劉華南，郭 威，孫友宏，計(jì)勝利

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026）

繩索取心鉆桿超聲波探傷方法分析研究

劉華南，郭 威，孫友宏，計(jì)勝利

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026）

對(duì)繩索取心鉆桿斷裂的原因進(jìn)行了分析，對(duì)超聲波探傷繩索取心鉆桿方法進(jìn)行了研究，對(duì)具體探測(cè)方法、探測(cè)儀器和探傷過(guò)程進(jìn)行了分析。對(duì)有效預(yù)判繩索取心鉆桿斷裂、降低孔內(nèi)事故發(fā)生率和減少經(jīng)濟(jì)損失具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

超聲波;探傷;繩索取心鉆桿

0 引言

繩索取心技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展十分迅速，其優(yōu)點(diǎn)十分明顯。但由于鉆桿壁較薄，在使用中主要承受正常鉆井、下鉆和憋鉆、卡鉆以及處理事故時(shí)的強(qiáng)拉、強(qiáng)扭、振動(dòng)、內(nèi)壓、沖擊、旋轉(zhuǎn)交變彎曲等作用力，使用條件十分苛刻，易發(fā)生鉆桿折斷事故。繩索取心鉆桿損壞形式主要有3種:折斷、開(kāi)裂與塑性變形。這3種損壞形式的發(fā)生部位都在鉆桿兩端絲扣處，其中大部分的鉆桿由于鉆進(jìn)中在絲扣處折斷而無(wú)法繼續(xù)使用。鉆桿折斷事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，為降低事故發(fā)生，及早發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，對(duì)鉆桿的及時(shí)探傷是十分必要的。

1 鉆桿折斷的原因

1.1 疲勞破壞

鉆桿在長(zhǎng)期工作中承受拉伸、壓縮、彎曲、扭切等復(fù)雜應(yīng)力，而且在某些區(qū)域還產(chǎn)生頻繁的交變應(yīng)力，在足夠大的交變應(yīng)力作用下，局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生熱能、變形，聚合力降低，形成微裂紋，這些微裂紋在外力的作用下繼續(xù)開(kāi)裂，逐漸連通成可見(jiàn)的裂紋，從而便產(chǎn)生疲勞破壞。

1.2 腐蝕破壞

鉆桿在鉆井和存放過(guò)程中遭受氧、二氧化碳、硫化氫、溶解鹽類、各種酸類、電化學(xué)的腐蝕，形成腐蝕坑，成為潛在的裂紋源。

1.3 機(jī)械破壞

鉆桿在長(zhǎng)期使用中的腐蝕與磨損，使某些區(qū)域管壁變薄或存在微細(xì)裂紋，強(qiáng)度大為減弱，在外力的作用下，鉆桿最容易從最薄弱的地方被拉斷或扭斷。

1.4 事故破壞

把不同綱級(jí)、不同壁厚、不同等級(jí)的鉆桿混同使用，強(qiáng)度最弱的鉆桿總是首先遭到破壞。

2 鉆桿折斷的易發(fā)區(qū)

繩索取心鉆桿折斷事故中9%以上發(fā)生在螺紋連接部位［1］。繩索取心鉆桿由于管壁受級(jí)配及通過(guò)巖心容納管的制約，整個(gè)鉆桿柱基本上是內(nèi)、外平的薄壁管，內(nèi)、外螺紋只能等強(qiáng)度地分配在只有4.75～5 mm的管壁上［2］，母接頭處的磨損將會(huì)導(dǎo)致母螺紋壁厚減薄，強(qiáng)度減小，在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力作用下，壁厚處產(chǎn)生裂紋，隨著在外力作用下裂紋逐漸擴(kuò)大，最終產(chǎn)生鉆桿斷裂（圖1）。定期檢查鉆桿螺紋部位的疲勞裂紋，是預(yù)防鉆桿螺紋事故的重要措施。

3 超聲波檢測(cè)

鉆桿在折斷前，危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)容易產(chǎn)生微小裂隙，當(dāng)面對(duì)細(xì)小的損傷點(diǎn)時(shí)，肉眼與一般儀器很難有效地判斷出來(lái)，而采用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)超聲波檢測(cè)原理（圖2），超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，對(duì)于不同的質(zhì)界面其反射特性各不相同，當(dāng)傳播時(shí)遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長(zhǎng)時(shí)，則超聲波遇到缺陷反射回來(lái)，探傷儀就可將反射波顯示出來(lái)。如圖2所示，鉆桿體內(nèi)存在一個(gè)缺陷，由于這個(gè)缺陷的存在，造成了鋼材料和缺陷之間形成了一個(gè)不同介質(zhì)之間的交界面，當(dāng)發(fā)射的超聲波在鉆桿體內(nèi)傳播時(shí)遇到這個(gè)界面之后，因?yàn)榻唤缑嬷g的聲阻抗不同，所以就會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標(biāo)的一定位置就會(huì)顯示出來(lái)一個(gè)反射波的波形，橫坐標(biāo)的這個(gè)位置就是缺陷在被檢測(cè)材料中的深度。不同的缺陷其反射波的高度和形狀也各不相同，這就反映了缺陷的性質(zhì)。

