孫麗麗 陳 星 李 森 趙 丹 王 勇

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院；2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠第四油礦）

近年來(lái)，我國(guó)各大油田的開(kāi)采已進(jìn)入中后期，為了提高石油開(kāi)采率，分層注水開(kāi)采技術(shù)被廣泛應(yīng)用［1］。隨著分注井?dāng)?shù)量逐年增加，配水器的用量逐年增加。配水器作為分層注水井的重要設(shè)備，主要用于將不同壓力和流量的注入水分配至不同地層層段中［2］。然而，配水器在配注量、水質(zhì)、三元、聚合物及配注壓力等復(fù)雜工況的作用下，一些關(guān)鍵部件會(huì)發(fā)生腐蝕、磨損及裂紋等缺陷，對(duì)配水器的強(qiáng)度、使用壽命及其再利用產(chǎn)生很大影響，嚴(yán)重影響分層注水開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用。

目前，油田沒(méi)有相關(guān)配水器的判廢依據(jù)，腐蝕失效后的配水器只能直接報(bào)廢換新。對(duì)腐蝕后的配水器及時(shí)開(kāi)展腐蝕缺陷特征提取并確定其使用界限，對(duì)延長(zhǎng)在役配水器的壽命和油田安全 生 產(chǎn) 有 著 極 其 重 要 的 指 導(dǎo) 意 義［3，4］，同 時(shí) 也 是降低分層注水成本和提高油田開(kāi)發(fā)效益的重要課題。

三坐標(biāo)激光掃描技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)革新。汪建波和孫亦東將手持式三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于文物的逆向重建中，獲得了高精度的瓷瓶掃描數(shù)據(jù)，能夠采集被掃描物體的色彩信息［5］。朱昱等采用手持式三維激光掃描儀獲取安全帽表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用逆向工程軟件Imageware重構(gòu)了安全帽模型，再用Ansys Workbench進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，得出安全帽最大應(yīng)力和變形均位于沖擊處的結(jié)論［6］。李毅等利用手持式三維激光掃描儀進(jìn)行工件質(zhì)量檢測(cè)，并以實(shí)際案例驗(yàn)證了該方法的有效性［7］。周雪兆等將CT圖像與手持式掃描儀相結(jié)合對(duì)殘肢進(jìn)行三維重建并進(jìn)行有限元分析，定制個(gè)性化的假肢接受腔，提高了患者穿戴假肢的舒適度［8］。張序等運(yùn)用三維激光掃描測(cè)量技術(shù)對(duì)文物進(jìn)行工程測(cè)量，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的重構(gòu)和表達(dá)，為文物的保護(hù)、復(fù)原等提供了準(zhǔn)確、科學(xué)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和不同尺度的三維實(shí)體模型［9］。雖然上述研究均得到了較好的成果，但在腐蝕形貌掃描和缺陷特征提取方面的研究甚少，加上配水器具有零件數(shù)多、腐蝕情況復(fù)雜及腐蝕類型多等原因，因此亟需開(kāi)展相關(guān)研究。

在此，筆者提出一種配水器表面腐蝕缺陷特征提取方法，采用手持式三坐標(biāo)激光掃描儀采集配水器連接套和接頭表面形貌信息，結(jié)合逆向建模方法實(shí)現(xiàn)對(duì)配水器表面腐蝕缺陷形貌、位置及其尺寸等的表征。

1 配水器表面腐蝕形貌采集

1.1 采集儀器

利用Handyscan300手持式三坐標(biāo)激光掃描儀進(jìn)行配水器外部形貌信息的采集。掃描儀的激光發(fā)射器、CCD相機(jī)和被測(cè)工件構(gòu)成三角形，通過(guò)三角測(cè)量原理獲得被測(cè)工件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于外壁腐蝕缺陷形貌的檢測(cè)。

1.2 采集過(guò)程

在對(duì)配水器連接套和接頭進(jìn)行掃描前，需在其外壁貼定位標(biāo)點(diǎn)，保證任意3個(gè)定位標(biāo)點(diǎn)不在同一直線上。掃描過(guò)程中，需配合Vxelements軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)三維建模。在Vxelements軟件中，首先對(duì)手持式激光掃描儀的分辨率進(jìn)行調(diào)整，掃描采用三線模式。掃描時(shí)，通過(guò)Vxelements軟件可以實(shí)時(shí)查看表面掃描結(jié)果，為了獲取詳細(xì)的腐蝕缺陷表面位置信息，應(yīng)盡可能采集較多的點(diǎn)。

