石油鉆具檢測方法與應(yīng)用

黃 磊

（中石化勝利石油工程有限公司管具技術(shù)服務(wù)中心，山東東營 257000）

石油鉆井工具一般是指石油生產(chǎn)過程中使用的專用工具。主要部件為無縫鋼管，物理性能強(qiáng)，具有耐疲勞、耐磨損和承受交變載荷的優(yōu)點。此外，該石油鉆井工具還包括六角形鉆桿、鉆頭、減震器、穩(wěn)定器等組件。鉆具運行狀態(tài)復(fù)雜，鉆具因機(jī)體腐蝕損壞而報廢，螺紋長期拉伸和扭轉(zhuǎn)易斷裂，從而導(dǎo)致斷裂事故發(fā)生。因此，有必要采用鉆探檢測技術(shù)對缺陷進(jìn)行及時檢測?，F(xiàn)有的電磁檢測技術(shù)具有靈敏度高、操作方便等優(yōu)點。它能快速、有效地檢測出石油鉆具螺紋體或螺紋上的裂紋并發(fā)現(xiàn)其缺陷，從而有效地避免危險事故的發(fā)生，提高鉆具的工作效率。

1 石油鉆具螺紋的檢測方法和流程

1.1 檢測方法

針對鉆具螺紋，常用的檢測方法主要有紫外燈法、磁化法、超聲波檢測法和穿透檢測法。

（1）紫外燈法。為了檢測效果的可靠性，應(yīng)使用中心波長為365nm，波長應(yīng)為320-400nm 的紫外燈。此外，濾光片表面距離紫外燈應(yīng)為380nm，紫外輻照度應(yīng)大于1000uw/cm2。

（2）磁化法。鉆具制造技術(shù)發(fā)展過程中，硅、硼、錳等元素逐漸應(yīng)用于鉆具制造中。然而，由于鉆具長期在地下工作，從地球深處不斷向上運動，導(dǎo)致鉆柱產(chǎn)生磁化效應(yīng)和一定量的剩磁。此外，由于石油鉆井工具的長度從幾米到10 米以上不等，使用磁化石油鉆井工具時，極限值一般為0.8t，大于0.8t 的鉆井工具部件直接噴涂磁懸浮，不大于0.8t 的鉆井工具部件直流線圈部件最佳磁化時間為3 秒。石油鉆井工具磁化試驗使用的磁懸浮，主要組成部分是8g熒光磁粉和10 升煤油。這項工作精細(xì)而復(fù)雜，為了保證磁懸浮的質(zhì)量，選擇的煤油必須保證密度小、熒光磁粉高滲透率且流動性好，選用的必須是無毒、無臭、閃點高、粘度低的煤油。

（3）還有一種應(yīng)用廣泛的無損檢測方法是超聲波檢測，其靈敏度高、穿透力強(qiáng)、檢測靈活、成本低、效率高，并且對人體無害。檢測金屬、非金屬材料的內(nèi)部及表面缺陷都可以檢測，還可以測量材料的厚度和強(qiáng)度。探傷檢測的基本原理是利用高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻脈沖信號。脈沖信號從電聲換能器轉(zhuǎn)換為超聲波脈沖，超聲波脈沖通過探頭傳輸?shù)姐@桿。當(dāng)超聲波在鉆桿中傳播，遇到有缺陷的界面或桿體界面時，反射信號被反射，反射信號由處理系統(tǒng)顯示在示波器上。根據(jù)聲波在該裝置中的傳播速度，可以計算出缺陷的深度。

（4）滲透試驗具有操作簡單、方法靈活、原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點。浸漬法可用于鉆具試驗，刷涂法或噴涂法可用于大型鉆具。它利用毛細(xì)作用。當(dāng)滲透劑滲入待測設(shè)備一段時間后，對表面的滲透劑進(jìn)行清洗和除去。利用顯像劑的毛細(xì)效應(yīng)吸附缺陷中的殘留滲透，找出缺陷并進(jìn)行檢測。

