场分布扫描套管腐蚀检测系统设计和实验研究
苏娟++严正国+张家田++吴银川
摘 要： 场分布扫描法是一种基于多频电流源激励下电流密度分布的套管在线腐蚀检测方法。设计场分布扫描套管腐蚀检测系统，为了初步验证场分布扫描法对腐蚀的可检测性，进行了穿孔实验。实验结果表明，场分布扫描法能够检测穿孔腐蚀，设计的电极系和检测系统对内直径为16.8 cm的金属套管上直径为6 mm的穿孔有较强的电敏感性。
关键词： 场分布扫描法； 电流密度响应； 腐蚀检测系统； 腐蚀穿孔
中图分类号： TN02?34； P631.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0145?03
Abstract： The field distribution scanning method is a casing pipe online corrosion detection based on current density distribution excited with multi?frequency current source. A casing pipe corrosion detection system based on field distribution scanning was designed. To test the detectability of the field distribution scanning method to corrosion， a corrosion perforation experiment is carried out. The experiment result shows that the field distribution scanning method can detect the perforation corrosion， and the designed electrode array and detection system have strong electricity sensibility for the 6 mm perforation on a metallic casing pipe with 16.8 cm internal diameter.
Keywords： field distribution scanning method； current density response； corrosion detection system； corrosion perforation
0 引 言
套管是油氣井正常生产的重要保护屏障，套管腐蚀变形破损对油井的正常生产有至关重要的影响。套管损伤往往造成套管外串槽和漏失引发地层间串槽、注水能量分散等现象发生而引起采油效率降低和增产措施失效[1]。在美国，预计每年仅腐蚀造成的损失就达到了14亿美元；其中地面管线和设施损失为5.89亿美元，井下管柱损失4.63亿美元，资本支出3.2亿美元[2?3]。电磁检测法由于受管道内介质影响小，对管壁的光滑度要求不高，不但能发现管道各种异常，而且能测量管道的剩余壁厚等优点成为各国学者研究的热点[4?7]。
文献[8?9]通过有限元仿真，发现当电流流过腐蚀区域时，均匀电流将受到扰动，使得电流场的分布发生改变；文献[10]研究了因腐蚀引起电流重新分配而导致测量电压的变化。基于此原理和套管建模仿真，本文提出了场分布扫描法（Field Distribution Scanning Method，FDSM）检测套管腐蚀[11?13]。
1 场分布扫描套管腐蚀检测原理
场分布扫描法首先采用直流电流激励，向套管注入电流并使电流分布稳定，测量管道壁上的电流分布。若套管无腐蚀，则其管壁电阻分布均匀，径向电流密度相等，电流密度曲线将会重合；如果套管存在均匀腐蚀，电流密度会增大，电流密度曲线会平移后重合；如果套管存在非均匀腐蚀，套管介质的非均匀性变化会引起其管壁电流分布的非均匀性变化，管道壁径向各处电流密度不相等，电流密度曲线会发散。其数值反映腐蚀的严重程度，形态反映腐蚀形状和分布。
其次改变激励电流频率，测出不同频率下测量电极间的电位差值，绘制电流密度曲线。根据曲线形态可判断腐蚀处于套管内壁还是外壁，综合多频激励电流下的电流密度曲线形态，进行软件聚焦和数据合成算法，能够将测量结果解释为3D图像。
