利用聲發射原理進行套管損壞實時監測
發布日期：2017-01-05 16:40 瀏覽次數：次
0 引言
油田開發中后期，套管損壞問題非常突出，成為制約油氣生產的重要瓶頸口]。關于套管損壞的檢測與預測技術已經進行了大量卓有成效的研究口。8]，其成果已經廣泛應用于油田生產。然而套損檢測與預測技術均有其先天缺陷：套損檢測往往在套管損壞后才進行，是一種被動行為；套損預測則相反，是基于歷史數據等綜合因素進行的事先判斷，其精度難以保證。由于套損造成的損失十分巨大，因此更迫切需要實時動態掌握套管的變形情況，變被動為主動，及早采取措施，盡可能延長套管的壽命。但目前套損的實時監測技術在國內外均為空白�；诖�，筆者提出了利用聲發射原理對套管損壞狀態進行實時監測的新思路。
聲發射技術是一種高靈敏度的動態無損檢測診斷技術，它能夠長期、連續監測構件活動性和安全性[9’1⋯。由于可以在線監測而無需停產，大大減少了停產造成的損失，因此得到了廣泛的應用。聲發射技術同樣可用來實時監測套管狀態。而且，石油生產所用套管具有以下優點：
①結構穩定性好。在固井后，套管將和水泥環及地層固結為組合體。此時的套管不存在彎陸失穩問題，基本沒有沖擊載荷和振動影響，套管的變形也相對比較單純，主要為擠毀、錯斷等形式。
②噪聲影響小。由于深埋地下，除了抽油機等生產工具有規律的噪聲外，基本沒有其他雜波的影響，這就為噪聲的剔除和有效信號的提取提供了可能。與應用聲發射技術來診斷滾動軸承、發動機磨損等旋轉機械故障相比，石油套管所受的噪聲影響是非常弱的。
③金屬的聲發射信號比較穩定。石油生產所用套管均采用優質高強度鋼加工而成，同鋼級、同尺寸、同壁厚套管的性能及其聲發射信號的可靠性、重復性應該比一般金屬管材要好的多。這些都為聲發射技術的應用創造了有利條件。
本文在利用模擬套管完成了套管損壞實時監測先導性實驗的基礎上，建立并完善了用于實際套管變形過程監測研究的整套實驗裝置。利用實際套管進行了損壞變形全過程聲發射實時監測實驗，證實了套管變形過程中的聲發射信號與其相應的變形／應變信號之間有明確的對應關系，發現了聲發射信號的階段性規律，從而為利用聲發射原理進行套管損壞實時監測研究奠定了理論基礎。
1 模擬套管損壞聲發射實時監測先導性實驗
將聲發射技術用于套管損壞實時監測研究在國內外尚屬首次。初期的考慮難免有不周之處，許多技術難點和關鍵問題也必須通過實驗來發現、解決和完善。因此，首先進行先導性實驗是非常必要的。研究中充分利用和完善了現有條件，并購置了相應的新儀器，完成了實驗裝置的設計與組裝，涉及到載荷施加、聲發射信號采集、套管應變測量等多方面內容。實驗裝置包括：MTS-816材料實驗系統、MTS一286伺服加載系統、YEG一60A液壓式壓力實驗機、LOC—AT聲發射儀、BZ2204多通道動態電阻應變儀、應變測量系統等。模擬套管采用普通25#鋼加工而成。，
實驗中得到了模擬套管的變形量及相應聲發射信號隨時間的變化關系(見圖1)。為對比直觀起見，將套管斷面變形量(橢圓短軸方向變形距離)與聲發射累積能量繪于同一圖中�？梢钥闯�，套管變形過程與其聲發射信號有著一定的對應關系，二者的變化趨勢基本一致。聲發射信號的突變點比較明顯，而變形量曲線的反映主要是斜率的變化。這主要是因為聲發射信號比套管變形信號敏感性更強所致。這一點也恰恰突出了聲發射技術的優點：構件的微小變形能及時直觀地顯現出來。
由于模擬套管與實際套管的幾何形狀、受載條件、變形過程基本相同，因此，其聲發射信號的規律也有一定的相似性。但是，由于模擬套管存在明顯焊縫，加上其材料性能(普通25#鋼)與采用優質高強度鋼的石油專用套管存在較大差異，因此，模擬套管也只能是在一定程度上近似反映實際套管的規律。有必要在采用模擬套管完成先導性實驗、完善實驗方案后，采用實際生產用套管迸一步深入研究。
