在線鉆桿端區漏磁檢測系統的應用

劉賢文，馬金山，魏立明，邊建杰，袁文飛，屈 剛

中國石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務公司（天津300280）

■質量

在線鉆桿端區漏磁檢測系統的應用

劉賢文，馬金山，魏立明，邊建杰，袁文飛，屈 剛

中國石油渤海鉆探工程有限公司鉆井技術服務公司（天津300280）

介紹了鉆桿漏磁檢測工作原理、技術特點以及系統構成。針對鉆桿端區的壁厚從21.5mm變化到9.17mm左右時，鉆桿漏磁設備無法檢測出鉆桿加厚過渡區缺陷的問題，通過使用鉆桿端區漏磁檢測系統的直流雙磁化器飽和磁化、差分檢測探頭獲取漏磁信號的技術，解決了鉆桿端區壁厚縮頸引起的信號干擾及信號幅值變化。結果表明，鉆桿端區漏磁檢測系統能可靠地檢測出鉆桿加厚過渡區的腐蝕坑、裂紋、卡瓦咬痕等缺陷，提高了鉆桿加厚過渡區檢測質量水平，防止了鉆桿過渡區刺漏及斷裂事故的發生。

鉆桿端區；雙磁化器；漏磁檢測系統

鉆桿在鉆井過程中承受拉伸、扭轉、振動和交變應力等多種載荷，經反復周轉使用就會出現管體橫向裂紋、內外壁腐蝕坑、卡瓦咬痕和拉傷等缺陷，如不及時檢測就會發生鉆桿刺漏及斷裂事故。鉆桿無損檢測一般采用漏磁和超聲波檢測方法，管體采用漏磁檢測，加厚過渡區采用超聲波檢測。由于分別采用兩種檢測鉆桿方法，造成檢測速度慢、檢測效果差、操作不方便，有時會發生鉆桿加厚過渡區漏檢和誤判的情況。

鉆桿端區漏磁檢測系統的直流雙磁化器實現了加厚過渡區處于飽和磁化狀態，并通過差分探頭機構，解決了鉆桿壁厚變化的信號干擾，保證了缺陷信號的準確性，實現了鉆桿端區的自動檢測，提高了鉆桿加厚過渡區檢測質量水平及準確率，杜絕了存在缺陷的鉆具在鉆井過程中造成井下鉆具事故。

1 鉆桿漏磁檢測工作原理

鉆桿漏磁檢測的基本原理：用一磁場沿鉆桿軸向磁化鉆桿段，當鉆桿通過這一磁化磁場時，一旦鉆桿中存在缺陷，則會在鉆桿表面產生漏磁場，或者引起磁化鉆桿磁路內的磁通變化，采用磁敏感元件檢測這些磁場的畸變即可獲得有關鉆桿缺陷的信息。其原理如圖1所示[1]。

圖1 鉆桿磁性檢測原理

鉆桿漏磁檢測系統是一種檢測鉆桿表面或內部裂紋、孔洞、腐蝕坑等缺陷的漏磁檢測方法。采用了局部缺陷檢測傳感器，檢測信號經過放大、濾波等處理后由計算機采集和判別，檢測的結果可顯示、存儲、打印及聲光報警[2]。

2 鉆桿端區漏磁檢測技術特點

1）設備滿足Φ73mm、Φ88.9mm、Φ101.6mm、Φ127mm、Φ139.7mm這5種規格鉆桿的檢測。

2）技術指標達到API Spec 5DP-2009《鉆桿規范》和DS-1《鉆柱檢驗》標準。

3）檢測速度：17m/min。

4）過渡區（內、外加厚區）檢測靈敏度：Φ1.6mm通孔（光滑表面，壁厚≤22mm）。

5）檢測盲區：≤100mm（鉆桿接頭斜坡處，壁厚≤22mm）。

6）具有缺陷自動聲光報警功能，探頭機構設有自動保護裝置。

3 鉆桿端區漏磁檢測系統構成

3.1 磁化系統

鉆桿端區的內外壁厚均會有變化，一般從21.5mm變化到9.17mm左右。所以，漏磁檢測要能將22mm壁厚的端區磁化到飽和狀態，否則，沒有漏磁信號。一般鉆桿漏磁設備的磁化器達不到飽和磁化的要求，因而很難檢測出鉆桿加厚過渡區上的缺陷。直流雙磁化器的磁化能力達到鉆桿管體的3倍，在端區相同尺寸的缺陷能夠得到相同幅值的檢測信號，滿足了鉆桿端區漏磁檢測的技術要求（圖2）。