1.3 采集結(jié)果

采用手持三坐標(biāo)三維掃描儀可以獲得完整的配水器腐蝕形貌。圖1為配水器上、下連接套三維形貌掃描圖，圖2為配水器上、下接頭三維形貌掃描圖。

圖1 配水器上、下連接套三維形貌掃描圖

圖2 配水器上、下接頭三維形貌掃描圖

由圖1可知，連接套內(nèi)、外壁均發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕，上連接套外表面存在大量點(diǎn)蝕坑和少許沖刷腐蝕的局部腐蝕形貌。位于出水口側(cè)的內(nèi)壁腐蝕情況比另一側(cè)嚴(yán)重，呈現(xiàn)出以沖刷腐蝕為主的局部腐蝕形貌，另一側(cè)以點(diǎn)蝕為主且腐蝕程度較輕。下連接套外壁腐蝕情況與上連接套相似，腐蝕嚴(yán)重，腐蝕面積大、分布廣，主要為點(diǎn)蝕和少量沖蝕的局部腐蝕形貌，內(nèi)壁腐蝕位置主要分布在下半部分臨近下接頭處，呈60°均勻分布，主要為沖刷腐蝕伴隨點(diǎn)蝕的局部腐蝕形貌。由圖2可知，上接頭外壁發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷腐蝕，主要集中在注水口處，內(nèi)壁腐蝕形式以點(diǎn)蝕為主，中間位置腐蝕嚴(yán)重，兩側(cè)輕微。下接頭外壁存在輕度點(diǎn)蝕的局部腐蝕形貌，腐蝕面積較小，內(nèi)壁腐蝕形式主要以點(diǎn)蝕為主，存在一處沖刷腐蝕，腐蝕位置較為分散，腐蝕程度比上接頭輕。

2 逆向建模（三維模型）

由于表面形貌掃描圖僅為一個(gè)面，無(wú)法直接提取腐蝕坑數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行逆向建模獲得實(shí)體模型。利用逆向工程軟件Geomagic Design X進(jìn)行逆向建模，可與SolidWorks等三維軟件無(wú)縫對(duì)接。將Vxelements軟件采集的連接套的坐標(biāo)圖像導(dǎo)入Geomagic Design X中進(jìn)行處理。處理時(shí)，手動(dòng)對(duì)齊坐標(biāo)系，構(gòu)建以連接套邊界為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系。利用傳統(tǒng)境界擬合命令對(duì)連接套外表面缺陷進(jìn)行擬合從而得到缺陷曲面，在上下兩端建立平行面并進(jìn)行剪切、縫合、實(shí)體化，得出1∶1建立的帶缺陷的連接套模型。上、下連接套實(shí)物與逆向建模后的模型如圖3、4所示，上、下接頭實(shí)物與逆向建模后的模型如圖5、6所示。

圖3 上連接套實(shí)物與逆向建模后的模型

圖4 下連接套實(shí)物與逆向建模后的模型

圖5 上接頭實(shí)物與逆向建模后的模型

從圖3～6可以看出，逆向建模后的三維模型與實(shí)物圖吻合度較高，能夠準(zhǔn)確反映配水器腐蝕缺陷形貌信息，可用于腐蝕缺陷特征數(shù)據(jù)的提取。

3 腐蝕缺陷特征識(shí)別

3.1 腐蝕缺陷規(guī)則化表征

由于局部腐蝕的缺陷形狀不規(guī)則，因此需進(jìn)行規(guī)則化表征。借鑒石油工業(yè)輸油管道與壓力容器對(duì)腐蝕缺陷形狀規(guī)則化處理的一般推薦方法［10］，按照腐蝕缺陷外接長(zhǎng)方形長(zhǎng)寬比λ的值對(duì)配水器局部腐蝕缺陷進(jìn)行表征，將缺陷形狀規(guī)則化為球形（λ=1）、橢球形（1<λ≤5）和矩形（λ>5）。

圖6 下接頭實(shí)物與逆向建模后的模型

圖7a為單個(gè)腐蝕缺陷的表征示意圖。當(dāng)存在兩個(gè)及以上的腐蝕缺陷時(shí)（圖7b），先按照單個(gè)缺陷的測(cè)量方式確定各自的缺陷長(zhǎng)寬比λ。若測(cè)量后相鄰兩缺陷邊界最小距離K大于較小缺陷的長(zhǎng)邊，則將兩個(gè)缺陷分別進(jìn)行規(guī)則化，否則將兩個(gè)缺陷視為單個(gè)缺陷進(jìn)行規(guī)則化。此時(shí)，單個(gè)缺陷的長(zhǎng)度為兩個(gè)缺陷外邊緣的最大間距，寬度為與兩個(gè)缺陷外邊界相切且與長(zhǎng)邊平行的任意兩條直線間的最大間距，然后再通過(guò)長(zhǎng)寬比確定缺陷形狀。

