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油田套管超聲探傷技術研究

文檔作者：盧立維文檔來源：中石化勝利油田分公司物資供應處物資檢驗所		點擊數：	更新時間： 2025年09月22日
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2013 年第4 期
油田套管超聲探傷技術研究
盧立維(中石化勝利油田分公司物資供應處物資檢驗所山東東營257000)
摘要:在石油開采過程中，需要用到大量的套管，套管是油井生產重要材料。近年來隨著油田油井數量的增多，使
用套管數量也在不斷的增加。油田套管的質量缺陷會影響到油田的正常生產，嚴重的會給油田帶來巨大的經濟損失。
文中通過調研分析，研究了套管超聲波探傷的原理方法，并且研究了一種新型的超聲波復合探頭技術。通過研究對于
提高油田套管的探傷質量具有重要的意義。
關鍵詞:油田套管超聲波探傷探頭精度
套管在石油開采中發揮著巨大的作用， 由于套管在制造時
經常會出現部分疏松或者有雜質的現象， 容易引起套管內部裂
紋和孔隙的產生，在使用的過程中容易發生安全事故。因此需要
加強油田套管的檢測技術研究， 超聲波檢測是目前常用的套管
檢測方法之一， 超聲波檢測技術利用超聲波的反射和折射等特
性可以實現套管損傷的監測，超聲波探傷技術以其應用范圍大、
精度高、費用低、操作簡單、安全等優點，已經被普遍的應用各個
行業部件的探傷。
1.套管超聲波探傷方法研究
套管超聲波探傷技術是利用超聲波在傳輸過程中的反射和
折射規律來進行探傷的，當超聲波傳輸到套管表面時，在套管的
表層會發生超聲波的折射和反射現象， 超聲波的折射和反射規
律和光的折射反射規律一致，當超聲波折射到套管內部時，就會
在套管內壁和外壁之間來回的反射。套管內部如果出現裂紋和
孔隙，這些裂紋和孔隙可以作為一個新的波源，波源反射的超聲
波將會被超聲波接受探頭接受。如果套管內部沒有損壞，探頭則
接收不到相應的反射波。通過對探頭接受到的回波信號分析，可
以確定套管內部損壞程度的大小。橫向超聲波探傷技術，主要用
來探傷套管的橫向損壞，通過將探頭對準套管的中心，在套管的
上部以一定的角度， 利用超聲波發射探頭向套管表面發射超聲
波，超聲波會在套管內外壁之間來回的反射， 通過對每個點發射
波信號的強弱分析，就可以判斷出該位置套管是否發生損壞。同
時還可以確定在橫向方向上套管內部損壞程度的大小。縱向超
聲波探傷技術主要是用來探測套管內部圓周方向的套管損傷，
該方法在套管圓周截面上， 超聲波探頭和套管截面存在一定的
角度，超聲波發射探頭在套管的上部發射超聲波，超聲波會在套
管截面方向上，在套管的內外壁之間來回的反射，由于截面形狀
因素的限制，探頭發射的超聲波會被探頭接受一部分，其余大部
分還是入射到套管內部中。接觸式超聲波套管探傷技術主要指
的是將測量探頭直接和套管接觸， 這種方式可以保證探頭和套
管良好的連接，在探頭的設計中要保證探頭和套管的良好接觸，
需要根據套管的曲率半徑來設計相應曲率半徑的探頭， 從而保
證探頭和套管表面良好的耦合， 同時在套管和探頭之間要涂抹
相應的超聲波耦合劑。這種探頭和套管直接接觸的方式，超聲波
的能量損失小，因此監測的范圍相對大一些。但是該方法在操作
的過程中，受到人為操作方式限制，超聲波入射套管方式差別較
大，造成了套管內超聲波各種波形的混雜，從而降低了超聲波探
