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(1.中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249；2.中國石油塔里木公司,庫爾勒 841000)

在石油鉆井過程中,鉆具是主要工具，主要包括方鉆桿、鉆桿、加重鉆桿、鉆鋌、鉆具穩(wěn)定器和轉(zhuǎn)換接頭等[1]，鉆具之間通過帶螺紋的接頭相互連接。在鉆井時，鉆具工作環(huán)境極其惡劣，既受各種交變載荷的作用，還受到井內(nèi)鉆井液腐蝕、外壁磨損、壓力及溫度等因素的影響，同時由于鉆具螺紋和加厚帶部位自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝特殊，在這兩個部位容易產(chǎn)生疲勞損傷，從而導(dǎo)致斷裂、刺漏等井下事故的發(fā)生[2]。隨著鉆井深度的不斷增加，井下地質(zhì)條件變得更加復(fù)雜，而大斜度井和大位移水平井等鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，對鉆具性能的要求也越來越高，惡劣的工況和嚴(yán)重的載荷導(dǎo)致鉆具失效事故頻發(fā)[3-4]。

目前，石油鉆具檢測常用技術(shù)手段主要有4種，分別是超聲波檢測、漏磁檢測、磁粉檢測和渦流檢測[5]。4種檢測手段分別應(yīng)用于管子站、井場和井隊(duì)，主要檢測鉆桿及鉆鋌的管體和螺紋等比較容易失效的部位，以及本身構(gòu)造比較特殊的鉆桿加厚過渡帶區(qū)域。無損檢測技術(shù)對于鉆具敏感部位早期的應(yīng)力集中狀況無法進(jìn)行有效檢測，其不僅需要對鉆具進(jìn)行卸扣處理，而且需要用不同的檢測技術(shù)對鉆具不同的敏感部位分別進(jìn)行檢測，工序復(fù)雜，人力物力消耗較大。

筆者引入金屬磁記憶檢測技術(shù)，在卸扣的情況下，對鉆柱早期應(yīng)力集中狀況進(jìn)行檢測。其檢測的理論基礎(chǔ)是漏磁場理論，通過檢測漏磁場切向分量或法向分量的變化情況，來確定應(yīng)力集中與疲勞損傷的部位及程度。磁記憶檢測原理示意如圖1所示。鐵磁工件在地磁場與外載荷同時作用下，在應(yīng)力和變形集中部位漏磁場的切向分量Hp(x)達(dá)到最大值，而法向分量Hp(y)過零點(diǎn)且改變符號。這種磁狀態(tài)為不可逆變化，因此獲取鐵磁構(gòu)件的磁記憶信號切向分量與法向分量均可判斷工件的應(yīng)力集中信息。故，磁記憶檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對鐵磁工件應(yīng)力狀態(tài)、缺陷或損傷的檢測，同時也可實(shí)現(xiàn)對其損傷的早期診斷。

筆者根據(jù)鉆具失效類型和不同井深鉆具的失效風(fēng)險，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室自行研制的便攜式井口磁記憶檢測裝置，對井口鉆柱接頭處嚙合螺紋和管體進(jìn)行檢測試驗(yàn)，建立井口鉆柱磁記憶檢測信號隨井深的變化關(guān)系，并對典型鉆柱的磁記憶檢測信號進(jìn)行分析。

1 鉆具失效分析

鉆具失效形式和部位多種多樣[6]，表1為國內(nèi)某油田2010～2015年的鉆具失效統(tǒng)計(jì)，鉆具失效類型表現(xiàn)為斷裂和刺漏。鉆具失效部位多發(fā)生在內(nèi)外螺紋和管體，2011～2015年某油田鉆具不同部位失效比例分析如圖2所示。

表1 2010～2015年國內(nèi)某油田鉆具失效統(tǒng)計(jì)