圖7 腐蝕缺陷表征示意圖

3.2 腐蝕缺陷數(shù)據(jù)提取

將逆向建模后的實(shí)體模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量工作。利用SolidWorks評(píng)估模塊中的測(cè)量命令提取腐蝕缺陷尺寸、位置等信息。腐蝕缺陷的深度通過(guò)測(cè)量缺陷最深處到中心軸水平與豎直的距離，再結(jié)合勾股定理計(jì)算獲得。位置信息通過(guò)測(cè)量工具記錄下缺陷相對(duì)于中心原點(diǎn)的坐標(biāo)得到。腐蝕缺陷的長(zhǎng)寬尺寸通過(guò)測(cè)量腐蝕缺陷外接長(zhǎng)方形獲得，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)缺陷最深處與坐標(biāo)原點(diǎn)可得到缺陷位置及缺陷到中心軸線水平與豎直的距離，點(diǎn)缺陷邊界上兩點(diǎn)可得到兩點(diǎn)間距離。

測(cè)量球形缺陷尺寸時(shí)，先選取缺陷邊界兩端點(diǎn)，記錄兩端點(diǎn)距離d，此時(shí)d實(shí)際上為球形缺陷所在球體的一條弦長(zhǎng)。選取缺陷底部中心點(diǎn)，記錄此時(shí)的dx和dy，得到球形缺陷所在球體的實(shí)際半徑r和外壁缺陷深度h的計(jì)算式為：

其中，連接套外徑D=114 mm；dx為缺陷最底部到中心軸的水平距離；dy為缺陷最底部到中心軸的豎直距離。

測(cè)量橢球形和矩形缺陷尺寸時(shí)，選取模型軸向缺陷兩端點(diǎn)和周向缺陷兩端點(diǎn)，記錄兩端點(diǎn)間的距離，得到缺陷的軸向長(zhǎng)和周向長(zhǎng)；選取缺陷中心點(diǎn)，記錄此時(shí)的dx和dy，并利用式（2）計(jì)算出缺陷深度h。

對(duì)大慶油田有限責(zé)任公司第三采油廠不同服役年限的第1層配水器連接套外表面腐蝕缺陷情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［11］，結(jié)果列于表1。其中配水器所在注水井及其服役年限分別為：133-4-CX152，服役1年；2-51-丙水-299，服役1年半；3-342-S68，服役2年半；3-丁6-460，服役3年。由表1可知，連接套腐蝕缺陷中，球形缺陷的數(shù)量遠(yuǎn)多于橢球形和矩形，橢球形和矩形缺陷的數(shù)量相差較小，橢球形缺陷數(shù)量略多于矩形。由于表1中的配水器來(lái)自不同的注水井，不同井的井況和注入水水質(zhì)不同，腐蝕情況有所不同，大體上呈現(xiàn)腐蝕缺陷數(shù)量隨服役年限的增加而增多的趨勢(shì)。球形缺陷直徑多分布于5～20 mm間，腐蝕缺陷深度大多在1.5 mm以下，腐蝕缺陷尺寸與服役年限大體上呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。隨著配水器服役年限的增加，球形缺陷的直徑，橢球形與矩形缺陷的周向長(zhǎng)、軸向長(zhǎng)和缺陷深度均增大，且腐蝕缺陷的寬度遠(yuǎn)大于深度，這是因?yàn)殡S著服役年限的增加，缺陷處的腐蝕產(chǎn)物越來(lái)越多，延緩了腐蝕在深度方向的進(jìn)一步發(fā)展，從而形成了寬而淺的缺陷。

表1 第1層配水器連接套外表面腐蝕缺陷情況

4 結(jié)論

4.1 采用手持式三坐標(biāo)激光掃描儀可以實(shí)現(xiàn)配水器連接套和接頭的腐蝕形貌采集。

4.2 逆向建模后的三維模型與實(shí)物圖吻合程度高，能夠準(zhǔn)確反映出配水器腐蝕缺陷形貌信息，可用于腐蝕缺陷特征數(shù)據(jù)的提取。

4.3 對(duì)配水器連接套腐蝕缺陷進(jìn)行規(guī)則化表征并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，腐蝕缺陷形狀為球形、矩形、橢球形，且主要位于零件出水口一側(cè)，球形缺陷的數(shù)量最多，約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的85%，缺陷直徑分布于5～20 mm間，深度1.5 mm以下，腐蝕缺陷尺寸與服役年限大體上呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。

4.4 配水器腐蝕特征為點(diǎn)蝕、沖刷腐蝕和均勻腐蝕。上、下連接套外壁以點(diǎn)蝕為主并伴隨少量沖刷腐蝕，內(nèi)壁以沖刷腐蝕為主并伴隨輕微點(diǎn)蝕。上接頭外壁發(fā)生了嚴(yán)重的沖刷腐蝕，區(qū)域集中在注水口處，內(nèi)壁腐蝕形式以點(diǎn)蝕為主。