嚴(yán)正國(guó), 蘇娟, 包德洲, 張家田, 吳銀川

(1.西安石油大學(xué)光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065;2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

常用的套管腐蝕缺陷檢測(cè)技術(shù)主要有成像法、超聲波檢測(cè)法、機(jī)械井徑測(cè)量法、電磁檢測(cè)法等,各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)[1]。成像法可獲取高清的井眼圖像,直接觀測(cè)套管內(nèi)壁的腐蝕、裂縫、穿孔、錯(cuò)斷、嚴(yán)重的扭曲、變形等,但不能測(cè)量外壁腐蝕[2-3];超聲波法可檢測(cè)套管的內(nèi)壁腐蝕、變形和錯(cuò)斷,提供直觀圖像,但超聲波的傳導(dǎo)必需依靠液體介質(zhì),而且受井壁上結(jié)垢、結(jié)蠟、液位高度等影響大,只有管道厚度大于一定值時(shí)才可行,該方法對(duì)粗糙表面的檢測(cè)誤差大,對(duì)套管軸向裂紋分辨力差,小裂紋容易漏檢[4-5];多臂井徑法測(cè)量精度很高,可以測(cè)量垂直管道內(nèi)壁腐蝕,測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以三維成像,但管道腐蝕變形時(shí)容易遇阻遇卡,且不能測(cè)量外壁腐蝕和壁厚[6];電磁法受管道內(nèi)介質(zhì)影響小,對(duì)管壁的光滑度要求不高,不但能發(fā)現(xiàn)管道的各種異常,而且能測(cè)量管道的剩余壁厚,但檢測(cè)精度相對(duì)較低[7-8]。

為了提高電磁法檢測(cè)精度,本文提出了多頻場(chǎng)分布掃描法(MFFDSM,Multiple-frequency Field Distribution Scanning Method)檢測(cè)套管腐蝕[9]。該方法采用多頻電流源激勵(lì),測(cè)量套管上2點(diǎn)電勢(shì)差,繪制電流密度曲線。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和解釋,可以得到3D管道圖像,定量描述套管腐蝕和缺陷的類型、大小、形態(tài)及分布。本文通過(guò)COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)建模仿真,對(duì)各種腐蝕形態(tài)進(jìn)行正演模擬。

1 多頻場(chǎng)分布掃描法檢測(cè)原理

多頻場(chǎng)分布掃描法通過(guò)在套管上注入多頻電流,測(cè)量電極間電壓的變化并繪制電流密度曲線檢測(cè)套管各種腐蝕形態(tài)。檢測(cè)原理:首先,采用直流或低頻電流激勵(lì)向套管注入電流并使電流流經(jīng)一段套管,測(cè)量管道壁上的電流分布,當(dāng)套管存在腐蝕缺陷時(shí),套管介質(zhì)的非均勻性變化會(huì)引起其管壁電流分布的非均勻性變化,其數(shù)值反映缺陷的嚴(yán)重程度,形態(tài)反映缺陷形狀和分布,以此確定腐蝕形態(tài);其次,改變激勵(lì)電流頻率,測(cè)出不同頻率下測(cè)量電極間的電位差值,繪制電流密度曲線,根據(jù)曲線分布形態(tài),判斷腐蝕位置是在套管內(nèi)壁還是外壁,達(dá)到對(duì)套管腐蝕缺陷進(jìn)行探測(cè)的目的。多頻場(chǎng)分布掃描測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 多頻場(chǎng)分布掃描測(cè)量原理

在被測(cè)套管內(nèi)部沿其長(zhǎng)度方向依次設(shè)置與其內(nèi)壁接觸的第1電極A、第3電極C、第4電極D和第2電極B。其中,A、B為激勵(lì)電極,C、D為測(cè)量電極。A和B向管道注入激勵(lì)電流I,測(cè)量C和D之間的電勢(shì)差V。電極C和D之間套管筒的電流密度δ可根據(jù)公式(1)求得

(1)

式中,V為C、D電極間的測(cè)量電壓;ρ為套管電阻率;L為測(cè)量電極間距。

當(dāng)激勵(lì)電流為直流或低頻電流,用式(1)計(jì)算得到的是管壁的平均電流密度;當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率較高,由于趨膚效應(yīng)的存在,電流主要在管壁內(nèi)表面附近流動(dòng),趨膚深度δc為

(2)

式中,ω為激勵(lì)信號(hào)角頻率;μ為套管磁導(dǎo)率;σ為套管電導(dǎo)率;f為激勵(lì)信號(hào)頻率;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為空氣磁導(dǎo)率。一般石油工業(yè)鋼套管的相對(duì)磁導(dǎo)率μr為40～100,電阻率為(2～3)×10-7Ω·m。取μr=50,σ=5×106S/m,趨膚深度與激勵(lì)信號(hào)的頻率關(guān)系如圖2所示。