圖2 2011～2015年某油田鉆具不同部位失效比例分析

2 鉆柱軸向受力分析

鉆柱在井下受到的載荷復(fù)雜多變，鉆柱在不同狀態(tài)、不同區(qū)段下的受力狀況也是不一樣的，總體來說主要受到兩方面的力：軸向力和旋轉(zhuǎn)造成的力。在鉆柱起下鉆時，只受到軸向力的作用。在井眼垂直的情況下，鉆柱任一截面軸向力的計(jì)算公式如式(1)所示。

Ft=KB(qpLp+qcLc)±Ff+Fd

(1)

式中：qp,qc分別為鉆桿、鉆鋌單位長度的重力；Lc為鉆鋌的長度；Lp為截面以下鉆桿長度，若截面剛好落在鉆鋌上則Lp為零；KB稱為“浮力系數(shù)”；Fd為起下鉆時產(chǎn)生的動載荷；Ff為井壁及鉆井液對鉆柱的摩檫力。

當(dāng)起下鉆速度很小時，可以假設(shè)Fd和Ff為零時，其鉆柱任一截面上的軸向力分布示意如圖3所示。

圖3 鉆柱軸向力分布示意

由圖3可見，上部鉆柱軸向受力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，從上向下逐漸變小。在某一深度處，鉆柱軸向力為零，通常將軸向力為零的點(diǎn)(N點(diǎn))稱為“中性點(diǎn)”。在中性點(diǎn)以下的鉆柱軸向受力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，井底處受力最大。因此，鉆具在井口處、中性點(diǎn)附近和中性點(diǎn)以下三個區(qū)段的失效風(fēng)險最大。而鉆柱受力大小對鉆柱失效有著嚴(yán)重的影響。

3 檢測原理

便攜式井口磁記憶檢測原理示意如圖4所示。

圖4 便攜式井口鉆柱磁記憶檢測原理示意

便攜式井口磁記憶檢測裝置可在穩(wěn)定情況下檢測4～5.5 in.(1 in.=25.4 mm)鉆桿，其采用金屬磁記憶原理，通過檢測鉆柱磁記憶信號從而對鉆桿進(jìn)行檢測。裝置沿環(huán)向設(shè)有16個傳感器探頭模塊，每個傳感器模塊中都設(shè)有一個磁記憶傳感器。當(dāng)有鉆具從裝置中間通過時，在弓黃片與導(dǎo)軌的作用下，探頭能夠有效緊密貼合鉆桿表面，從而能較為完整和穩(wěn)定地采集鉆桿的磁記憶信號。當(dāng)鉆桿檢測完成后，可拉起插銷，裝置會在另一側(cè)開口，實(shí)現(xiàn)鉆柱與裝置的分離;當(dāng)需要檢測時，推動裝置通過一側(cè)的開口環(huán)抱鉆柱，再插上插銷，以便于采集數(shù)據(jù)。井口磁記憶檢測裝置采用軸向掃描方式，在起下鉆的過

程中進(jìn)行檢測，鉆具每3根組合在一起作為一立根，每次檢測對象為每柱立根，檢測的主要部位為鉆柱嚙合螺紋和管體。用自主開發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同步采集和處理，得到磁記憶檢測信號云圖；通過分析磁記憶檢測信號梯度值K和波形圖，可以得到鉆柱應(yīng)力集中程度和其分布區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對鉆柱應(yīng)力集中狀況的評判，指導(dǎo)現(xiàn)場鉆具的使用。

4 ZG301H井鉆柱失效風(fēng)險檢測試驗(yàn)

ZG301H井處于塔克拉瑪干大沙漠腹地，地表被黃沙覆蓋，主要地貌為沙丘及沙丘間洼地，沙丘相對高程一般在100 m左右。此次起鉆檢測時井的測深為5 522 m，井斜1.19°，方位192.94°，垂深為5491.8 m，閉合距為30.6 m，閉合方位220.12°。檢測第一柱編號為118，依次遞減，其中檢測5.5 in.鉆柱編號為118-56，5 in.鉆柱編號為：65-1。

