一种油气井套管与油管之间的缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种油气井套管与油管之间的缺陷检测装置及方法，属于油气井套管和油管之间环腔的检测领域。

背景技术

石油被视为工业的生命线，对于推动国家经济和社会发展至关重要。在油气生产过程中，建立起套管和油管等油气生产通道是必不可少的。然而，这些通道存在腐蚀、材料老化等风险，可能导致通道无法正常运行，进而引发非计划停工，给国家带来巨大的损失。随着智能视觉检测技术兴起，该技术具有高度自动化、快速高效、并且能够实现缺陷的可视化等特点，从而提高了检测的准确性和效率。由于油气井套管和油管之间检测场景以及在高温高压的水下工作环境，目前为止还没有专业的适配的测试装置。因此，研发一种能够在高温高压水下工况下的智能视觉检测装置非常必要。

目前已知的检测手段，包括超声波检测、漏磁检测、涡流检测以及射线检测技术等非视觉方式，但由于实际检测场境与上述方法都不太适用以及不能将缺陷进行可视化分析。为了克服高温高压以及油气井套管与油管之间水下工况的视觉检测问题，本发明预期提供一种油气井套管与油管之间的缺陷检测装置，以解决针对油气井套管与油管之间环腔内，高温、高压和水中工作场景的缺陷视觉检测问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气井套管与油管之间的缺陷检测装置，解决针对油气井套管与油管之间环腔内，高温、高压和水中工作场景的缺陷视觉检测问题，克服高温高压以及油气井套管与油管之间水下工况的视觉检测问题。

本发明提供的油气井套管与油管之间的缺陷检测装置，包括耐高压与防爆结构、耐高温与热平衡结构、抗拉与耐磨结构、激光传感器固定结构、相机镜头组装体和远距离通讯结构；

所述耐高压与防爆结构包括由不锈钢管和石英管形成的圆形管，所述圆形管的两端封口设置；所述不锈钢管位于所述石英管上部；

所述相机镜头组装体和所述激光传感器固定结构设于所述圆形管内，且所述激光传感器固定结构位于所述石英管内；

所述耐高温与热平衡结构包括设于所述不锈钢管内壁上的隔热层和半导体制冷片，所述半导体冷却片对所述相机镜头组装体中的相机表面进行冷却；所述半导体冷却片的另一端接触散热片，所述散热片位于所述不锈钢管的开口处且密封所述不锈钢管；

所述抗拉与耐磨结构包括装置通道，为一环空腔体，用于通电源线与光纤；所述抗拉与耐磨结构设于所述不锈钢管的上部；

所述激光传感器固定结构设于所述石英管内，其激光发射口对应所述石英管的透明板窗口；

所述远距离通讯结构包括光纤、光电转换模块，所述光电转换模块的一端连接光纤，另一端连接所述相机。

本发明缺陷检测装置中，所述不锈钢管与所述石英管之间通过螺纹固定连接，连接处涂上密封胶水；

基于两者构成的小型外壳装置竖直放入油套管狭小环腔内；

所述不锈钢管的承受压力计算公式如下：

其中，d为不锈钢管壁厚、σ为钢管材质抗拉强度；D为不锈钢外径。通过理论计算得到的3mm的不锈钢壁厚耐压满足5Mpa的要求；

进一步地，当压强为5Mpa时，石英管的应力计算公式如下：

其中，σ为应力值，P为承受压强，R为外径，d为壁厚；通过理论计算得到5mm壁厚的石英管的应力值满足石英管安全应力值范围。

所述隔热层优选为多孔真硅隔热层，其导热系数低至0.01。

本发明缺陷检测装置中，所述相机镜头组装体的相机径管外贴附有环形铜片；

所述环形铜片连接一导热热管，所述导热热管的另一端与散热片的底端接触；

所述半导体冷却片与所述散热片之间依次设置导热硅脂和铜板；

所述半导体制冷片的最大产热功率不到30w，所述导热热管的导热功率为50w，可以对密闭腔体里的热量进行有效转移。

本发明缺陷检测装置中，所述相机镜头组装体的结构如下：

相机径管的上部依次设置聚焦环和相机镜头，下部依次设置光源和双曲面反射球，光源以一定的倾斜角度穿过毛玻璃罩均匀地照射周围，反射光经过双曲面折射进相机的感光芯片，在狭小环腔内完成360°视觉成像。

本发明缺陷检测装置中，所述装置通道上设有环扣，凯夫拉绳索通过所述环扣对所述装置通道进行牵拉；由于在狭小的环腔内，在保护壳表面贴上聚四氟乙烯膜，防止装置与管壁的摩擦；

