在線鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

劉賢文，馬金山，魏立明，邊建杰，袁文飛，屈 剛

中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司（天津300280）

■質(zhì)量

在線鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

劉賢文，馬金山，魏立明，邊建杰，袁文飛，屈 剛

中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司（天津300280）

介紹了鉆桿漏磁檢測(cè)工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及系統(tǒng)構(gòu)成。針對(duì)鉆桿端區(qū)的壁厚從21.5mm變化到9.17mm左右時(shí)，鉆桿漏磁設(shè)備無(wú)法檢測(cè)出鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)缺陷的問(wèn)題，通過(guò)使用鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的直流雙磁化器飽和磁化、差分檢測(cè)探頭獲取漏磁信號(hào)的技術(shù)，解決了鉆桿端區(qū)壁厚縮頸引起的信號(hào)干擾及信號(hào)幅值變化。結(jié)果表明，鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)能可靠地檢測(cè)出鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)的腐蝕坑、裂紋、卡瓦咬痕等缺陷，提高了鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)檢測(cè)質(zhì)量水平，防止了鉆桿過(guò)渡區(qū)刺漏及斷裂事故的發(fā)生。

鉆桿端區(qū)；雙磁化器；漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

鉆桿在鉆井過(guò)程中承受拉伸、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)和交變應(yīng)力等多種載荷，經(jīng)反復(fù)周轉(zhuǎn)使用就會(huì)出現(xiàn)管體橫向裂紋、內(nèi)外壁腐蝕坑、卡瓦咬痕和拉傷等缺陷，如不及時(shí)檢測(cè)就會(huì)發(fā)生鉆桿刺漏及斷裂事故。鉆桿無(wú)損檢測(cè)一般采用漏磁和超聲波檢測(cè)方法，管體采用漏磁檢測(cè)，加厚過(guò)渡區(qū)采用超聲波檢測(cè)。由于分別采用兩種檢測(cè)鉆桿方法，造成檢測(cè)速度慢、檢測(cè)效果差、操作不方便，有時(shí)會(huì)發(fā)生鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)漏檢和誤判的情況。

鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)的直流雙磁化器實(shí)現(xiàn)了加厚過(guò)渡區(qū)處于飽和磁化狀態(tài)，并通過(guò)差分探頭機(jī)構(gòu)，解決了鉆桿壁厚變化的信號(hào)干擾，保證了缺陷信號(hào)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了鉆桿端區(qū)的自動(dòng)檢測(cè)，提高了鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)檢測(cè)質(zhì)量水平及準(zhǔn)確率，杜絕了存在缺陷的鉆具在鉆井過(guò)程中造成井下鉆具事故。

1 鉆桿漏磁檢測(cè)工作原理

鉆桿漏磁檢測(cè)的基本原理：用一磁場(chǎng)沿鉆桿軸向磁化鉆桿段，當(dāng)鉆桿通過(guò)這一磁化磁場(chǎng)時(shí)，一旦鉆桿中存在缺陷，則會(huì)在鉆桿表面產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，或者引起磁化鉆桿磁路內(nèi)的磁通變化，采用磁敏感元件檢測(cè)這些磁場(chǎng)的畸變即可獲得有關(guān)鉆桿缺陷的信息。其原理如圖1所示[1]。

圖1 鉆桿磁性檢測(cè)原理

鉆桿漏磁檢測(cè)系統(tǒng)是一種檢測(cè)鉆桿表面或內(nèi)部裂紋、孔洞、腐蝕坑等缺陷的漏磁檢測(cè)方法。采用了局部缺陷檢測(cè)傳感器，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后由計(jì)算機(jī)采集和判別，檢測(cè)的結(jié)果可顯示、存儲(chǔ)、打印及聲光報(bào)警[2]。

2 鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

1）設(shè)備滿足Φ73mm、Φ88.9mm、Φ101.6mm、Φ127mm、Φ139.7mm這5種規(guī)格鉆桿的檢測(cè)。

2）技術(shù)指標(biāo)達(dá)到API Spec 5DP-2009《鉆桿規(guī)范》和DS-1《鉆柱檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。