1.2 石油鉆具檢測流程

石油鉆井工具檢測系統(tǒng)的主要組成部分是傳感器、數(shù)字信號處理設(shè)備和支撐裝置。在石油鉆井工具無損檢測過程中，利用掃描頭對石油鉆井工具及相應(yīng)傳感器運動過程中的整個表面狀態(tài)進(jìn)行掃描。因此，在石油鉆具的無損檢測中，主要應(yīng)力取決于掃描頭的整體旋轉(zhuǎn)，掃描范圍應(yīng)該在螺旋軌跡方向上高于石油鉆具，探測器的位置和相應(yīng)的速度應(yīng)該得到科學(xué)、準(zhǔn)確的控制。信號預(yù)處理主要是指對所發(fā)送的信號進(jìn)行放大、降噪等處理作業(yè)，在整個無損檢測系統(tǒng)中處于中間水平位置。無損檢測系統(tǒng)采集信號后，首先對相關(guān)信號進(jìn)行平滑處理，消除信號數(shù)據(jù)中的干擾信號和異常值。此外，工頻電壓等客觀因素也會影響石油鉆具無損檢測的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致一些特殊的信號點處于離散狀態(tài)。針對這種情況，我們應(yīng)對其進(jìn)行放大誤差處理操作，對出現(xiàn)的特殊信號點進(jìn)行消除處理。

為了確保準(zhǔn)確的效果，石油鉆具螺紋檢測流程必須遵照以下步驟執(zhí)行：

（1）檢測工作進(jìn)行之前，清洗石油鉆具，用角磨機(jī)敲打舊螺紋，去除銹、泥漿等，以恢復(fù)螺紋表面的金屬色澤；

（2）對石油鉆具進(jìn)行磁化處理時要嚴(yán)格按照上面描述的磁化方法；

（3）搖動均勻的磁懸浮，以霧的形式將配置好的磁懸浮緩慢地噴灑在螺紋周圍。如果鉆具太多，為避免磁粉沉積導(dǎo)致泄漏檢測，每噴10 根螺紋需要搖動磁懸浮一次；

（4）用紫外線燈觀察鉆具螺紋，尤其是鉆頭根部，最佳距離不超過100mm。用5-10 倍放大鏡觀察螺母螺紋，使用紫外線燈時，嚴(yán)禁照射皮膚和面部，以免灼傷皮膚和眼睛；

（5）鉆頭螺紋是否正常的判斷標(biāo)準(zhǔn)是磁性標(biāo)記。如果線在紫外線照射時呈紫色，就沒有裂縫；如果螺紋是鋸齒狀黃綠色熒光燈，就有疲勞裂紋；

（6）在鉆具檢驗中發(fā)現(xiàn)缺陷時，處理原則是消除疲勞裂紋，用車床加工修復(fù)?？梢杂?0mm 以下的砂輪機(jī)將鉆具的疲勞裂紋磨光。

2 石油鉆具失效原因分析

2.1 鉆具腐蝕和沖蝕失效原因

當(dāng)氧氣溶解在鉆井或完井液中時，它會電離并與鐵發(fā)生反應(yīng)，形成氧腐蝕。在鉆井液或完井液中溶解一定濃度的二氧化碳，形成弱酸性環(huán)境，與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二氧化碳被腐蝕。二氧化碳的溶解度隨二氧化碳分壓的增加而增加，二氧化碳的腐蝕隨硫化氫的增加而增加。硫化氫溶解在鉆井液或完井液中，形成二元弱酸性硫酸，與鐵反應(yīng)形成腐蝕裂縫，并使得氫沉淀。當(dāng)氫氣濃度達(dá)到一定值時，就會發(fā)生氫脆腐蝕。氧腐蝕、硫化氫腐蝕和二氧化碳腐蝕成為腐蝕坑，形成潛在的裂紋源。

