摘 要：连续油管作业技术已经在钻井、完井、防砂、试油、采油、修井、测井等井下作业领域得到了广泛应用，在线缺陷检测对于保证连续油管安全运行意义重大。为此，将微磁检测技术引入到连续油管管体的缺陷检测，采用电涡流检测技术来测量油管椭圆度，并建立了油管缺陷的微磁检测等效磁导率计算模型、推导了5个参数计算油管椭圆度的方法。在此基础上研制了连续油管电磁检测系统样机，通过微磁检测装置上均匀安装的6个磁通门测磁传感器和用于椭圆度测量的6个电涡流传感器，获得6个所测量油管在圆周上的距离数据，把第6个涡流传感器用于对椭圆度测量结果进行校验。实验结果表明，该检测仪器的检测速度可达1m／s，缺陷分辨率为0.1mm，椭圆度检测精度高达1％；可对连续油管使用过程中常见的腐蚀、裂纹缺陷和椭圆庋缺陷同时进行检测，检测速度快、效率高、稳定可靠。该项成果为连续油管的快速检测应用提供了技术保障。
关键词：连续油管 微磁检测 在线检测 电磁检测 等效磁导率 涡流检测 椭圆度 缺陷
Mico-magnetic-based,reline testing for coiled tubing operations
Abstract：Coiled tubing has been widely applied to wellsite such as drillin9，completion，sand control，oil testin9，production，workover，logging，etc．so its safe running will highly rely on its on line defect detection．Therefore，we introduced a micro-magnetic tesring technology to detect the flaws of pipe body of coiled tubings and adopted eddy current testing to measure the el lipticity of tubings．We also established a micro-magnetic testing equivalent permeability model，and deduced ellipticity calculation algorithms of coiled tubings using five parameters．On this basis，we developed a coiled tubing electromagnetic testing prototype．Around a circle of the coiled tubing，there arranged one transducer of a Fluxgate Magnetometer and one eddy current sensor every 60 degrees in the instrument，from which we could obtain the data of the distance of each tubing on this circle．The sixth eddy current sensor was used to check the measurement results of ellipticity．The experimental results showed that the testing speed ran up to 1m／s，the testing resolution of the instrument reached 0.1mm，and the ellipticity measurement accuracy reached as high as 1％：and also this system could simultaneously test the common corrosion，crack and elliptical defects in the using process with rapid，efficient，stable and reliable performance．This study provides a technical support for the application of rapid online detection for coiled tubing assembly．
Keywords：coiled tubing，micro-magnetic testing，on-line detection，equivalent permeability，eddy current testing，ellipticity，defect
连续油管是随着小井眼钻井技术发展起来的一种新技术，具有安全可靠、成本低、效率高的特点，解决了许多常规作业技术和方式难以解决的难题[1-3]，已经成为钻井领域的技术新热点[4]。20世纪30年代国外就开展了相关研究工作，近几年国内相关科研院所通过技术引进和自主研发已经成功开发了具有自主知识产权的连续油管作业车[5-6]。连续油管工作环境复杂，在常规作业中要受到多种交变载荷的共同作用，极易形成缺陷。因此，连续油管在工作寿命期内应进行监测，一旦其管壁厚度达到规定的极限、椭圆度超过一定数值或发现油管表面存在缺陷，就不得再使用。然而，现在国内对连续油管的检测仍处于实验室研究阶段，还不能很好地将其用于现场的在线检测中，且检测方式大都集中在裂纹、腐蚀等缺陷检测方面，无法实现对连续油管的全面检测。笔者根据连续油管在线检测需求，基于微磁检测技术和电涡流检测技术，研制了连续油管电磁检测系统样机，检测效率高、稳定、可靠。
1 基本原理
1．1 基于地磁环境的连续油管微磁检测技术
微磁检测技术是一种不需要外界对检测工件进行磁化，利用缺陷自身产生的漏磁场进行无损检测的新技术。在国外，俄罗斯在该领域一直处于领先地位[7]，国内军械工程学院[8-9]、武汉理工大学[10]、华中科技大学[11]等高校的学者进行了一些理论研究。本课题组一直致力于微磁检测技术的研究，在国际上首先提出将微磁检测技术用于非铁磁性材料的无损检测，相关的研究成果已发表于国内外相关期刊上[12-14]。
