石油鉆具損傷檢測方法研究與應(yīng)用

李健，李文河，王霄鵬，喬軍平

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，河北 滄州 062552）

鉆桿是油氣勘探開發(fā)的重要工具。它是“鉆環(huán)”的主體部分，占整個鉆環(huán)長度的80%～90%。鉆桿是通過接頭和管體連接成一個整體，主要用于傳遞扭矩和鉆井液，在鉆井過程中鉆桿必須受到電壓、壓力、彎曲的相互作用，鉆井液中溶解的酸性腐蝕介質(zhì)以及地層中的污泥和氧化物對鉆桿內(nèi)表面造成了嚴(yán)重的腐蝕。而腐蝕后的鉆桿在應(yīng)力作用下容易發(fā)生失效和斷裂，給生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，另外，由于鉆具使用和維護不當(dāng)造成的膠合，造成鉆孔開裂。即使這些裂縫很小，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并繼續(xù)使用，也會成為事故的起因。

1 產(chǎn)生的原因

在油氣勘探開發(fā)過程中，鉆桿是最常用的重要工具。在實際勘探中使用石油鉆桿時，鉆桿的一端必須與鉆桿的底部相連接。只有有效地扭矩傳遞才能保證鉆井作業(yè)的傳遞。因此，鉆桿在石油勘探和生產(chǎn)中起著非常重要的作用。如果鉆桿不能正常工作或因任何原因損壞，鉆桿將不能有效地進行勘探，是技術(shù)項目開發(fā)的主要障礙之一，特別是在油氣勘探作業(yè)期間，將對鉆井管道造成損害。

1.1 應(yīng)力集中

從我國目前的情況來看，石油勘探開發(fā)主要采用鉆桿來保證鉆柱的固定，為了避免外部變形的影響，增加承載能力，也就是說，這是主要問題之一，荷載集中在緊湊過渡區(qū)的交叉處，截面的外力過于集中，導(dǎo)致鉆孔變形，鉆孔一般為內(nèi)外壁厚類型，由于橫截面的突然變化，很容易彎曲。鉆桿的薄弱接頭是一個張力或腐蝕疲勞的危險點。

1.2 腐蝕

在油氣勘探開發(fā)的具體過程中，鉆井液和扭矩必須通過鉆桿來輸送，而造成鉆桿腐蝕的因素很多。由于各種原因，腐蝕程度可能不同，因為腐蝕會影響鉆井質(zhì)量，在環(huán)空造成不同程度的破壞。本文在實踐研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作經(jīng)驗提出了相應(yīng)的對策，總結(jié)了目前造成損害的各種因素。鉆桿腐蝕一般有兩種形式：一種是平衡腐蝕，另一種是孔隙腐蝕。這是因為腐蝕性環(huán)境影響了鉆桿的使用，且環(huán)境中交流電壓很低。雖然長時間內(nèi)鉆桿本身的耐蝕性會降低，但它會有一定的耐蝕性。在這種情況下，鉆井管線的腐蝕速度加快，空化腐蝕與腐蝕之間達(dá)到了平衡。

2 磁粉檢測

2.1 原理

設(shè)計用于檢測工程材料、備件、結(jié)構(gòu)等表面缺陷的設(shè)備，當(dāng)表面或附近的磁性鐵磁材料有缺陷時（磁場磁電阻大到足以在材料磁粉的表面空間形成分散的磁場），磁粉吸收磁場耗散，形成磁痕，說明存在缺陷和形狀。

2.2 測試設(shè)備

磁化線圈，磁化零件；整流電路，變交流電為直流電，調(diào)整方向和電流大??；黑光燈；用于觀察磁點。

2.3 檢測方法

交叉法，直流電的連續(xù)性主要是在磁化的情況下同時觀察；光磁化處理部分，再加入磁懸液，觀察，往往是局部檢測。

2.4 示例

2010年6月，新疆設(shè)計部門打的豎井損壞。據(jù)統(tǒng)計，鉆具損壞部位一般需要2～5個外扣和3～6個內(nèi)扣，外扣性能平穩(wěn)，磁性聚集明顯，操作方便，缺陷消失處有明顯變化。但刀痕、磨痕的偽缺陷是磁痕平穩(wěn)，磁粉團聚不明顯，缺陷消失，無明顯變化。

3 電磁檢測

3.1 原理

電磁控制的基本原理與粉末磁粉探傷相似。鐵磁性材料用于磁化時，內(nèi)外表面缺陷或微觀結(jié)構(gòu)中的磁通量發(fā)生變化，磁路中的磁通也隨之變化。一部分磁通直接穿過缺陷，另一部分磁通繞過材料內(nèi)部缺陷，還有磁通從材料表面通過空氣處理去除。然后缺陷進入材料，外表面形成散射磁場。漏磁場的檢測直接通過專用的磁裝置進行，用于檢測和記錄漏磁場，以便產(chǎn)生漏磁場。如果壁厚是恒定的，則管壁外的磁力線厚度是恒定的。當(dāng)管壁厚度變化時，管壁外磁力線厚度增加。

3.2 試驗設(shè)備

這方面的一個例子是美國新技術(shù)公司開發(fā)的系統(tǒng)，它可以改變水平線，檢測垂直缺陷和管壁厚度。在測試設(shè)備校準(zhǔn)測試前，使用不同直徑的8孔管道測試。綜合型故障檢測儀主要由縱探頭、橫探頭、粗探頭、磁線圈、轉(zhuǎn)矩線圈等腳夾、端子、噴墨、兩條自動傳輸線、線圈、架空管組成。