2.2 鉆具疲勞原因分析

地質(zhì)條件存在一定的復(fù)雜性，因此在鉆進(jìn)的過程中，鉆頭重量不斷變化。隨著鉆壓的變化，鉆柱的交變應(yīng)力中心點也發(fā)生變化，使鉆柱兩側(cè)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交變拉壓應(yīng)力，降低了材料的韌性，容易導(dǎo)致鉆柱的疲勞斷裂。根據(jù)機(jī)械振動理論，當(dāng)鉆柱以其固有頻率相同的速度旋轉(zhuǎn)時，就會發(fā)生共振。當(dāng)發(fā)生共振時，鉆桿很快就會疲勞。根據(jù)鉆具的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特點，將鉆具的失效模式分為螺桿失效和稠密過渡區(qū)失效。其中，鉆具螺紋失效的形式主要是泄漏和斷裂。其主要原因是螺紋是鉆柱上最薄弱的環(huán)節(jié)，其使用壽命難以與鉆具抗衡，承受著復(fù)雜的交變應(yīng)力。

2.3 鉆具螺紋產(chǎn)生疲勞裂紋的原因

螺紋疲勞斷裂是石油鉆具的主要失效形式，占零件斷裂總數(shù)的80%。疲勞裂紋出現(xiàn)的地方通常是受力集中的零件上，如鉆具的螺紋根部，這也是易斷件工人沒有嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行操作，導(dǎo)致石油鉆井力的位置傳遞，提高了螺紋零件的承載能力。石油鉆具裂紋一般呈鋸齒狀，長約110 米。金屬的交變應(yīng)力與斷裂周期密切相關(guān)，裂紋深度與長度成正比。

3 鉆具管體電磁檢測實例應(yīng)用

3.1 檢測設(shè)備

以新技術(shù)為例，該裝置可用于檢測管道的橫向、縱向缺陷和壁厚變化。在測試前，用8 個不同直徑孔的鉆桿樣品對測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。Ezw（p）型綜合探傷儀主要由中心探傷區(qū)（縱向探傷靴、橫向探傷靴、厚度探傷靴、磁性線圈、旋轉(zhuǎn)線圈、底座和支架、卡盤輥、噴標(biāo)、可編程邏輯控制PLC 系統(tǒng)）、兩條傳動自動線、消磁線圈、上下管、液壓動力系統(tǒng)、遙控臺和計算機(jī)等組成。

3.2 電磁檢測原理

電磁檢測的原理是，磁化處理后的鐵磁性材料，其內(nèi)部和外部表層的缺陷或者磁導(dǎo)率組織的變化會發(fā)生改變，磁路中相應(yīng)的磁通量變化，部分磁通量直接通過缺陷，另一部分磁通量會繞過材料內(nèi)部的缺陷，還有一部分會離開材料表面，通過缺陷周圍的空氣重新進(jìn)入材料，在外表面形成漏磁場。漏磁檢測是利用專用的磁場測量裝置直接檢測和記錄漏磁場的存在。壁厚測量是基于磁密測量原理。如圖1 所示，管壁外的磁場線密度在2 個位置處為常數(shù)，而在1 個位置，管壁外的磁場線密度增大。而平均磁通是在管壁外測量，從而得到總的平均壁厚損失。

圖1 電磁檢測原理

3.3 檢測方法

一般采用固定回路磁力線圈來檢測橫向缺陷，管體上會有強(qiáng)大的縱向磁場產(chǎn)生。磁場縱向感應(yīng)到管體軸，其中任意軸為90。缺陷，如點蝕，橫切，或d 類缺陷，都將進(jìn)行檢測。當(dāng)通過電磁線圈時，管體會被磁化，如果管體存在橫向缺陷，由于管體表面和近表面的磁場線局部變形而產(chǎn)生漏磁場，用霍爾效應(yīng)裝置檢測其大小。橫向檢查包括8只鞋，可形成120%的覆蓋率，并且每天快速更換零部件，使用不同的尺寸。該設(shè)備可用于測試27/8 英寸，31/2 英寸，5 英寸，51/2 英寸（1 英寸=25.4 厘米）的鉆井工具。檢測原理上來說，縱向缺陷與橫向缺陷的檢測原理相同，但由于缺陷與磁場方向平行，因此無法檢測到缺陷。產(chǎn)生漏磁場，可以檢測到缺陷。采用四組探點效應(yīng)裝置（每組相鄰兩個探點各1 個探點）檢測8 個探點的壁厚。