傷的精度。套管的半徑越小，這種現象越明顯，因此該類型的探
傷方法不適合小直徑的套管探傷。水浸法超聲波探測技術的探
頭和套管不直接接觸，而是利用水作為套管和探頭的耦合劑，在
探測的過程中，將套管浸到水中。該技術可以避免探頭和套管的
直接接觸，從而有效的減少了探頭的損壞，同時該方法可以使用
大功率的超聲波探頭，而且適用于套管的自動化探傷，極大的減
少了套管探傷的時間，提高了探傷的效率。該方法采用的耦合劑
為水，不需要特殊的耦合劑，使用成本低，因此得到了廣泛的應
用。但是由于該方法探頭和套管不直接接觸，超聲波在水中傳播
時會損耗一定的能量，到達套管的超聲波能量不是很高，該技術
超聲波探頭檢測的范圍要相對的小一些， 為了能夠保證超聲波
探傷能夠完全的監測整個套管表面，需要將套管不斷的旋轉，該
方法的使用需要配備相應的機械設備。局部水浸超聲探測探傷
技術指的是將待監測的套管一部分放入到水中， 再把超聲波探
頭放到水中或者部分放到水中， 這種方式可以節約大量的水資
源，而且在探傷的過程中，套管放到水中的時間較短，減少了套
管在水中的浸泡時間。這種方式也是利用水作為耦合劑，超聲波
在水中傳輸時能量會衰減， 所以該方法也不能一次完全的將套
管整個表面檢查完， 需要一定的機械裝置來輔助移動和轉動套
管。
2.新型套管超聲探傷復合探頭技術研究
在套管超聲波探傷的過程中， 套管的探傷速率是探頭設計
的重要參數，在利用自動套管超聲探傷技術中，通常情況下采用
的是螺旋式前進方式，通過研究可以得到，探頭的探傷速度和探
傷的螺旋間距以及探頭的檢測范圍有關，在探傷的過程中，探頭
在橫向上的探傷面積和縱向的探傷面積不同， 探頭在橫向上的
監測面積要比縱向上的監測面積要大， 在本設計中探頭的橫向
監測范圍為縱向的監測范圍的兩倍， 這樣可以提高套管超聲探
傷的效率。超聲波探頭的探測范圍和探頭的形狀也有很大關系，
我們改變了探頭晶片的參數，提高了探頭的探測范圍，將現有的
探頭晶片分成的兩部分，將其對稱的放置。套管超聲探傷探頭的
頻率和套管的組成、制造工藝、探頭結構參數等有關，因此需要
綜合考慮影響探頭頻率的各種因素。在使用焦點探頭時，探頭的
頻率增加，會導致超聲波束焦距的減小，這樣可以提高薄壁套管
的檢測精度，對于厚壁的套管探測的精度要相對降低。而且當探
頭的焦距減小時，探傷的速度也會相應的減小。因此不能盲目的
增加超聲波探傷探頭的頻率， 要根據實際條件確定合適的探頭
頻率，本設計采用的探頭頻率為四兆赫茲。超聲波在入射到套管
表面時，一部分的超聲波會反射到水中，另外一部分的超聲波會
折射到套管中，當超聲波以不同的角度入射時，折射后套管中的
折射波也不同， 通過實驗可以得到當超聲波的折射角為四十度
時，超聲波的透射能量最高，因此選擇該角度相對應的入射角為
20°。
3 結束語
油田套管的探傷是保證套管質量， 減少油氣生產事故的有
效途徑，因此需要加強油田套管超聲探傷技術研究，文章研究了
套管超聲探傷技術的原理方法， 并且提出了一種新型的超聲波
探傷探頭技術，確定了該套管超聲探頭的關鍵參數。通過研究提
高了油田套管探傷的精度， 對于促進油田的安全穩定生產具有
一定的意義。
參考文獻
[1] 沈里亞.超聲波探傷原理及其應取[M].北京：機械工業出
版社，1982.
[2] 朱曉恒.超聲探傷技術在無損檢測中的應用[J].現代電子
技術，2010.
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