水下电缆总长500米，电源线光纤整体包装在电缆里，电缆底端连接到通道装置里。

本发明缺陷检测装置中，所述石英管的底部设有一卡槽，激光传感器固定于所述卡槽上；

所述卡槽通过紧固件固定于所述石英管内；

所述石英管的底部为弧形底座；

所述紧固件通过螺丝固定于所述石英管上。

所述远距离通讯结构先通过使用500米的光纤进行信号传输，再通过光电转换模块对信号进行转换，网线一端连接相机网口，另一端连接光电转换模块。

在所述缺陷检测装置的基础上，本发明还提供了一种油气井套管与油管之间的缺陷检测方法，包括如下步骤：

相机通过光源对外界照射，反射光线通过双曲面折射进相机的感光芯片完成成像。

具体地，按照下述步骤组装所述缺陷检测装置：

S1、将所述不锈钢管与所述石英管进行螺纹固定连接，同时在连接处涂上密封胶水；

S2、装配相机镜头，在光源上方相机径管表面涂导热硅脂，再贴附环形铜片；

S3、将导热热管插进所述环形铜片，另一端穿过相机镜头腔体连接到散热片底端；

S4、水下电缆底端与防水接头连接，电源线、光纤等穿过所述防水接头引进装置通道里，通过空腔引进相机保护壳中；

S5、将激光传感器放置于卡槽中并固定，使激光发射口正对应透明板，激光传感器所在空间与相机镜头所在空间进行螺纹连接；

S6、半导体制冷片的冷端贴在相机表面，热端表面贴上导热硅脂和铜板；

S7、导热热管一端插进所述铜板里，另一端连至所述散热片底端；

S8、将所述散热片顶端通过螺纹固定连接，连通所述装置通道里的通道；

S9、水下电缆表面附着的凯夫拉绳索穿过所述装置通道外壁的绳索环扣，对所述检测装置进行牵拉；

S10、通过光纤电源线与光电转化模块连接好后进行供电通讯。

本发明具有如下有益技术效果：

基于在38mm宽度的狭小油气井环腔内的视觉检测场景，本发明装置在尺寸规格完全适配此检测场景的基础上，通过在镜头底端添加球面镜，相较于普通镜头的发散角度实现了此装置更大视野的成像规模，从而能够呈现出环腔内部四周的完整信息,并且通过实验测得检测精度优于0.5μm；另外，相机与传感器的信号均通过光电转换模块将电信号转化为光信号，利用光纤实现油气井井下几千米的信号传输。本发明装置内部的散热解决方式为，散热片与外界热流形成近乎水冷形式，通过散热片接触制冷片的热端进行热的传递，同时冷端通过增大与密闭空间的空气接触面积实现相机的正常工作的温度范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的油套管与油管之间的缺陷检测装置中的相机镜头组装体的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的油套管与油管之间的缺陷检测装置中的热平衡结构的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的油套管与油管之间的缺陷检测装置中的耐高压与防爆结构的剖视图。

图4为本发明实施例提供的油套管与油管之间的缺陷检测装置中的抗拉与耐磨结构的示意图。

图5为本发明实施例提供的油套管与油管之间的激光传感器固定结构的示意图。

图6为本发明实施例提供的油套管与油管之间的远距离信号传输示意图。

图7为本发明实施例提供的油套管与油管之间的缺陷检测装置的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的压强仿真与散热实验模拟仿真示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明中实施例提供的一种油套管与油管之间的缺陷检测装置中的相机镜头组装体结构图，结构为：相机105规格18*20*100mm，装配并调整聚焦环104好放入腔体里，相机径管103长110mm，径管下方有柱形光源102，光源下方有双曲面101反射球。光源以一定的倾斜角度穿过毛玻璃罩均匀地照射周围，反射光经过双曲面折射进相机的感光芯片，在狭小环腔内完成360°视觉成像。

参阅图2，图2是本发明中实施例提供的一种油套管与油管之间的缺陷检测装置中的热平衡设计示意图，结构为：油气井套管与油管之间的缺陷检测装置中的热平衡设计为：相机自身携带的光源上方的相机径管103(20mm)表面涂上一层导热硅脂，接着在硅脂的表面在贴上环形铜片205；在环形铜片里插入导热热管204，导热热管204的另一端接触到散热片202的底端。相机表面热量的散热方式为：将半导体制冷片203的冷端贴在相机105表面，热端表面附着一层导热硅脂，在导热硅脂表面附着一层铜板201接触；导热热管204一端插进铜板，另一端接触到散热片202底端。

参阅图3，图3为本发明中一种油套管与油管之间的缺陷检测装置中的耐高压与防爆设计剖视图，结构为：油气井套管与油管缺陷检测装置中的耐高压防爆设计是由不锈钢管304、石英管302组成，不锈钢管与石英管进行螺纹固定连接，形成的腔体一303空间能让相机镜头进行摆放，腔体二306摆放激光传感器，与腔体一用挡板隔开305，挡板上下能够进行引线，激光穿过透明板301进行测距。

