基于磁記憶的海上鉆柱損傷監(jiān)控技術(shù)研究

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(中海油研究總院，北京 100028)

在鉆井作業(yè)中，鉆柱會(huì)受到拉、壓、扭等復(fù)雜交變應(yīng)力的作用。在交變應(yīng)力的作用下，鉆柱易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鉆具疲勞損傷。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷，容易引發(fā)疲勞斷裂等惡性事故[1]。尤其針對海上油田，高溫高壓、超深井、大位移井等復(fù)雜井較多，海上油田的特點(diǎn)及作業(yè)環(huán)境也使得鉆柱的服役狀態(tài)更加惡劣，一旦發(fā)生事故，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響[2]。目前，常用的鉆具探傷方法，例如射線、滲透、磁粉、超聲波、渦流、漏磁檢測等[3]，一般用于工具車間，不適用于海上油田鉆井現(xiàn)場，而且不能識別鉆具的早期疲勞，難以及早發(fā)現(xiàn)微裂紋和應(yīng)力集中異常。因此，也就無法避免帶傷鉆具再次下井，為海洋作業(yè)帶來較大的安全隱患。因此研究在現(xiàn)場起鉆同時(shí)，進(jìn)行無線實(shí)時(shí)鉆柱損傷檢測的技術(shù)具有重要的意義。

筆者針對鉆柱疲勞損傷狀態(tài)檢測方法進(jìn)行了大量的技術(shù)調(diào)研，X射線衍射法[4]穿透深度僅20 μm；巴克豪森法[5]及磁各向異性磁導(dǎo)率法[6]需磁化，設(shè)備巨大；磁聲發(fā)射法[7]復(fù)雜應(yīng)力分析困難；逆磁致伸縮法理論尚不完善.磁記憶法具有對應(yīng)力集中敏感，無需磁化，靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合海洋鉆井特點(diǎn)及工作環(huán)境。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，形成了一套基于磁記憶的海上鉆柱損傷監(jiān)控技術(shù)，所形成的檢測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場起鉆過程中對鉆柱損傷實(shí)時(shí)檢測，且不影響現(xiàn)場作業(yè)時(shí)效，保障了海上鉆井作業(yè)安全有效的開展。

1 鉆柱損傷磁記憶檢測基本原理

承載狀態(tài)下的鐵磁性工件受地磁場的作用，在應(yīng)力和變形集中區(qū)域會(huì)發(fā)生不可逆的磁疇組織重新取向，出現(xiàn)磁場畸變[8]。這種磁狀態(tài)在工作載荷消除后依然能夠維持并與最大應(yīng)力有關(guān)，其典型特征是：在缺陷和應(yīng)力集中區(qū)域，金屬導(dǎo)磁率最小，表面則形成最大漏磁場，該磁場的切向分量Hp(x)最大，法向分量Hp(y)符號改變且具有零值[9]。因此，通過掃描檢測鐵磁工件表面漏磁場的變化，便可確定工件的微觀缺陷或應(yīng)力集中位置及特征，從而對工件的早期損傷做出明確判斷，磁記憶檢測基本原理如圖1所示。

圖1 磁記憶檢測基本原理

2 鉆柱損傷磁記憶檢測室內(nèi)試驗(yàn)研究

磁記憶信號切向分量峰值Vp、鄰域峰峰值Vin、切向分量梯度值K、切向分量梯度最大值Kmax及梯度峰峰值Vk是磁記憶信號的重要參數(shù)[10]。為了研究磁記憶信號各參數(shù)的變化特征，確定可以表征鉆具損傷程度的評價(jià)參數(shù)，筆者進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究。

峰值：

Vp=max|Hp(x)|

(1)

式中：Vp為磁記憶信號切向分量峰值，V；Hp(x)為磁記憶信號切向分量，V。

鄰域峰峰值：

Vin=max|Hi+1-Hi|

(2)

式中：Vin為磁記憶信號切向分量鄰域峰峰值，V；Hi+1，Hi為相鄰的第i點(diǎn)和i+1點(diǎn)上檢測到的磁記憶信號切向分量，V。

梯度值：

K=(HN+K-HN)/(xN+k-xN)

(3)

式中：K為磁記憶信號切向分量梯度值，V/mm；HN,HN+k為第N點(diǎn)和N+K點(diǎn)的磁記憶信號切向分量，V；xN,xN+K為第N點(diǎn)和N+K點(diǎn)的橫坐標(biāo)位置，mm。

Kmax=max(K)

(4)

式中：Kmax為磁記憶信號切向分量梯度最大值，V/mm。

梯度峰峰值：

VK=|max(K)-min(K)|

(5)

式中：VK為磁記憶信號切向分量梯度峰峰值，V/mm。

采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對油田鉆具普遍采用的42CrMo鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行了軸向拉伸、軸向扭轉(zhuǎn)、拉扭、壓扭及拉壓扭試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明磁記憶信號切向分量梯度最大值可以較好地表征鉆具疲勞破壞過程。圖2為壓扭試驗(yàn)的切向分量梯度最大值隨壓扭次數(shù)的變化趨勢，從圖中可以看出，磁記憶信號切向分量梯度最大值可以較好的表征鉆具損傷的4個(gè)階段：

