梅旭濤，張仕民，王文明，徐克彬

連續(xù)油管超聲檢測(cè)系統(tǒng)壁厚與橢圓度測(cè)量方案

梅旭濤1，張仕民1，王文明1，徐克彬2

（1．中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2．渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北任丘062550）

連續(xù)油管作業(yè)時(shí)對(duì)其壁厚與橢圓度有要求。在分析國(guó)內(nèi)外連續(xù)油管檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)超聲波檢測(cè)原理，對(duì)超聲波信號(hào)的壁厚測(cè)量以及連續(xù)油管管體橢圓度測(cè)量原理進(jìn)行了詳細(xì)描述，并提出了一種連續(xù)油管壁厚與橢圓度超聲波檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用橢圓度優(yōu)化算法，提高了壁厚及橢圓度測(cè)量參數(shù)精度，可為連續(xù)油管超聲波檢測(cè)器樣機(jī)研制提供理論依據(jù)。

連續(xù)油管；超聲波；壁厚；橢圓度；設(shè)計(jì)方案

隨著油氣資源開采難度加大，連續(xù)油管技術(shù)廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、壓裂酸化、稠油開采等多領(lǐng)域［1-3］。連續(xù)油管纏繞在滾筒上，通過(guò)引導(dǎo)器進(jìn)入注入頭，對(duì)油氣井進(jìn)行常規(guī)作業(yè)時(shí)需不斷注入與起出，由于彎曲會(huì)造成連續(xù)油管壁厚及橢圓度變化［4-6］。連續(xù)油管壁厚減薄會(huì)造成連續(xù)油管在多油氣井作業(yè)過(guò)程中承受壓力減小，極易造成井下事故；同時(shí)，橢圓度變化到一定程度時(shí)將阻礙連續(xù)油管通過(guò)注入頭與防噴器，且影響密封性能［7］。因此，連續(xù)油管的壁厚及橢圓度參數(shù)至關(guān)重要，迫切需要用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。本文結(jié)合超聲波檢測(cè)原理，提出了連續(xù)油管壁厚及橢圓度檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案，具有重要現(xiàn)實(shí)意義，可為連續(xù)油管超聲波檢測(cè)器樣機(jī)研制提供理論依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外連續(xù)油管檢測(cè)現(xiàn)狀

目前，國(guó)外具有連續(xù)油管檢測(cè)儀器的公司主要有NOV CTES、ROSEN、斯倫貝謝等。NOV CTES公司的Argus檢測(cè)器主要是利用超聲波檢測(cè)技術(shù)，可以精確地測(cè)量出壁厚、直徑以及相應(yīng)的橢圓度等參數(shù)［8-9］。德國(guó)ROSEN公司研制的連續(xù)油管自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)ACIM，采用漏磁原理實(shí)時(shí)檢測(cè)管體缺陷［10］。2013年，斯倫貝謝公司推出CoilScan連續(xù)油管實(shí)時(shí)檢測(cè)儀，采用磁漏＋渦流原理，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)連續(xù)油管的壁厚、直徑及變形量等關(guān)鍵參數(shù)，檢測(cè)參數(shù)結(jié)果實(shí)時(shí)在軟件界面顯示［11］。

國(guó)內(nèi)用于連續(xù)油管檢測(cè)產(chǎn)品較少，大多處于實(shí)驗(yàn)室試制階段，多采用渦流與漏磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行檢測(cè)。2010年，李文彬［12］設(shè)計(jì)了連續(xù)油管超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。2012年，江漢機(jī)械研究院研制了連續(xù)油管檢測(cè)器［13］，采用漏磁＋磁橋路的檢測(cè)原理，局部缺陷采用漏磁方法檢測(cè)，壁厚變化采用磁橋路，橢圓度檢測(cè)采用渦流檢測(cè)技術(shù)。華中科技大學(xué)康宜華教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的移動(dòng)式連續(xù)油管檢測(cè)器［14］，采用渦流檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)其直線度與橢圓度檢測(cè)。2014年，南昌航空大學(xué)于潤(rùn)橋基于渦流測(cè)距的基本原理，設(shè)計(jì)了連續(xù)油管橢圓度測(cè)量樣機(jī)［15-16］。2014年，南昌航空大學(xué)程強(qiáng)強(qiáng)［17］將微磁技術(shù)運(yùn)用于連續(xù)油管的缺陷檢測(cè)，采用電渦流檢測(cè)技術(shù)研制了電磁檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)。中石油川慶鉆探工程有限公司［18］的專利中也介紹了連續(xù)油管橢圓度的檢測(cè)方法。