鉆井檢測試驗(yàn)現(xiàn)場圖片如圖5所示。

圖5 井口鉆柱一體化檢測試驗(yàn)現(xiàn)場

起鉆時第114柱鉆柱的檢測結(jié)果如圖6所示(圖中縱坐標(biāo)上的“起始點(diǎn)-端頭”表示掃描方向，下同)。

由圖6可以看出，鉆具在組合狀態(tài)下，鉆柱管體與接頭部位檢測信號幅值差別比較明顯，尤其是鉆柱接頭處磁記憶信號變化比較大，說明磁記憶檢測技術(shù)能夠?qū)︺@柱進(jìn)行有效地檢測。為了更加細(xì)致地分析鉆柱接頭處螺紋檢測信號，對ZG301H井114-1鉆柱接頭信號進(jìn)行處理分析，如圖7所示。

圖6 ZG301H第114柱磁記憶檢測信號云圖

通過分析可知：① 接頭上部過渡處信號是作為檢測探頭從鉆柱管體剛進(jìn)入接頭的標(biāo)志信號，該處磁記憶信號的突變主要是由于鉆柱管體和接頭部位外徑不一致，幾何尺寸的變化導(dǎo)致的。② 卡瓦機(jī)械損傷部位磁記憶檢測信號特征表現(xiàn)復(fù)雜，沒有規(guī)律可循。主要因?yàn)殂@具在上卸扣過程中受到卡瓦咬合作用，表面會形成麻點(diǎn)狀的咬痕，其影響程度與鉆具使用時間和工人的操作水平有關(guān)。③ 公母頭密封面漏磁信號表現(xiàn)為一道跳躍明顯的應(yīng)力譜線，這不僅是因?yàn)槊芊舛嗣媸艿捷^大的壓應(yīng)力，而且密封處的倒角造成了幾何形狀的改變，而導(dǎo)致磁記憶檢測信號的明顯跳變。④ 應(yīng)力集中程度正常的嚙合螺紋段，磁記憶信號圖譜變化平緩，需要進(jìn)一步截取分析。⑤ 公螺紋長度為110 mm，母螺紋長度為130 mm，在嚙合狀態(tài)下母螺紋末端不承受載荷，所以應(yīng)力集中程度極低，磁記憶檢測信號極其微弱，在梯度云圖中表現(xiàn)為淡綠色,即為公頭小端信號。⑥ 水眼過渡處信號在云圖中表現(xiàn)為兩處明顯的高應(yīng)力譜線，代表傳感器進(jìn)入水眼臺階和離開水眼臺階的時刻。在整個水眼臺階范圍內(nèi)都呈現(xiàn)為相對較高的應(yīng)力帶，這是由于鉆桿母接頭采用內(nèi)外加厚的形式使得幾何尺寸改變較大造成的。

ZG301H井114-2鉆柱接頭磁記憶檢測信號云圖，如圖8所示;其接頭處嚙合螺紋部位的檢測云圖如圖9所示。

圖7 ZG301H井114-1鉆柱接頭磁記憶檢測信號云圖

圖8 ZG301H井 114-2鉆柱接頭磁記憶檢測信號云圖

圖9 ZG301H井114-2鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測信號云圖

由圖9(a)可以確定鉆柱接頭處嚙合螺紋應(yīng)力集中的程度，軸向各點(diǎn)應(yīng)力集中值與警戒線的位置關(guān)系；由圖9(b)可以直觀地顯示應(yīng)力集中區(qū)域的分布，分辨應(yīng)力集中、缺陷的性質(zhì)和具體位置；圖9(c)能夠顯示哪個通道檢測的磁記憶信號最大，能通過探頭通道的位置來確定應(yīng)力集中區(qū)域的具體位置。

