0 引言
油田開發(fā)中后期，套管損壞問題非常突出，成為制約油氣生產(chǎn)的重要瓶頸口]。關(guān)于套管損壞的檢測與預(yù)測技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了大量卓有成效的研究口。8]，其成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油田生產(chǎn)。然而套損檢測與預(yù)測技術(shù)均有其先天缺陷：套損檢測往往在套管損壞后才進(jìn)行，是一種被動行為；套損預(yù)測則相反，是基于歷史數(shù)據(jù)等綜合因素進(jìn)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(shí)時動態(tài)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(shí)時監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)外均為空白?；诖?，筆者提出了利用聲發(fā)射原理對套管損壞狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的新思路。
聲發(fā)射技術(shù)是一種高靈敏度的動態(tài)無損檢測診斷技術(shù)，它能夠長期、連續(xù)監(jiān)測構(gòu)件活動性和安全性[9’1⋯。由于可以在線監(jiān)測而無需停產(chǎn)，大大減少了停產(chǎn)造成的損失，因此得到了廣泛的應(yīng)用。聲發(fā)射技術(shù)同樣可用來實(shí)時監(jiān)測套管狀態(tài)。而且，石油生產(chǎn)所用套管具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。在固井后，套管將和水泥環(huán)及地層固結(jié)為組合體。此時的套管不存在彎陸失穩(wěn)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(jī)等生產(chǎn)工具有規(guī)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(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)來診斷滾動軸承、發(fā)動機(jī)磨損等旋轉(zhuǎn)機(jī)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(fā)射信號比較穩(wěn)定。石油生產(chǎn)所用套管均采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼加工而成，同鋼級、同尺寸、同壁厚套管的性能及其聲發(fā)射信號的可靠性、重復(fù)性應(yīng)該比一般金屬管材要好的多。這些都為聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
本文在利用模擬套管完成了套管損壞實(shí)時監(jiān)測先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立并完善了用于實(shí)際套管變形過程監(jiān)測研究的整套實(shí)驗(yàn)裝置。利用實(shí)際套管進(jìn)行了損壞變形全過程聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了套管變形過程中的聲發(fā)射信號與其相應(yīng)的變形／應(yīng)變信號之間有明確的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了聲發(fā)射信號的階段性規(guī)律，從而為利用聲發(fā)射原理進(jìn)行套管損壞實(shí)時監(jiān)測研究奠定了理論基礎(chǔ)。
1 模擬套管損壞聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)
將聲發(fā)射技術(shù)用于套管損壞實(shí)時監(jiān)測研究在國內(nèi)外尚屬。初期的考慮難免有不周之處，許多技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵問題也必須通過實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)、解決和完善。因此，首*行先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)是非常必要的。研究中充分利用和完善了現(xiàn)有條件，并購置了相應(yīng)的新儀器，完成了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與組裝，涉及到載荷施加、聲發(fā)射信號采集、套管應(yīng)變測量等多方面內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)裝置包括：mts-816材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、mts一286伺服加載系統(tǒng)、yeg一60a液壓式壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)、loc—at聲發(fā)射儀、bz2204多通道動態(tài)電阻應(yīng)變儀、應(yīng)變測量系統(tǒng)等。模擬套管采用普通25#鋼加工而成。，
實(shí)驗(yàn)中得到了模擬套管的變形量及相應(yīng)聲發(fā)射信號隨時間的變化關(guān)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(fā)射累積能量繪于同一圖中?？梢钥闯?，套管變形過程與其聲發(fā)射信號有著一定的對應(yīng)關(guān)系，二者的變化趨勢基本一致。聲發(fā)射信號的突變點(diǎn)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?yàn)槁暟l(fā)射信號比套管變形信號敏感性更強(qiáng)所致。這一點(diǎn)也恰恰突出了聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)件的微小變形能及時直觀地顯現(xiàn)出來。
