基于磁記憶的套管射孔應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)

喻國輝

(中國石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100192)

隨著油氣開發(fā)進(jìn)入中后期，套管損傷問題逐漸突出。套管損傷主要發(fā)生在射孔層段，這是因?yàn)樘坠茉诳籽鄹浇纬蓱?yīng)力集中，降低了剩余強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)損傷比例超過70%[1,2]。同時(shí)，油井注水壓力、地層錯(cuò)動(dòng)、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)擠壓等外部載荷的影響，會(huì)增大射孔應(yīng)力集中程度，加劇射孔套管受到的損壞[3,4],因此，研究井下套管射孔應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)、計(jì)算射孔套管剩余強(qiáng)度能夠?yàn)榫餐暾栽u(píng)價(jià)和油氣安全生產(chǎn)提供重要支撐[5,6]。

目前，國內(nèi)外常用的井下套管損傷檢測(cè)技術(shù)有井徑儀、電磁探傷、井下電視測(cè)井等[7,8],這些檢測(cè)手段只能發(fā)現(xiàn)套管已有的結(jié)構(gòu)損傷，而不能獲取套管射孔的應(yīng)力狀態(tài)、提前預(yù)測(cè)套管損傷。金屬磁記憶技術(shù)通過鐵磁材料漏磁場(chǎng)信息對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，該技術(shù)具有對(duì)應(yīng)力集中敏感的特性，能夠?qū)Υ判越饘俨考踩阅苓M(jìn)行早期診斷[9,10]。同時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果不受試樣表面污垢影響，適合復(fù)雜井下環(huán)境。為此，將該技術(shù)應(yīng)用于油氣田工程測(cè)井領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)在役井套管射孔周圍應(yīng)力集中狀態(tài)檢測(cè)、井筒安全等級(jí)評(píng)價(jià)的目的，對(duì)提高油氣作業(yè)安全保障技術(shù)水平具有重要意義。

1 套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)檢測(cè)方案

圖1 套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)檢測(cè)方案

圖1為井下套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)檢測(cè)方案流程圖。磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，其原理是在地磁環(huán)境中的鐵磁性材料受外加載荷的作用發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)，其內(nèi)部的磁疇組織會(huì)發(fā)生不可逆的重新排列，并在應(yīng)力和變形集中區(qū)形成最大漏磁場(chǎng)變化[11]。為了檢測(cè)套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)，首先要建立射孔應(yīng)力集中狀態(tài)與漏磁場(chǎng)之間的關(guān)系。筆者通過有限元模擬計(jì)算外力作用下套管射孔附近應(yīng)力分布，并在室內(nèi)對(duì)含有射孔缺陷的套管進(jìn)行同等載荷加載試驗(yàn)，檢測(cè)射孔附近磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)射孔應(yīng)力集中狀態(tài)與漏磁場(chǎng)之間的關(guān)系的建立。在此基礎(chǔ)之上，開發(fā)出井下套管射孔狀態(tài)測(cè)井儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下套管射孔損傷的量化識(shí)別。

2 射孔應(yīng)力集中狀態(tài)與漏磁場(chǎng)關(guān)系的建立

2.1 射孔應(yīng)力集中狀態(tài)模擬

為了模擬地層錯(cuò)斷對(duì)套管射孔應(yīng)力集中程度的影響，筆者建立了射孔套管徑向加載三維FE分析模型。在套管壁面開一圓孔以模擬射孔。在垂直于圓孔軸線的方向，沿套管徑向方向通過平面壓頭對(duì)套管施加擠壓外力，計(jì)算不同外力作用下射孔周圍應(yīng)力分布。根據(jù)對(duì)稱性，模型為1/4模型，可減少計(jì)算時(shí)間。模型中套管規(guī)格為?177.8mm×9.19mm，套管材料參數(shù)如表1所示。

表 1 套管材料參數(shù)