圖2 直流雙磁化器

3.2 探頭系統

探頭系統采用多臂浮動跟蹤結構，由氣缸同時張合。探頭張合的目的是避讓鉆桿接頭，同時具有足夠的速度和精度保證在兩端的加厚過渡區開始和結束鉆桿檢測。在加厚過渡區上存在漸變的壁厚，其產生的漏磁場會嚴重影響缺陷漏磁場，所以需要采用差分式檢測探頭才能將缺陷信號拾取出來。它可以消除背景磁場對加厚過渡區信號的干擾，提高了檢測信號的信噪比。

3.3 信號系統

信號系統由前置處理器、信號處理及采集器、檢測軟件、工控機等組成。前置處理器、信號處理及采集器是將檢測探頭拾取的電信號轉換為數字信號，由計算機處理，檢測到的數字信號以圖形化顯示。

檢測軟件實現的功能：檢測信號的采集、數據的實時處理、控制信號的輸出及輸入、實時發送檢測的數據。功能按鈕包括：標定-停止-檢測-參數設置-采集卡-顯示設置-歷史數據-細化分析-通道回放-探傷模式-統計報告。數據采集分析包括數據的實時接收、處理、圖形化顯示，數據的存儲及分析，檢測波形及報告的打印。

3.4 傳動系統

在傳動系統上運用紅外開關及氣缸，實現檢測的自動順序控制，傳送線上的避讓功能使得鉆桿接頭無礙前進，在檢測鉆桿過程中更加平穩，避免出現鉆桿接頭碰撞滾輪出現的假信號。讓傳送線、壓緊機構、檢測系統自成一體，實現檢測、鉆桿傳送及后處理等工序的自動化控制（圖3）。

圖3 鉆桿端區在線檢測

3.5 自動保護裝置

為確保探頭機構安全平穩運行，探頭機構上設有自動保護裝置。在鉆桿檢測過程中，如果探頭沒有完全張開，它會立即反饋至上位機。上位機是一臺可以發出特定操控命令的計算機，通過操作預先設定好的命令，將命令傳遞給下位機。通過下位機來控制傳動系統，完成緊急停機，防止鉆桿碰撞探頭機構（圖4）。

圖4 探頭保護傳感器

4 標準樣管

API Spec 5DP-2009《鉆桿規范》的標準規定，管體橫向缺陷采用1.6mm的通孔作為S135鉆桿人工參考反射體，優選端區橫向缺陷采用1.6mm和2.0mm的通孔作為S135鉆桿人工參考反射體。管體橫向缺陷采用3.2mm的通孔作為G105鉆桿人工參考反射體，優選端區橫向缺陷采用2.4mm和3.2mm的通孔作為G105鉆桿人工參考反射體。SY/T 5824-1993《鉆桿分級檢驗方法》的標準規定：壁厚損失剩余壁厚＜80%為一級；壁厚損失剩余壁厚＜70%為二級。根據不同規格、鋼級分別制作了對應的標準樣管（圖5）[3]。

5 鉆桿缺陷分析及曲線特征

鉆桿加厚過渡區容易引起應力集中，造成管體會出現橫向裂紋、內外壁腐蝕坑等缺陷。鉆桿由于不斷受卡瓦咬痕、鉆桿濾清器、泥漿腐蝕等影響，在加厚過渡區內外壁會形成腐蝕坑，并在坑底萌生腐蝕疲勞裂紋。如果表面缺陷（卡瓦咬痕）處形成早期疲勞裂紋，經過疲勞裂紋萌生期后，隨著裂紋逐步擴展，當疲勞裂紋擴展穿透鉆桿壁厚，在高壓泥漿作用下發生鉆桿的刺穿及孔洞，甚至發生管體斷裂事故[4]。

圖5 標準樣管制作示意圖

5.1 橫向裂紋缺陷

曲線特征：當任何一組探頭檢測到橫向裂紋時，在顯示器“橫向缺陷”欄出現波形明顯、山峰狀曲線，曲線高度達滿幅度的100%，底部伴有高低不一的林狀曲線，一般是內部腐蝕坑（圖6）。

