王永江

(中國石油集團公司長城鉆探工程有限公司鉆具公司,盤錦 124010)

1 鉆具失效的特點

鉆具失效的部位及缺陷主要包括：鉆桿加厚區(qū)的刺穿及裂紋、各種鉆具螺紋根部裂紋、管體的內外壁腐蝕(圖1)[1]。它們分別具有以下特點：

圖1 鉆桿各部位缺陷及斷裂照片

(1)鉆桿內加厚過渡區(qū)部位的失效有3種表現(xiàn)形式,即裂紋、刺穿和斷裂,但實質上都是同一種失效。鉆桿被刺穿是因為泥漿在高壓作用下穿過裂紋的縫隙,由于泥漿穿過這種縫隙時的高速流動,進一步擴大了裂紋,并使之變成孔洞。因此,刺穿的先決條件是已存在裂紋,多處刺穿孔洞連成一片,大幅度降低了鉆桿的承載能力,從而導致斷裂。

(2)鉆桿外壁的腐蝕較輕并且均勻,而鉆桿內壁表面的腐蝕很不均勻,內加厚過渡區(qū)與管體交界處的腐蝕較嚴重,有許多點蝕坑,而裂紋正起源于這些點蝕坑底部。鉆桿管體腐蝕疲勞裂紋多起源于內壁的點蝕坑,其破壞過程為：點蝕坑產(chǎn)生→裂紋萌生→裂紋擴展→刺穿→斷裂。

(3)鉆具接頭螺紋根部斷裂裂紋的主要特點是,外螺紋接頭的斷裂裂紋常發(fā)生在從臺肩算起第二或第三個螺扣的根部,內螺紋接頭的斷裂裂紋常發(fā)生在最后嚙合部位的螺扣處(圖2)。這是由于螺紋的幾何形狀及應力集中效應所致。

圖2 內外螺紋裂紋斷裂示意圖

2 鉆具缺陷無損檢測方法

針對鉆桿存在缺陷的部位及特點,對不同的部位應用了不同的檢測方法。對加厚區(qū)應用超聲波法,對管體應用漏磁法,對螺紋部分應用超聲波和熒光磁粉法。以下就鉆桿的各個部位應用的檢測方法分別介紹。

2.1 鉆桿加厚區(qū)的超聲波探傷

利用超聲波檢測鉆桿加厚區(qū)是利用頻率為2.5 MHz,K值在2.5～3.5之間的斜探頭對加厚區(qū)進行掃查。用于調節(jié)檢測靈敏度的對比試塊的厚度、曲率半徑及鋼級應與所檢測的鉆桿管體加厚部位相同,人工缺陷反射體為φ1.6 mm的徑向通孔,孔至試塊邊緣的距離為40 mm。先粗探再精探,粗探時將儀器深度范圍調節(jié)到1 m處,探頭對準鉆桿端面前后移動,將端面反射信號按水平法調節(jié)至儀器面板相應的位置上,距離為600 mm時,其高度一般應大于滿幅度的80%。精探時用φ1.6 mm徑向通孔的上下端角反射,按3,6,9比例作出距離-波幅曲線,提高6 dB作為定量線靈敏度,φ1.6 mm徑向通孔的基準線為判廢線。檢測時根據(jù)管子表面情況,再補償2～8 dB進行掃查[2]。

為提高檢測效率,保證檢測質量,在距公、母接頭端600 mm處,探頭分別向端部及管體兩個方向掃查,在距母接頭端800 mm處向端部掃查。掃查時探頭沿管體周向作鋸齒形移動。探頭沿周向移動掃查時,覆蓋率不小于探頭晶片尺寸的15%。在探頭移動過程中要保證良好的聲接觸,其移動速度一般≤100 mm/s。如發(fā)現(xiàn)可疑信號,再進行精探傷。

2.2 鉆桿管體的漏磁探傷

漏磁檢測是鉆桿管體的一種很好的無損檢測方法,其檢測速度快,檢測靈敏度高,能很好的檢出裂紋、銹蝕和桿狀磨損等缺陷[2]。

2.2.1 檢測過程

鉆桿首先由上料臺進入檢測系統(tǒng)自動線 ,接著進入軸向勵磁線圈,然后進入探靴,同時計算機收集磁場信號(圖3),最后進入退磁線圈,對鉆桿進行退磁,后由下料道經(jīng)翻管缸將鉆桿放入管架臺。

