電磁探傷測(cè)井技術(shù)及其進(jìn)展

霍愛清，劉 浩

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

1 電磁探傷測(cè)井技術(shù)原理

在油井測(cè)試結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用電磁探傷測(cè)井技術(shù)，可以有效的解決日常測(cè)試過(guò)程中，油管內(nèi)部厚度測(cè)量、材料腐蝕以及結(jié)構(gòu)變形等相關(guān)問(wèn)題，并且依靠電磁探傷測(cè)井技術(shù)可以指示出井下管道和立柱的整體結(jié)構(gòu)、探測(cè)工具的實(shí)際位置，同時(shí)探測(cè)出套管結(jié)構(gòu)之外的磁性鐵材質(zhì)物質(zhì)。由于油井內(nèi)部特殊的組成結(jié)構(gòu)以及電磁探傷測(cè)井技術(shù)的測(cè)量原理，可以有效的實(shí)現(xiàn)油水井中在開展日常工作過(guò)程中，進(jìn)行井下狀態(tài)的檢測(cè)，并且利用電磁探傷測(cè)井技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)，所開展的相關(guān)作業(yè)費(fèi)用較低，其工作效率較高，并且可以及時(shí)的針對(duì)油井自身管套結(jié)構(gòu)的使用狀態(tài)和損壞情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

1.1 軸向長(zhǎng)距離探頭工作原理

電磁探傷測(cè)井技術(shù)自身的技術(shù)基礎(chǔ)是法力第電磁感應(yīng)相關(guān)定律。在日常設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，發(fā)射圈經(jīng)過(guò)電流全面供應(yīng)后，線圈接收信號(hào)隨著時(shí)間變化而變化［1］。設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的軸向長(zhǎng)距離探頭，其主要工作原理為：當(dāng)軸向長(zhǎng)距離探頭所發(fā)出的線圈，可以通過(guò)短時(shí)間產(chǎn)生的直流脈沖電流時(shí)，會(huì)在線圈周邊環(huán)境中產(chǎn)生較強(qiáng)并且穩(wěn)定的電力磁場(chǎng)。根據(jù)電力導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，所產(chǎn)生電力磁場(chǎng)滲透理論得知，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)油管穿入套管結(jié)構(gòu)中，在油管結(jié)構(gòu)與套管結(jié)構(gòu)中分別會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)模的電流I1和I2，一旦直流脈沖結(jié)束后，次生電力磁場(chǎng)在接收線圈產(chǎn)生的電流中，會(huì)產(chǎn)生一定程度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)油管結(jié)構(gòu)和套管結(jié)構(gòu)自身電力磁場(chǎng)性質(zhì)產(chǎn)生變化時(shí)，其所感應(yīng)的電流I1和I2會(huì)產(chǎn)生一定范圍的改變。當(dāng)油管結(jié)構(gòu)和套管結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞、孔洞、裂縫等結(jié)構(gòu)問(wèn)題時(shí)，尤其是在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生縱向裂縫時(shí)，那么就需要切斷所感應(yīng)的電流I1和I2在管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)壁上的電力回路，這樣操作可以直接改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流幅度，并且準(zhǔn)確的測(cè)試油井結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)曲線的異常變動(dòng)。

1.2 橫向探頭工作原理

當(dāng)探井設(shè)備結(jié)構(gòu)中發(fā)射線圈時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，導(dǎo)致其設(shè)備的電磁力量線只能穿過(guò)第一層管線和立柱，并且探頭發(fā)出信號(hào)后，可以有效的在管道墻壁上感應(yīng)出相關(guān)的電磁電流I1。接收線圈在實(shí)際信號(hào)和電流檢測(cè)過(guò)程中，可以接收到由電流I1產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。同時(shí)當(dāng)管道墻壁上的損壞部分進(jìn)入探頭可探測(cè)區(qū)域時(shí)，尤其是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫后，應(yīng)該切斷設(shè)備感應(yīng)電流的整體結(jié)構(gòu)回路，進(jìn)而影響設(shè)備感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電流波動(dòng)幅度。加上設(shè)備橫向探頭的整體移動(dòng)位置只能按照某一個(gè)固定的方向移動(dòng)。而橫向裂縫相比縱向裂縫來(lái)說(shuō)，探測(cè)區(qū)域的幾率較大，所以設(shè)備大多應(yīng)用橫向探頭進(jìn)行橫向裂縫位置的確認(rèn)和測(cè)試。