由于模擬套管與實(shí)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(fā)射信號的規(guī)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(yōu)質(zhì)高強(qiáng)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(shí)際套管的規(guī)律。有必要在采用模擬套管完成先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)、完善實(shí)驗(yàn)方案后，采用實(shí)際生產(chǎn)用套管迸一步深入研究。
圖1模擬套管變形及其聲發(fā)射信號隨時間變化圖
2 實(shí)際套管損壞聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)
實(shí)際套管的強(qiáng)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(jī)作為載荷源。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有代表性，選擇管徑為244．5mm(9導(dǎo)in)、177．8mm(7in)和127mm(5in)的3種常用套管作為實(shí)驗(yàn)對象。限于篇幅，這里僅以管徑為244．5mm的套管為例對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
圖2 聲發(fā)射法監(jiān)測套管損壞實(shí)驗(yàn)裝置圖
圖3為244．5mm套管變形損壞過程中聲發(fā)射累積計(jì)數(shù)、累積能量隨時間的變化關(guān)系。由圖可見，聲發(fā)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(yīng)的突變點(diǎn)處發(fā)生明顯變化(箭頭所指處)。與上述模擬套管的實(shí)驗(yàn)曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際套管變形過程中聲發(fā)射信號的階段性規(guī)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(fā)射信號的變化有一定的隨機(jī)性。而實(shí)際石油用生產(chǎn)套管采用優(yōu)質(zhì)鋼材經(jīng)過嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝加工而成，材料的穩(wěn)定性更好，相應(yīng)的聲發(fā)射信號的規(guī)律性更強(qiáng)。
圖3 聲發(fā)射信號隨時間變化的關(guān)系曲線
套管變形是一個緩慢的連續(xù)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(xù)測量系統(tǒng)才能達(dá)到目的。為準(zhǔn)確測得套管的變形情況，設(shè)置4個測點(diǎn)同步測量，監(jiān)測裝置見圖2。實(shí)驗(yàn)中得到的套管隨時間的變形結(jié)果見圖4。
圖4 套管變形隨時間變化的關(guān)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(tài)，故其應(yīng)變始終為負(fù)。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(jīng)閉合，產(chǎn)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(chǎn)用套管的材料質(zhì)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(diǎn)并不十分明顯。在套管變形后期，由于大量裂紋的產(chǎn)生，套管已發(fā)生明顯變形，曲線斜率較大，變形速率很快，套管進(jìn)入加速變形階段。
圖4c反映了套管斷面45。位置處的應(yīng)變情況。在套管變形初期，測點(diǎn)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(diǎn)處由受壓變成了受拉，因此在變形曲線上出現(xiàn)了應(yīng)變由增大變?yōu)闇p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(diǎn)，這也從側(cè)面反映了測量結(jié)果是真實(shí)可靠的。
同樣，在60。位置測點(diǎn)處(見圖4d)，套管的應(yīng)變也呈現(xiàn)出了拉壓交變的狀態(tài)。在套管變形初期和后期，該測點(diǎn)均為拉伸變形。而在套管變形中期，該測點(diǎn)變形很小，處于拉壓臨界狀態(tài)。
