由于磁场加载方向，对于油管的纵向裂纹不敏感[2-3]。

金属磁记忆检测是利用铁磁材料的磁弹性和磁机械效应，通过表面漏磁场信息检测实现对构件微观缺陷和应力与变形集中区进行辨识，具有良好的可靠性，是一种对金属构件进行早期失效诊断的一种行之有效的方法。金属磁记忆检测优点为对工件的应力集中点比较敏感，能够提前发现工件的易产生缺陷位置，缺点是管件在地层条件下受力复杂，地磁信号弱容易产生干扰信号，缺陷识别困难。涡流检测是利用电磁感应互感的原理，当金属导体在变化着的磁场中或在磁场中运动时，由于电磁感应作用而在金属导体内产生漩涡状流动电流，当电涡流传感器接近金属物件时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频震荡能量，使震荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数[4]。涡流检测的优点为检测速度快、易于实现自动化、距离检测精度高等。缺点是检测参数比较单一，只能实现对壁厚、椭圆度、直径参数的测量，无法对连续油管缺陷开展进一步的检测。

上述4种无损检测方法的技术特点、技术局限性、现场适用性如表1所示。

表1 4种无损检测方法对比

2 无损检测方法优选与集成

通过对比常用于连续油管的4种无损检测方法，可知超声检测方法主要用于内部缺陷检测，对于面积型缺陷检出率较高；金属磁记忆检测方法主要用于金属材料微观缺陷与应力集中，对于工件的高应力点比较敏感；涡流检测方法可以检测出工件壁厚变化，从而计算其壁厚和椭圆度，但对表面和近表面缺陷检测灵敏度较低；漏磁检测方法对表面、近表面和内部缺陷的检测灵敏度较高，在现场也是应用最为广泛的一种检测方法。综上所述，每一种检测方法都有其优缺点，因此，需要结合现场选择合适的检测方法，综合考虑多个影响因素，其中包括：连续油管现场工况、连续油管材质、检测长度、可能出现的缺陷类型、检测参数、检测时机、连续油管表面状况等[5]。

连续油管检测现场工况：连续油管现场作业类型较多，包括钻磨桥塞、氮气气举、射孔、压裂等多种工艺，作业过程中油管内部和表面均存在油污和腐蚀，并且作业过程中井底压力会传输到地面，导致连续油管存在轻微(10mm范围内)振动，影响检测精度，要求检测方法能够随动跟踪，避免信号漂移。

检测参数：连续油管在作业过程中常见的缺陷类型包括机械划伤、腐蚀、疲劳、壁厚减薄、偏磨等，要求无损检测参数主要包括裂纹、腐蚀坑、划痕、直径、椭圆度等参数的检测，能够更加全面评估连续油管剩余使用寿命。

检测长度：目前川渝地区作业井深在4500～6500m范围内，常用的连续油管长度也在5000m左右，在线检测长度较长，要求无损检测设备能够实现自动化检测。

检测时机：为了保障连续油管现场作业安全，常用的检测手段为在线检测，要求检测设备实现在线检测，检测信息也能够通过信号云图实时显示反馈给现场人员，根据检测数据及疲劳模型的剩余寿命分析，判断连续油管可使用情况。

通过综合对比4种无损检测方法的优缺点和连续油管现场检测时复杂工况及检测参数需求，优选出易于实现自动化检测、检测效果好、检出参数全面、数据实时传输和显示的无损检测方法为漏磁和涡流检测集成，漏磁检测主要功能是检测连续油管表面、近表面和焊缝的缺陷，涡流检测主要功能是检测连续油管金属表面损失，从而计算其壁厚和椭圆度。通过这两种检测方法的集成，能够实现连续油管多参数的精准测量，保证连续油管剩余使用寿命预测的准确性，保障现场连续油管作业的安全。

3 结语

每种无损检测方法均有其自身的优点与局限，不能适用于所有工件和缺陷。因此，在确定连续油管无损检测方案时，不仅需要综合考虑检测方法的环境适应性、缺陷检出率、缺陷类型、检测参数等，而且在保证充分安全可靠的情况下，兼顾设备的经济性，优选和集成自动化程度高、检测参数全面、工程适用性较高的检测方法。