圖2 超聲波檢測(cè)原理示意

在不損傷被測(cè)對(duì)象的情況下探測(cè)其內(nèi)部缺陷，從根本上解決了事故隱患。然而在繩索取心鉆探中應(yīng)用超聲波檢測(cè)還比較少，所以本文對(duì)超聲波檢測(cè)中，探傷儀的選取、探頭的規(guī)格和探傷過(guò)程進(jìn)行了分析研究。

3.1 探傷儀的選取

在科技高速發(fā)展的今天，超聲波探傷儀能夠便捷、快速、精確地對(duì)鉆桿體內(nèi)部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）進(jìn)行檢測(cè)、定位、評(píng)估和診斷，是一種便攜式的無(wú)損探傷儀器。但對(duì)于檢測(cè)薄壁繩索取心鉆桿的探傷儀沒(méi)有專門要求，根據(jù)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)與石油方面對(duì)桿件探傷的經(jīng)驗(yàn)，選取超聲波探傷儀的主要參數(shù)分為3項(xiàng)。

（1）工作頻率范圍至少為0.5～10 MHz，儀器至少在熒光屏滿刻度的80%范圍內(nèi)呈線性顯示。

（2）探傷儀應(yīng)配備衰減器或增益控制器，其精度為任意相鄰12 dB誤差在±1 dB以內(nèi)，步進(jìn)級(jí)每檔不大于2 dB，總調(diào)節(jié)量應(yīng)大于80 dB，最大累計(jì)誤差≯1 dB

（3）水平線性誤差≯1%，垂直線性誤差≯5%。

3.2 探頭的選取

探頭是一個(gè)電聲換能器，能將返回來(lái)的聲波轉(zhuǎn)換成電脈沖，當(dāng)聲波遇到缺陷或損傷時(shí)會(huì)提前反射回來(lái)，所以探頭的選取至關(guān)重要。針對(duì)繩索取心鉆桿管壁薄的特性，可選用頻率5 MHz、晶片面積≮150 mm2、聲束軸線水平偏離角不應(yīng)大于2°的雙晶探頭。表1是不同直徑的鉆桿所匹配的弧形探頭，從表1中我們可找到常用鉆桿相配套使用的探傷儀探頭，相匹配的探頭可使探頭表面和鉆桿體更好的接觸，從而提高檢測(cè)精度和工作效率。

表1 不同繩索取心鉆桿的探頭選取

3.3 耦合劑的選用

耦合劑既可增加接觸面之間的潤(rùn)滑、排除的微小空隙，也使接觸面之間的聲阻抗差減小，從而增加探傷的方便性與準(zhǔn)確性。一般可選水或機(jī)油作耦合劑，在鉆井作業(yè)時(shí)，也可采用泥漿做耦合劑。

3.4 探傷檢測(cè)

由于繩索取心鉆桿的管壁薄，特別是危險(xiǎn)區(qū)絲扣連接處探傷難度較大，所以采用手工方法對(duì)鉆桿周向和軸向的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。探頭的K值可根據(jù)被檢測(cè)部位的厚度尺寸選擇，粗掃查時(shí)推薦使用K=3.1～3.5的探頭，對(duì)疑似有傷信號(hào)必須用K=1.0和推薦范圍的一種探頭分別檢測(cè)、驗(yàn)證。

圖3是鉆桿掃描方式圖。其中，手持探頭就位、探傷開(kāi)始后操作人員移動(dòng)探頭繞著鉆桿圓面進(jìn)行檢測(cè)。先對(duì)鉆桿體進(jìn)行粗檢，如發(fā)現(xiàn)異常再進(jìn)行細(xì)檢。掃查時(shí)滾動(dòng)鉆桿使探頭沿管體做周向運(yùn)動(dòng)，且探頭楔塊弧面與鉆桿表面要始終保持良好的接觸。在探頭移動(dòng)過(guò)程中要保證良好的聲接觸，其移動(dòng)速度一般不超過(guò)75 mm/s。

圖3 鉆桿掃描方式

3.5 經(jīng)濟(jì)分析

國(guó)外鉆井鉆柱損壞統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，每起鉆井事故平均損失約10.6萬(wàn)美元，估計(jì)占全部鉆井成本的14%［3］。在國(guó)內(nèi)，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，因鉆桿折斷而引起的事故占事故總數(shù)的80%左右［4］，我國(guó)每年鉆柱失效約500起以上，所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4000萬(wàn)元之多［5］。鑒于鉆桿在服役中的失效對(duì)鉆探造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此使用探傷儀預(yù)防鉆桿失效就成為減少經(jīng)濟(jì)損失的主要途徑。