参阅图4，图4为本发明中油套管与油管之间的缺陷检测装置中的抗拉与耐磨设计结构图，结构为：装置通道401内部是环空腔体，用于通电源线与光纤，腔体上方固定有2个环扣405，用于凯夫拉绳索404进行牵拉；并且有防水接头402，水下电缆403底端与防水接头密接固定，引进电源线光纤到腔体里，通道装置与散热片406上端连接。

参阅图5，图5为本发明中油套管与油管之间的激光传感器固定结构图，结构为：激光传感器503的空腔里底端设置一个卡槽505，卡槽两端各有一个紧固件504；紧固件各有螺丝502进行紧固，下端有一个固定底座501，整个空间与相机镜头腔体固定相连接。

参阅图6，图6为本发明中油套管与油管之间的远距离信号传输示意图，结构为：通过使用500米的光纤604进行信号传输，再通过光电转换模块603对信号进行转换，网线605一端连接相机601网口，另一端连接转换模块，电源线602对转化模块供电。

参阅图7，图7为本发明中油套管与油管之间的缺陷检测装置结构图，其中标记如下：701-弧形底座，702-透明板，703-石英管，704-不锈钢管，705-腔体，706-聚焦环，707-相机，708-半导体制冷片，709-空腔，710-防水接头，711-光纤电缆，712-凯夫拉绳索，713-绳索连接环，714-散热片，715-铜板，716-紧固钉，717-热管，718-多孔真硅隔热层，719-环形铜片，720-光源，721-双曲面，722-激光传感器，723-螺丝。

进一步地，本发明实施例提供基于一种油气井套管与油管之间的缺陷检测装置的测试方法基于各测试装置设计的基础上,包括下述步骤：

步骤1：首先将不锈钢管704与石英管703进行螺纹连接，同时不锈钢管内部贴上一层多孔真硅隔热层718，考虑到密闭空间的防水问题，在螺纹连接处涂上密封胶水。

步骤2：将相机镜头装配好，相机调整好聚焦环706，相机镜头707一同布入密闭空腔体705内，同时在光源上方表面涂上一层导热硅脂，并在硅脂表面贴上环形铜片719，通过导热硅脂将径管表面的热量经过导热硅脂转移至铜片，减少径管里面的热量堆积。

步骤3：将相应规格的扁平热管717插进环形铜片里，另一端穿过一层不锈钢管，通过热管将铜片热量快速转移。

步骤4：通过紧固钉716固定整个相机整体，紧固钉底端垫上一层棉垫，以防对相机表面造成损伤以及考虑到热传递问题。

步骤5：500米的光纤电缆711底端与防水接头710密闭连接，整个电缆表面具有耐温耐压耐磨特性。电源线光纤穿过防水接头引进密闭空腔里，通过环形空腔引进各个独立的空腔里对各个元器件进行连接。

步骤6：将激光传感器722放置沟槽里，通过两侧螺丝723将其拧紧固定，激光发射口正对应透明板702窗口，激光穿过透明板射入到油套管进行测距。激光传感器空间与相机镜头空间进行螺纹固定连接。

步骤7：下部的弧形底座701与激光传感器空间固定连接，弧形是为了减小水的阻力，便于整个装置依靠自重下降。

步骤8：半导体制冷片708的冷端贴在相机表面，对相机表面进行主动散热；通过半导体制冷片第一时间对相机进行冷却，保证相机的正常工作。在半导体制冷片热端表面贴上导热硅脂，用于吸收相机表面的热量；导热硅脂表面贴上铜板715，进一步吸收导热硅脂传递的热量。

步骤9：热管一端插进铜板里，另一端连至散热片714底端，形成散热系统，将热量最终传递至水中。

步骤10：将散热片顶端通过螺纹与保护壳整体固定连接，同时散热片与空腔进行连接，形成完整的密闭结构。

步骤11：整个系统通过光纤电缆表面附着的凯夫拉绳索712穿过空腔外壁的绳索连接环713进行对整个检测装置的抗拉。

步骤12：整个系统通过对光纤电源线进行供电与通讯进行工作，相机通过自身携带的光源720透过5mm壁厚的石英管703对外界均匀照射，反射光线通过双曲面721折射进相机的感光芯片，完成视觉成像。

参阅图8，图8为本发明实施例提供的压强仿真与散热实验模拟仿真示意图，其中(a)图表示：绿色箭头表示外界80℃的热流环境，制冷片热端作为热源，接触散热片底端，散热片与热流形成近乎水冷形式，图中表示热量散热的分布趋势从高于80℃一端递减至外界热流。(b)图表示外径36mm，壁厚3mm，长800mm的封闭不锈钢管，(c)图表示外径36mm，壁厚为5mm，长100mm的封闭石英管均在5MPa的压强下展现的各部分的变形情况，最大变形量均低于0.01mm，由结果可知几乎未发生形变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。