1) 循環(huán)軟化。

2) 穩(wěn)定循環(huán)。

3) 裂紋擴(kuò)展。

4) 失穩(wěn)斷裂。

因此，通過大量試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用可以確定裂紋萌生時(shí)的磁記憶信號切向分量梯度最大值，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果提前預(yù)警，預(yù)防鉆具損傷進(jìn)一步惡化，降低海上鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 拉扭條件下磁記憶信號切向分量梯度最大值曲線

3 海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研制

在充分考慮鉆井平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者開發(fā)了一套海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，示意圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括鉆柱損傷檢測井口裝置及快速數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)，為滿足鉆柱井口檢測需求，鉆柱損傷磁記憶檢測裝置具備以下特點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)采樣頻率200 kps，滿足正常起鉆速度下高分辨率掃查需要。

2) 可在起鉆過程中動(dòng)態(tài)檢測一柱鉆桿的損傷狀況，無線數(shù)據(jù)采集，無需降低起鉆速度，不影響現(xiàn)場作業(yè)。

3) 檢測時(shí)探頭始終與管壁貼緊，自適應(yīng)外徑變化，可同時(shí)檢測管體與接頭。

4) 可伸縮探頭組彈性設(shè)計(jì)，防止檢測裝置在提鉆時(shí)被鉆柱帶起。

5) 為避免產(chǎn)生漏檢，該裝置采用16路傳感器模塊形成的檢測環(huán)覆蓋鉆柱全周。

6) 可自動(dòng)調(diào)節(jié)檢測環(huán)大小，可檢測鉆桿尺寸為88.9～168.3 mm(3～6英寸)。

7) 為滿足常規(guī)鉆柱檢測需要，該檢測裝置檢測壁厚穿透能力不少于27 mm。

8) 探頭、連接器及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置防水防爆。

圖3 海上鉆柱損傷狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)示意

鉆柱損傷狀態(tài)快速數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，判斷鉆具損傷程度并進(jìn)行預(yù)警，由于檢測數(shù)據(jù)量龐大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，實(shí)現(xiàn)鉆具損傷程度現(xiàn)場實(shí)時(shí)判斷，為保證數(shù)據(jù)處理速度，采用Matlab進(jìn)行軟件開發(fā)，主要包括可視化界面、數(shù)據(jù)處理平臺及底層通訊支撐，軟件總體框架如圖4所示。

圖4 軟件總體框圖

4 海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)井試驗(yàn)

為了驗(yàn)證海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的適用性及檢測結(jié)果，筆者首先在試驗(yàn)井場對15根報(bào)廢鉆桿進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測，共完成113處不同類型及大小的缺陷檢測，缺陷檢測率為100%，具體檢測結(jié)果如表1。圖5所示為某根報(bào)廢鉆桿本體的檢測結(jié)果，距離公螺紋端面1.5 m處，鉆桿表面存在坑點(diǎn)，磁記憶信號切向分量梯度最大值為21.2 mV/mm，判斷結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)，該鉆桿不可用于現(xiàn)場作業(yè)。

表1 試驗(yàn)井鉆柱損傷檢測結(jié)果

圖5 鉆桿損傷狀態(tài)分析

4.2 海上應(yīng)用

對中海油南海某井進(jìn)行了海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用，該油田水深36 m，采用自升式鉆井平臺，所檢測的井為定向井，井深3 047 m，采用139.7 mm(5英寸)鉆桿。考慮到整根鉆柱各部分具有不同的幾何尺寸及厚度，損傷程度評判標(biāo)準(zhǔn)不同，為了便于數(shù)據(jù)處理及分析，對鉆柱各部分進(jìn)行了劃分及編號。圖6為1柱鉆柱的磁記憶檢測信號梯度圖。

圖6 鉆柱磁記憶檢測信號梯度

對兩趟起鉆進(jìn)行了鉆柱損傷檢測，檢測結(jié)果表明：井口式檢測設(shè)備符合現(xiàn)場的需要，能對鉆柱管體-接頭進(jìn)行一體化檢測，不影響起鉆速度，不影響現(xiàn)場作業(yè)。圖7所示為鉆柱管體損傷檢測分析圖，距離母接頭端面5 m處信號輕微異常，梯度峰值達(dá)到11.2 mV/mm，建議輕載。

圖7 G2鉆柱管體損傷檢測分析曲線

5 結(jié)論

1) 本文調(diào)研分析了各種鉆具損傷檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合海洋石油鉆井的實(shí)際需求，研制了一套基于磁記憶的海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

2) 利用自行研制的海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)對試驗(yàn)井及中海油南海某井進(jìn)行了鉆柱損傷檢測，檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場起鉆過程中對鉆柱接頭-管體一體化檢測，不影響起鉆速度，檢測結(jié)果可以準(zhǔn)確表征鉆柱損傷程度。

3) 目前，海上鉆柱損傷實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基本可實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場鉆柱損傷無線實(shí)時(shí)檢測，但是檢測工具還未能實(shí)現(xiàn)固定安裝在鉆臺之上，需增加額外的人力進(jìn)行現(xiàn)場操作，智能化程度有待提高，是限制大規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用的主要問題。

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