超声波法测量套管应力

　　近年来,我国油田套管损坏速度呈直线上升趋势,有的井不到一年时间,甚至刚完井1个月便发生了套管损坏,给油田生产带来重大损失。造成套管损坏(套损)的原因有多种,大多数情况下是若干因素综合作用的结果,再加上一些不可预知的随机因素影响,因此需要对引起套损的直接原因)))套管应力场的变化进行监测来预防套损的发生。

　　检测应力的方法主要有光弹法、超声法、磁性法、X射线法和核磁共振法等。其中X射线法历史悠久,技术成熟,但只能无损测量金属表面的应力;磁性法具有一定测量精度,但只能测量磁性材料,且受材料种类、组织状态及温度等影响较大;核磁法精度高,但设备昂贵,所需条件复杂。而超声法测应力具有测量时间短、仪器轻便、无公害,在一定条件下,既可测材料表面应力也可测内部应力等优点[1,2]。超声波法是利用声波在固体中的传播速度与固体中的应力有关的原理,通过测量固体中的声速变化来确定其应力分布或变化情况的方法。目前对套管尚无专用的超声波应力测定仪,但在航空和核工业等领域已有应用超声波法测量材料应力的仪器和设备[3]。用该仪器所做试验结果表明,声速与套管的应力变化有较明确的对应关系,如只测材料的单轴应力,则只测材料的纵横声速即可。

　　1 超声波法测量材料应力原理

　　材料弹性模量是表征材料力学性质的基本量。只有精确测量材料弹性模量,才能得到材料应力。超声波法是通过测量材料的声速变化来测量其弹性模量的,而材料应力变化与弹性模量的变化有直接对应关系。超声波法正是利用这一原理来实现应力测量的。

　　1.1 超声波法测量材料的弹性模量

　　设声波方向X1与加载方向X3垂直,在加载方向上应力为R33,根据Murnaghan线原理可给出与二阶弹性模量和三阶弹性模量有关的Lame常数K,L和Murnaghan常数l,m,n的声弹公式[4]

　　式中：

　　ρ0—材料在无应力状态下的密度

　　vL0—材料在无应力状态下的纵波声速

　　vT0—材料在无应力状态下的横波声速

　　ρ—材料在应力σ33作用下的密度

　　vL—材料在应力σ33作用下的纵波自然声速

　　vT2,vT3—材料在应力σ33作用下垂直于和平行于应力方向的偏振横波自然声速.

　　式中：

　　v—自然声速

　　d(σ33=0—样品无应力时的厚度

　　t(σ33—样品在R33作用下声波厚度方向在样品中的传播时间

　　K,μ,l,m,n和材料二、三阶弹性常数的关系式为