3.3 試驗方法

截面檢測采用固定環(huán)形線圈，是在管道上產(chǎn)生的強縱向磁場。受縱向磁場的感應(yīng)，在管線上會產(chǎn)生任何缺陷，如吸力點、橫向節(jié)點或其他類型的三維缺陷，如果物體被電磁線圈磁化，當(dāng)發(fā)生橫向效應(yīng)時，物體表面及周圍的磁力線會局部變形，導(dǎo)致磁場散射。閘瓦垂直于磁力線探頭，噴淋場由霍爾儀表產(chǎn)生。橫向控制由8個探頭組成，檢測率為120%，可快速改變模塊尺寸。但由于缺陷對應(yīng)于磁場方向，故無法檢測出缺陷。因此，通過旋轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生螺旋磁場，在磁力線和缺陷之間，從而可以檢測到缺陷。

3.4 實例

在四川回收的鉆桿的檢查。檢查鉆桿時，通過橫向缺陷檢測而和壁厚測定來檢測鉆桿的腐蝕和損傷情況，探測器關(guān)閉時磁場突變產(chǎn)生的波形，可以參考壁厚變化的曲線，來判斷它為橫向缺陷。經(jīng)過超聲波檢測此管體存在缺陷。

4 超聲波技術(shù)

4.1 原理

超聲波故障檢測是利用超聲波能量來反映零件缺陷、穿透金屬材料的深度和界面反射特性的一種方法。如果在一個區(qū)段中有另一區(qū)段，則可通過A型脈沖回波技術(shù)檢測部分產(chǎn)品。探頭用于檢測。故障探測器傳輸電路發(fā)送一個電數(shù)字來研究，激勵壓電探針芯片產(chǎn)生0.5～25MHz的高頻超聲場。超聲場穿過工件并將其擴散到整個工件上。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，其強度隨著X的增大而減小，如果發(fā)生斷裂，超聲波場中的部分能量會影響探測器，它在接收電路中將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，接收電路將增強和識別電信信號，并最終顯示在屏幕上。根據(jù)在屏幕上形成的脈沖形式，可以確定缺陷的位置和大小。

4.2 試驗設(shè)備

目前，南京東德電子有限公司使用的超聲波誤差檢測儀主要是cud-2030儀器。另外，由于孔兩側(cè)壁厚，常用的評價方法不能有效地確定孔的損傷程度。超聲波檢測可以解決這個問題。該技術(shù)的原理是充分利用脈沖激光測量其厚度。只有一個信號通過故障檢測通道傳輸?shù)教筋^，在鉆桿周圍形成一個超聲波場。超聲波參考組件和相關(guān)通信組件將用于校準(zhǔn)儀器。該設(shè)備具有自動校準(zhǔn)功能。

4.3 實例

目前，采用5英寸鉆桿為API標(biāo)準(zhǔn)第3組鉆桿，管體頭部采用內(nèi)外加厚版。6個淺層裂縫鉆孔制成的鉆具中發(fā)現(xiàn)的缺陷，該鉆具向之前在中國運營的一家公司提交了G105鉆井?dāng)?shù)據(jù)，用于鉆井。在石油勘探中發(fā)現(xiàn)，在上部地質(zhì)層中有許多巖石，開始出現(xiàn)不同程度的裂紋，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，在鉆孔管上出現(xiàn)了不同程度的裂紋，導(dǎo)致鉆孔管嚴(yán)重腐蝕，腐蝕總范圍為20%，起裂點深度約為1.51.8mm，長度約為7～8mm，而孔的長度約為3～5mm。具體研究和研究表明：鉆桿因腐蝕而損壞，長期使用效果不理想。然后在充分利用電磁和超聲波評價技術(shù)的條件下，評價出合適的鉆桿范圍，通過有效的對比分析，確定鉆桿的損傷程度，以保證工程的正常安全。

5 滲透檢測

液體滲透檢查確認(rèn)未松動金屬和金屬試樣表面存在開口缺陷。將融合了熒光染料和有色染料的滲透劑施加到工作表面，滲透劑通過毛細(xì)作用滲入表面開口的各種類型的細(xì)小缺陷中，去除附著在工作表面上的多余滲透劑。如果在干燥后加入顯影劑，然后在黑光或白光下觀察，缺陷會分別發(fā)出黃綠色熒光或紅色熒光。

6 結(jié)語

油氣勘探是我國的一項重要工程。要保證油氣田有效規(guī)范開發(fā)。為了在實際工作中不造成鉆桿損壞，必須采用科學(xué)的方法對鉆桿進行檢測。研究發(fā)現(xiàn)，磁粉檢測具有以下優(yōu)點：檢測結(jié)果明顯，操作簡單，檢測成本低，檢測效率高。缺點：誤差深度無法確定，只能用于發(fā)現(xiàn)鐵磁性材料的表面和表面缺陷。當(dāng)鉆具損壞時，通常采用電磁檢測法測量鉆桿的腐蝕量，效果很好。電磁檢測技術(shù)主要用于自動檢測，不僅可以發(fā)現(xiàn)故障，還可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的磁場來檢測故障。研究結(jié)果可能受到電磁干擾的影響。超聲波檢測誤差的優(yōu)點是厚度大、靈敏度高；具有速度快、成本低、對人無害、可定位等優(yōu)點而量化誤差，在主要視覺因素的影響下，不易保存誤差結(jié)果。本文詳細(xì)分析了檢測中的問題，并提出了相應(yīng)的對策和科學(xué)的方法，為查明和評估鉆桿損壞原因，確保相關(guān)設(shè)施運行有序安全提供了可靠保障。