圖3 漏磁檢測鉆桿照片

2.2.2 檢測結果

應用GB 12606—1999《鋼管漏磁探傷標準》和SY/T 5824—1993《鉆桿分級標準》,對鉆桿進行分級、壁厚分析和缺陷定位。在鉆桿檢測過程中,可以隨時在線對鉆桿缺陷進行定位顯示、數(shù)據(jù)存儲,檢測后生成報表并進行打印。

根據(jù)計算機接收到的漏磁信號圖表,可以清楚地看到不同級別鉆桿的情況：一級鉆桿(圖4)數(shù)據(jù)線平滑,報表中也沒有明顯的缺陷信號。二級鉆桿(圖5)雖然有缺陷信號,但是并沒有超過樣管標定的人工缺陷信號線,屬于未超標缺陷。報廢鉆桿(圖6)中原始數(shù)據(jù)線波動很大,報表中有大量的超標缺陷,壁厚損失也較嚴重。

2.3 鉆桿螺紋的超聲波和熒光磁粉探傷

2.3.1 超聲波檢測

由鉆桿螺紋的結構特征,可以使用專用的超聲縱波小角度直探頭,對鉆桿螺紋部分進行檢測,檢測原理如圖7所示[3]。檢測前,需要對儀器進行標定。檢測時,探頭在涂有耦合劑的端面緩緩移動,先粗掃查,再細掃查。發(fā)現(xiàn)裂紋時,通過移動探頭確定位置、深度和長度,作好記錄和標識,繼而進行評定驗收。

在實際超聲波探傷信號中會出現(xiàn)鉆桿螺紋信號,但是螺紋信號的反射波很有規(guī)律,并隨探頭移動范圍而前后移動。若在某一處出現(xiàn)裂紋,螺紋反射波會被裂紋反射波壓下,裂紋嚴重時反射波增強,此時螺紋信號波會消失(圖8)[4]。

由于鉆桿螺紋外形的影響,超聲波檢測螺紋的表面及近表面的裂紋靈敏度較低,只能檢出較大的、有一定深度,能對聲波進行反射的裂紋。而且,在檢測時,探頭與端面掃查時很難保持平穩(wěn),受人為因素影響較大。

2.3.2 熒光磁粉檢測

熒光磁粉檢測鉆桿螺紋是通過對已經(jīng)磁化的螺紋表面施加熒光磁懸液,熒光磁粉被裂紋部位的漏磁場吸附并在該處形成磁痕顯示,在黑光燈下就可以觀察到缺陷處的磁痕,從而判斷缺陷的位置和大小(圖9)。熒光磁粉檢測螺紋靈敏度高,不受螺紋外部形狀的影響,對螺紋表面及近表面裂紋檢出率很高。但是,此法對鉆桿螺紋表面光潔度要求很高,清洗困難。實際檢測時,如果螺紋的表面處理達不到檢測要求,很容易由于油污、銹蝕等造成漏檢。此法對新修扣的螺紋檢測效果很好。

圖9 鉆具螺紋缺陷圖

3 分立式漏磁檢測

所謂分立式漏磁檢測方法,就是在漏磁檢測的過程中,檢測系統(tǒng)的磁化部分和磁檢測部分是兩個相對獨立的單元。磁化器磁化被測工件至飽和狀態(tài),磁檢測探頭拾取工件表面的缺陷漏磁場信號,它們在空間上和運動上是相對獨立的、分開的。該檢測方法是基于磁粉檢測和傳統(tǒng)的漏磁檢測理論發(fā)展起來的,綜合了漏磁檢測高效、直觀、可靠性強等優(yōu)點,避免了磁粉檢測過程中效率低、工序繁瑣和人為因素大的缺點。

分立式漏磁檢測對鉆具螺紋區(qū)檢測時(圖10),采用磁化線圈套在偏離鉆具螺紋區(qū)的接頭部分,由外部遠場對螺紋區(qū)進行磁化。圖11為簡化了的鉆具螺紋檢測的周向展開圖。

分立式漏磁檢測方法較之于磁粉檢測和傳統(tǒng)的漏磁檢測方法,主要有以下特點：

(1)該檢測方法綜合了磁粉檢測和傳統(tǒng)漏磁檢測方法的優(yōu)點,并避免了各自的缺點和局限性?？梢哉f,只要能用磁粉檢測的構件,基本上都可以采用分立式漏磁檢測方法進行檢測。