油管本体是低碳合金钢材质，金属被腐蚀或产牛裂纹的部位一般由低磁导率物质(空气或其他气体)填充，从而导致油管在缺陷处的等效磁导率与本体存在差异，磁场强度不同。假设连续油管裂纹或腐蚀部位由空气填充，建立如图1所示的计算模型。
根据等效磁阻的计算公式，可得
式中Reff是等效磁阻，Ra为缺陷处空气磁阻；Rm为连续油管本体磁阻。
将磁阻计算公式R＝l/mA代入公式(1)中，整理得
式中meff、ma、mm分别为等效磁导率、缺陷处磁导率、连续油管本体磁导率；Aeff、Aa、Am分别为等效面积、缺陷处面积、连续油管本体面积。
依据公式(2)可知油管在缺陷处(低磁导率填充)等效磁导率小于本体磁导率，在该处产生一个向上的异常磁信号。同理可知，对于管壁变厚，相当于面积增大，因此会产生一个向下的异常磁信号。根据缺陷形成的不同特点，管壁腐蚀的异常磁信号变化平缓，而裂纹缺陷的异常磁信号变化剧烈产生类似冲激信号的磁信号。
1．2 基于涡流测距的连续油管椭圆度测量及优化
1．2．1基于涡流测距的连续油管椭圆度测量
椭圆度的定义为同一截面上的直径最大值与最小值之差除以公称直径再乘以l00％，即
式中a是直径最大值，b是直径最小值，矗为公称直径。
在平面内要确定1个椭圆共需5个参数：椭圆中心坐标(x0，y0)、长轴半径a、短轴半径b、长轴与x轴的夹角q。则在平面任意位置椭圆的方程可表示：
将式(4)展开，可表示为线性方程
A、B、C、D、E分别为椭圆的5个参数。采用最小二乘法进行椭圆拟合，求出这5个参数后代入椭圆度公式(3)中即可求得连续油管该处的椭圆度。
1．2．2椭圆度测量值的优化
为了能一次性对连续油管1个截面内所有位置进行全面的损伤检测，在1个圆周上每60°布置1个测磁传感器和l个涡流传感器(图2)。根据上节的叙述，确定某位置椭圆度需要5个参数，故仅需任意5个涡流传感器所测量的距离数据。为了进一步提高椭圆度的测量准确度和连续油管运行的安全性，利用第6个传感器对测量结果进行最优化。优化过程如下：①任取6个传感器中的5个传感器数据运用上节所述方法计算出1个椭圆度值S，；②由数组排列知识可知，共有6种情况，按照步骤①分别计算其他椭圆度S2、S3、S4、S5、S6；③取6个测量值中的最大值(最坏值)作为最终连续油管的椭圆度测量值并显示。另外，可利用第6个传感器对测量的椭圆度进行校验，若所测量的6个椭圆度值相差较大，则表明测量结果不可信，因为根据工程实际，同一个位置上的椭圆度是一定的，测量结果应该一致。
1．3 连续油管电磁检测系统设计
连续油管电磁检测系统主要由上位机、检测单元、数据采集和信号分析处理子系统、数据通信子系统构成(图3)。其中，检测单元主要由磁法检测仪、椭圆度测量单元、旋转编码器定位单元、数据采集单元组成。微磁检测单元中的6个磁通门测磁传感器和用于椭圆度测量的6个电涡流传感器都是相互独立且由相对应的软件调试、控制，这样可以保证即使在其中一个传感器出现问题也不会影响整个系统的正常运行。图2是用于将测磁传感器、涡流传感器、光学编码器等3种探头安装于连续油管作业车上实现在线检测的装置机械图。图3中标出了3种探头的安装位置。
2 连续油管电磁检测系统实验研究
2．1 缺陷检测实验研究
取一根实际作业使用过，长度为620mm的连续油管，利用线切割工艺在油管上预制了裂缝深度分别为0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm共5个缺陷(图4)。
实验过程中，连续油管以1m／s的速度(实际作业时的速度)在机械装置中抽动。图5是某通道原始磁信号曲线，可以看出分别在95mm、185mm、298mm、421mm、525mm处出现了向上(因为用线切割预制的缺陷类似裂纹、腐蚀缺陷)的磁信号异常，这就是工件上所预制的5个人工缺陷。图6检测结果二维成像图更加明显，直观表示了这些缺陷和大小。图4表明了5个缺陷在油管上准确位置分别是l02mm、191mm、295mm、424mm、527mm，这与实际检测的位置相比最大绝对误差为7mm(第1个缺陷)，相对误差不到1％。
2．2 椭圆度测量实验研究
在同一根连续油管上50mm处和470mm处预制5.1％和9.2％的2个椭圆度缺陷。实验过程中，每隔30mm选取一点用游标卡尺逐点测量椭圆度作为理论值。
图7中绿色曲线为检测系统对该油管的测量结果，红色曲线为游标卡尺所测量的理论值曲线。黑色曲线中有2处椭圆度测量值比较大，其椭圆度测量值分别为5.6％、9.7％，这与预制缺陷的位置及理论值一致。图8为游标卡尺所测量理论值与检测系统的检测结果的对比曲线，从图8中可以看出，误差最大值为0.55％，测量精度达到l％。
3 现场试验
在重庆某井进行了在线检测现场试验(图9)，检测长度为6000m，检测结果如图10所示，图10中从上到下4个部分为原始信号曲线、处理信号曲线、椭圆度曲线、二维成像图。从图10中所显示的二维缺陷成像图可以看出，油管没有大的缺陷，仅仅在被检油管的181m处存在深度为0.5mm、面积为40mm2的表面细微损伤。通过椭圆度曲线可以看出，被检油管1669.6m处椭圆度为4.9％，1688.5m处椭圆度为4.5％，1700.5m处椭圆度为4.2％，其他各处椭圆度均小于4.0％，与实际油管的损伤情况一致。
4 结束语
针对连续油管在线检测需求，将微磁检测技术运用于连续油管管体缺陷的检测，椭圆度的测量则采用涡流测距的方式，对连续油管使用过程中常见的腐蚀、裂纹缺陷和椭圆度缺陷共同进行检测，分析了连续油管微磁检测的原理、建立了微磁检测等效磁导率计算模型、设计了椭圆度测量的算法，利用第6个传感器对结果进行优化及校验。研制了连续油管电磁检测仪器样机。试验表明，仪器的缺陷分辨率为0.1mm，检测速度可达1m／s，椭圆度检测精度高达1％。现场试验同样表明该仪器检测效率高，速度快、稳定可靠。为保障连续油管的安全运行和预防由连续油管损伤导致的生产事故提供了有力的技术手段。
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本文作者：程强强 夏桂锁 于润桥 程东方 周兆明
作者单位：南昌大学
南昌航空大学
中国石油川庆钻探工程公司安全环保质量检测研究院
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