圖1 模擬套管變形及其聲發射信號隨時間變化圖
2 實際套管損壞聲發射實時監測實驗
實際套管的強度很大，必須有足夠的外載才能將其擠壓變形。因此采用600kN的液壓式壓力機作為載荷源。圖2為實驗裝置圖。為了使實驗結果具有代表性，選擇管徑為244．5mm(9導in)、177．8mm(7in)和127mm(5in)的3種常用套管作為實驗對象。限于篇幅，這里僅以管徑為244．5mm的套管為例對實驗結果進行分析。
圖2 聲發射法監測套管損壞實驗裝置圖
圖3為244．5mm套管變形損壞過程中聲發射累積計數、累積能量隨時間的變化關系。由圖可見，聲發射信號在套管變形過程中的階段性非常明顯，圖中曲線的斜率在對應的突變點處發生明顯變化(箭頭所指處)。與上述模擬套管的實驗曲線對比可以發現，實際套管變形過程中聲發射信號的階段性規律更加明顯。原因可能在于模擬套管加工中的缺陷較多，因而其聲發射信號的變化有一定的隨機性。而實際石油用生產套管采用優質鋼材經過嚴格的生產工藝加工而成，材料的穩定性更好，相應的聲發射信號的規律性更強。
圖3 聲發射信號隨時間變化的關系曲線
套管變形是一個緩慢的連續變化的過程。因此，肉眼無法識別套管變形過程中的微小突變，需要采用自動連續測量系統才能達到目的。為準確測得套管的變形情況，設置4個測點同步測量，監測裝置見圖2。實驗中得到的套管隨時間的變形結果見圖4。
圖4 套管變形隨時間變化的關系曲線
圖4a、4b反映的變形過程十分吻合。套管端面水平位置處在變形過程中始終處于壓縮狀態，故其應變始終為負。在套管變形初期，原生的微裂隙閉合，變形速率相對較快。而在套管變形中期，原生裂紋已經閉合，產生的新裂紋較少，因此變形曲線比較平緩，變形速率相對較低。由于石油生產用套管的材料質量好，原生裂紋較之模擬套管要少得多，因此前兩個階段的突變點并不十分明顯。在套管變形后期，由于大量裂紋的產生，套管已發生明顯變形，曲線斜率較大，變形速率很快，套管進入加速變形階段。
圖4c反映了套管斷面45。位置處的應變情況。在套管變形初期，測點處受壓。到了變形后期，套管已由圓形變成了橢圓形，此時測點處由受壓變成了受拉，因此在變形曲線上出現了應變由增大變為減小的情況。利用有限元軟件模擬套管變形過程也證明了這一點，這也從側面反映了測量結果是真實可靠的。
同樣，在60。位置測點處(見圖4d)，套管的應變也呈現出了拉壓交變的狀態。在套管變形初期和后期，該測點均為拉伸變形。而在套管變形中期，該測點變形很小，處于拉壓臨界狀態。
由圖4可見，套管的變形表現出較明顯的階段性。盡管與聲發射信號相比，曲線的突變點并不十分明顯。但是通過曲線斜率的變化，仍可以比較清晰的反映出套管變形的階段性，這一點說明了利用聲發射技術監測套管變形的優勢，即聲發射信號比變形信號更為敏感，套管的微小變化可由其聲發射信號的變化準確地反映出來。究其原因，就在于聲發射信號的產生實際上源于套管本體材料在外力作用下產生的微裂紋。當產生的微裂紋很少時，套管外觀并未產生變形。當外載繼續加大，微裂紋數量越來越多時，相應的套管外形才產生可測量到的變形信號。由于套管壁較厚，且材料的強度很高，因此一般不會產生脆裂性的破壞，而是一個逐漸變化的過程，變化的快慢體現在變形曲線的斜率即變形速率上。
