賈惠芹，黨 博

(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)

切割海上廢棄套管的完整性監(jiān)測(cè)方法

賈惠芹，黨 博

(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)

在探井任務(wù)結(jié)束后，必須把海上廢棄套管從泥線以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥線上的殘留物。高壓磨料射流切割系統(tǒng)屬于目前較常用的海上廢棄套管切割工具，但對(duì)該工具切割套管的完整性監(jiān)測(cè)還未有成熟的方法，導(dǎo)致無(wú)法確定廢棄套管的上提時(shí)間，這就造成了切割時(shí)間的延長(zhǎng)和成本的增加。提出采用非接觸式聲發(fā)射的方法來(lái)檢測(cè)套管切割信號(hào)，并采用譜峭度法來(lái)判斷套管切割的完整性。在譜峭度法判別過(guò)程中，通過(guò)跟蹤全頻段中套管切割信號(hào)的快速譜峭度圖，確定了峭度最大時(shí)的帶通濾波器參數(shù)；對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的套管切割信號(hào)作ZOOM FFT運(yùn)算，可得出套管在某一個(gè)角度是否被完全切透。某油田的室內(nèi)外試驗(yàn)表明，該方法可實(shí)現(xiàn)360°范圍內(nèi)的廢棄套管切割狀態(tài)實(shí)時(shí)判斷，提升了磨料切割的效率，降低了切割成本。所提出的方法適用于相關(guān)領(lǐng)域振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)與故障診斷。

海上平臺(tái)； 石油探井； 套管； 聲發(fā)射； 非接觸式； 完整性； 監(jiān)測(cè)； 快速譜峭度圖

0 引言

根據(jù)國(guó)際慣例，在探井任務(wù)結(jié)束后必須把水下井口平臺(tái)從泥線以下4 m左右切割回收到地面，以清除泥線上的殘留物[1-3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)聲音信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)判斷切割狀態(tài)，但沒(méi)有給出具體的實(shí)施方法。文獻(xiàn)[5]提出一種采用時(shí)間域反射技術(shù)進(jìn)行套管切割完整性測(cè)試的方法，但未見(jiàn)到具體的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例。文獻(xiàn)[6]提出采用計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的切割深度來(lái)判別套管切割完整性的方法，但由于液體流速和磨料含量等存在差異，因此很難準(zhǔn)確判別出套管是否被完全切斷。文獻(xiàn)[7]通過(guò)比較施加到套管上端的拉力和套管重力的大小來(lái)判斷套管是否被切斷。這種辦法在未切斷的情況下，無(wú)法判斷套管圓周中哪一點(diǎn)還沒(méi)有被切斷。本文利用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)檢驗(yàn)和分析套管切割的完整性。

1 基于聲發(fā)射的套管切割完整性檢測(cè)原理

聲發(fā)射技術(shù)自20世紀(jì)60年代就開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于壓力容器、材料試驗(yàn)、航天、航空、建筑、鐵路等工程結(jié)構(gòu)的完整性檢測(cè)。它是一種動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)方法，探測(cè)到的能量主要來(lái)源于被測(cè)試物體本身。本文將利用聲發(fā)射方法來(lái)檢測(cè)磨料射流切割套管時(shí)的特征參數(shù)，并探討一種從夾雜泥漿、浪花的噪聲信號(hào)中提取套管切割信號(hào)的方法。

快速譜峭度(spectral kurtosis，SK)是波形尖峰度的一個(gè)量綱,其定義為能量歸一化的4階譜累計(jì)量，常用作度量一個(gè)過(guò)程在某一頻率上的概率密度函數(shù)峰值的大小[8-9]。譜峭度通過(guò)分析不同頻帶上的峭度值找出故障[10]。這種方法能夠細(xì)查整個(gè)頻域并在強(qiáng)噪聲下檢測(cè)出瞬態(tài)信號(hào)成分，尋找頻率異常點(diǎn)的頻帶。該方法多用來(lái)判斷軸承的故障。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有多層套管的管柱，利用聲發(fā)射技術(shù)可以獲取不同層、不同角度的套管在完全切割時(shí)發(fā)射的應(yīng)力波變化，應(yīng)力波的頻譜在完全切透和未切透時(shí)會(huì)發(fā)生很大變化，每個(gè)頻點(diǎn)的峭度值也會(huì)發(fā)生變化。本文在分析現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于聲發(fā)射技術(shù)和快速譜峭度圖的方法來(lái)判斷套管的切割完整性，旨在提高海上廢棄油氣套管的處理效率。

基于聲發(fā)射技術(shù)的套管切割完整性檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 套管切割完整性檢測(cè)原理圖

從圖1可以看出，套管在高壓磨料射流的作用下，隨著切割過(guò)程的進(jìn)行，不同斷面處的材料在斷裂的某一時(shí)刻會(huì)釋放出塑性應(yīng)變能，且以瞬態(tài)應(yīng)力波的形式向外傳播擴(kuò)展，這種應(yīng)力波就是聲發(fā)射信號(hào)[11]。聲發(fā)射信號(hào)X(t)的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

X(t)=A(t)ejθ(t)

