固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法
【专利摘要】本发明公开一种固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特点是：（1）确定水泥头的待检测部位；（2）根据水泥头的外形尺寸和待检测部位的数量，确定声发射检测仪器的通道数，并布置声发射检测所需的传感器；（3）对被检水泥头实施两次加压实验，记录加压保压过程中声发射数据，确定声发射源区的活度和强度；（4）依据声发射源的活度和强度，进行声发射源的综合等级评定，确定损伤的危险程度。本发明采用声发射技术对役前、在役水压试验的承压设备进行检测，以做到早期发现承压设备内部存在的各种足以造成性能退化、影响其正常使用的活动性危险缺陷，是评价承压设备结构完整性、避免事故，尤其是灾难性事故发生的有效方法。
【专利说明】固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种固井水泥头损伤的检测方法，特别涉及一种固井水泥头损伤的声 发射检测及评价方法，属于无损检测【技术领域】。本发明通过声发射检测，可对固井水泥头 损伤位置及危险程度进行评估，是评价水泥头结构完整性、避免事故，尤其是灾难性事故发 生的有效方法。
【背景技术】
[0002] 声发射技术在材料和结构的无损检测中占有很重要的地位，是一种材料和构件评 价的新方法，现已成为一种不可缺少的检测手段。声发射（acoustic emission,简称AE) 是指材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以应力波形式释放出应变能的现象。 声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声 发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探 测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。
[0003] 声发射检测也是一种无损检测方法，与超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、 涡流检测、漏磁检测等传统的无损检测方法相比，有以下优点：在一次试验过程中，声发射 检验能够整体探测和评价整个结构中活性损伤的状态；由于对构件的几何形状不敏感，而 适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件；可提供活性损伤随载荷、时间、温度等外变 量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。现有 承压设备无损检测标准提供了声发射检测的概述性方法。
[0004] 固井是整个钻井过程中一个十分重要的环节，固井质量的好坏，直接影响到一口 井能否顺利钻达目的层和进行正常开采作业。在固井作业中，固井水泥头又是该作业必不 可少的工具，水泥头质量的好坏直接影响到固井质量。
[0005] 固井水泥头作业时负荷量大、工况恶劣，属于承压易损耗设备。从其结构特上看， 最容易出现损伤的部位为水泥头主腔体和支管的焊接处，容易出现焊缝开裂、水泥流冲刷 而产生应力疲劳裂纹。所以固井水泥头的安全检测，本质就是金属焊缝和金属疲劳裂纹的 检测。
[0006] 当水泥头出厂加压检验的时候，当其不再含有任何超过标准要求的缺陷时，已经 达到合格条件，但是细小的裂纹潜在的缺陷很容易给焊接件以后的运行带来危害。常规无 损检测方法在水泥头焊缝动态检测上则无能为力。
[0007] 声发射技术是一门新的无损检测技术，它能检测出材料或者结构损伤的动态情 况。声发射技术不需要对水泥头焊缝进行打磨抛光，不会对焊缝造成二次损伤；检测效果不 受焊缝的结构、水泥头结构的影响；一次检测可以评价水泥头整体缺陷的活性。在做水压 (或气压）试验时可用声发射技术对整个水泥头进行检测并定出缺陷所在部位。
[0008] 但固井水泥头加压实验时，水泥头本身的结构以及内部水流的影响都干扰声发射 检测，目前，对于声发射技术用于固井水泥头的检测还没有应用实例。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足，提供一种通过声发射技术对 固井水泥头损伤进行准确检测的无损检测方法。本发明采用声发射技术对役前、在役水压 试验的承压设备进行检测，以做到早期发现承压设备内部存在的各种足以造成性能退化、 影响其正常使用的活动性危险缺陷，是评价承压设备结构完整性、避免事故，尤其是灾难性 事故发生的有效方法。
[0010] 本发明给出的技术方案是：一种固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特 点是包括以下步骤。
[0011] (1)确定水泥头的待检测部位。
[0012] (2)根据水泥头的外形尺寸和待检测部位的数量，确定声发射检测仪器的通道数， 并布置声发射检测所需的传感器。
[0013] (3)对被检水泥头实施两次加压实验，记录加压保压过程中声发射数据，确定声发 射源区的活度和强度。
[0014] (4)依据声发射源的活度和强度，进行声发射源的综合等级评定，确定损伤的危险 程度。
[0015] 其中，对所述水泥头进行两次加压实验中，第二次加压最高试验压力为平时水泥 头工作压力的1. 05?1. 15倍，第一次加压的最高试验压力为第二次的75?85%。
