張國營，樊建春，邵 攀

(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249)

0 引言

鉆桿是鉆柱的主要構(gòu)成部分，是石油鉆井過程中主要的鉆井工具之一。由于鉆柱在工作過程中要承受拉、壓、彎、扭等復(fù)合應(yīng)力的作用，同時(shí)還要受到鉆井流體介質(zhì)的腐蝕和沖刷作用，受力情況極為復(fù)雜，導(dǎo)致鉆桿失效在石油鉆井領(lǐng)域普遍存在。特別是近年來隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展以及石油勘探開發(fā)力度的加大，深井、超深井、大位移井等各種復(fù)雜井的鉆探量逐年上升，鉆桿失效事故更加突出。鉆桿失效事故的發(fā)生將直接導(dǎo)致鉆井周期延長，投資成本增加，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)引發(fā)人員傷亡事故，造成極其惡劣的社會(huì)影響［1］。鉆桿與鉆桿之間是通過螺紋相連接，接頭螺紋部位是整個(gè)鉆柱中最薄弱、最容易發(fā)生失效的部位［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆桿接頭螺紋部位的疲勞斷裂是鉆桿最主要的失效形式，螺紋疲勞失效事故約占鉆桿總失效事故的50% ～60%［3］。因此，開展鉆桿接頭螺紋部位疲勞損傷的無損檢測(cè)具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外檢測(cè)鉆桿接頭螺紋部位缺陷的方法主要有濕熒光磁粉法，超聲波法，交流磁場(chǎng)檢測(cè)法和局部漏磁場(chǎng)檢測(cè)法等［4］。上述方法在實(shí)際應(yīng)用過程中均存在一定程度的不足。磁記憶檢測(cè)技術(shù)是近年來新興的一種新型無損檢測(cè)技術(shù)，是迄今為止唯一能夠?qū)﹁F磁性材料的早期疲勞損傷進(jìn)行有效檢測(cè)的方法，正越來越受到人們的重視。磁記憶檢測(cè)技術(shù)的基本原理是通過檢測(cè)鐵磁性材料在地磁場(chǎng)作用下的表面漏磁場(chǎng)信息，對(duì)疲勞損傷和微觀缺陷進(jìn)行辨識(shí)［5－6］。筆者利用本實(shí)驗(yàn)室自主研制的鉆桿內(nèi)螺紋檢測(cè)裝置與鉆桿外螺紋檢測(cè)裝置，對(duì)不同使用工況下的鉆桿螺紋疲勞狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究:(1)鉆桿接頭螺紋部位磁記憶信號(hào)分布特征研究;(2)不同使用工況下鉆桿接頭螺紋部位疲勞損傷變化趨勢(shì)研究;(3)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出鉆桿螺紋分級(jí)推薦標(biāo)準(zhǔn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

磁記憶檢測(cè)技術(shù)是一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，最早是由俄國學(xué)者杜波夫在1997年國際焊接學(xué)會(huì)上提出的，其基本原理是:當(dāng)鐵磁性構(gòu)件在受到外部載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力集中，鐵磁材料本身受地球微弱磁場(chǎng)的激勵(lì)，材料內(nèi)部應(yīng)力和變形集中區(qū)域在地球磁場(chǎng)激勵(lì)作用下產(chǎn)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向［7］，并在應(yīng)力與變形集中的地方形成最大漏磁場(chǎng)Hp。磁場(chǎng)的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改變方向并有零值點(diǎn)。這種磁狀態(tài)的不可逆變化在載荷消除后會(huì)繼續(xù)保留，通過對(duì)漏磁場(chǎng)法向分量Hp(y)的測(cè)量，便可得到材料內(nèi)部應(yīng)力集中程度的大小或缺陷存在的位置［8］，從而進(jìn)行早期疲勞損傷狀況的判斷。磁記憶檢測(cè)技術(shù)最大特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、方便，既可檢測(cè)宏觀缺陷又可檢測(cè)微觀疲勞缺陷。其原理如圖1所示。

圖1 磁記憶檢測(cè)原理

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的設(shè)備為本實(shí)驗(yàn)室自主研制的鉆桿外螺紋檢測(cè)裝置(16通道)(圖2)和鉆桿內(nèi)螺紋檢測(cè)裝置(12通道)(圖3)。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下:

通道數(shù): 12/16

單通道采樣頻率: 1500 Hz

控制箱工作電壓: AC 220 V

采集卡工作電壓: 12 V

探頭線性顯示范圍: 0～5 V

在試驗(yàn)過程中，環(huán)形分布的巨磁阻探頭對(duì)鉆桿接頭螺紋部位進(jìn)行周向360°全方位掃描，由數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理，整個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。

1.3 試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，選取不同使用工況的鉆桿(新鉆桿/一級(jí)鉆桿/二級(jí)鉆桿/三級(jí)鉆桿，扣型為NC50)進(jìn)行試驗(yàn)研究，鉆桿檢測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容如表1。

圖2 外螺紋檢測(cè)裝置

圖3 內(nèi)螺紋檢測(cè)裝置

圖4 試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)方框圖

表1 鉆桿檢測(cè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

檢測(cè)時(shí)先將與鉆桿螺紋尺寸匹配的檢測(cè)環(huán)與控制箱連接，控制箱與電腦連接，構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。檢測(cè)外螺紋時(shí)，將檢測(cè)環(huán)套在外螺紋上，調(diào)節(jié)各通道提離值使各個(gè)探頭與密封面和螺紋牙頂表面均勻接觸，設(shè)置好采樣頻率，通道數(shù)，采集時(shí)間等參數(shù)，在均勻向外拉動(dòng)檢測(cè)環(huán)的同時(shí)按下數(shù)據(jù)采集按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測(cè)環(huán)移動(dòng)到接頭末端時(shí)采集結(jié)束。掃描方向是從密封面到端頭，檢測(cè)長度大約為120 mm。對(duì)鉆桿外螺紋的檢測(cè)如圖5所示。

檢測(cè)內(nèi)螺紋時(shí)，將檢測(cè)環(huán)插入內(nèi)螺紋底部，調(diào)節(jié)各通道提離值，使各個(gè)探頭與螺紋牙頂表面均勻接觸，設(shè)置好采樣頻率，通道數(shù)，采集時(shí)間等參數(shù)，在均勻向外拉動(dòng)檢測(cè)環(huán)的同時(shí)按下數(shù)據(jù)采集按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)檢測(cè)環(huán)移動(dòng)到接頭末端時(shí)采集結(jié)束。掃描方向是從水眼末端到密封面，檢測(cè)長度大約為300 mm。對(duì)鉆桿內(nèi)螺紋的檢測(cè)如圖6所示。

圖5 外螺紋檢測(cè)示意圖

圖6 內(nèi)螺紋檢測(cè)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過前期的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):磁記憶信號(hào)的梯度值最能反映鉆桿接頭螺紋部位的疲勞損傷情況。鉆桿螺紋在無疲勞損傷的情況下，其磁記憶信號(hào)能清楚顯示出螺紋的規(guī)則形狀，信號(hào)梯度值在一定范圍內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng);當(dāng)鉆桿螺紋出現(xiàn)疲勞損傷(應(yīng)力集中或疲勞裂紋)時(shí)，磁記憶信號(hào)的梯度值會(huì)出現(xiàn)非常明顯的變化。因此，筆者選用檢測(cè)信號(hào)的梯度值作為衡量鉆桿接頭螺紋部位疲勞損傷狀況的標(biāo)準(zhǔn)。

在本文中，筆者選取了測(cè)試信號(hào)梯度圖、梯度云圖和梯度瀑布圖來描述鉆桿螺紋部位的受力情況。測(cè)試信號(hào)梯度圖顯示了所有檢測(cè)通道(12通道或16通道)檢測(cè)信號(hào)梯度的疊加情況;梯度云圖以不同的顏色表示不同的應(yīng)力梯度值，顏色越深表示梯度越大，便于找到應(yīng)力集中的位置，圖旁顏色條的兩端分別代表梯度值的兩個(gè)極值，便于確定疲勞損傷的程度;梯度瀑布圖清楚地顯示了各個(gè)通道梯度變化情況。