為了消除邊界效應(yīng)，根據(jù)圣維南準(zhǔn)則，模型長(zhǎng)度設(shè)定為1000mm。假設(shè)套管的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為理想彈塑性模型，選取Solid45作為單元類型，根據(jù)下一步實(shí)際加載特性，壓頭與套管表面選擇面-面接觸，摩擦系數(shù)為0.12，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2(a)所示[12]。利用壓頭對(duì)套管徑向加載，計(jì)算Von Mises 等效應(yīng)力，如圖2(b)所示。

圖2 射孔套管加載模擬FE模型網(wǎng)格

圖3 Von Mises 等效應(yīng)力隨外力變化

圖3是3種不同直徑的射孔在外力由5kN變化到30kN過程中射孔周圍最大Von Mises等效應(yīng)力的變化。從圖3可以看出，每種直徑射孔周圍最大應(yīng)力均隨著外力的增加而線性增加。其中，同等外力條件下，射孔直徑越小，射孔周圍最大應(yīng)力越大。

2.2 套管射孔應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)方案

建立與2.1節(jié)中FE分析模型同等條件的射孔套管加載及應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)利用豎直方向液壓缸對(duì)水平放置的套管施加徑向方向外力，套管加載序列如表2所示。在加載狀態(tài)下，通過可水平平移的磁記憶傳感器掃描射孔位置附近套管壁表面的漏磁場(chǎng)。

圖4 射孔套管加載及應(yīng)力狀態(tài)檢測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)

表2 套管加載序列

圖5 梯度峰寬值和峰值的選取

2.2.2檢測(cè)信號(hào)特征提取

鐵磁性材料表面漏磁場(chǎng)在缺陷、損傷和應(yīng)力集中區(qū)域存在切向分量Hp(x)具有最大值、法向分量Hp(y)過零點(diǎn)的特征[13,14]。根據(jù)這些規(guī)律，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射孔內(nèi)表面磁記憶信號(hào)的梯度峰寬值和峰值是其重要的特征參數(shù)。磁記憶信號(hào)梯度k的計(jì)算公式為：

(1)

式中:xi為第i個(gè)磁記憶信號(hào)幅值,V；li為第i個(gè)采樣點(diǎn)距離,m。

梯度峰寬值L和峰值H分別是檢測(cè)信號(hào)的梯度值K在某一異常信號(hào)區(qū)域內(nèi)相鄰峰值間和波峰波谷間的距離，如圖5所示，其表達(dá)式如下：

L=|lmax(K)-lmin(K)|

H=Kmax-Kmin

(2)

式中:lmax(K)為最大峰值處的測(cè)量距離值，m;lmin(K)為最小峰值處的測(cè)量距離值,m;Kmax、Kmin分別為某一異常信號(hào)區(qū)域內(nèi)波峰、波谷的梯度，V/mm。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算試驗(yàn)獲取的射孔磁記憶信號(hào)梯度，并提取不同外力作用下射孔磁記憶信號(hào)梯度峰寬值和峰峰值如圖6所示。從圖6中可以看出，不同孔徑射孔的磁記憶信號(hào)梯度峰峰值隨著加載在套管外壁載荷的增加而增加；梯度峰寬值隨著外載荷的增加變化微弱，但是梯度峰寬值隨射孔孔徑的增加而增加。這些現(xiàn)象說明套管射孔磁記憶信號(hào)梯度峰寬值對(duì)孔徑敏感，而梯度峰峰值對(duì)射孔應(yīng)力狀態(tài)敏感。為了深入研究套管射孔磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度峰峰值對(duì)射孔應(yīng)力狀態(tài)的影響，需要結(jié)合2.1節(jié)中不同外力作用下套管射孔應(yīng)力集中FE模擬結(jié)果，建立漏磁場(chǎng)與射孔應(yīng)力集中狀態(tài)的關(guān)系。

