基于磁記憶的不同井深鉆柱失效風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)

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

在石油鉆井過(guò)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(guò)帶螺紋的接頭相互連接。在鉆井時(shí)，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(shí)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(gè)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(duì)鉆具性能的要求也越來(lái)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(cè)常用技術(shù)手段主要有4種，分別是超聲波檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和渦流檢測(cè)[5]。4種檢測(cè)手段分別應(yīng)用于管子站、井場(chǎng)和井隊(duì)，主要檢測(cè)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(guò)渡帶區(qū)域。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于鉆具敏感部位早期的應(yīng)力集中狀況無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)，其不僅需要對(duì)鉆具進(jìn)行卸扣處理，而且需要用不同的檢測(cè)技術(shù)對(duì)鉆具不同的敏感部位分別進(jìn)行檢測(cè)，工序復(fù)雜，人力物力消耗較大。

筆者引入金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)，在卸扣的情況下，對(duì)鉆柱早期應(yīng)力集中狀況進(jìn)行檢測(cè)。其檢測(cè)的理論基礎(chǔ)是漏磁場(chǎng)理論，通過(guò)檢測(cè)漏磁場(chǎng)切向分量或法向分量的變化情況，來(lái)確定應(yīng)力集中與疲勞損傷的部位及程度。磁記憶檢測(cè)原理示意如圖1所示。鐵磁工件在地磁場(chǎng)與外載荷同時(shí)作用下，在應(yīng)力和變形集中部位漏磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)達(dá)到最大值，而法向分量Hp(y)過(guò)零點(diǎn)且改變符號(hào)。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(hào)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(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵磁工件應(yīng)力狀態(tài)、缺陷或損傷的檢測(cè)，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)其損傷的早期診斷。

筆者根據(jù)鉆具失效類(lèi)型和不同井深鉆具的失效風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室自行研制的便攜式井口磁記憶檢測(cè)裝置，對(duì)井口鉆柱接頭處嚙合螺紋和管體進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，建立井口鉆柱磁記憶檢測(cè)信號(hào)隨井深的變化關(guān)系，并對(duì)典型鉆柱的磁記憶檢測(cè)信號(hào)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(guó)內(nèi)某油田2010～2015年的鉆具失效統(tǒng)計(jì)，鉆具失效類(lèi)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(guó)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(lái)說(shuō)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(shí)，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(zhǎng)度的重力；Lc為鉆鋌的長(zhǎng)度；Lp為截面以下鉆桿長(zhǎng)度，若截面剛好落在鉆鋌上則Lp為零；KB稱(chēng)為“浮力系數(shù)”；Fd為起下鉆時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷；Ff為井壁及鉆井液對(duì)鉆柱的摩檫力。

當(dāng)起下鉆速度很小時(shí)，可以假設(shè)Fd和Ff為零時(shí)，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(jiàn)，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(chēng)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(gè)區(qū)段的失效風(fēng)險(xiǎn)最大。而鉆柱受力大小對(duì)鉆柱失效有著嚴(yán)重的影響。

3 檢測(cè)原理

便攜式井口磁記憶檢測(cè)原理示意如圖4所示。

圖4 便攜式井口鉆柱磁記憶檢測(cè)原理示意

便攜式井口磁記憶檢測(cè)裝置可在穩(wěn)定情況下檢測(cè)4～5.5 in.(1 in.=25.4 mm)鉆桿，其采用金屬磁記憶原理，通過(guò)檢測(cè)鉆柱磁記憶信號(hào)從而對(duì)鉆桿進(jìn)行檢測(cè)。裝置沿環(huán)向設(shè)有16個(gè)傳感器探頭模塊，每個(gè)傳感器模塊中都設(shè)有一個(gè)磁記憶傳感器。當(dāng)有鉆具從裝置中間通過(guò)時(shí)，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(hào)。當(dāng)鉆桿檢測(cè)完成后，可拉起插銷(xiāo)，裝置會(huì)在另一側(cè)開(kāi)口，實(shí)現(xiàn)鉆柱與裝置的分離;當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)，推動(dòng)裝置通過(guò)一側(cè)的開(kāi)口環(huán)抱鉆柱，再插上插銷(xiāo)，以便于采集數(shù)據(jù)。井口磁記憶檢測(cè)裝置采用軸向掃描方式，在起下鉆的過(guò)

程中進(jìn)行檢測(cè)，鉆具每3根組合在一起作為一立根，每次檢測(cè)對(duì)象為每柱立根，檢測(cè)的主要部位為鉆柱嚙合螺紋和管體。用自主開(kāi)發(fā)的軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的同步采集和處理，得到磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖；通過(guò)分析磁記憶檢測(cè)信號(hào)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(duì)鉆柱應(yīng)力集中狀況的評(píng)判，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆具的使用。