场分布扫描测量原理如图1所示。
被测套管内部沿其长度方向依次设置与其内壁接触的激励电极A、测量电极C、测量电极D和激励电极B。由A和B向管道注入激励电流测量C和D之间的电位差测量电极C和D之间套管的电流密度δ可根据式（1）求得：
式中：V为C，D电极间的测量电位差；ρ为套管电阻率；L为测量电极间距。
当激励电流为直流信号时，用式（1）计算得到的是管壁的平均电流密度。根据趋肤效应原理，不同频率的激励信号具有不同的壁厚作用深度。电流频率越高，趋肤深度越小。当激励信号频率较高时，电流主要在管壁内表面附近流动，趋肤深度用式（2）计算：
式中：为套管电导率；为激励信号频率；为相对磁导率；为空气磁导率。
一般石油工业钢套管的相对磁导率为40～100 H/m，电阻率范围为Ω·m，套管厚度在5.87～13.84 mm之间。取H/m，S/m。
趋肤深度与激励信号频率的关系如图2所示。
2 腐蚀检测系统设计
场分布扫描套管腐蚀检测系统由套管、电流源、电极系、超低噪声放大器、高精度多通道采集系统和计算机构成，原理框图如图3所示。
电流源产生的直流或高频电流注入激励电极，从另一组激励电极回流。测量电极检测电流均衡区域的两点电位差，经过超低噪声放大器进行调理并提高信噪比，经过高精度多通道采集系统送入计算机进行数据的处理和腐蚀曲线绘制。
2.1 电极阵列
场分布扫描检测套管腐蚀系统的电极系采用四电极。电极系采用三组电极，一组激励电极连接在被检对象两端用于电流注入，两组测量电极连接在被测对象的中间位置，电极间保持一定间距，用于测量电势差。这种电极系的最大优点是能够避免电极极化效应产生的测量误差。此时电流仅流过外端电极，极化在外端电极上产生，中间电极几乎不产生极化现象，能够明显消除两电极法中因为极化而产生的接触电阻。
激励电极为两对，其中为激励电极对，电流从注入套管内壁，流经一段距离，到回路电极在电流均匀区域，采用测量电极测量套管内壁的电压，套管径向平均分布6对测量电极电极阵列如图4所示。
2.2 检测电路设计
腐蚀信号检测电路框图如图5所示。硬件电路由超低噪声放大器、多路转换开关、ADC、主控制器、传输模块和计算机组成。
6对测量电极检测信号经过超低噪声放大器提高信噪比，经多路转换开关分时进入ADC进行采集。DSP作为主控制器控制采集时序，采集数据通过串口转USB模块送入计算机进行计算并绘制电流密度曲线并进行测量结果解释。
3 穿孔实验研究
为了验证场分布扫描检测套管缺陷的可行性，进行以下实验，实验系统如图3所示。激励电极间距为3 m，测量电极间距为0.06 m。在长为4 m，内直径为16.8 cm的金属套管上钻出一个直径为6 mm的穿孔，穿孔位于轴向1.2 m。检测测量电极之间的电位差，观察其与穿孔腐蚀的关系。
向套管激励电极分别注入不同大小的直流电流，在径向测量电极距离穿孔位置分别为-1 cm，-2 cm，-3 cm，1 cm，2 cm和3 cm时，以激励电流大小为横坐标，检测电位差为纵坐标，绘制曲线如图6（a）所示。
由图6（a）可以看出，离穿孔-3 cm和3 cm的检测电位差随着激励电流的增大基本呈线性关系，说明离穿孔较远的电流密度曲线受套管穿孔的影响较小；而离穿孔-2 cm和2 cm的电位差曲线已经开始显现出异常，在激励电流大于6 A时曲线斜率有较大变化；离穿孔-1 cm和1 cm的曲线在电流更小时开始显现非线性，说明此段套管上有腐蚀存在，可进一步采用有限元分析软件绘制电流密度分布曲线确定腐蚀位置。
以径向测量电极距离穿孔位置為横坐标，检测电位差为纵坐标，绘制曲线如图6（b）所示。穿孔附近电位差有明显起伏变化，较远处电位差变化相对很小。激励电流大小与检测的灵敏度有关。当激励电流大于4 A时，腐蚀的可观测性更为明显。
4 结 语
场分布扫描法检测套管腐蚀是向套管内壁注入多频电流，测量电极间电压的变化并绘制电流密度曲线来检测各种腐蚀参数。本文设计了场分布扫描腐蚀检测系统的电极系和数据检测处理电路。为了初步验证场分布扫描法对腐蚀的可检测性，进行了穿孔实验。实验结果表明，场分布扫描法能够检测套管穿孔腐蚀，设计的电极系和检测系统对内直径为16.8 cm的金属套管上直径为6 mm的穿孔有较强的电敏感性。
参考文献
[1] 李明发.电磁探伤测井技术的应用与前景[J].内蒙古石油化工，2013（17）：122?123.