4 鉆井螺紋磁粉探傷檢測方法

4.1 原理

磁響應(yīng)變化如果是由于結(jié)構(gòu)異?；蛘呤桥c缺陷有關(guān)，可以檢測工程材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的表面缺陷。如果鐵磁性材料的表層或其附近有缺陷（或結(jié)構(gòu)狀態(tài)有改變），導(dǎo)致磁阻效應(yīng)大量增加時，材料表面空間會形成漏磁場，當(dāng)細(xì)鐵磁粉末（磁粉）涂敷在材料表面時，漏磁場形成的磁粉床吸附痕跡表明缺陷的存在和形狀，如圖2 所示。

圖2 磁粉檢測設(shè)備

4.2 磁粉探傷的意義

石油開采關(guān)乎國家核心競爭力。我國的石油開采技術(shù)雖然在不斷進(jìn)步，但當(dāng)前采用的石油鉆井工具大部分是國內(nèi)生產(chǎn)的。并且由于塔河地區(qū)的勘探井和開發(fā)井都是超深井，對鉆具提出了更高的要求，有些企業(yè)往往直到石油鉆具的所有規(guī)格都達(dá)不到才停業(yè)，而在被淘汰之前，石油鉆具必須要進(jìn)行熒光磁粉檢測，這不但加大了檢測石油鉆具的難度，而且促進(jìn)了石油鉆具螺紋熒光顆粒檢測技術(shù)的發(fā)展。在石油鉆具螺紋熒光磁粉探傷技術(shù)應(yīng)用之前，大量的石油鉆具螺紋斷裂事故每年都會發(fā)生，并且損失慘重。有了該項檢測技術(shù)后，對多種石油鉆具的檢測成為了每年的必要工作，有效地消除了安全隱患，避免了經(jīng)濟(jì)損失。例如，2020 年，一家鉆井企業(yè)檢測石油鉆井工具螺紋時使用了熒光磁粉，及時發(fā)現(xiàn)了大多數(shù)鉆井工具的疲勞裂紋，避免了數(shù)百起潛在事故，收回了國家經(jīng)濟(jì)損失的百分之一，確保了石油鉆井的安全。

4.3 檢測設(shè)備

（1）加磁線圈，用來給工件加磁；（2）整流電路，實現(xiàn)交流電向直流電的轉(zhuǎn)化，電流大小和方向可調(diào)；（3）黑光燈，用來觀察磁痕。

5 超聲波檢測探傷

5.1 原理

超聲波探傷的原理是，超聲波能夠從金屬材料的深部穿透，擁有從一個部位反射到另一個部位的特點，屬于檢查零件缺陷的一種方法。采用脈沖回波法檢測工件位置，用橫波斜探針檢測工件位置。探傷儀向探頭發(fā)送電信號，激勵探頭的壓電芯片產(chǎn)生0.5-25mhz 的高頻超聲場，超聲場穿過工件，在工件內(nèi)傳播。當(dāng)超聲場不連續(xù)時，超聲場中的部分能量會被同一探頭反射。聲音信號在探頭的作用下，轉(zhuǎn)換成電信號，供接收電路使用，接收電路對聲音信號進(jìn)行放大和檢測，最后將其顯示在屏幕上。會有脈沖波形出現(xiàn)在熒光屏上，以此判斷缺陷的大小和位置。

5.2 檢測設(shè)備

當(dāng)前使用的超聲波探傷儀生產(chǎn)廠家是南京東大電子設(shè)備有限公司，型號是CUD-2030型，主要包括儀器主體、探頭、校準(zhǔn)儀用超聲波基準(zhǔn)塊和相應(yīng)的偶聯(lián)劑。該儀器具有自動校準(zhǔn)功能，可用于存儲和打印測試信號。

5.3 檢測方法

在屏幕上顯示帶有內(nèi)加厚過渡區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)n5 槽，探針角度為59.1。為了解決這一問題，本文提出了一種新的檢測方法——系統(tǒng)增益56.5db（檢測標(biāo)準(zhǔn)高度），即檢測管體所顯示的所有信號與檢測標(biāo)準(zhǔn)高度進(jìn)行比較。