[0016] 其中，步骤（3)声发射源的活度包括：超强活性、强活性、中活性和弱活性，所述声 发射源的活度通过以下方法确定。
[0017] 当所述声发射源区的撞击数随着保压连续出现时，如果所述声发射源区的撞击数 在保压期间的平均增长速率>15个/秒，则所述声发射源为超强活性。
[0018] 如果所述声发射源区的撞击数在保压期间的平均增长速率在[10,15]个/秒之 间，则所述声发射源为强活性。
[0019] 如果所述声发射源区的撞击数在保压期间的平均增长速率在[5, 10]个/秒之间， 则所述声发射源为中活性。
[0020] 如果只在加压阶段撞击数持续增加，在保压阶段撞击数增长速率〈5个/秒，则所 述声发射源为弱活性。
[0021] 步骤（3)声发射源的强度Q可用能量、幅度或计数参数来表示，这里使用幅度参 数。声发射源的强度计算取源区前5个最大的幅度的平均值（幅度参数应根据衰减测量加 以修正）。当声发射源的幅度值> 85dB时，为高强度；幅度值< 65dB时，为低强度；在65dB 和85dB之间时为中强度。
[0022] 当所述声发射源的强度为高强度且活度为超强活性或强活性时，或强度为中强 度且活度为超强活性时，所述声发射源的危险程度为高度危险。
[0023] 当所述声发射源的强度为高强度且活度为中活性时；或强度为中强度且活度为强 活性时，或强度为低强度且活度为超强活性或强活性时，所述声发射源的危险程度为中度 危险。
[0024] 当所述声发射源的强度为中强度或低强度且活度为中活性时，或强度为高强度且 活度为弱活性时，所述声发射源的危险程度为低危险。
[0025] 当所述声发射源的强度为中强度或低强度且活度为弱活性时，所述声发射源的危 险程度为无危险。
[0026] 当所述声发射源的危险程度为无危险或低危险时，所述声发射源不需要复检。
[0027] 当所述声发射源的危险程度为高度危险时，所述声发射源需要复检。
[0028] 当所述声发射源的危险程度为中度危险时，需将保压时间分为三段，考察这三段 时间内撞击增加速率的变化，若是后一段较前一段都是降低，则所述声发射源不需要复检， 否则需要复检。
[0029] 与现有技术相比，本发明给出的技术方案具有如下优点：利用声发射检测技术， 对水泥头内部损伤进行定位与评价，避免相关危险的发生。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1是本发明实例的加压程序图。
[0031] 图2 (a)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击一幅值（通 道1)图。
[0032] 图2 (b)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击一幅值（通 道2)图。
[0033] 图2 (c)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击一幅值（通 道3)图。
[0034] 图2 (d)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击一幅值（通 道4)图。
[0035] 图3 (a)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击-时间（通 道1)图。
[0036] 图3 (b)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击-时间（通 道2)图。
[0037] 图3 (c)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击-时间（通 道3)图。
[0038] 图3 (d)是本发明实例第一次加压保压过程中记录的20Mpa时，撞击-时间（通 道4)图。
[0039] 图4 (a)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击一幅值（通 道1)图。
[0040] 图4 (b)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击一幅值（通 道2)图。
[0041] 图4 (c)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击一幅值（通 道3)图。
[0042] 图4 (d)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击一幅值（通 道4)图。
[0043] 图5 (a)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击-时间（通 道1)图。
[0044] 图5 (b)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击-时间（通 道2)图。
[0045] 图5(c)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击-时间（通道 3)图。
[0046] 图5 (d)是本发明实例第二次加压保压过程中记录的25Mpa时，撞击-时间（通 道4)图。
【具体实施方式】
[0047] 下面将结合附图和实例对本发明实施方案作进一步详细描述。