2 電磁探傷測(cè)井技術(shù)分類

電磁探傷測(cè)井技術(shù)由于其自身變到管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響較小，并且對(duì)管道墻壁的光滑程度要求不高，因此利用電磁探傷測(cè)井技術(shù)，不僅可以發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部的實(shí)際情況和異常問(wèn)題，還可以在日常管道使用過(guò)中，測(cè)試管道磨損后余下的墻壁厚度。而電磁探傷測(cè)井技術(shù)，作為目前唯一可以同時(shí)檢測(cè)和管理管道多層套管受損情況的相關(guān)技術(shù)，可以有效的為管道做相關(guān)的安全系數(shù)評(píng)估、管道日常維護(hù)、管道問(wèn)題維修以及損壞管道更換等相關(guān)方面，提供精準(zhǔn)、重要的數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)，因此受到了我國(guó)的關(guān)注和廣泛使用［2］。

2.1 漏磁檢測(cè)法

在電磁探傷測(cè)井技術(shù)中，漏磁檢測(cè)法的主要原理是利用強(qiáng)大的電力磁場(chǎng)，將管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁場(chǎng)化，并且當(dāng)管道墻壁存在一定損壞和缺陷時(shí)，磁力會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律變化，此時(shí)技術(shù)人員在依靠霍爾電磁力效應(yīng)，針對(duì)管道墻壁磁性密度大小，以及變化趨勢(shì)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量，以此確定管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕程度以及缺陷面積。而利用漏磁檢測(cè)法可以有效的檢測(cè)出管道內(nèi)部的相關(guān)問(wèn)題，但是其技術(shù)不足也較為明顯，主要表現(xiàn)為：不能完整的測(cè)試出大面積的腐蝕程度和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多層管道系統(tǒng)，并且無(wú)法識(shí)別具有緩慢、連續(xù)性的管道腐蝕。

2.2 常規(guī)渦流檢測(cè)法

常規(guī)渦流檢測(cè)法主要利用電磁力感應(yīng)原理，利用發(fā)射線圈所產(chǎn)生的交流變化的電力磁場(chǎng)現(xiàn)象，以此在管道墻壁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生環(huán)狀的渦流現(xiàn)象，一旦管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定缺陷時(shí)，所感應(yīng)的電流，因受到管道內(nèi)部缺陷位置的阻礙，其運(yùn)行模式發(fā)生相應(yīng)變化，其線圈的等效抗擊電阻力，也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)變化，以此測(cè)試出載流線圈電阻抗擊能力的變化，最終得到管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺漏和破壞情況［3］。針對(duì)油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行測(cè)試時(shí)，常規(guī)渦流檢測(cè)法可以直接檢測(cè)出，管道井下大規(guī)模的腐蝕情況、管道垂直模式下產(chǎn)生的裂縫形態(tài)、孔洞以及負(fù)責(zé)多層管道等應(yīng)用的實(shí)際情況。但是在實(shí)際的實(shí)際使用過(guò)程中，因受到趨膚效應(yīng)的大面積影響，常規(guī)渦流檢測(cè)法很難檢測(cè)出管道結(jié)構(gòu)外部表面的缺陷和問(wèn)題。除此之外，漏磁檢測(cè)法在實(shí)際運(yùn)用和測(cè)量過(guò)程中，與磁通矢量數(shù)據(jù)無(wú)正方向交流產(chǎn)生的缺陷并不敏感，而常規(guī)渦流檢測(cè)法對(duì)于渦流矢量正向的相關(guān)缺陷并不敏感，因此可以得出結(jié)論，兩者的不敏感輻射區(qū)域?qū)儆谡?，如果進(jìn)行聯(lián)合使用的話可以確保檢測(cè)區(qū)域不會(huì)產(chǎn)生盲區(qū)。

2.3 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)法

與常規(guī)的渦流檢測(cè)法不相同的是，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)法內(nèi)部檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)，并不能緊靠著激勵(lì)結(jié)構(gòu)線圈，而是在距離激勵(lì)線圈大約2倍位置的管道內(nèi)部，并且處于直徑外部的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。設(shè)備在此遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中，隨著電力磁場(chǎng)兩部分線圈之間的距離增大，區(qū)域場(chǎng)內(nèi)的衰減速度會(huì)大幅度減小，進(jìn)而出現(xiàn)第二種能量的傳遞方式。并且在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域能量傳遞的路徑區(qū)域，其內(nèi)部和外部的缺陷都可以在測(cè)試線圈區(qū)域中，引起電磁信號(hào)的增加浮動(dòng)數(shù)值以及相位之間的變化趨勢(shì)。同時(shí)通過(guò)測(cè)試遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域檢測(cè)線圈結(jié)構(gòu)中，二次感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)據(jù)變化大小，以及兩者之間的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道腐蝕和缺陷問(wèn)題的檢測(cè)。在油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)測(cè)試過(guò)程中，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)法不受到測(cè)試探頭提離、趨膚運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電磁引導(dǎo)率以及磁場(chǎng)引導(dǎo)率不均勻產(chǎn)生的相關(guān)影響，可以有效的避免探頭靈敏程度對(duì)于管道內(nèi)部、外部結(jié)構(gòu)缺陷的影響，但是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)法不能有效的檢測(cè)管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)深度小于1mm或者寬度小于0.1cm的結(jié)構(gòu)裂縫。