對114-2鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測信號云圖進(jìn)行分析，從圖9(c)可以看出，梯度值范圍在-4～3(×100 V·mm-1),絕對值最大為4(×100 V·mm-1)。從圖9(b)可以看出：鉆柱嚙合螺紋應(yīng)力集中區(qū)域主要位于靠近臺肩部位的公螺紋前三扣和靠近水眼處的母螺紋前三扣，該結(jié)論與SHAHANI A R[7]和FERJANI M[8]通過有限元模擬得到的螺紋應(yīng)力集中顯著的部位相符。說明磁記憶檢測技術(shù)能夠在不卸扣的情況下對螺紋的應(yīng)力集中程度進(jìn)行有效檢測，能夠準(zhǔn)確地反映嚙合螺紋應(yīng)力集中的區(qū)域和大小。

圖10 ZG301井鉆柱嚙合螺紋梯度峰值隨不同范圍井深的變化曲線

圖11 ZG301井鉆柱管體梯度峰值隨不同范圍井深的變化曲線

ZG301H共檢測鉆柱114柱(一柱三根)，共計(jì)342根，對每一柱鉆柱嚙合螺紋磁記憶梯度參數(shù)采取均值化處理，建立其鉆柱嚙合螺紋梯度峰值隨井深的變化關(guān)系，如圖10所示。

從圖10可知：①在井深0～1 000 m范圍內(nèi)，鉆柱嚙合螺紋梯度峰值隨井深的增加呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，與鉆柱軸向受力一致。②在井深3 400～5 400 m范圍內(nèi)，鉆柱嚙合螺紋處梯度峰值隨井深的變化趨勢不明顯，這是因?yàn)樵谠摱毋@柱受力比較復(fù)雜，而且部分鉆具的內(nèi)外螺紋經(jīng)過修扣以后，應(yīng)力集中得到了釋放。

現(xiàn)對ZG301H井每一柱鉆柱管體的磁記憶梯度峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立其隨井深的變化關(guān)系，如圖11所示。

從圖11可知：①在井深0～1 400 m范圍內(nèi)，鉆柱管體梯度峰值隨井深的增加呈逐漸變小的趨勢，與鉆柱軸向受力一致，而且比較明顯。②在井深3 800～4 100 m范圍內(nèi)，鉆柱管體梯度峰值變化程度比較大，這是因?yàn)樵摱翁幱谝患夈@具到二級鉆具的過渡階段；③在井深3 400～5 400 m范圍內(nèi)，鉆柱管體梯度峰值隨井深的增加呈逐漸變大的趨勢，這與鉆柱軸向受力不一致，主要因?yàn)樵诰? 400～4 000 m范圍使用了一級鉆具，4 000～5 400 m范圍使用了二級鉆具，二級鉆具的應(yīng)力集中程度比一級鉆具大。

根據(jù)井口鉆柱磁記憶的檢測結(jié)果，對應(yīng)力集中程度較大的典型鉆柱進(jìn)行分析。

ZG301H井43-1鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測信號云圖如圖12所示,可見ZG301H井43-1鉆柱嚙合螺紋的應(yīng)力集中狀況輕微異常，應(yīng)力集中發(fā)生在接頭嚙合螺紋區(qū)域，應(yīng)對其限制使用。

ZG301H井65-1鉆柱磁記憶檢測信號云圖如圖13所示，可見ZG301H井65-1鉆柱嚙合螺紋的應(yīng)力集中狀況輕微異常，應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生在接頭處螺紋和管體加厚帶區(qū)域，應(yīng)對其限制使用。

圖12 ZG301H井43-1鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測信號云圖

圖13 ZG301H井65-1鉆柱磁記憶檢測信號云圖

5 結(jié)論

(1) 井口鉆柱磁記憶檢測信號隨井深的變化與鉆柱軸向受力的變化趨勢一致，說明金屬磁記憶檢測技術(shù)能夠早期檢測鉆柱的應(yīng)力集中狀況。

(2) 在起下鉆的過程中，金屬磁記憶檢測技術(shù)能夠在不卸扣的情況下對鉆柱接頭處嚙合螺紋的應(yīng)力集中狀況進(jìn)行檢測。

(3) 通過對ZG301H井鉆柱進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)第43-1和65-1鉆柱應(yīng)力集中程度較大，應(yīng)對其限制使用。

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