[2] NACE. Monitoring corrosion in oil and gas production with iron counts [EB/OL]. [2011?04?05]. http：//www.setlaboratories.com/NACE/tabid/61/Default.aspx.
[3] BRONDEL D， EDWARDS R， HAYMAN A， et al. Corrosion in the oil industry [J]. Oilfield review， 1994， 6（2）， 4?18.
[4] 王丽忱，甄鉴，朱桂清.国外套管腐蚀检测技术研究进展[J].科技导报，2014，32（18）：67?72.
[5] 杨旭，刘书海，李丰，等.套管检测技术研究进展[J].石油机械，2013，41（8）：17?22.
[6] 谢荣华，刘继生，张月秋，等.检查套管损坏的电磁探伤测井方法及应用[J].测井技术，2003，27（3）：242?245.
[7] 严正国，赵琳，王飞，等.电磁探伤测井技术及其进展[J].石油仪器，2012，26（6）：41?43.
[8] DAALAND A. Modelling of weld corrosion attacks on a pipe geometry for developing an interpretation model from FSM signals [J]. Insight， 1996， 38（6）： 435?439.
[9] FARRELL D M， ROBBINS B J， STALLINGS J， et al. Crack growth monitoring on industrial plant using established electrical resistance scanner technology [J]. Insight?non?destructive testing and condition monitoring， 2008， 50（12）： 690?694.
[10] SPOSITO G， CAWLEY P， NAGY P B. Potential drop mapping for the monitoring of corrosion or erosion [J]. NDT & E international， 2010， 43（5）： 394?402.
[11] YAN zhengguo， ZHAO lin. Research status and development trend of electromagnetic defect detection logging [J]. Applied mechanics and materials， 2013， 325/326： 856?860.
[12] 赵琳.金属套管腐蚀检测方法与技术研究[D].西安：西安石油大学，2013.
[13] 吴银川，张家田，严正国，等.套管缺陷交流阻抗检测与定位方法研究[J].西安石油大学学报（自然科学版），2015，30（6）：101?107.
摘 要： 场分布扫描法是一种基于多频电流源激励下电流密度分布的套管在线腐蚀检测方法。设计场分布扫描套管腐蚀检测系统，为了初步验证场分布扫描法对腐蚀的可检测性，进行了穿孔实验。实验结果表明，场分布扫描法能够检测穿孔腐蚀，设计的电极系和检测系统对内直径为16.8 cm的金属套管上直径为6 mm的穿孔有较强的电敏感性。
关键词： 场分布扫描法； 电流密度响应； 腐蚀检测系统； 腐蚀穿孔
中图分类号： TN02?34； P631.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0145?03
Abstract： The field distribution scanning method is a casing pipe online corrosion detection based on current density distribution excited with multi?frequency current source. A casing pipe corrosion detection system based on field distribution scanning was designed. To test the detectability of the field distribution scanning method to corrosion， a corrosion perforation experiment is carried out. The experiment result shows that the field distribution scanning method can detect the perforation corrosion， and the designed electrode array and detection system have strong electricity sensibility for the 6 mm perforation on a metallic casing pipe with 16.8 cm internal diameter.