3 電磁探傷測(cè)井技術(shù)應(yīng)用

3.1 電磁探傷測(cè)井技術(shù)實(shí)際案例

某采油廠管套損區(qū)域油井，主要位于城市的中心位置，并且根據(jù)實(shí)際區(qū)域建設(shè)中，針對(duì)油井的探測(cè)主要采取電磁探傷測(cè)井技術(shù)。同時(shí)從探測(cè)的12口油井中收集和分析得出相關(guān)結(jié)論，至少有80%以上的油井，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著不同程度的結(jié)構(gòu)彎曲、形變以及破壞，其中管道套管產(chǎn)生彎曲變形有7口，油管內(nèi)部結(jié)構(gòu)彎曲變形的數(shù)量為6口，并且已經(jīng)相繼出現(xiàn)嚴(yán)重破損的油井有2口，因此技術(shù)人員需要針對(duì)油井的實(shí)際情況，并且從彎曲破損嚴(yán)重的油井作為基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)，分析電磁探傷測(cè)井技術(shù)對(duì)于套損區(qū)域的實(shí)際作用［4］。

在實(shí)際針對(duì)油井進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測(cè)和功能實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用電磁探傷測(cè)井技術(shù)還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，井內(nèi)結(jié)構(gòu)除了990m位置結(jié)構(gòu)性變最嚴(yán)重以外，其他油井區(qū)域段內(nèi)也存在管套破損的問(wèn)題和不良現(xiàn)象，并且經(jīng)過(guò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，將測(cè)試和分析結(jié)果及時(shí)上報(bào)相關(guān)管理部門。以此為油井進(jìn)行下一步項(xiàng)目活動(dòng)，采取了有力的相關(guān)解決措施的有力根據(jù)。

3.2 電磁探傷測(cè)井技術(shù)實(shí)際應(yīng)用

針對(duì)測(cè)試的實(shí)際案例可以得知，為了更加有效的檢測(cè)油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題和阻礙原因，以便于深入分析油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，以及所產(chǎn)生的相關(guān)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，因此技術(shù)人員需要針對(duì)油井，運(yùn)用相關(guān)技術(shù)的油井?dāng)?shù)據(jù)測(cè)試。連續(xù)進(jìn)行技術(shù)測(cè)試時(shí)，其設(shè)備進(jìn)入測(cè)試區(qū)域后進(jìn)入地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)層，但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，油井內(nèi)部液體僅有22m2進(jìn)入了射孔土質(zhì)層，有64m2從喇叭口開始向上反出，并且在油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的730～738m處位置消失。土質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)層區(qū)域段也普遍存在油液漏失現(xiàn)象，此時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明了，電磁探傷測(cè)井技術(shù)對(duì)于井下測(cè)試的準(zhǔn)確性［5］。此外，技術(shù)人員為了進(jìn)一步保證電磁探傷測(cè)井技術(shù)的準(zhǔn)確性，隨即增加了對(duì)油井40臂井進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)試，并且得出的結(jié)論相同。由于套損井區(qū)的種類類型以及產(chǎn)生的相關(guān)原因比較復(fù)雜，加上此次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)油井套管彎曲問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)探索，因此根據(jù)電磁探傷測(cè)井技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，并且解釋其結(jié)果，同時(shí)根據(jù)其他相關(guān)的油井測(cè)試技術(shù)進(jìn)行綜合分析，可以高效的發(fā)現(xiàn)電磁探傷測(cè)井技術(shù)，運(yùn)用在套損區(qū)域油井中可以取得較好的測(cè)試成果，并且可以為油井地質(zhì)制定出科學(xué)、合理的檢測(cè)和管理方案。

4 結(jié)語(yǔ)

由此可見，對(duì)于油井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建立和檢測(cè)來(lái)說(shuō)，科學(xué)、合理的檢測(cè)技術(shù)有利于油井的可持續(xù)發(fā)展。而電磁探傷測(cè)井技術(shù)，利用自身檢測(cè)技術(shù)對(duì)油井管套缺陷進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、模型分析，以此達(dá)到對(duì)油井的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。