油田套管超声探伤技术研究

卢立维(中石化胜利油田分公司物资供应处物资检验所山东东营257000)

套管在石油开采中发挥着巨大的作用，由于套管在制造时经常会出现部分疏松或者有杂质的现象，容易引起套管内部裂纹和孔隙的产生，在使用的过程中容易发生安全事故。因此需要加强油田套管的检测技术研究，超声波检测是目前常用的套管检测方法之一，超声波检测技术利用超声波的反射和折射等特性可以实现套管损伤的监测，超声波探伤技术以其应用范围大、精度高、费用低、操作简单、安全等优点，已经被普遍的应用各个行业部件的探伤。

1.套管超声波探伤方法研究

套管超声波探伤技术是利用超声波在传输过程中的反射和折射规律来进行探伤的，当超声波传输到套管表面时，在套管的表层会发生超声波的折射和反射现象，超声波的折射和反射规律和光的折射反射规律一致，当超声波折射到套管内部时，就会在套管内壁和外壁之间来回的反射。套管内部如果出现裂纹和孔隙，这些裂纹和孔隙可以作为一个新的波源，波源反射的超声波将会被超声波接受探头接受。如果套管内部没有损坏，探头则接收不到相应的反射波。通过对探头接受到的回波信号分析，可以确定套管内部损坏程度的大小。横向超声波探伤技术，主要用来探伤套管的横向损坏，通过将探头对准套管的中心，在套管的上部以一定的角度，利用超声波发射探头向套管表面发射超声波，超声波会在套管内外壁之间来回的反射，通过对每个点发射波信号的强弱分析，就可以判断出该位置套管是否发生损坏。同时还可以确定在横向方向上套管内部损坏程度的大小。纵向超声波探伤技术主要是用来探测套管内部圆周方向的套管损伤，该方法在套管圆周截面上，超声波探头和套管截面存在一定的角度，超声波发射探头在套管的上部发射超声波，超声波会在套管截面方向上，在套管的内外壁之间来回的反射，由于截面形状因素的限制，探头发射的超声波会被探头接受一部分，其余大部分还是入射到套管内部中。接触式超声波套管探伤技术主要指的是将测量探头直接和套管接触，这种方式可以保证探头和套管良好的连接，在探头的设计中要保证探头和套管的良好接触，需要根据套管的曲率半径来设计相应曲率半径的探头，从而保证探头和套管表面良好的耦合，同时在套管和探头之间要涂抹相应的超声波耦合剂。这种探头和套管直接接触的方式，超声波的能量损失小，因此监测的范围相对大一些。但是该方法在操作的过程中，受到人为操作方式限制，超声波入射套管方式差别较大，造成了套管内超声波各种波形的混杂，从而降低了超声波探伤的精度。套管的半径越小，这种现象越明显，因此该类型的探伤方法不适合小直径的套管探伤。水浸法超声波探测技术的探头和套管不直接接触，而是利用水作为套管和探头的耦合剂，在探测的过程中，将套管浸到水中。该技术可以避免探头和套管的直接接触，从而有效的减少了探头的损坏，同时该方法可以使用大功率的超声波探头，而且适用于套管的自动化探伤，极大的减少了套管探伤的时间，提高了探伤的效率。该方法采用的耦合剂为水，不需要特殊的耦合剂，使用成本低，因此得到了广泛的应用。但是由于该方法探头和套管不直接接触，超声波在水中传播时会损耗一定的能量，到达套管的超声波能量不是很高，该技术超声波探头检测的范围要相对的小一些，为了能够保证超声波探伤能够完全的监测整个套管表面，需要将套管不断的旋转，该方法的使用需要配备相应的机械设备。局部水浸超声探测探伤技术指的是将待监测的套管一部分放入到水中，再把超声波探头放到水中或者部分放到水中，这种方式可以节约大量的水资源，而且在探伤的过程中，套管放到水中的时间较短，减少了套管在水中的浸泡时间。这种方式也是利用水作为耦合剂，超声波在水中传输时能量会衰减，所以该方法也不能一次完全的将套管整个表面检查完，需要一定的机械装置来辅助移动和转动套管。

2.新型套管超声探伤复合探头技术研究

在套管超声波探伤的过程中，套管的探伤速率是探头设计的重要参数，在利用自动套管超声探伤技术中，通常情况下采用的是螺旋式前进方式，通过研究可以得到，探头的探伤速度和探伤的螺旋间距以及探头的检测范围有关，在探伤的过程中，探头在横向上的探伤面积和纵向的探伤面积不同，探头在横向上的监测面积要比纵向上的监测面积要大，在本设计中探头的横向监测范围为纵向的监测范围的两倍，这样可以提高套管超声探伤的效率。超声波探头的探测范围和探头的形状也有很大关系，我们改变了探头晶片的参数，提高了探头的探测范围，将现有的探头晶片分成的两部分，将其对称的放置。套管超声探伤探头的频率和套管的组成、制造工艺、探头结构参数等有关，因此需要综合考虑影响探头频率的各种因素。在使用焦点探头时，探头的频率增加，会导致超声波束焦距的减小，这样可以提高薄壁套管的检测精度，对于厚壁的套管探测的精度要相对降低。而且当探头的焦距减小时，探伤的速度也会相应的减小。因此不能盲目的增加超声波探伤探头的频率，要根据实际条件确定合适的探头频率，本设计采用的探头频率为四兆赫兹。超声波在入射到套管表面时，一部分的超声波会反射到水中，另外一部分的超声波会折射到套管中，当超声波以不同的角度入射时，折射后套管中的折射波也不同，通过实验可以得到当超声波的折射角为四十度时，超声波的透射能量最高，因此选择该角度相对应的入射角为20°。

3 结束语

油田套管的探伤是保证套管质量，减少油气生产事故的有效途径，因此需要加强油田套管超声探伤技术研究，文章研究了套管超声探伤技术的原理方法，并且提出了一种新型的超声波探伤探头技术，确定了该套管超声探头的关键参数。通过研究提高了油田套管探伤的精度，对于促进油田的安全稳定生产具有一定的意义。

[1]沈里亚.超声波探伤原理及其应取[M].北京：机械工业出版社，1982.

[2]朱晓恒.超声探伤技术在无损检测中的应用[J].现代电子技术，2010.