固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法
【專利摘要】本發明公開一種固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特點是：（1）確定水泥頭的待檢測部位；（2）根據水泥頭的外形尺寸和待檢測部位的數量，確定聲發射檢測儀器的通道數，并布置聲發射檢測所需的傳感器；（3）對被檢水泥頭實施兩次加壓實驗，記錄加壓保壓過程中聲發射數據，確定聲發射源區的活度和強度；（4）依據聲發射源的活度和強度，進行聲發射源的綜合等級評定，確定損傷的危險程度。本發明采用聲發射技術對役前、在役水壓試驗的承壓設備進行檢測，以做到早期發現承壓設備內部存在的各種足以造成性能退化、影響其正常使用的活動性危險缺陷，是評價承壓設備結構完整性、避免事故，尤其是災難性事故發生的有效方法。
【專利說明】固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種固井水泥頭損傷的檢測方法，特別涉及一種固井水泥頭損傷的聲 發射檢測及評價方法，屬于無損檢測【技術領域】。本發明通過聲發射檢測，可對固井水泥頭 損傷位置及危險程度進行評估，是評價水泥頭結構完整性、避免事故，尤其是災難性事故發 生的有效方法。

【背景技術】
[0002] 聲發射技術在材料和結構的無損檢測中占有很重要的地位，是一種材料和構件評 價的新方法，現已成為一種不可缺少的檢測手段。聲發射（acoustic emission,簡稱AE) 是指材料或結構受外力或內力作用產生變形或斷裂，以應力波形式釋放出應變能的現象。 聲發射是一種常見的物理現象，大多數材料變形和斷裂時有聲發射發生，但許多材料的聲 發射信號強度很弱，人耳不能直接聽見，需要借助靈敏的電子儀器才能檢測出來，用儀器探 測、記錄、分析聲發射信號和利用聲發射信號推斷聲發射源的技術稱為聲發射技術。
[0003] 聲發射檢測也是一種無損檢測方法，與超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、 渦流檢測、漏磁檢測等傳統的無損檢測方法相比，有以下優點：在一次試驗過程中，聲發射 檢驗能夠整體探測和評價整個結構中活性損傷的狀態；由于對構件的幾何形狀不敏感，而 適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件；可提供活性損傷隨載荷、時間、溫度等外變 量而變化的實時或連續信息，因而適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報。現有 承壓設備無損檢測標準提供了聲發射檢測的概述性方法。
[0004] 固井是整個鉆井過程中一個十分重要的環節，固井質量的好壞，直接影響到一口 井能否順利鉆達目的層和進行正常開采作業。在固井作業中，固井水泥頭又是該作業必不 可少的工具，水泥頭質量的好壞直接影響到固井質量。
[0005] 固井水泥頭作業時負荷量大、工況惡劣，屬于承壓易損耗設備。從其結構特上看， 最容易出現損傷的部位為水泥頭主腔體和支管的焊接處，容易出現焊縫開裂、水泥流沖刷 而產生應力疲勞裂紋。所以固井水泥頭的安全檢測，本質就是金屬焊縫和金屬疲勞裂紋的 檢測。
[0006] 當水泥頭出廠加壓檢驗的時候，當其不再含有任何超過標準要求的缺陷時，已經 達到合格條件，但是細小的裂紋潛在的缺陷很容易給焊接件以后的運行帶來危害。常規無 損檢測方法在水泥頭焊縫動態檢測上則無能為力。
[0007] 聲發射技術是一門新的無損檢測技術，它能檢測出材料或者結構損傷的動態情 況。聲發射技術不需要對水泥頭焊縫進行打磨拋光，不會對焊縫造成二次損傷；檢測效果不 受焊縫的結構、水泥頭結構的影響；一次檢測可以評價水泥頭整體缺陷的活性。在做水壓 (或氣壓）試驗時可用聲發射技術對整個水泥頭進行檢測并定出缺陷所在部位。
[0008] 但固井水泥頭加壓實驗時，水泥頭本身的結構以及內部水流的影響都干擾聲發射 檢測，目前，對于聲發射技術用于固井水泥頭的檢測還沒有應用實例。