3）檢測(cè)速度：17m/min。

4）過(guò)渡區(qū)（內(nèi)、外加厚區(qū)）檢測(cè)靈敏度：Φ1.6mm通孔（光滑表面，壁厚≤22mm）。

5）檢測(cè)盲區(qū)：≤100mm（鉆桿接頭斜坡處，壁厚≤22mm）。

6）具有缺陷自動(dòng)聲光報(bào)警功能，探頭機(jī)構(gòu)設(shè)有自動(dòng)保護(hù)裝置。

3 鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 磁化系統(tǒng)

鉆桿端區(qū)的內(nèi)外壁厚均會(huì)有變化，一般從21.5mm變化到9.17mm左右。所以，漏磁檢測(cè)要能將22mm壁厚的端區(qū)磁化到飽和狀態(tài)，否則，沒(méi)有漏磁信號(hào)。一般鉆桿漏磁設(shè)備的磁化器達(dá)不到飽和磁化的要求，因而很難檢測(cè)出鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)上的缺陷。直流雙磁化器的磁化能力達(dá)到鉆桿管體的3倍，在端區(qū)相同尺寸的缺陷能夠得到相同幅值的檢測(cè)信號(hào)，滿足了鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)的技術(shù)要求（圖2）。

圖2 直流雙磁化器

3.2 探頭系統(tǒng)

探頭系統(tǒng)采用多臂浮動(dòng)跟蹤結(jié)構(gòu)，由氣缸同時(shí)張合。探頭張合的目的是避讓鉆桿接頭，同時(shí)具有足夠的速度和精度保證在兩端的加厚過(guò)渡區(qū)開(kāi)始和結(jié)束鉆桿檢測(cè)。在加厚過(guò)渡區(qū)上存在漸變的壁厚，其產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重影響缺陷漏磁場(chǎng)，所以需要采用差分式檢測(cè)探頭才能將缺陷信號(hào)拾取出來(lái)。它可以消除背景磁場(chǎng)對(duì)加厚過(guò)渡區(qū)信號(hào)的干擾，提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比。

3.3 信號(hào)系統(tǒng)

信號(hào)系統(tǒng)由前置處理器、信號(hào)處理及采集器、檢測(cè)軟件、工控機(jī)等組成。前置處理器、信號(hào)處理及采集器是將檢測(cè)探頭拾取的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)處理，檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)以圖形化顯示。

檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)的功能：檢測(cè)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、控制信號(hào)的輸出及輸入、實(shí)時(shí)發(fā)送檢測(cè)的數(shù)據(jù)。功能按鈕包括：標(biāo)定-停止-檢測(cè)-參數(shù)設(shè)置-采集卡-顯示設(shè)置-歷史數(shù)據(jù)-細(xì)化分析-通道回放-探傷模式-統(tǒng)計(jì)報(bào)告。數(shù)據(jù)采集分析包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、處理、圖形化顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分析，檢測(cè)波形及報(bào)告的打印。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

在傳動(dòng)系統(tǒng)上運(yùn)用紅外開(kāi)關(guān)及氣缸，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)順序控制，傳送線上的避讓功能使得鉆桿接頭無(wú)礙前進(jìn)，在檢測(cè)鉆桿過(guò)程中更加平穩(wěn)，避免出現(xiàn)鉆桿接頭碰撞滾輪出現(xiàn)的假信號(hào)。讓傳送線、壓緊機(jī)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)自成一體，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、鉆桿傳送及后處理等工序的自動(dòng)化控制（圖3）。

圖3 鉆桿端區(qū)在線檢測(cè)

3.5 自動(dòng)保護(hù)裝置

為確保探頭機(jī)構(gòu)安全平穩(wěn)運(yùn)行，探頭機(jī)構(gòu)上設(shè)有自動(dòng)保護(hù)裝置。在鉆桿檢測(cè)過(guò)程中，如果探頭沒(méi)有完全張開(kāi)，它會(huì)立即反饋至上位機(jī)。上位機(jī)是一臺(tái)可以發(fā)出特定操控命令的計(jì)算機(jī)，通過(guò)操作預(yù)先設(shè)定好的命令，將命令傳遞給下位機(jī)。通過(guò)下位機(jī)來(lái)控制傳動(dòng)系統(tǒng)，完成緊急停機(jī)，防止鉆桿碰撞探頭機(jī)構(gòu)（圖4）。