(1)

式中：A(t)和θ(t)分別為聲發(fā)射信號(hào)的波形包絡(luò)幅值調(diào)整公式與頻率調(diào)整函數(shù)，具有瞬態(tài)隨機(jī)性、多態(tài)性和非線性等特點(diǎn)。

高靈敏度的聲發(fā)射傳感器安裝在磨料射流切割工具的外徑上，當(dāng)磨料射流發(fā)射到套管上時(shí)產(chǎn)生聲源。從聲源發(fā)射的彈性波最終傳播到套管的表面，通過(guò)涂抹在聲發(fā)射傳感器表面的黃油耦合劑實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射傳感器和切割工具表面的耦合。聲發(fā)射傳感器將套管的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)A(t)，經(jīng)過(guò)前置放大、信號(hào)采集后，再利用譜峭度法提取套管切割信號(hào)θ(t)的頻域特征，形成套管切割完整性判據(jù)。最后編寫套管切割完整性判據(jù)程序，以自動(dòng)判斷套管是否被完整切割。

2 基于譜峭度法的套管切割信號(hào)提取方法

采用wold-cramer對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分解，其頻域表達(dá)式可表示為：

(2)

式中：H(t,f)為隨時(shí)間變化的函數(shù)，可解釋為頻率f處過(guò)程Y(t)的復(fù)包絡(luò)。

過(guò)程Y(t)的四階譜累計(jì)量定義為：

(3)

式中:S(f)為譜瞬時(shí)矩。其值為：

S2nY(f)

(4)

式中:S2nY(f)為x(t)的2n階譜累積量。

于是，譜峭度可定義為：

(5)

套管切割時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)往往包含故障信號(hào)和強(qiáng)烈的加性噪聲，即：

Z(t)=Y(t)+N(t)

(6)

式中:Z(t)為測(cè)得的套管切割信號(hào);Y(t)為切割完整性特征信號(hào);N(t)為浪花噪聲和電源噪聲。故Z(t)的譜峭度可表示為：

(7)

由式(7)可知：當(dāng)ρ(f)很小時(shí)，KZ(f)≈KY(f)；當(dāng)ρ(f)很大時(shí)，即在噪聲信號(hào)N(t)很強(qiáng)處，KZ(f)趨近于0。所以，局部地把譜峭度應(yīng)用到不同的頻帶時(shí)，可以細(xì)查整個(gè)頻域，得出翹度最大時(shí)帶通濾波器的中心頻率和帶寬參數(shù)。

3 套管切割完整性監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用實(shí)例

3.1 套管切割完整性監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證套管完全切割時(shí)的判斷結(jié)果是否與實(shí)際相符。首先把聲發(fā)射傳感器安裝在磨料射流切割工具上，通過(guò)一根電纜將其與采集終端連接起來(lái)。選擇諧振頻率為750 kHz的聲發(fā)射傳感器和采樣頻率為1.25 MHz的數(shù)據(jù)采集卡，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在200 MPa的高壓下，切割工具360°旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)砂粒切割套管，砂粒撞擊管壁，產(chǎn)生機(jī)械能。采集終端完成機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)換、數(shù)字化顯示切割位置以及套管的切割狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了基于快速譜峭度圖的套管切割狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，調(diào)用MATLAB程序得出的磨料切割套管時(shí)信號(hào)的快速譜峭度圖如圖2所示。從圖2可以看出，譜峭度最大值為6，此時(shí)帶通濾波器的中心頻率fc=155 kHz，帶寬BW=28 kHz。

圖2 套管切割信號(hào)的快速譜峭度圖

利用該帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波后，采用ZOOM FFT分段細(xì)化，得出頻譜圖。但是考慮到套管切割信號(hào)受浪花、水泥、電源噪聲等因素的影響，在下文進(jìn)行頻譜特性分析時(shí)，應(yīng)拓寬分析的頻帶。套管未切透與切透的全頻段信號(hào)頻譜圖如圖3所示。

圖3 全頻段信號(hào)頻譜圖

由圖3可知，有用信號(hào)的截止頻率在0～150 kHz內(nèi)；套管切透與未切透在頻域的差異主要體現(xiàn)在0～125 kHz內(nèi)。根據(jù)上述結(jié)論，利用ZOOM FFT對(duì)圖3中的信號(hào)進(jìn)行局部放大，以分析0～125 kHz范圍內(nèi)的套管切割信號(hào)，得到套管未切透與切透的信號(hào)頻譜圖如圖4所示。

圖4 0～125 kHz信號(hào)頻譜圖

從圖4中可看出：不同頻段所表現(xiàn)出的特征差異有所不同，其中差異比較明顯的頻段如下。

①在48～80 kHz范圍內(nèi)，套管切透后的信號(hào)幅度遠(yuǎn)小于切透前的幅度，其最大幅值相差5倍。造成這種差異的原因是：套管被切透后，磨料撞擊在水泥上，其介質(zhì)的硬度遠(yuǎn)小于套管的金屬材料，因而幅度有了明顯的降低。