圖6 橫向裂紋缺陷

5.2 孔洞缺陷

曲線特征：當任何一組探頭在檢測到孔洞缺陷時，在顯示器“橫向缺陷”欄出現波形明顯、尖銳波峰，曲線高度達滿幅度的100%，底部伴有草狀波曲線（圖7）。

圖7 孔洞缺陷

5.3 內、外壁腐蝕缺陷

曲線特征：當任何一組探頭在檢測到內外壁腐蝕缺陷時，顯示器“橫向缺陷”欄出現大量的草狀及林狀曲線，曲線幅度不高，連續的較低、較密的波形是腐蝕坑的特點（圖8）。

圖8 內、外壁腐蝕缺陷

5.4 卡瓦咬痕缺陷

曲線特征：任何一組探頭檢測到卡瓦咬痕缺陷時，在顯示器“橫向缺陷”欄出現波峰較尖銳曲線，底部伴有草狀或高低不一的林狀曲線，曲線幅度不高（圖9）。

根據近幾年發生鉆桿刺漏失效的統計，大約有90%以上鉆桿刺漏失效發生在內螺紋接頭端的加厚過渡區，該部位出現的曲線波峰應引起檢測人員的格外重視，并且可以用于指導今后鉆桿加厚過渡區漏磁檢測工作。

圖9 卡瓦咬痕缺陷

6 在線漏磁檢測鉆桿

將鉆桿漏磁檢測和端區漏磁檢測設備一起使用，實現了鉆桿管體和端區的全管體自動化檢測及分級。該系統具有檢測速度快、操作方便、性能穩定、可以檢測加厚過渡區和管體等特點。自2015年使用以來，共檢測各種規格的鉆桿15 120根。其中12 620根完好，2 180根降級，320根報廢。檢測過的鉆桿沒有發生過一起鉆桿刺漏失效，遏制了在鉆井過程中因鉆桿刺漏及斷裂造成的井下事故，滿足了鉆井生產對鉆具可靠性的要求[5]。

7 結論和建議

1）鉆桿端區漏磁檢測系統能可靠地檢測出鉆桿加厚過渡區的內、外表面腐蝕坑、裂紋、卡瓦咬痕等缺陷。

2）鉆桿漏磁和端區漏磁檢測系統一起檢測管體和加厚過渡區，實現了鉆桿全管體的自動化檢測及分級，滿足了鉆桿使用的可靠性。

3）配備了5種專用探頭機構，使得探頭機構更換及維修更加簡單和方便，同時具有自動防碰撞保護功能。

4）直流雙磁化器保證了鉆桿端區飽和磁化狀態，通過差分檢測探頭及信號處理，解決了壁厚變化的信號干擾及背景磁場，實現了的缺陷真實反映。

5）由于端區漏磁檢測采用比較法判斷是否存在缺陷，很難確定缺陷大小及方位，無法區分內、外表面的缺陷，所以漏磁檢測還需要探傷人員具有豐富的經驗。

[1]丁勁鋒,康宜華,巴魯君,等.鉆桿檢測設備的國產化改造[J].檢測技術，2004，33(1):35-37.

[2]王永宏,張玉英,張云龍,等.鉆桿檢測設備的改造與使用[J].石油礦場機械,2003,32(2):59-60.

[3]王玉奎,張玉英,張云龍.MTD型鉆桿無損檢測設備在鉆桿分級管理中的應用[J].石油礦場機械，2005,34(2):56-58.

[4]劉賢文,馬金山,姚航.鉆桿加厚過渡區刺漏可靠性分析[J].石油工業技術監督,2014,30(5):6-9.

[5]王忠福,張艷波,金永福.鉆桿無損檢測工藝技術研究與應用[J].石油鉆探技術,2006,34(5)：57-59.

The principle,technical features and system constitution of the on-line magnetic flux leakage detection system for drill pipe end are introduced.When drill pipe wall thickness varies from 21.5mm to about 9.17mm,the drill pipe magnetic flex leakage equipment can not detect the defects in the drill pipe wall thickness transition zone.For solving this problem,the DC double magnetizer saturation magnetization and differential detecting probe obtaining magnetic flux leakage signal technique is used in the on-line magnetic flux leakage detection system for drill pipe end to solve the signal interference and signal amplitude variation caused by the reduction of drill pipe wall thickness.Application results show that the drill pipe end magnetic flux leakage detection system can reliably detect the de?fects such as corrosion pits,cracks,slip bite in the drill pipe wall thickness transition zone,which improves the inspection quality level of drill pipe thickness transition zone and prevents the occurrence of the washout and fracture accidents in drill pipe wall thickness tran?sition area.

drill pipe end zone;double magnetizer;magnetic flux leakage detection system

賈強

2016-03-21

劉賢文(1967-)，男，高級工程師，主要從事鉆具管理、鉆具失效分析及鉆具無損檢測工作。