(2)只要采用合適的磁化方法,該方法幾乎可以檢測到工件表面的各個部位,不受工件大小和形狀的限制。因此,分立式漏磁檢測方法的應用面很廣。根據(jù)被檢測工件的結構不同,磁化器的設計也多種多樣。

(3)連續(xù)法磁粉檢測的很多理論,包括磁化方法和磁化規(guī)范等都可以應用于分立式漏磁檢測中。

(4)在分立式漏磁檢測方法中,檢測系統(tǒng)的磁化部分和磁檢測部分是相對獨立的,因此,磁化器的設計和磁檢測探頭的設計也是相對獨立的,檢測傳感器的結構比較靈活。

(5)在分立式漏磁檢測方法中,磁化器在工件被測表面形成的磁場只能是相對連續(xù)平穩(wěn)的。在工件表面不同點處,磁化器的磁化能力和磁化強度都有所差異。因此,各處缺陷的檢測能力也各不相同。而且,檢測的漏磁場信號中都存在有低頻的背景磁場信號,這些干擾因素為缺陷的定量化識別造成了很大的難度,因此,需要去除背景磁場信號的干擾,并針對不同的檢測對象,對工件表面不同點處檢測到的漏磁場信號進行補償。

4 結論

(1)通過對鉆具的整體探傷,可以有效地降低鉆桿在鉆井過程中的失效率,提高鉆桿在使用過程中的質量和安全性。

(2)鉆具檢測僅僅用一種檢測方法是不夠的,各種探傷方法各有優(yōu)缺點,需要根據(jù)鉆桿的不同部位選擇不同的檢測方法。幾種檢測方法針對不同的鉆桿部位同時應用,所用的設備要滿足現(xiàn)場環(huán)境要求,對缺陷的識別要可靠性高,準確性好,操作方便。

(3)采用超聲檢測時,由于螺紋表面較不規(guī)則,耦合麻煩,且對表面或近表面有盲區(qū)而無法進行檢測;熒光磁粉檢測時,對螺紋表面要求較高,清洗困難,操作復雜,檢測效率低。特別是螺桿鉆具的螺紋部分,由于有的螺紋上涂有膠,清洗不干凈,達不到磁粉檢測的要求,用超聲波檢測又有漏檢的現(xiàn)象。而且這兩種無損檢測方法,只能檢測到鉆具螺紋表面、亞表面裂紋及端口面裂紋缺陷,對鉆具過渡帶、鉆具螺紋疲勞檢測效果都不好。

5 建議

(1)雖然無損檢測在一定程度上控制了鉆具失效事故發(fā)生,但近年來,隨著井深不斷增加、水平井和大位移井不斷增多、鉆井參數(shù)不斷強化、地層結構更加復雜,鉆具失效事故不可能避免。

(2)處于軸向應力零點附近的鉆柱由于這些載荷的周期變化,將承受交變的彎曲、拉壓、扭轉、沖擊、振動等載荷的符合作用。交變載荷不僅在大小上發(fā)生變化,而且載荷的方向也發(fā)生交替變化,是導致鉆具發(fā)生疲勞失效的最主要原因之一。因此,鉆柱的軸向應力零點位置附近是鉆柱失效事故的多發(fā)點,尤其是鉆柱的疲勞失效和腐蝕疲勞失效。建議加強鉆柱軸向應力零點位置附近鉆具的檢測力度。

(3)建議在沒有更先進的鉆具檢測技術之前,深井、超深井和大位移井等特殊工藝井,鉆井過程中,要根據(jù)具體情況,縮短鉆具探傷周期,特別是井底大鉆具,必要時堅持每鉆一次進行一次超聲波無損檢測。

[1]丁勁鋒,康宜華,武新軍.鉆桿螺紋無損檢測方法綜述[J].無損檢測,2007,26(6)：350-352.

[2]王繼新.直徑67 mm內絲鉆桿及接頭螺紋斷裂分析及改進[J].探礦工程,1995(4)：40-41.

[3]彭應秋,朱惠,張紅波.管狀螺紋連接件超聲探傷方法研究[J].南昌航空工業(yè)學院學報,1998(3)：8-13.

[4]張慶社.無磁鉆具螺紋的超聲波檢測[J].無損檢測,2004,26(8)：423-424.