②在80～98 kHz范圍內(nèi)，雖然套管未切透與切透時(shí)頻譜特性有一定的差異，但區(qū)分度較小，因此該頻段不作為判斷依據(jù)。

③在98～108 kHz范圍內(nèi)，套管未切透與切透基本上沒(méi)有差異。

④在108～125 kHz范圍內(nèi)，如果套管被切透，則信號(hào)的頻域特性是平坦的，且幅度較低；但如果套管沒(méi)有被切透，則不僅頻域的幅值高，而且出現(xiàn)了112 kHz和119 kHz兩個(gè)特征頻率。

由上述分析可知，套管是否被切透的特征頻段為108～125 kHz。在這個(gè)頻段中，對(duì)幅值進(jìn)行積分運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為套管是否被切透的判據(jù)。在每個(gè)角度，以上述方法作為套管是否被完全切透的判斷依據(jù)，在LabVIEW軟件界面下實(shí)時(shí)顯示套管360°的切割狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將聲發(fā)射技術(shù)和快速譜峭度圖方法相結(jié)合，用于監(jiān)測(cè)磨料射流切割海上廢棄套管的完整性。該方法首先通過(guò)跟蹤全頻段中套管切割信號(hào)的快速譜峭度圖，確定峭度最大時(shí)的帶通濾波器參數(shù)；對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的套管切割信號(hào)作ZOOM FFT運(yùn)算，可得出套管在某一個(gè)角度是否被完全切透。基于該方法研制的套管切割狀態(tài)完整性檢測(cè)裝置目前已經(jīng)在某企業(yè)的試驗(yàn)基地得到了驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)360°范圍內(nèi)的套管切割狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

[1] 田曉潔，劉永紅，林榮桔，等.深海套管切割工具的研究和發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械,2011,39(11):67-71.

[2] 樊晶明，王成勇，王軍.微磨料空氣射流加工技術(shù)的發(fā)展[J].金剛石與磨料磨具工程,2005(1): 25-30.

[3] 史亮,王強(qiáng),趙輝.水射流切割設(shè)備中磨料混合方式的比較[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2007,20(5):88-105.

[4] CHIDAMBARAM R,JOHN O,CURTIS L,et al.Method and apparatus for cutting metal casings with an ultrahigh-pressure abrasive fluid jet:US5381631A[P].1995-01-17.

[5] STEVE B,PETER R,ANTHONY P,et al.Method of cutting and testing a pipeline cut under water or under a seabed:US8912806B2 [P].2014-11-16.

[6] JURISEVIC B,BRISSAUD D,JUNKAR M.Monitoring of abrasive water jet (AWJ) cutting using sound detection[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2004,24(9):733-737.

[7] 趙妍,李志民,李天云.一種基于譜峭度的異步電機(jī)故障診斷方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(5):191-192.

[8] 慶光蔚，岳林; 馮月貴，等.聲發(fā)射信號(hào)特征分析中的小波變換應(yīng)用方法[J].無(wú)損檢測(cè),2012,34(11):48-65.

[9] 周靜.基于DSP的金屬裂紋聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)提取[D].南寧：廣西大學(xué),2011,30(2):10-16.

[10]石林鎖，沈金偉，張亞洲，等.基于模型和譜峭度法的滾動(dòng)軸承故障診斷[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(12):258-259.

[11]王瑞和,曹硯鋒,周衛(wèi)東，等.磨料射流切割井下套管的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,25(6):35-38.

Integrity Monitoring Method for Cutting Abandoned Casing Pipe at Sea

JIA Huiqin，DANG Bo

(Key Laboratory of Education Ministry for Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China)

To remove residues of the mud line,after completing the well exploration mission,it is necessary to cut the abandoned casing pipes 4-meter below mud line and recover them to the ground.Currently,the high pressure abrasive jet cutting system is the commonly used cutting tool for abandoned casing pipe at sea,but still lacks of mature tool for monitoring the cutting integrity,which leads to waste cutting time and increase the cutting costs,and the lifting time of the abandoned casing pipe cannot be determined.A non-contact acoustic emission method and the spectral kurtosis method are proposed to detect casing pipe cutting signal,and to determine the cutting integrity.In the judging process of spectral kurtosis method,by tracking the fast speed spectral kurtosis diagram of the cutting signals in the whole frequency band,the parameters of the bandpass filter at maximum kurtosis are determined; and the ZOOM FFT operation is made for the cutting signals filtered,thus whether casing pipe is completely cut or not in a certain angle can be judged.The indoor and outdoor experiments at a certain oilfield indicate that this method can realize the judgement of the cutting status of abandoned casing within the range of 360° in real time,and improve the efficiency of abrasive jet cutting and reduce the costs.The proposed method can also be applied in vibration signal detection and fault diagnosis in related field.

Offshore platform; Oil exploration well; Casing pipe; Acoustic emission; Contactless; Integrity; Monitoring; Fast spectral kurtogram

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016GY-177)

賈惠芹(1972—)，女，博士，教授，主要從事石油檢測(cè)儀器的研究。E-mail:jiahq@xsyu.edu.cn。

TH82;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201706019

修改稿收到日期:2017-02-06