5.4 實例

目前采用5 英寸鉆桿為API 標(biāo)準(zhǔn)三組鉆桿，內(nèi)外加厚式的管體頭部。2020 年10 月，中原石油勘探局第一公司16 號鉆井平臺50518 號，利用九龍里南鼻狀構(gòu)造帶元祿6井伸縮鉆具，在四川盆地東北河元壩低平緩構(gòu)造帶，自然為裂縫，鉆桿g105 級1。信號數(shù)值顯示非常大、窄，低增益13.9 分貝，深度顯示8.8 毫米，長度1.5 毫米[1]。

6 滲透檢測探傷

6.1 原理

液體滲透檢測用于檢測金屬試樣表面的無孔金屬和開放性缺陷。用熒光染料或染色料溶解的滲透劑會用于樣本表面，滲透劑會透過毛細(xì)現(xiàn)象滲入所有表面開裂的小缺陷，除去附著在工件表面上的任何多余滲透劑，然后用顯影劑烘干和涂抹，在黑色或白色光線下觀察，可以發(fā)現(xiàn)一些相應(yīng)的黃綠色熒光或紅色缺陷。

6.2 檢測設(shè)備

一系列500 毫升從德國進(jìn)口的噴霧罐被用作滲透測試，每組3 罐，由高溫清洗劑、高溫滲透劑和高溫顯像劑組成。

6.3 檢測方法

（1）在工件表面噴灑hp-t 清洗劑，徹底干燥；（2）在試驗區(qū)涂抹hp-t 滲透劑，保存15 分鐘；（3）在擦拭布上噴灑hp-t 清洗劑，清洗工件表面；（4）在工件表面噴灑hd-t 成像劑20-30 厘米，并在工件表面薄薄地涂抹；（5）在成像劑的白底上，缺陷呈鮮紅色。

6.4 實例

2020 年8 月，四川恢復(fù)了對非磁性鉆鋌內(nèi)螺紋損傷的檢測。無磁鉆鋌經(jīng)清洗、滲透劑處理和顯像后，接頭狀況良好[2]。

7 結(jié)語

（1）磁粉檢測的優(yōu)點有很多，主要有：操作簡單、檢測結(jié)果直觀、檢測成本低、檢測效率高等優(yōu)點，但其缺陷深度不可知，適用范圍僅限于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷。檢測鉆具損傷時，常用于鐵磁性鉆具管螺紋損傷的檢測，效果良好。

（2）電磁測試技術(shù)主要是針對自動化測試，不但可以檢測到缺陷的存在，而且根據(jù)檢測到的漏磁場，可以檢測到某些特征尺寸，例如缺陷的深度和長度，缺點是不能直觀顯示測試結(jié)果，而且測試結(jié)果容易受到周圍環(huán)境的強(qiáng)電磁干擾影響，例如中、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備，常用于鐵磁性鉆具管體損傷的檢測。

（3）超聲波探傷具有靈敏度高、速度快、厚度大、低成本、無害、能夠定位、定量檢測缺陷的優(yōu)點。然而，超聲波探傷技術(shù)使用難度大，易受主客觀因素的影響，檢測結(jié)果難以保存。常用于測量管體的厚度、管體與接頭的焊縫以及鉆鋌螺紋的損傷檢測。

（4）滲透測試由于其簡便的操作方式，因此無需復(fù)雜設(shè)備，且成本低，能直觀地顯示缺陷，具有很高的靈敏度，可以找到1 微米的缺陷寬度，但對于松散的粉末冶金和其他多孔材料不適用。檢測鉆具損傷應(yīng)用中，主要用于檢測非磁性鉆鋌內(nèi)外管螺紋的損傷。

總之，石油鉆井工具是井下作業(yè)不可缺少的專業(yè)工具，成本高、投入價格也高。因此，石油企業(yè)對石油鉆具特別是螺紋的維護(hù)應(yīng)加強(qiáng)，通過對熒光磁粉探傷技術(shù)進(jìn)行不斷地改進(jìn)，有效地檢測出螺紋和易產(chǎn)生疲勞裂紋的部件的應(yīng)力集中程度，消除井下作業(yè)事故的隱患，保證石油生產(chǎn)的順利進(jìn)行，有效地提高石油企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。