4 ZG301H井鉆柱失效風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)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(duì)高程一般在100 m左右。此次起鉆檢測(cè)時(shí)井的測(cè)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(cè)第一柱編號(hào)為118，依次遞減，其中檢測(cè)5.5 in.鉆柱編號(hào)為118-56，5 in.鉆柱編號(hào)為：65-1。

鉆井檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖5所示。

圖5 井口鉆柱一體化檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

起鉆時(shí)第114柱鉆柱的檢測(cè)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(cè)信號(hào)幅值差別比較明顯，尤其是鉆柱接頭處磁記憶信號(hào)變化比較大，說(shuō)明磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)︺@柱進(jìn)行有效地檢測(cè)。為了更加細(xì)致地分析鉆柱接頭處螺紋檢測(cè)信號(hào)，對(duì)ZG301H井114-1鉆柱接頭信號(hào)進(jìn)行處理分析，如圖7所示。

圖6 ZG301H第114柱磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖

通過(guò)分析可知：① 接頭上部過(guò)渡處信號(hào)是作為檢測(cè)探頭從鉆柱管體剛進(jìn)入接頭的標(biāo)志信號(hào)，該處磁記憶信號(hào)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(cè)信號(hào)特征表現(xiàn)復(fù)雜，沒(méi)有規(guī)律可循。主要因?yàn)殂@具在上卸扣過(guò)程中受到卡瓦咬合作用，表面會(huì)形成麻點(diǎn)狀的咬痕，其影響程度與鉆具使用時(shí)間和工人的操作水平有關(guān)。③ 公母頭密封面漏磁信號(hào)表現(xiàn)為一道跳躍明顯的應(yīng)力譜線(xiàn)，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(cè)信號(hào)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(hào)圖譜變化平緩，需要進(jìn)一步截取分析。⑤ 公螺紋長(zhǎng)度為110 mm，母螺紋長(zhǎng)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(cè)信號(hào)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(hào)。⑥ 水眼過(guò)渡處信號(hào)在云圖中表現(xiàn)為兩處明顯的高應(yīng)力譜線(xiàn)，代表傳感器進(jìn)入水眼臺(tái)階和離開(kāi)水眼臺(tái)階的時(shí)刻。在整個(gè)水眼臺(tái)階范圍內(nèi)都呈現(xiàn)為相對(duì)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(cè)信號(hào)云圖，如圖8所示;其接頭處嚙合螺紋部位的檢測(cè)云圖如圖9所示。

圖7 ZG301H井114-1鉆柱接頭磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖

圖8 ZG301H井 114-2鉆柱接頭磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖

圖9 ZG301H井114-2鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測(cè)信號(hào)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(xiàn)的位置關(guān)系；由圖9(b)可以直觀(guān)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(gè)通道檢測(cè)的磁記憶信號(hào)最大，能通過(guò)探頭通道的位置來(lái)確定應(yīng)力集中區(qū)域的具體位置。

對(duì)114-2鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測(cè)信號(hào)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(duì)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(tái)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(guò)有限元模擬得到的螺紋應(yīng)力集中顯著的部位相符。說(shuō)明磁記憶檢測(cè)技術(shù)能夠在不卸扣的情況下對(duì)螺紋的應(yīng)力集中程度進(jìn)行有效檢測(cè)，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(xiàn)

圖11 ZG301井鉆柱管體梯度峰值隨不同范圍井深的變化曲線(xiàn)

ZG301H共檢測(cè)鉆柱114柱(一柱三根)，共計(jì)342根，對(duì)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(shì)，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(shì)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(guò)修扣以后，應(yīng)力集中得到了釋放。

現(xiàn)對(duì)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(shì)，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?jí)鉆具到二級(jí)鉆具的過(guò)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(shì)，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(jí)鉆具，4 000～5 400 m范圍使用了二級(jí)鉆具，二級(jí)鉆具的應(yīng)力集中程度比一級(jí)鉆具大。

根據(jù)井口鉆柱磁記憶的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)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(cè)信號(hào)云圖如圖12所示,可見(jiàn)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(duì)其限制使用。

ZG301H井65-1鉆柱磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖如圖13所示，可見(jiàn)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(duì)其限制使用。

圖12 ZG301H井43-1鉆柱嚙合螺紋磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖

圖13 ZG301H井65-1鉆柱磁記憶檢測(cè)信號(hào)云圖

5 結(jié)論

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

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

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

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