Keywords： field distribution scanning method； current density response； corrosion detection system； corrosion perforation
0 引 言
套管是油氣井正常生产的重要保护屏障，套管腐蚀变形破损对油井的正常生产有至关重要的影响。套管损伤往往造成套管外串槽和漏失引发地层间串槽、注水能量分散等现象发生而引起采油效率降低和增产措施失效[1]。在美国，预计每年仅腐蚀造成的损失就达到了14亿美元；其中地面管线和设施损失为5.89亿美元，井下管柱损失4.63亿美元，资本支出3.2亿美元[2?3]。电磁检测法由于受管道内介质影响小，对管壁的光滑度要求不高，不但能发现管道各种异常，而且能测量管道的剩余壁厚等优点成为各国学者研究的热点[4?7]。
文献[8?9]通过有限元仿真，发现当电流流过腐蚀区域时，均匀电流将受到扰动，使得电流场的分布发生改变；文献[10]研究了因腐蚀引起电流重新分配而导致测量电压的变化。基于此原理和套管建模仿真，本文提出了场分布扫描法（Field Distribution Scanning Method，FDSM）检测套管腐蚀[11?13]。
1 场分布扫描套管腐蚀检测原理
场分布扫描法首先采用直流电流激励，向套管注入电流并使电流分布稳定，测量管道壁上的电流分布。若套管无腐蚀，则其管壁电阻分布均匀，径向电流密度相等，电流密度曲线将会重合；如果套管存在均匀腐蚀，电流密度会增大，电流密度曲线会平移后重合；如果套管存在非均匀腐蚀，套管介质的非均匀性变化会引起其管壁电流分布的非均匀性变化，管道壁径向各处电流密度不相等，电流密度曲线会发散。其数值反映腐蚀的严重程度，形态反映腐蚀形状和分布。
其次改变激励电流频率，测出不同频率下测量电极间的电位差值，绘制电流密度曲线。根据曲线形态可判断腐蚀处于套管内壁还是外壁，综合多频激励电流下的电流密度曲线形态，进行软件聚焦和数据合成算法，能够将测量结果解释为3D图像。
场分布扫描测量原理如图1所示。
被测套管内部沿其长度方向依次设置与其内壁接触的激励电极A、测量电极C、测量电极D和激励电极B。由A和B向管道注入激励电流测量C和D之间的电位差测量电极C和D之间套管的电流密度δ可根据式（1）求得：
式中：V为C，D电极间的测量电位差；ρ为套管电阻率；L为测量电极间距。
当激励电流为直流信号时，用式（1）计算得到的是管壁的平均电流密度。根据趋肤效应原理，不同频率的激励信号具有不同的壁厚作用深度。电流频率越高，趋肤深度越小。当激励信号频率较高时，电流主要在管壁内表面附近流动，趋肤深度用式（2）计算：
式中：为套管电导率；为激励信号频率；为相对磁导率；为空气磁导率。
一般石油工业钢套管的相对磁导率为40～100 H/m，电阻率范围为Ω·m，套管厚度在5.87～13.84 mm之间。取H/m，S/m。
趋肤深度与激励信号频率的关系如图2所示。
2 腐蚀检测系统设计
场分布扫描套管腐蚀检测系统由套管、电流源、电极系、超低噪声放大器、高精度多通道采集系统和计算机构成，原理框图如图3所示。
电流源产生的直流或高频电流注入激励电极，从另一组激励电极回流。测量电极检测电流均衡区域的两点电位差，经过超低噪声放大器进行调理并提高信噪比，经过高精度多通道采集系统送入计算机进行数据的处理和腐蚀曲线绘制。
2.1 电极阵列
场分布扫描检测套管腐蚀系统的电极系采用四电极。电极系采用三组电极，一组激励电极连接在被检对象两端用于电流注入，两组测量电极连接在被测对象的中间位置，电极间保持一定间距，用于测量电势差。这种电极系的最大优点是能够避免电极极化效应产生的测量误差。此时电流仅流过外端电极，极化在外端电极上产生，中间电极几乎不产生极化现象，能够明显消除两电极法中因为极化而产生的接触电阻。
激励电极为两对，其中为激励电极对，电流从注入套管内壁，流经一段距离，到回路电极在电流均匀区域，采用测量电极测量套管内壁的电压，套管径向平均分布6对测量电极电极阵列如图4所示。
2.2 检测电路设计
腐蚀信号检测电路框图如图5所示。硬件电路由超低噪声放大器、多路转换开关、ADC、主控制器、传输模块和计算机组成。