圖2 趨膚深度與激勵(lì)信號(hào)頻率的關(guān)系

增加測(cè)量探頭的數(shù)目可增加管道截面圓周方向的分辨力,以識(shí)別缺陷在管壁上的方位和形狀;增加測(cè)量信號(hào)的頻率范圍可增加壁厚方向的分辨力,以確定腐蝕和缺陷的深度,并區(qū)別是在管道的內(nèi)壁還是外壁。采用多探頭多頻測(cè)量,加之軟件聚焦、數(shù)據(jù)合成算法可將測(cè)量結(jié)果解釋為3D圖像。

2 COMSOL套管腐蝕建模

滲透性地層電阻率0.2～1 000 Ω·m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于套管電阻率。套管上注入電流時(shí)流入地層中的漏電流非常小,可以忽略不計(jì)。在COMSOL物理建模忽略地層電阻率的影響,簡(jiǎn)化模型。仿真采用2對(duì)激勵(lì)電極,徑向180°均勻分布,注入頻率為1 Hz激勵(lì)電流,大小為1 A;測(cè)量電極為6對(duì),徑向60°均勻分布,電極間距為0.1 m。

2.1 無(wú)腐蝕套管模型

圖3為4 m長(zhǎng)均勻無(wú)腐蝕的理想套管模型及電場(chǎng)分布特性。通過(guò)與金屬套管內(nèi)壁接觸的2對(duì)電極向套管注入1 A電流,激勵(lì)電極位于x軸向1 m處,回路電極位于x軸向3 m處。

圖3(a)表明,在激勵(lì)電極附近電流密度模分布極不均勻。x軸向約1.4～2.6 m區(qū)域電流密度模曲線基本重合,即在該區(qū)域電流密度均勻分布。圖3(b)所示x軸向電勢(shì)響應(yīng)分布表明在電流密度均勻分布區(qū),電勢(shì)與軸向距離成線性關(guān)系。

圖3 理想套管模型

2.2 均勻腐蝕模型

圖4(b)表明,套管電流密度呈階梯型均勻分布。電流密度值與金屬套管均勻腐蝕的厚度成正比,腐蝕越大,電流密度越大。圖4(c)給出的徑向電勢(shì)曲線中套管的各個(gè)腐蝕段及未腐蝕段電勢(shì)沿x軸成分段線性分布,套管電勢(shì)差(斜率)隨套管腐蝕厚度的變化而變化。套管的剩余壁厚與斜率成反比,即套管壁越薄,電勢(shì)線的斜率越大。

均勻腐蝕剩余壁厚不為0,其低頻響應(yīng)無(wú)法判斷腐蝕處于套管的內(nèi)壁還是外壁,必須分析其交流響應(yīng)才能獲知。

圖4 均勻腐蝕套管模型

2.3 穿孔腐蝕模型

局部腐蝕可導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重失效,引起套管穿孔和斷裂是管道主要的失效形式。局部腐蝕包括點(diǎn)蝕、臺(tái)面腐蝕和流動(dòng)誘導(dǎo)局部腐蝕3種形式。當(dāng)套管發(fā)生點(diǎn)腐蝕時(shí),除了單點(diǎn)腐蝕外,還可能有雙點(diǎn)腐蝕、多點(diǎn)腐蝕等情況。這里對(duì)單點(diǎn)腐蝕的穿孔腐蝕進(jìn)行有限元分析。穿孔位置為徑向0°方向、x軸向2 m;穿孔半徑為0.02 m。

圖5(a)為穿孔腐蝕的電流密度分布情況。在孔的局部范圍內(nèi),沿y軸方向電流密度值增大,x軸方向電流密度值較周邊減小,而其他未腐蝕區(qū)域電流密度均勻分布。圖5(b)為金屬套管穿孔時(shí)從套管內(nèi)表面測(cè)得的電流密度響應(yīng)曲線。套管2 m處電流密度曲線出現(xiàn)異常,測(cè)量電極越接近穿孔位置,電流密度曲線變化越大;0°電流密度曲線中斷,表明穿孔經(jīng)過(guò)0°測(cè)量電極;60°和300°電流密度曲線重合表明穿孔在這2個(gè)測(cè)量電極的中點(diǎn)處。其他各方向電流密度曲線也隨距離穿孔位置遠(yuǎn)近有不同程度的變化。由此可見(jiàn),電流密度變化能夠反映穿孔的大小和位置,但其定量描述則與測(cè)量電極的結(jié)構(gòu)和分布有關(guān)。圖5(c)中在x軸2 m附近徑向0°電勢(shì)曲線斷開(kāi),而其他方向電勢(shì)線重合,可定性判斷穿孔位置。