2 測(cè)量原理

2．1 壁厚［19］

超聲波檢測(cè)方式主要測(cè)量連續(xù)油管軸向360°管壁壁厚變化，包括連續(xù)油管作業(yè)過(guò)程中與井口的偏磨，以及腐蝕作用引起的管壁局部區(qū)域的減薄。在檢測(cè)探頭與連續(xù)油管外壁間采用有機(jī)玻璃耦合，目的是提高系統(tǒng)對(duì)放大后的遲滯線的靈敏度，同時(shí)也降低了超聲波在傳播過(guò)程中衰減。耦合有機(jī)玻璃材料與連續(xù)油管外壁間的壁厚間隙為0．15 mm（間隙中充滿水為耦合劑），防止連續(xù)油管在檢測(cè)移動(dòng)過(guò)程中對(duì)耦合層的磨損。

超聲波探頭對(duì)連續(xù)油管檢測(cè)時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)耦合層有機(jī)玻璃材料，其與連續(xù)油管外壁會(huì)產(chǎn)生界面回波，同時(shí)部分信號(hào)繼續(xù)進(jìn)入管壁，發(fā)生回波反射，壁厚的測(cè)量原理與脈沖回波信號(hào)如圖1所示。

通過(guò)分析接收到的回波信號(hào)，根據(jù)測(cè)量公式算出連續(xù)油管壁厚。假設(shè)圖中回波的時(shí)間分別為t1、t2、…、tn，超聲波在連續(xù)油管介質(zhì)中的傳播速度為u，令閘門內(nèi)的一次回波時(shí)間為t1，最后1個(gè)回波的時(shí)間為tn，即閘門內(nèi)回波次數(shù)為n次。圖中起始波為P，有機(jī)玻璃與連續(xù)油管外壁界面回波為F，一次回波、二次回波以及N次回波分別用B1、B2和Bn表示。則連續(xù)油管的壁厚計(jì)算公式為

圖1　脈沖壁厚檢測(cè)原理

2．2 直徑［20］

測(cè)量連續(xù)油管的內(nèi)外徑是為了確認(rèn)連續(xù)油管在某一截面處外徑與內(nèi)徑，為連續(xù)油管橢圓度以及腐蝕坑大小評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。其檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2　連續(xù)油管外徑檢測(cè)原理

1)耦合層距離計(jì)算與壁厚的檢測(cè)原理類似，利用初始波P到表面第1次回波F時(shí)間t1計(jì)算，已知超聲波在有機(jī)玻璃中的傳播速度為v，則檢測(cè)探頭到連續(xù)油管表面的距離（忽略有機(jī)玻璃與油管外壁0．15 mm左右間隙傳播速度不同的影響）即為耦合層厚度與間隙距離總和，即

2)已知相對(duì)1組探頭間距為L(zhǎng)，且為常量，在相對(duì)超聲探頭檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)出探頭與管壁間耦合層與間隙的距離li以及相應(yīng)管壁厚度wi，則可以測(cè)得4組連續(xù)管外徑，其表達(dá)式為

式中：CDiout為連續(xù)管外徑。

內(nèi)徑表達(dá)式為

式中：CDiin為連續(xù)管內(nèi)徑。

2．3 橢圓度［21］

連續(xù)油管在作業(yè)過(guò)程中，過(guò)度彎曲等塑性變形導(dǎo)致其截面橢圓度發(fā)生變化，對(duì)連續(xù)油管檢測(cè)時(shí)，確定某一局部段的擠壓變形量至關(guān)重要，即其橢圓度參數(shù)。目前，表示連續(xù)油管變形的方法主要是橢圓度，橢圓度測(cè)量實(shí)際是對(duì)于連續(xù)油管外徑測(cè)量。使用8個(gè)超聲波探頭測(cè)量4組外徑時(shí)，可以計(jì)算其2組橢圓度，取最大橢圓度值為評(píng)估此截面橢圓度。則其計(jì)算公式為