圖4 探頭保護(hù)傳感器

4 標(biāo)準(zhǔn)樣管

API Spec 5DP-2009《鉆桿規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，管體橫向缺陷采用1.6mm的通孔作為S135鉆桿人工參考反射體，優(yōu)選端區(qū)橫向缺陷采用1.6mm和2.0mm的通孔作為S135鉆桿人工參考反射體。管體橫向缺陷采用3.2mm的通孔作為G105鉆桿人工參考反射體，優(yōu)選端區(qū)橫向缺陷采用2.4mm和3.2mm的通孔作為G105鉆桿人工參考反射體。SY/T 5824-1993《鉆桿分級(jí)檢驗(yàn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：壁厚損失剩余壁厚＜80%為一級(jí)；壁厚損失剩余壁厚＜70%為二級(jí)。根據(jù)不同規(guī)格、鋼級(jí)分別制作了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣管（圖5）[3]。

5 鉆桿缺陷分析及曲線特征

鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)容易引起應(yīng)力集中，造成管體會(huì)出現(xiàn)橫向裂紋、內(nèi)外壁腐蝕坑等缺陷。鉆桿由于不斷受卡瓦咬痕、鉆桿濾清器、泥漿腐蝕等影響，在加厚過(guò)渡區(qū)內(nèi)外壁會(huì)形成腐蝕坑，并在坑底萌生腐蝕疲勞裂紋。如果表面缺陷（卡瓦咬痕）處形成早期疲勞裂紋，經(jīng)過(guò)疲勞裂紋萌生期后，隨著裂紋逐步擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展穿透鉆桿壁厚，在高壓泥漿作用下發(fā)生鉆桿的刺穿及孔洞，甚至發(fā)生管體斷裂事故[4]。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)樣管制作示意圖

5.1 橫向裂紋缺陷

曲線特征：當(dāng)任何一組探頭檢測(cè)到橫向裂紋時(shí)，在顯示器“橫向缺陷”欄出現(xiàn)波形明顯、山峰狀曲線，曲線高度達(dá)滿幅度的100%，底部伴有高低不一的林狀曲線，一般是內(nèi)部腐蝕坑（圖6）。

圖6 橫向裂紋缺陷

5.2 孔洞缺陷

曲線特征：當(dāng)任何一組探頭在檢測(cè)到孔洞缺陷時(shí)，在顯示器“橫向缺陷”欄出現(xiàn)波形明顯、尖銳波峰，曲線高度達(dá)滿幅度的100%，底部伴有草狀波曲線（圖7）。

圖7 孔洞缺陷

5.3 內(nèi)、外壁腐蝕缺陷

曲線特征：當(dāng)任何一組探頭在檢測(cè)到內(nèi)外壁腐蝕缺陷時(shí)，顯示器“橫向缺陷”欄出現(xiàn)大量的草狀及林狀曲線，曲線幅度不高，連續(xù)的較低、較密的波形是腐蝕坑的特點(diǎn)（圖8）。

圖8 內(nèi)、外壁腐蝕缺陷

5.4 卡瓦咬痕缺陷

曲線特征：任何一組探頭檢測(cè)到卡瓦咬痕缺陷時(shí)，在顯示器“橫向缺陷”欄出現(xiàn)波峰較尖銳曲線，底部伴有草狀或高低不一的林狀曲線，曲線幅度不高（圖9）。

根據(jù)近幾年發(fā)生鉆桿刺漏失效的統(tǒng)計(jì)，大約有90%以上鉆桿刺漏失效發(fā)生在內(nèi)螺紋接頭端的加厚過(guò)渡區(qū)，該部位出現(xiàn)的曲線波峰應(yīng)引起檢測(cè)人員的格外重視，并且可以用于指導(dǎo)今后鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)漏磁檢測(cè)工作。