圖5 穿孔腐蝕模型體電流密度圖

2.4 裂縫腐蝕模型

套管破裂分為軸向破裂和徑向破裂2種形式,主要是由于射孔造成,注采壓差及作業(yè)施工壓力過(guò)高也會(huì)造成套管裂縫。此外,當(dāng)套管鋼材有劃痕、裂縫缺陷或氫脆也可能造成脆性破裂。設(shè)套管上有一長(zhǎng)0.05 m、寬0.013 m的軸向裂縫,x軸中心位于2 m處,徑向中心位于280°方向。圖6為裂縫腐蝕模型的電流密度分布。

圖7 裂縫模型電流密度及電勢(shì)分布圖

圖6 裂縫模型電流密度分布

圖6中,徑向300°電流密度線異常最明顯,其次是0°電流密度線,可初步判斷裂縫的位置在徑向0°與300°之間。由于徑向分辨率只有60°,因此只能判定大致位置。增加徑向分辨率需要增加徑向探頭數(shù)量。

圖7(a)給出了徑向300°方向的電勢(shì)圖,在圖7上無(wú)法看出有無(wú)腐蝕。當(dāng)對(duì)各點(diǎn)電勢(shì)作二階電位差時(shí),x軸1.9 m處電勢(shì)有明顯變化[見(jiàn)圖7(b)]。產(chǎn)生這種誤差的原因是仿真模型中測(cè)量電極間距0.1 m較大,即采樣速率很低,腐蝕位置測(cè)量誤差較大。要提高腐蝕定位精度,必須減小軸向測(cè)量電極間距。實(shí)際測(cè)量時(shí),電極是以一定測(cè)速在套管上滑動(dòng),等效測(cè)量間距可大大減小。圖7(c)為根據(jù)電位測(cè)量結(jié)果計(jì)算出的徑向300°方向的電流密度響應(yīng),其x軸2 m處電流密度有明顯的變化。電流密度響應(yīng)曲線能夠精確反應(yīng)腐蝕的位置。

2.5 混合腐蝕模型

混合腐蝕模型中套管長(zhǎng)度為10 m,激勵(lì)電極位于x軸1 m和9 m處。套管x軸向3 m、徑向0°有一半徑為0.02 m的穿孔;x軸向4.5～5.5 m有一段外壁均勻腐蝕,厚度為0.009 m;x軸向7 m、徑向180°有一半徑為0.02 m的穿孔。

圖8為x—z切面的電流密度模分布。圖8中x軸向中間段5 m附近均勻腐蝕處電流密度模最大,其次為激勵(lì)電極位置;2條徑向深藍(lán)色細(xì)縫區(qū)域電流密度為10-7數(shù)量級(jí),可認(rèn)為開(kāi)路。套管兩端的深藍(lán)色區(qū)域?yàn)椴豢蓽y(cè)范圍?？沙醪脚袛嘣摱翁坠苡?處異常。

圖8 混合腐蝕模型x—z切面電流密度模

圖9 混合腐蝕模型多方位電流密度模

為了更精確地獲知腐蝕狀況,采用套管徑向分布的12個(gè)測(cè)量電極采集套管內(nèi)壁電壓信號(hào),MATLAB處理得到電流密度如圖9所示。套管x軸向3 m處異常體現(xiàn)在徑向0°方位,30°和330°方位曲線形態(tài)相同,可判斷該處異常在0°方位是對(duì)稱的。同時(shí),0°方位電流密度曲線斷開(kāi),可斷定此處腐蝕類型是穿孔;同理可判斷套管x軸向7 m、徑向180°方位處有穿孔腐蝕。該處附近210°方位的電流密度增大的幅度比150°方位大,可判斷穿孔過(guò)180°偏向210°方向。套管x軸向4.5～5.5 m處12個(gè)方位電極測(cè)量的電流密度線形態(tài)一致,且電流密度增大,可判定該段為均勻腐蝕,但并不能判斷發(fā)生在內(nèi)壁還是外壁。

從圖8和圖9中的電流密度響應(yīng)曲線可以定性判斷套管的腐蝕情況,判斷結(jié)果和建模情況吻合。

3 結(jié) 論

(2) 通過(guò)分析各種腐蝕形態(tài)下的電場(chǎng)分布特性證明了多頻場(chǎng)分布掃描法能夠通過(guò)測(cè)量電勢(shì)響應(yīng)描述電流密度響應(yīng),電流密度響應(yīng)分布能夠反映各種腐蝕形態(tài)。

(3) 仿真結(jié)果表明,低頻激勵(lì)下的電場(chǎng)響應(yīng)并不能判斷非穿透性腐蝕處于內(nèi)壁還是外壁;進(jìn)一步確定腐蝕具體參數(shù)則需要增加激勵(lì)源的頻率范圍,求解其多頻激勵(lì)下的電場(chǎng)響應(yīng),并進(jìn)行軟件聚焦和數(shù)據(jù)合成對(duì)多頻響應(yīng)曲線加以處理,才能夠全面描述腐蝕參數(shù)。

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