為對比直觀，將244．5ram套管的變形信號與其聲發射信號隨時間的變化結果繪于同一圖中，如圖5所示。顯然，套管的變形與其相應的聲發射信號有著明確的對應關系，二者的曲線形態，突變點位置等均吻合較好。綜合分析套管的變形與聲發射信號特征，認為套管擠壓變形過程中的聲發射信號大致可以分為3個階段，即初始變形期，穩態變形期和加速變形期。在初始變形期，聲發射信號頻繁，但強度不大，主要為原生裂紋閉合所致；在穩態變形期，聲發射信號較弱，累積能量曲線比較平緩，說明原生裂紋已經閉合，新的裂紋產生較少，套管變形穩定增加；在加速變形期，聲發射信號頻繁，且強度很大，說明有大量新的裂紋產生，套管迅速損壞。套管變形聲發射信號的階段性為套管損壞過程的實時監測提供了有利條件。
圖5 244．5mm套管的變形與其聲發射信號之間的關系圖
3 討論
套管變形及其聲發射信號的階段性以及聲發射時域參數曲線上的突變點或曲線斜率變化比較明顯，這些都為根據套管的聲發射信號來判斷其變形程度創造了有利條件。盡管套管損壞聲發射實時監測得出了令人鼓舞的結論，但仍有大量的研究有待進行，才能真正將聲發射技術應用于生產實際。比如：①水泥環的影響。本次實驗中沒有考慮水泥環，而現場實際發生套管損壞的位置很多都位于已固井段。水泥環的破壞會對套管聲發射信號分析產生影響，開展具有水泥環條件下的相關研究是非常必要的。②載荷類型的影響。石油生產套管所承受的外擠載荷比較復雜，包括均勻載荷、非均勻載荷、點載荷等多種情形。本文考慮的單向載荷只是其中一種，應加強多種載荷形式下套管損壞的研究工作。③噪聲信號剔除。室內條件可以人為控制，基本可排除噪聲的影響。而作業現場情況復雜，噪聲源多，因此需要根據套管聲發射信號的頻域特征參數加以區分[I⋯。④信號傳輸問題。生產套管深埋地下，因此聲發射信號的傳輸與采集是一項關鍵技術。從目前的情況看，聲發射信號的傳輸可能是該項技術發展的另一大難點。由于套管具有結構穩定性好、變形形式單純、材料性質穩定、地下噪聲信號弱等優點，相信隨著科學技術的進一步發展，套管聲發射信號傳輸問題可以得到解決，聲發射技術最終將能夠為石油生產用套管損壞的實時監測所采用。
總之，利用聲發射原理進行套管損壞實時監測是一項有著巨大市場前景和應用價值的研究，其難度也比較大，許多技術難點有待解決。在通過室內實驗確定套管變形量與其聲發射信號間的對應定量關系模型、打下初步理論基礎后，應進一步加強研究，逐步解決相關技術難點。
4結論
研究表明，套管變形過程中的聲發射信號與其相應的變形／應變信號之間有明確的對應關系。套管擠，壓變形過程中的聲發射信號的變化大致可以分為3個階段：初始變形期、穩態變形期和加速變形期。在初始變形期，聲發射信號頻繁，但強度不大，主要為原生裂紋閉合所致；在穩態變形期，聲發射信號較弱，原生裂紋已經閉合，新的裂紋產生很少，套管變形穩定增加；在加速變形期，聲發射信號頻繁，且強度很大，說明有大量新的裂紋產生，套管迅速損壞。
為了使聲發射技術早日在石油生產用套管損壞實時監測中投入應用，必須進一步加強水泥環條件、載荷類型對套管損壞聲發射信號的影響以及噪聲剔除、信號傳輸等方面的研究。
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第一作者簡介：李軍(1971-)，男，河北海興人，博士，中國石油大學<北京)石油天然氣工程學院講師，從事石油工程巖石力學研究。地址：北京市昌平區，中國石油大學(北京)石油天然氣工程學院。
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管道泄漏的聲發射檢測
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