式中：Cu為連續(xù)油管橢圓度；CDmax為截面處最大外徑；CDmin為截面處最小外徑。

3 橢 圓度算法優(yōu)化［22-23］

在連續(xù)油管截面的周向均布了8個(gè)超聲波探頭，每個(gè)探頭只能對(duì)一定區(qū)域連續(xù)油管壁厚值進(jìn)行測(cè)量，為了保證此檢測(cè)截面壁厚、直徑、橢圓度等參數(shù)的精度，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)運(yùn)用三次樣條插值方法來(lái)確定橢圓度值，以提高檢測(cè)參數(shù)精度。

3．1 理論算法

3．1．1 計(jì)算連續(xù)油管被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)

在被測(cè)連續(xù)油管處截面為坐標(biāo)平面，以其標(biāo)稱圓心為原點(diǎn)（0，0），被測(cè)位置處的超聲波探頭為x軸，垂直于x軸方向?yàn)閥軸，建立直角坐標(biāo)系。8個(gè)超聲波探頭位置以逆時(shí)針沿圓周均勻排布，探頭之間的位置角度為45°，如圖3所示。

圖3　被測(cè)點(diǎn)幾何關(guān)系

在對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波探頭與油管表面的距離，即耦合層厚度與間隙的距離總和分別為l1～l8。此時(shí)，被測(cè)測(cè)點(diǎn)i與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為

式中：D為連續(xù)油管標(biāo)稱直徑；b0為超聲波探頭與連續(xù)油管表面初始距離；Δi為第i個(gè)超聲波傳感器的測(cè)量誤差；li為耦合層厚度與間隙總和。

則連續(xù)油管被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為

3.1.2 計(jì)算連續(xù)油管外徑的最大值Dmax和最小值Dmin

建立上述連續(xù)油管截面的坐標(biāo)系，以標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)油管圓心建立坐標(biāo)系原點(diǎn)。由于連續(xù)油管的形變，需重新建立連續(xù)油管坐標(biāo)系，則其幾何中心坐標(biāo)計(jì)算式為

可以結(jié)合兩點(diǎn)間的距離公式，計(jì)算被測(cè)點(diǎn)i與幾何中心的距離分別為R1～R8。建立以被測(cè)點(diǎn)i為橫軸、R為縱軸的直角坐標(biāo)系，即（0，R1），（45°，R2），（90°，R3），（135°，R4），（180°，R5），（225°，R6），（275°，R7），（315°，R8），（360°，R1）。為了提高檢測(cè)的精度，對(duì)圓周上的其他點(diǎn)利用三次樣條插值方法，求360個(gè)距離值，從中篩選出最大值Rmax和最小值Rmin。連續(xù)油管橢圓度算法如圖4所示，因此橢圓度計(jì)算公式為［14］

3．2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)的連續(xù)油管超聲波檢測(cè)器適用于?50．8 mm（2英寸）管徑，標(biāo)準(zhǔn)壁厚3．96 mm，即標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑為42．88 mm。為了研究?jī)?yōu)化算法對(duì)檢測(cè)壁厚、直徑、橢圓度等參數(shù)的影響，下面將分別對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)做不同算法的對(duì)比：坐標(biāo)原點(diǎn)變換與坐標(biāo)原點(diǎn)不變，對(duì)這2種情況來(lái)做對(duì)比。連續(xù)油管檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，表1中：CR與IR為未做坐標(biāo)變換外半徑與內(nèi)半徑值；CR′與IR′為進(jìn)行坐標(biāo)變換外半徑與內(nèi)半徑值；CD與ID為連續(xù)油管外徑與內(nèi)徑值。

圖4　橢圓度檢測(cè)示意

表1　連續(xù)油管檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)

3．2．1 數(shù)據(jù)不做坐標(biāo)變化

1)擬合其內(nèi)外徑值。

連續(xù)油管測(cè)量值不做坐標(biāo)變換，即利用標(biāo)稱連續(xù)油管截面處的圓心為建立坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，其檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過(guò)MATLAB對(duì)表1中CR與IR數(shù)據(jù)處理后，具體擬合后內(nèi)徑與外徑值擬合曲線如圖5所示。得到的外徑CRmax＝25．50 mm，CRmin＝25．20 mm，內(nèi)徑