一臺(tái)德國(guó)KK USMGO DAC型探傷儀加上探傷所需的直探頭、斜探頭、小管徑直探頭、表面波直探頭還有探頭線等約為6萬(wàn)元左右。根據(jù)江蘇油田鉆井統(tǒng)計(jì)資料，2001年通過(guò)超聲波探傷法對(duì)2230個(gè)鉆鋌接頭螺紋的檢查，共發(fā)現(xiàn)存在疲勞裂紋缺陷的鉆鋌接頭43個(gè)，2002年通過(guò)對(duì)2174個(gè)鉆鋌接頭螺紋的檢查，共發(fā)現(xiàn)存在疲勞裂紋缺陷的鉆鋌接頭51個(gè)［6］，有效地檢測(cè)出鉆鋌螺紋內(nèi)存在的疲勞裂紋;2004年，在海南施工的江蘇油田32727鉆井隊(duì)，運(yùn)用超聲波檢測(cè)，共檢測(cè)鉆桿427根。其中疲勞裂紋深度在4 mm以上的鉆桿6根，深度為2～4 mm的有17根，深度在0.5～2 mm的有31根，根據(jù)疲勞裂紋的長(zhǎng)度，共報(bào)廢鉆桿35根。通過(guò)檢測(cè)的鉆桿下井使用后，再也沒(méi)有鉆桿折斷事故發(fā)生 。

以上事例可以看出，探傷儀不僅可精準(zhǔn)有效地對(duì)鉆桿進(jìn)行檢測(cè)，而且檢測(cè)后事故發(fā)生率明顯減少，不論從投資成本還是產(chǎn)生效果來(lái)看，都可避免很大的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)論

（1）繩索取心鉆桿折鉆事故對(duì)鉆探工程成敗有很大影響，要在下鉆前探傷鉆桿，特別是鉆桿螺紋部分，避免使用已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋的鉆桿。

（2）超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)，能方便、有效、快捷地對(duì)繩索取心鉆桿進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，最大限度地預(yù)判鉆桿強(qiáng)度，有效地減少事故的發(fā)生，減少巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

［1］ 姜光忍.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應(yīng)對(duì)措施［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，（3）:15-17.

［2］ 肖亞民.新頒標(biāo)準(zhǔn)繩索取心鉆桿螺紋的技術(shù)特點(diǎn)［J］.探礦工程，1985，（4）:10-13.

［3］ 巨西民，莫潤(rùn)陽(yáng).鉆桿接頭螺紋部位疲勞裂紋的超聲波檢測(cè)［J］.西安石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，5（5）:64-67.

［4］ 尉春玲，顧成林.鉆桿的損壞原因及維護(hù)使用［J］.西部探礦工程，2008，（5）:59-61.

［5］ 馮耀榮.鉆桿生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展［J］.石油專用管，1995（4）:37-41.

［6］ 陳金國(guó)，倉(cāng)恒川，謝超軍.鉆鋌螺紋疲勞裂紋的超聲波檢測(cè)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2003，32（3）:65-68.

［7］ 謝超軍，倉(cāng)恒川.超聲波技術(shù)在鉆桿90°臺(tái)階端疲勞裂紋檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2008，（11）:104-106.

Analysis and Research on Ultrasonic Inspection Method for Wire-line Coring Drilling Pipe

LIU Hua-nan，GUO Wei，SUN You-hong，JI Sheng-li（College of construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China）

The reasons of the breaking of wire-line coring drilling pipe are analyzed and the ultrasonic inspection test for wire-line coring drilling pipe is studied.Moreover，the specific detection methods，equipment and process are analyzed.There is practical significance to effectively predict the fracture of wire-line coring drilling pipe and reduce the accidents rate with economic loss reducing.

ultrasonic;inspection;wire-line coring drilling pipe

P634.4+2;TG115.28+5

A

1672-7428（2012）07-0031-03

2012-03-21;

2012-06-07

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“天然氣水合物勘查與試采專項(xiàng)”（GZHL20110320;GZHL20110326）

劉華南（1987-），男（漢族），吉林四平人，吉林大學(xué)碩士研究生在讀，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事天然氣水合物鉆采技術(shù)的研究，吉林省長(zhǎng)春市西民主大街6號(hào)，liuhuanan112517@163.com;郭威（1979-），男（漢族），吉林公主嶺人，吉林大學(xué)副教授，地質(zhì)工程專業(yè)，博士，主要從事天然氣水合物鉆采研究，guowei6981@jlu.edu.cn。