【發明內容】

[0009] 本發明的目的在于解決現有技術存在的上述不足，提供一種通過聲發射技術對 固井水泥頭損傷進行準確檢測的無損檢測方法。本發明采用聲發射技術對役前、在役水壓 試驗的承壓設備進行檢測，以做到早期發現承壓設備內部存在的各種足以造成性能退化、 影響其正常使用的活動性危險缺陷，是評價承壓設備結構完整性、避免事故，尤其是災難性 事故發生的有效方法。
[0010] 本發明給出的技術方案是：一種固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特 點是包括以下步驟。
[0011] (1)確定水泥頭的待檢測部位。
[0012] (2)根據水泥頭的外形尺寸和待檢測部位的數量，確定聲發射檢測儀器的通道數， 并布置聲發射檢測所需的傳感器。
[0013] (3)對被檢水泥頭實施兩次加壓實驗，記錄加壓保壓過程中聲發射數據，確定聲發 射源區的活度和強度。
[0014] (4)依據聲發射源的活度和強度，進行聲發射源的綜合等級評定，確定損傷的危險 程度。
[0015] 其中，對所述水泥頭進行兩次加壓實驗中，第二次加壓最高試驗壓力為平時水泥 頭工作壓力的1. 05?1. 15倍，第一次加壓的最高試驗壓力為第二次的75?85%。
[0016] 其中，步驟（3)聲發射源的活度包括：超強活性、強活性、中活性和弱活性，所述聲 發射源的活度通過以下方法確定。
[0017] 當所述聲發射源區的撞擊數隨著保壓連續出現時，如果所述聲發射源區的撞擊數 在保壓期間的平均增長速率>15個/秒，則所述聲發射源為超強活性。
[0018] 如果所述聲發射源區的撞擊數在保壓期間的平均增長速率在[10,15]個/秒之 間，則所述聲發射源為強活性。
[0019] 如果所述聲發射源區的撞擊數在保壓期間的平均增長速率在[5, 10]個/秒之間， 則所述聲發射源為中活性。
[0020] 如果只在加壓階段撞擊數持續增加，在保壓階段撞擊數增長速率〈5個/秒，則所 述聲發射源為弱活性。
[0021] 步驟（3)聲發射源的強度Q可用能量、幅度或計數參數來表示，這里使用幅度參 數。聲發射源的強度計算取源區前5個最大的幅度的平均值（幅度參數應根據衰減測量加 以修正）。當聲發射源的幅度值> 85dB時，為高強度；幅度值< 65dB時，為低強度；在65dB 和85dB之間時為中強度。
[0022] 當所述聲發射源的強度為高強度且活度為超強活性或強活性時，或強度為中強 度且活度為超強活性時，所述聲發射源的危險程度為高度危險。
[0023] 當所述聲發射源的強度為高強度且活度為中活性時；或強度為中強度且活度為強 活性時，或強度為低強度且活度為超強活性或強活性時，所述聲發射源的危險程度為中度 危險。
[0024] 當所述聲發射源的強度為中強度或低強度且活度為中活性時，或強度為高強度且 活度為弱活性時，所述聲發射源的危險程度為低危險。
[0025] 當所述聲發射源的強度為中強度或低強度且活度為弱活性時，所述聲發射源的危 險程度為無危險。
[0026] 當所述聲發射源的危險程度為無危險或低危險時，所述聲發射源不需要復檢。
[0027] 當所述聲發射源的危險程度為高度危險時，所述聲發射源需要復檢。
[0028] 當所述聲發射源的危險程度為中度危險時，需將保壓時間分為三段，考察這三段 時間內撞擊增加速率的變化，若是后一段較前一段都是降低，則所述聲發射源不需要復檢， 否則需要復檢。
[0029] 與現有技術相比，本發明給出的技術方案具有如下優點：利用聲發射檢測技術， 對水泥頭內部損傷進行定位與評價，避免相關危險的發生。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明實例的加壓程序圖。
[0031] 圖2 (a)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊一幅值（通 道1)圖。
[0032] 圖2 (b)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊一幅值（通 道2)圖。
[0033] 圖2 (c)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊一幅值（通 道3)圖。
[0034] 圖2 (d)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊一幅值（通 道4)圖。
[0035] 圖3 (a)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊-時間（通 道1)圖。
[0036] 圖3 (b)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊-時間（通 道2)圖。
[0037] 圖3 (c)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊-時間（通 道3)圖。
[0038] 圖3 (d)是本發明實例第一次加壓保壓過程中記錄的20Mpa時，撞擊-時間（通 道4)圖。
[0039] 圖4 (a)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊一幅值（通 道1)圖。
[0040] 圖4 (b)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊一幅值（通 道2)圖。
[0041] 圖4 (c)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊一幅值（通 道3)圖。
[0042] 圖4 (d)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊一幅值（通 道4)圖。
[0043] 圖5 (a)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊-時間（通 道1)圖。
[0044] 圖5 (b)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊-時間（通 道2)圖。
[0045] 圖5(c)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊-時間（通道 3)圖。
[0046] 圖5 (d)是本發明實例第二次加壓保壓過程中記錄的25Mpa時，撞擊-時間（通 道4)圖。