2)橢圓度計(jì)算。

經(jīng)過(guò)三次樣條插值擬合后得到的數(shù)據(jù)為Rmax＝25．50 mm，Rmin＝25．20 mm。帶入式（9）可得

圖5　連續(xù)油管測(cè)量?jī)?nèi)外徑數(shù)據(jù)擬合曲線

3．2．2 數(shù)據(jù)做坐標(biāo)變換處理

1)擬合其內(nèi)外徑值。

對(duì)連續(xù)油管外徑數(shù)據(jù)做外徑處理，即對(duì)超聲波探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)采用3．1節(jié)中算法，并對(duì)其做相應(yīng)的坐標(biāo)變換，目的是為了提高檢測(cè)的精度。采用表1中的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)其數(shù)據(jù)做坐標(biāo)變換處理

由上述計(jì)算可以得出，重新建立的坐標(biāo)系的原點(diǎn)在C′（0．01，－0．04）處，重新計(jì)算出外徑CR′與內(nèi)徑IR′，計(jì)算后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　連續(xù)油管檢測(cè)處理后相關(guān)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)MATLAB對(duì)表2中數(shù)據(jù)處理，內(nèi)徑與外徑值的擬合曲線如圖6所示。得到的外徑CRmax＝25．49 mm，CRmin＝25．21mm，內(nèi)徑IRmax＝21．65 mm，IRmin＝21．28 mm。

圖6　坐標(biāo)變換后內(nèi)外徑數(shù)據(jù)擬合曲線

2)橢圓度計(jì)算。

綜上比較2種連續(xù)油管的橢圓度計(jì)算方法，可以看出：通過(guò)三次樣條插值優(yōu)化后計(jì)算方法，采樣點(diǎn)間距較小（周向角度間距為2°），從中篩選出最大值Rmax和最小值Rmin，對(duì)于橢圓度與壁厚的檢測(cè)精度有所提高。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)連續(xù)油管在線檢測(cè)的需求，將超聲波檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到連續(xù)油管缺陷、壁厚及橢圓度等參數(shù)的檢測(cè)。本文主要論述了連續(xù)油管超聲檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)原理可行性，詳細(xì)描述了其壁厚與橢圓度測(cè)量方案。采用周向布置8個(gè)超聲波傳感器，對(duì)連續(xù)油管進(jìn)行壁厚及橢圓度測(cè)量，并對(duì)壁厚和橢圓度的測(cè)量做出了相應(yīng)算法優(yōu)化，提高了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度，為下一步連續(xù)油管超聲檢測(cè)系統(tǒng)樣機(jī)研制提供理論支持。

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Measurement Scheme of Coiled Tubing Wall Thickness and Ovality by Ultrasonic Inspection

MEI Xutao1，ZHANG Shimin1，WANGWenming1，XUKebin2
（1．College of Mechanical and Transportation Engineering，China Uniuersity of Petroleum，
Beijing 102249，China；2．BHDC Downhole Seruice Company，Renqiu 062550，China）

Aiming at the requirements of the thickness and ovality for the coiled tubing operation and based on the analyzed coiled tubing inspection system at domestic and aboard，and according to the principle of ultrasonic inspection，the measurement scheme of coiled tubing wall thickness and ovality by ultrasonic inspection was carried on．And the scheme adopts the ovality optimization algorithm，which improved the precision of wall thickness and ovality measure parameters．Finally result can provide theoretical basis for coiled tubing ultrasonic inspection prototype．

coiled tubing；ultrasonic；thickness；ovality；measurement scheme

TE933．8

A

10．3969／j．issn．1001-3482．2015．04．005

1001-3482（2015）04-0019-06

2014-10-12

中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于連續(xù)管技術(shù)的海洋管道超聲波腐蝕檢測(cè)新方法的研究”（2012D 5006 0608）

梅旭濤（1990-），男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事管材超聲波檢測(cè)技術(shù)研究，E-mail：mxt19900525＠163．com。