[0048] 下面以固井水泥头检测为例，利用声发射技术对水泥头损伤进行检测与评价，包 括声发射定位源区活度和强度的划分、声发射源的危险程度评价，包括以下步骤。
[0049] 1.根据水泥头检测的要求，声发射检测系统包括探头（即传感器）、前置放大器、 电缆等，其中传感器谐振响应频率范围推荐在100kHz - 400kHz。
[0050] 2.根据水泥头结构件的特点，在测试前需要对被检测构件进行衰减测量。声发射 检测所需传感器数量，取决于构件大小和所要测量部位的数量。最大传感器间距所对应的 传播衰减，不宜大于预定最小检测信号幅度与检测门槛值之差，例如，门榄值为40dB，预定 最小检测信号幅度为50dB，则其衰减不宜大于10dB。
[0051 ] 3.规定了水泥头声发射检测的加压程序和试验压力。
[0052] (1)加压程序：在压力测试车间中进行两次加压实验，第一次加压试验压力为第 二次加压试验压力的75?85%。
[0053] (2)试验压力：新制造水泥头检测，最高试验压力一般为设计最高工作压力 1. 95?2. 05倍；在役水泥头检测，最高试验压力一般为水泥头实际工作压力的1. 05? 1. 15 倍。
[0054] 4.声发射检测结果的评定。
[0055] (1)声发射源区的确定。
[0056] 采用区域定位，按传感器各监视各区域的方式或按声发射波到达各传感器的次 序，粗略确定声发射源所处的区域，本发明提出声发射定位源区为以传感器为圆心，相邻传 感器间距的一半为半径的圆形区域。
[0057] (2)本发明提出了声发射源的活度划分。
[0058] 当所述声发射源区的撞击数随着保压连续出现时，如果所述声发射源区的撞击数 在保压期间的平均增长速率>15个/秒，则所述声发射源为超强活性；如果所述声发射源区 的撞击数在保压期间的平均增长速率在[10, 15]个/秒之间，则所述声发射源为强活性；如 果所述声发射源区的撞击数在保压期间的平均增长速率在[5, 10]个/秒之间，则所述声发 射源为中活性；如果只在加压阶段撞击数持续增加，在保压阶段撞击数增长速率〈5个/秒， 则所述声发射源为弱活性。
[0059] (3)声发射源的强度划分。
[0060] 源的强度Q用幅度参数来表示。源的强度划分参考表1进行。
[0061] 表1源的强度划分。
【权利要求】
1. 一种固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征是包括以下步骤： (1) 确定水泥头的待检测部位； (2) 根据水泥头的外形尺寸和待检测部位的数量，确定声发射检测仪器的通道数，并布 置声发射检测所需的传感器； (3) 对被检水泥头实施两次加压实验，记录加压保压过程中声发射数据，确定声发射源 区的活度和强度； (4) 依据声发射源的活度和强度，进行声发射源的综合等级评定，确定损伤的危险程 度。
2. 根据权利要求1所述的固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征在于步骤 (2) 中的水泥头主腔体上的焊缝周围布置有传感器，其他部位的传感器布置依据衰减特性 和水泥头尺寸确定。
3. 根据权利要求1所述的固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征在于步骤 (3) 对所述水泥头进行两次加压实验，其中，第二次加压最高试验压力为平时水泥头工作压 力的1. 05?1. 15倍，，第一次加压的最高试验压力为第二次的75?85%。
4. 根据权利要求1所述的固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征在于步骤 (3)声发射源的活度包括：超强活性、强活性、中活性和弱活性，声发射源的活度评判依据 保压期间传感器接收到声发射信号的总撞击数的平均增长速率。
5. 根据权利要求1所述的固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征在于步骤 (3)的声发射源的强度包括低强度、中强度和高强度，声发射源的强度的评定依据采集到的 声发射信号的幅度参数值。
6. 根据权利要求4或5所述的固井水泥头损伤的声发射检测及评价方法，其特征在于 声发射源的评定参数为： 当所述声发射源的强度为高强度且活度为超强活性或强活性时，或强度为中强度且 活度为超强活性时，所述声发射源的危险程度为高度危险； 当所述声发射源的强度为高强度且活度为中活性时，或强度为中强度且活度为强活 性时，或强度为低强度且活度为超强活性或强活性时，所述声发射源的危险程度为中度危 险； 当所述声发射源的强度为中强度或低强度且活度为中活性时，或强度为高强度且活 度为弱活性时，所述声发射源的危险程度为低危险； 当所述声发射源的强度为中强度或低强度且活度为弱活性时，所述声发射源的危险程 度为无危险。
7. 根据权利要求6所述的声发射源的等级评定结果，其特征在于， 当所述声发射源的危险程度为无危险或低危险时，所述声发射源不需要复检； 当所述声发射源的危险程度为高度危险时，所述声发射源需要复检； 当所述声发射源的危险程度为中度危险时，需将保压时间分为三段，考察这三段时间 内撞击增加速率的变化，若是后一段较前一段都是降低，则所述声发射源不需要复检，否则 需要复检。
【文档编号】G01N29/14GK104251884SQ201310261503
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】于洋, 杨平, 马佳良 申请人:沈阳工业大学