【具體實施方式】
[0047] 下面將結合附圖和實例對本發明實施方案作進一步詳細描述。
[0048] 下面以固井水泥頭檢測為例，利用聲發射技術對水泥頭損傷進行檢測與評價，包 括聲發射定位源區活度和強度的劃分、聲發射源的危險程度評價，包括以下步驟。
[0049] 1.根據水泥頭檢測的要求，聲發射檢測系統包括探頭（即傳感器）、前置放大器、 電纜等，其中傳感器諧振響應頻率范圍推薦在100kHz - 400kHz。
[0050] 2.根據水泥頭結構件的特點，在測試前需要對被檢測構件進行衰減測量。聲發射 檢測所需傳感器數量，取決于構件大小和所要測量部位的數量。最大傳感器間距所對應的 傳播衰減，不宜大于預定最小檢測信號幅度與檢測門檻值之差，例如，門欖值為40dB，預定 最小檢測信號幅度為50dB，則其衰減不宜大于10dB。
[0051 ] 3.規定了水泥頭聲發射檢測的加壓程序和試驗壓力。
[0052] (1)加壓程序：在壓力測試車間中進行兩次加壓實驗，第一次加壓試驗壓力為第 二次加壓試驗壓力的75?85%。
[0053] (2)試驗壓力：新制造水泥頭檢測，最高試驗壓力一般為設計最高工作壓力 1. 95?2. 05倍；在役水泥頭檢測，最高試驗壓力一般為水泥頭實際工作壓力的1. 05? 1. 15 倍。
[0054] 4.聲發射檢測結果的評定。
[0055] (1)聲發射源區的確定。
[0056] 采用區域定位，按傳感器各監視各區域的方式或按聲發射波到達各傳感器的次 序，粗略確定聲發射源所處的區域，本發明提出聲發射定位源區為以傳感器為圓心，相鄰傳 感器間距的一半為半徑的圓形區域。
[0057] (2)本發明提出了聲發射源的活度劃分。
[0058] 當所述聲發射源區的撞擊數隨著保壓連續出現時，如果所述聲發射源區的撞擊數 在保壓期間的平均增長速率>15個/秒，則所述聲發射源為超強活性；如果所述聲發射源區 的撞擊數在保壓期間的平均增長速率在[10, 15]個/秒之間，則所述聲發射源為強活性；如 果所述聲發射源區的撞擊數在保壓期間的平均增長速率在[5, 10]個/秒之間，則所述聲發 射源為中活性；如果只在加壓階段撞擊數持續增加，在保壓階段撞擊數增長速率〈5個/秒， 則所述聲發射源為弱活性。
[0059] (3)聲發射源的強度劃分。
[0060] 源的強度Q用幅度參數來表示。源的強度劃分參考表1進行。
[0061] 表1源的強度劃分。

【權利要求】
1. 一種固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征是包括以下步驟： (1) 確定水泥頭的待檢測部位； (2) 根據水泥頭的外形尺寸和待檢測部位的數量，確定聲發射檢測儀器的通道數，并布 置聲發射檢測所需的傳感器； (3) 對被檢水泥頭實施兩次加壓實驗，記錄加壓保壓過程中聲發射數據，確定聲發射源 區的活度和強度； (4) 依據聲發射源的活度和強度，進行聲發射源的綜合等級評定，確定損傷的危險程 度。
2. 根據權利要求1所述的固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征在于步驟 (2) 中的水泥頭主腔體上的焊縫周圍布置有傳感器，其他部位的傳感器布置依據衰減特性 和水泥頭尺寸確定。
3. 根據權利要求1所述的固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征在于步驟 (3) 對所述水泥頭進行兩次加壓實驗，其中，第二次加壓最高試驗壓力為平時水泥頭工作壓 力的1. 05?1. 15倍，，第一次加壓的最高試驗壓力為第二次的75?85%。
4. 根據權利要求1所述的固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征在于步驟 (3)聲發射源的活度包括：超強活性、強活性、中活性和弱活性，聲發射源的活度評判依據 保壓期間傳感器接收到聲發射信號的總撞擊數的平均增長速率。
5. 根據權利要求1所述的固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征在于步驟 (3)的聲發射源的強度包括低強度、中強度和高強度，聲發射源的強度的評定依據采集到的 聲發射信號的幅度參數值。
6. 根據權利要求4或5所述的固井水泥頭損傷的聲發射檢測及評價方法，其特征在于 聲發射源的評定參數為： 當所述聲發射源的強度為高強度且活度為超強活性或強活性時，或強度為中強度且 活度為超強活性時，所述聲發射源的危險程度為高度危險； 當所述聲發射源的強度為高強度且活度為中活性時，或強度為中強度且活度為強活 性時，或強度為低強度且活度為超強活性或強活性時，所述聲發射源的危險程度為中度危 險； 當所述聲發射源的強度為中強度或低強度且活度為中活性時，或強度為高強度且活 度為弱活性時，所述聲發射源的危險程度為低危險； 當所述聲發射源的強度為中強度或低強度且活度為弱活性時，所述聲發射源的危險程 度為無危險。
7. 根據權利要求6所述的聲發射源的等級評定結果，其特征在于， 當所述聲發射源的危險程度為無危險或低危險時，所述聲發射源不需要復檢； 當所述聲發射源的危險程度為高度危險時，所述聲發射源需要復檢； 當所述聲發射源的危險程度為中度危險時，需將保壓時間分為三段，考察這三段時間 內撞擊增加速率的變化，若是后一段較前一段都是降低，則所述聲發射源不需要復檢，否則 需要復檢。
【文檔編號】G01N29/14GK104251884SQ201310261503
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】于洋, 楊平, 馬佳良 申請人:沈陽工業大學