6对测量电极检测信号经过超低噪声放大器提高信噪比，经多路转换开关分时进入ADC进行采集。DSP作为主控制器控制采集时序，采集数据通过串口转USB模块送入计算机进行计算并绘制电流密度曲线并进行测量结果解释。
3 穿孔实验研究
为了验证场分布扫描检测套管缺陷的可行性，进行以下实验，实验系统如图3所示。激励电极间距为3 m，测量电极间距为0.06 m。在长为4 m，内直径为16.8 cm的金属套管上钻出一个直径为6 mm的穿孔，穿孔位于轴向1.2 m。检测测量电极之间的电位差，观察其与穿孔腐蚀的关系。
向套管激励电极分别注入不同大小的直流电流，在径向测量电极距离穿孔位置分别为-1 cm，-2 cm，-3 cm，1 cm，2 cm和3 cm时，以激励电流大小为横坐标，检测电位差为纵坐标，绘制曲线如图6（a）所示。
由图6（a）可以看出，离穿孔-3 cm和3 cm的检测电位差随着激励电流的增大基本呈线性关系，说明离穿孔较远的电流密度曲线受套管穿孔的影响较小；而离穿孔-2 cm和2 cm的电位差曲线已经开始显现出异常，在激励电流大于6 A时曲线斜率有较大变化；离穿孔-1 cm和1 cm的曲线在电流更小时开始显现非线性，说明此段套管上有腐蚀存在，可进一步采用有限元分析软件绘制电流密度分布曲线确定腐蚀位置。
以径向测量电极距离穿孔位置為横坐标，检测电位差为纵坐标，绘制曲线如图6（b）所示。穿孔附近电位差有明显起伏变化，较远处电位差变化相对很小。激励电流大小与检测的灵敏度有关。当激励电流大于4 A时，腐蚀的可观测性更为明显。
4 结 语
场分布扫描法检测套管腐蚀是向套管内壁注入多频电流，测量电极间电压的变化并绘制电流密度曲线来检测各种腐蚀参数。本文设计了场分布扫描腐蚀检测系统的电极系和数据检测处理电路。为了初步验证场分布扫描法对腐蚀的可检测性，进行了穿孔实验。实验结果表明，场分布扫描法能够检测套管穿孔腐蚀，设计的电极系和检测系统对内直径为16.8 cm的金属套管上直径为6 mm的穿孔有较强的电敏感性。
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[7] 严正国，赵琳，王飞，等.电磁探伤测井技术及其进展[J].石油仪器，2012，26（6）：41?43.
[8] DAALAND A. Modelling of weld corrosion attacks on a pipe geometry for developing an interpretation model from FSM signals [J]. Insight， 1996， 38（6）： 435?439.
[9] FARRELL D M， ROBBINS B J， STALLINGS J， et al. Crack growth monitoring on industrial plant using established electrical resistance scanner technology [J]. Insight?non?destructive testing and condition monitoring， 2008， 50（12）： 690?694.
[10] SPOSITO G， CAWLEY P， NAGY P B. Potential drop mapping for the monitoring of corrosion or erosion [J]. NDT & E international， 2010， 43（5）： 394?402.
[11] YAN zhengguo， ZHAO lin. Research status and development trend of electromagnetic defect detection logging [J]. Applied mechanics and materials， 2013， 325/326： 856?860.
[12] 赵琳.金属套管腐蚀检测方法与技术研究[D].西安：西安石油大学，2013.
[13] 吴银川，张家田，严正国，等.套管缺陷交流阻抗检测与定位方法研究[J].西安石油大学学报（自然科学版），2015，30（6）：101?107.