圖9 卡瓦咬痕缺陷

6 在線漏磁檢測(cè)鉆桿

將鉆桿漏磁檢測(cè)和端區(qū)漏磁檢測(cè)設(shè)備一起使用，實(shí)現(xiàn)了鉆桿管體和端區(qū)的全管體自動(dòng)化檢測(cè)及分級(jí)。該系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、操作方便、性能穩(wěn)定、可以檢測(cè)加厚過(guò)渡區(qū)和管體等特點(diǎn)。自2015年使用以來(lái)，共檢測(cè)各種規(guī)格的鉆桿15 120根。其中12 620根完好，2 180根降級(jí)，320根報(bào)廢。檢測(cè)過(guò)的鉆桿沒(méi)有發(fā)生過(guò)一起鉆桿刺漏失效，遏制了在鉆井過(guò)程中因鉆桿刺漏及斷裂造成的井下事故，滿足了鉆井生產(chǎn)對(duì)鉆具可靠性的要求[5]。

7 結(jié)論和建議

1）鉆桿端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)能可靠地檢測(cè)出鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)的內(nèi)、外表面腐蝕坑、裂紋、卡瓦咬痕等缺陷。

2）鉆桿漏磁和端區(qū)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)一起檢測(cè)管體和加厚過(guò)渡區(qū)，實(shí)現(xiàn)了鉆桿全管體的自動(dòng)化檢測(cè)及分級(jí)，滿足了鉆桿使用的可靠性。

3）配備了5種專用探頭機(jī)構(gòu)，使得探頭機(jī)構(gòu)更換及維修更加簡(jiǎn)單和方便，同時(shí)具有自動(dòng)防碰撞保護(hù)功能。

4）直流雙磁化器保證了鉆桿端區(qū)飽和磁化狀態(tài)，通過(guò)差分檢測(cè)探頭及信號(hào)處理，解決了壁厚變化的信號(hào)干擾及背景磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了的缺陷真實(shí)反映。

5）由于端區(qū)漏磁檢測(cè)采用比較法判斷是否存在缺陷，很難確定缺陷大小及方位，無(wú)法區(qū)分內(nèi)、外表面的缺陷，所以漏磁檢測(cè)還需要探傷人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

[1]丁勁鋒,康宜華,巴魯君,等.鉆桿檢測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造[J].檢測(cè)技術(shù)，2004，33(1):35-37.

[2]王永宏,張玉英,張?jiān)讫?等.鉆桿檢測(cè)設(shè)備的改造與使用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2003,32(2):59-60.

[3]王玉奎,張玉英,張?jiān)讫?MTD型鉆桿無(wú)損檢測(cè)設(shè)備在鉆桿分級(jí)管理中的應(yīng)用[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005,34(2):56-58.

[4]劉賢文,馬金山,姚航.鉆桿加厚過(guò)渡區(qū)刺漏可靠性分析[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2014,30(5):6-9.

[5]王忠福,張艷波,金永福.鉆桿無(wú)損檢測(cè)工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù),2006,34(5)：57-59.

The principle,technical features and system constitution of the on-line magnetic flux leakage detection system for drill pipe end are introduced.When drill pipe wall thickness varies from 21.5mm to about 9.17mm,the drill pipe magnetic flex leakage equipment can not detect the defects in the drill pipe wall thickness transition zone.For solving this problem,the DC double magnetizer saturation magnetization and differential detecting probe obtaining magnetic flux leakage signal technique is used in the on-line magnetic flux leakage detection system for drill pipe end to solve the signal interference and signal amplitude variation caused by the reduction of drill pipe wall thickness.Application results show that the drill pipe end magnetic flux leakage detection system can reliably detect the de?fects such as corrosion pits,cracks,slip bite in the drill pipe wall thickness transition zone,which improves the inspection quality level of drill pipe thickness transition zone and prevents the occurrence of the washout and fracture accidents in drill pipe wall thickness tran?sition area.

drill pipe end zone;double magnetizer;magnetic flux leakage detection system

賈強(qiáng)

2016-03-21

劉賢文(1967-)，男，高級(jí)工程師，主要從事鉆具管理、鉆具失效分析及鉆具無(wú)損檢測(cè)工作。