圖6 不同孔徑射孔的磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度及其外力關(guān)系

2.3 關(guān)系的建立

圖7 射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值與應(yīng)力集中關(guān)系

聯(lián)合2.1節(jié)中套管射孔應(yīng)力集中FE模擬結(jié)果和2.2節(jié)中套管射孔應(yīng)力狀態(tài)磁記憶檢測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果建立射孔磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度峰峰值隨射孔應(yīng)力集中程度的關(guān)系，如圖7所示。可以看出，射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值隨應(yīng)力集中程度的增加而增加，近似呈線性關(guān)系；當(dāng)應(yīng)力集中程度較小的時(shí)候，直徑大的射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值較大；當(dāng)應(yīng)力集中程度較大的時(shí)候，出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。這是因?yàn)閼?yīng)力集中較小時(shí)，磁記憶信號(hào)主要受孔徑影響，當(dāng)應(yīng)力集中較大時(shí)，磁記憶信號(hào)主要受應(yīng)力集中影響[15]。

3 測(cè)井儀器的研制

根據(jù)射孔應(yīng)力集中程度磁記憶檢測(cè)原理開發(fā)出井下套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)檢測(cè)裝置。圖8為井下檢測(cè)儀器結(jié)構(gòu)示意圖，包括電纜頭、傳輸短節(jié)、數(shù)據(jù)采集處理部分、磁記憶傳感器、下接短節(jié)等5個(gè)部分。井下檢測(cè)儀器通過測(cè)井電纜連接到地面，測(cè)井信號(hào)經(jīng)過傳輸短節(jié)預(yù)處理增強(qiáng)后通過電纜傳至地面儀器進(jìn)行濾波、放大、特征值提取。

圖8 井下儀器結(jié)構(gòu)示意圖

4 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理方法

4.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.1.1深度校正

通常原始的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤或者磁帶上。首先讀取多通道測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)矩陣X：

(3)

圖9 前磁與磁記憶測(cè)井接箍信號(hào)

式中:第1列為深度數(shù)據(jù)；其余J列代表J通道測(cè)井曲線；I行代表每條測(cè)井曲線上I個(gè)采樣點(diǎn)。

轉(zhuǎn)換成矩陣形式的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)便于計(jì)算機(jī)的后期處理，提高數(shù)據(jù)處理效率。矩陣形式測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)需要對(duì)測(cè)井深度進(jìn)行校正，采用磁記憶測(cè)井接箍信號(hào)深度hm與前磁接箍信號(hào)深度Hp對(duì)比的校正方法(見圖9)。完井過程中下入井中的套管具有確定的狀態(tài)(套管大小、長(zhǎng)度、順序)，套管接箍在一定時(shí)間內(nèi)相對(duì)地層的深度是確定的。由于金屬磁記憶測(cè)井與前磁測(cè)井在測(cè)井過程中所檢測(cè)的信號(hào)均為套管接箍的磁信號(hào)，故兩者測(cè)得接箍所在深度的磁場(chǎng)信號(hào)應(yīng)具有一致性，這樣就可以以磁信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)，校核磁記憶測(cè)井信號(hào)深度[16]。

4.1.2數(shù)據(jù)平滑

原始數(shù)據(jù)內(nèi)混有很多噪聲信號(hào)，而噪聲信號(hào)會(huì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量、不利于提取磁記憶信號(hào)的特征參數(shù)，因此需要提前對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行平滑處理。

磁記憶信號(hào)所含噪聲為白噪聲，常見的磁記憶信號(hào)預(yù)處理濾波方法有滑動(dòng)中值平滑器濾波、算數(shù)平均濾波和加權(quán)平均濾波?；瑒?dòng)中值平滑器濾波能夠有效剔除外來尖脈沖信號(hào)的影響；算數(shù)平均濾波是最簡(jiǎn)單而有效的濾波方法；而加權(quán)平均濾波是在算數(shù)平均濾波的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，需要考慮歷史數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻數(shù)據(jù)的影響。筆者利用算數(shù)平均法對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行降噪處理。某通道第m個(gè)采樣點(diǎn)磁記憶信號(hào)梯度的計(jì)算公式為：