由圖4可見，套管的變形表現(xiàn)出較明顯的階段性。盡管與聲發(fā)射信號相比，曲線的突變點(diǎn)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(diǎn)說明了利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測套管變形的優(yōu)勢，即聲發(fā)射信號比變形信號更為敏感，套管的微小變化可由其聲發(fā)射信號的變化準(zhǔn)確地反映出來。究其原因，就在于聲發(fā)射信號的產(chǎn)生實(shí)際上源于套管本體材料在外力作用下產(chǎn)生的微裂紋。當(dāng)產(chǎn)生的微裂紋很少時，套管外觀并未產(chǎn)生變形。當(dāng)外載繼續(xù)加大，微裂紋數(shù)量越來越多時，相應(yīng)的套管外形才產(chǎn)生可測量到的變形信號。由于套管壁較厚，且材料的強(qiáng)度很高，因此一般不會產(chǎn)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(xiàn)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(fā)射信號隨時間的變化結(jié)果繪于同一圖中，如圖5所示。顯然，套管的變形與其相應(yīng)的聲發(fā)射信號有著明確的對應(yīng)關(guān)系，二者的曲線形態(tài)，突變點(diǎn)位置等均吻合較好。綜合分析套管的變形與聲發(fā)射信號特征，認(rèn)為套管擠壓變形過程中的聲發(fā)射信號大致可以分為3個階段，即初始變形期，穩(wěn)態(tài)變形期和加速變形期。在初始變形期，聲發(fā)射信號頻繁，但強(qiáng)度不大，主要為原生裂紋閉合所致；在穩(wěn)態(tài)變形期，聲發(fā)射信號較弱，累積能量曲線比較平緩，說明原生裂紋已經(jīng)閉合，新的裂紋產(chǎn)生較少，套管變形穩(wěn)定增加；在加速變形期，聲發(fā)射信號頻繁，且強(qiáng)度很大，說明有大量新的裂紋產(chǎn)生，套管迅速損壞。套管變形聲發(fā)射信號的階段性為套管損壞過程的實(shí)時監(jiān)測提供了有利條件。
圖5 244．5mm套管的變形與其聲發(fā)射信號之間的關(guān)系圖
3 討論
套管變形及其聲發(fā)射信號的階段性以及聲發(fā)射時域參數(shù)曲線上的突變點(diǎn)或曲線斜率變化比較明顯，這些都為根據(jù)套管的聲發(fā)射信號來判斷其變形程度創(chuàng)造了有利條件。盡管套管損壞聲發(fā)射實(shí)時監(jiān)測得出了令人鼓舞的結(jié)論，但仍有大量的研究有待進(jìn)行，才能真正將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。比如：①水泥環(huán)的影響。本次實(shí)驗(yàn)中沒有考慮水泥環(huán)，而現(xiàn)場實(shí)際發(fā)生套管損壞的位置很多都位于已固井段。水泥環(huán)的破壞會對套管聲發(fā)射信號分析產(chǎn)生影響，開展具有水泥環(huán)條件下的相關(guān)研究是非常必要的。②載荷類型的影響。石油生產(chǎn)套管所承受的外擠載荷比較復(fù)雜，包括均勻載荷、非均勻載荷、點(diǎn)載荷等多種情形。本文考慮的單向載荷只是其中一種，應(yīng)加強(qiáng)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(nèi)條件可以人為控制，基本可排除噪聲的影響。而作業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，噪聲源多，因此需要根據(jù)套管聲發(fā)射信號的頻域特征參數(shù)加以區(qū)分[i⋯。④信號傳輸問題。生產(chǎn)套管深埋地下，因此聲發(fā)射信號的傳輸與采集是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。從目前的情況看，聲發(fā)射信號的傳輸可能是該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的另一大難點(diǎn)。由于套管具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、變形形式單純、材料性質(zhì)穩(wěn)定、地下噪聲信號弱等優(yōu)點(diǎn)，相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，套管聲發(fā)射信號傳輸問題可以得到解決，聲發(fā)射技術(shù)最終將能夠?yàn)槭蜕a(chǎn)用套管損壞的實(shí)時監(jiān)測所采用。
總之，利用聲發(fā)射原理進(jìn)行套管損壞實(shí)時監(jiān)測是一項(xiàng)有著巨大市場前景和應(yīng)用價值的研究，其難度也比較大，許多技術(shù)難點(diǎn)有待解決。在通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定套管變形量與其聲發(fā)射信號間的對應(yīng)定量關(guān)系模型、打下初步理論基礎(chǔ)后，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究，逐步解決相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)。
4結(jié)論
研究表明，套管變形過程中的聲發(fā)射信號與其相應(yīng)的變形／應(yīng)變信號之間有明確的對應(yīng)關(guān)系。套管擠，壓變形過程中的聲發(fā)射信號的變化大致可以分為3個階段：初始變形期、穩(wěn)態(tài)變形期和加速變形期。在初始變形期，聲發(fā)射信號頻繁，但強(qiáng)度不大，主要為原生裂紋閉合所致；在穩(wěn)態(tài)變形期，聲發(fā)射信號較弱，原生裂紋已經(jīng)閉合，新的裂紋產(chǎn)生很少，套管變形穩(wěn)定增加；在加速變形期，聲發(fā)射信號頻繁，且強(qiáng)度很大，說明有大量新的裂紋產(chǎn)生，套管迅速損壞。
為了使聲發(fā)射技術(shù)早日在石油生產(chǎn)用套管損壞實(shí)時監(jiān)測中投入應(yīng)用，必須進(jìn)一步加強(qiáng)水泥環(huán)條件、載荷類型對套管損壞聲發(fā)射信號的影響以及噪聲剔除、信號傳輸?shù)确矫娴难芯俊?br>參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：李軍(1971-)，男，河北海興人，博士，中國石油大學(xué)<北京)石油天然氣工程學(xué)院講師，從事石油工程巖石力學(xué)研究。地址：北京市昌平區(qū)，中國石油大學(xué)(北京)石油天然氣工程學(xué)院。