筆者在某油田基地現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同使用工況的鉆桿(新鉆桿/一級(jí)鉆桿/二級(jí)鉆桿/三級(jí)(報(bào)廢)鉆桿)接頭螺紋部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 鉆桿外螺紋檢測(cè)結(jié)果

對(duì)圖7中各個(gè)圖進(jìn)行分析可以明顯地看到，每個(gè)接頭外螺紋顏色較深的部位主要集中在前三扣位置(從密封面算起，圈中所示區(qū)域)，表示此位置疲勞損傷情況比較嚴(yán)重。對(duì)比圖6中四幅圖能清楚地看到，新鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－0.14～0.19(單位為100*V/mm，負(fù)號(hào)僅表示受力方向，下同)，最大值為0.19;一級(jí)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是 －0.64～0.32，最大值為－0.64;二級(jí)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－0.71～0.7，最大值為－0.71;三級(jí)(報(bào)廢)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－1.1～0.52，最大值為－1.1。隨著鉆桿使用時(shí)間的延長，鉆桿接頭外螺紋部位的疲勞損傷越來越嚴(yán)重。

圖8 鉆桿內(nèi)螺紋檢測(cè)結(jié)果

對(duì)圖8中各個(gè)圖進(jìn)行分析可以明顯地看到，每個(gè)接頭內(nèi)螺紋顏色較深的部位主要集中在前三扣(從密封面算起，圈中所示區(qū)域)，表示此位置疲勞損傷情況比較嚴(yán)重。對(duì)比圖7中四幅圖能清楚地看到，新鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－0.22～0.14(單位為100*V/mm，負(fù)號(hào)僅表示受力方向，下同)，最大值為－0.22;一級(jí)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－0.5～0.33，最大值為－0.5;二級(jí)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是 －0.64～0.65，最大值為0.65;三級(jí)(報(bào)廢)鉆桿螺紋部位的疲勞值范圍是－0.7～0.79，最大值為0.79。隨著鉆桿使用時(shí)間的延長，鉆桿接頭內(nèi)螺紋部位的疲勞損傷也越來越嚴(yán)重。

筆者對(duì)大量不同級(jí)別5寸鉆桿螺紋部位檢測(cè)信號(hào)梯度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)過程為:(1)對(duì)每根鉆桿的檢測(cè)信號(hào)梯度值取絕對(duì)值，得到梯度范圍，同時(shí)得到最大值。如圖8a中新鉆桿內(nèi)螺紋檢測(cè)圖譜顯示梯度范圍(單位為100*V/mm，負(fù)號(hào)僅表示受力方向，下同)為－0.22～0.14，則梯度值的分布范圍為0.00～0.22，梯度最大值為0.22。(2)對(duì)大量單根鉆桿梯度最大值的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。(3)計(jì)算同尺寸同狀態(tài)下鉆桿螺紋磁記憶信號(hào)最大梯度值的平均值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合油田鉆桿的實(shí)際使用需要，提出鉆桿螺紋分級(jí)推薦標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表2 不同級(jí)別5寸鉆桿螺紋部位檢測(cè)信號(hào)梯度值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

續(xù)表

表3 鉆桿螺紋分級(jí)推薦表

3 結(jié)論

1)本套基于磁記憶效應(yīng)的鉆桿內(nèi)外螺紋檢測(cè)裝置能夠有效檢測(cè)出鉆桿螺紋部位疲勞損傷狀況，檢測(cè)信號(hào)的梯度云圖能直觀地反應(yīng)螺紋疲勞損傷的部位及大小。

2)鉆桿螺紋從密封面算起前三扣螺紋疲勞損傷情況比較嚴(yán)重，容易發(fā)生疲勞失效事故;鉆桿使用時(shí)間越長，其螺紋部位疲勞損傷越嚴(yán)重，越容易發(fā)生螺紋失效事故;

3)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量鉆具螺紋試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合油田鉆桿的實(shí)際使用需要，提出了鉆桿螺紋分級(jí)推薦標(biāo)準(zhǔn)，用此方法可對(duì)鉆桿進(jìn)行快速分級(jí)，提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率，為保證鉆具正常使用中的安全性以及提高鉆井效率提供技術(shù)支持。

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