(4)

式中:n為信號(hào)的降噪窗口寬度。

在選取降噪窗口寬度N時(shí)，應(yīng)注意避開信號(hào)的周期，以防將信號(hào)中有用的特征參數(shù)消去。

4.2 磁記憶信號(hào)特征提取

由于井下儀器由18支傳感器組成，不同的傳感器因差異采集的套管射孔數(shù)據(jù)產(chǎn)生相對(duì)偏差。這一差異可以通過不同通道的射孔數(shù)據(jù)歸一化而去掉。歸一化處理利用某通道磁記憶信號(hào)梯度峰峰值的均方根作為歸一化因子。設(shè)初始磁記憶信號(hào)梯度峰峰值數(shù)據(jù)集合為{x1,x2,x3,…,xn},對(duì)xi作變換：

(5)

(6)

歸一化的梯度峰峰值是表征射孔尺度的重要參數(shù)。為了驗(yàn)證儀器檢測(cè)功能，開展現(xiàn)場(chǎng)壓裂前后套管射孔應(yīng)力集中變化檢測(cè)。

5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

針對(duì)大慶油田某井段套管射孔應(yīng)力集中程度在壓裂前后的變化,在該井水力壓裂前后分別進(jìn)行2次磁記憶檢測(cè)并對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該井1195.6～1196.2m井段的套管射孔磁記憶信號(hào)梯度瀑布圖，如圖10所示。該射孔井段完井射孔如表3所示。

圖10 壓裂前后射孔磁記憶信號(hào)梯度瀑布圖

表3 測(cè)井井段套管射孔信息

表4 壓裂前后套管射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值變化

對(duì)比磁記憶測(cè)井信號(hào)梯度圖和該井段射孔完井信息可以看出，圖10中磁記憶信號(hào)梯度出現(xiàn)波峰-波谷處為射孔位置。通過判斷射孔分布的規(guī)律可以區(qū)分其在2次測(cè)井中對(duì)應(yīng)的磁記憶傳感器信號(hào)，計(jì)算出的2次重復(fù)測(cè)井射孔磁記憶信號(hào)特征值——梯度峰峰值歸一化后結(jié)果見表4。從表4可以看出，水壓后套管射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值相比較壓裂前整體增加，增長(zhǎng)最大值為3.00V/mm(最大增長(zhǎng)率為127.12%)，說明水力壓裂增加了套管射孔應(yīng)力集中程度。根據(jù)2.3節(jié)中的建立的射孔應(yīng)力集中狀態(tài)與磁記憶信號(hào)梯度峰峰值關(guān)系，計(jì)算出該射孔應(yīng)力集中程度變?cè)鲩L(zhǎng)值為172MPa。

6 結(jié)論

1)結(jié)合套管射孔應(yīng)力集中FE模擬和室內(nèi)套管射孔應(yīng)力集中磁記憶檢測(cè)試驗(yàn)，得出套管射孔磁記憶信號(hào)梯度峰峰值隨射孔應(yīng)力集中程度增加而增加的關(guān)系，初步論證了基于磁記憶檢測(cè)井下套管射孔應(yīng)力集中狀態(tài)的可行性。

2)建立了多通道磁記憶測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理方法，提出利用套管射孔磁記憶檢測(cè)信號(hào)梯度峰峰值歸一化作為射孔應(yīng)力集中狀態(tài)評(píng)價(jià)特征值。在此基礎(chǔ)之上研制出井下套管射孔狀態(tài)測(cè)井儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下套管射孔損傷的量化識(shí)別。

3)現(xiàn)場(chǎng)壓裂前后射孔應(yīng)力集中程度測(cè)井試驗(yàn)驗(yàn)證了開發(fā)的井下套管射孔狀態(tài)測(cè)井儀能夠檢測(cè)出射孔應(yīng)力狀態(tài)變化，具有良好的應(yīng)用前景。