石油鉆具損傷檢測(cè)方法研究與應(yīng)用

李健，李文河，王霄鵬，喬軍平

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司管具與井控技術(shù)服務(wù)分公司，河北 滄州 062552）

鉆桿是油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要工具。它是“鉆環(huán)”的主體部分，占整個(gè)鉆環(huán)長(zhǎng)度的80%～90%。鉆桿是通過(guò)接頭和管體連接成一個(gè)整體，主要用于傳遞扭矩和鉆井液，在鉆井過(guò)程中鉆桿必須受到電壓、壓力、彎曲的相互作用，鉆井液中溶解的酸性腐蝕介質(zhì)以及地層中的污泥和氧化物對(duì)鉆桿內(nèi)表面造成了嚴(yán)重的腐蝕。而腐蝕后的鉆桿在應(yīng)力作用下容易發(fā)生失效和斷裂，給生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，另外，由于鉆具使用和維護(hù)不當(dāng)造成的膠合，造成鉆孔開(kāi)裂。即使這些裂縫很小，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并繼續(xù)使用，也會(huì)成為事故的起因。

1 產(chǎn)生的原因

在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，鉆桿是最常用的重要工具。在實(shí)際勘探中使用石油鉆桿時(shí)，鉆桿的一端必須與鉆桿的底部相連接。只有有效地扭矩傳遞才能保證鉆井作業(yè)的傳遞。因此，鉆桿在石油勘探和生產(chǎn)中起著非常重要的作用。如果鉆桿不能正常工作或因任何原因損壞，鉆桿將不能有效地進(jìn)行勘探，是技術(shù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的主要障礙之一，特別是在油氣勘探作業(yè)期間，將對(duì)鉆井管道造成損害。

1.1 應(yīng)力集中

從我國(guó)目前的情況來(lái)看，石油勘探開(kāi)發(fā)主要采用鉆桿來(lái)保證鉆柱的固定，為了避免外部變形的影響，增加承載能力，也就是說(shuō)，這是主要問(wèn)題之一，荷載集中在緊湊過(guò)渡區(qū)的交叉處，截面的外力過(guò)于集中，導(dǎo)致鉆孔變形，鉆孔一般為內(nèi)外壁厚類(lèi)型，由于橫截面的突然變化，很容易彎曲。鉆桿的薄弱接頭是一個(gè)張力或腐蝕疲勞的危險(xiǎn)點(diǎn)。

1.2 腐蝕

在油氣勘探開(kāi)發(fā)的具體過(guò)程中，鉆井液和扭矩必須通過(guò)鉆桿來(lái)輸送，而造成鉆桿腐蝕的因素很多。由于各種原因，腐蝕程度可能不同，因?yàn)楦g會(huì)影響鉆井質(zhì)量，在環(huán)空造成不同程度的破壞。本文在實(shí)踐研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)的對(duì)策，總結(jié)了目前造成損害的各種因素。鉆桿腐蝕一般有兩種形式：一種是平衡腐蝕，另一種是孔隙腐蝕。這是因?yàn)楦g性環(huán)境影響了鉆桿的使用，且環(huán)境中交流電壓很低。雖然長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)鉆桿本身的耐蝕性會(huì)降低，但它會(huì)有一定的耐蝕性。在這種情況下，鉆井管線的腐蝕速度加快，空化腐蝕與腐蝕之間達(dá)到了平衡。

2 磁粉檢測(cè)

2.1 原理

設(shè)計(jì)用于檢測(cè)工程材料、備件、結(jié)構(gòu)等表面缺陷的設(shè)備，當(dāng)表面或附近的磁性鐵磁材料有缺陷時(shí)（磁場(chǎng)磁電阻大到足以在材料磁粉的表面空間形成分散的磁場(chǎng)），磁粉吸收磁場(chǎng)耗散，形成磁痕，說(shuō)明存在缺陷和形狀。

2.2 測(cè)試設(shè)備

磁化線圈，磁化零件；整流電路，變交流電為直流電，調(diào)整方向和電流大小；黑光燈；用于觀察磁點(diǎn)。

2.3 檢測(cè)方法

交叉法，直流電的連續(xù)性主要是在磁化的情況下同時(shí)觀察；光磁化處理部分，再加入磁懸液，觀察，往往是局部檢測(cè)。

2.4 示例

2010年6月，新疆設(shè)計(jì)部門(mén)打的豎井損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆具損壞部位一般需要2～5個(gè)外扣和3～6個(gè)內(nèi)扣，外扣性能平穩(wěn)，磁性聚集明顯，操作方便，缺陷消失處有明顯變化。但刀痕、磨痕的偽缺陷是磁痕平穩(wěn)，磁粉團(tuán)聚不明顯，缺陷消失，無(wú)明顯變化。

3 電磁檢測(cè)

3.1 原理

電磁控制的基本原理與粉末磁粉探傷相似。鐵磁性材料用于磁化時(shí)，內(nèi)外表面缺陷或微觀結(jié)構(gòu)中的磁通量發(fā)生變化，磁路中的磁通也隨之變化。一部分磁通直接穿過(guò)缺陷，另一部分磁通繞過(guò)材料內(nèi)部缺陷，還有磁通從材料表面通過(guò)空氣處理去除。然后缺陷進(jìn)入材料，外表面形成散射磁場(chǎng)。漏磁場(chǎng)的檢測(cè)直接通過(guò)專(zhuān)用的磁裝置進(jìn)行，用于檢測(cè)和記錄漏磁場(chǎng)，以便產(chǎn)生漏磁場(chǎng)。如果壁厚是恒定的，則管壁外的磁力線厚度是恒定的。當(dāng)管壁厚度變化時(shí)，管壁外磁力線厚度增加。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

這方面的一個(gè)例子是美國(guó)新技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，它可以改變水平線，檢測(cè)垂直缺陷和管壁厚度。在測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)測(cè)試前，使用不同直徑的8孔管道測(cè)試。綜合型故障檢測(cè)儀主要由縱探頭、橫探頭、粗探頭、磁線圈、轉(zhuǎn)矩線圈等腳夾、端子、噴墨、兩條自動(dòng)傳輸線、線圈、架空管組成。

3.3 試驗(yàn)方法

截面檢測(cè)采用固定環(huán)形線圈，是在管道上產(chǎn)生的強(qiáng)縱向磁場(chǎng)。受縱向磁場(chǎng)的感應(yīng)，在管線上會(huì)產(chǎn)生任何缺陷，如吸力點(diǎn)、橫向節(jié)點(diǎn)或其他類(lèi)型的三維缺陷，如果物體被電磁線圈磁化，當(dāng)發(fā)生橫向效應(yīng)時(shí)，物體表面及周?chē)拇帕€會(huì)局部變形，導(dǎo)致磁場(chǎng)散射。閘瓦垂直于磁力線探頭，噴淋場(chǎng)由霍爾儀表產(chǎn)生。橫向控制由8個(gè)探頭組成，檢測(cè)率為120%，可快速改變模塊尺寸。但由于缺陷對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)方向，故無(wú)法檢測(cè)出缺陷。因此，通過(guò)旋轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)，在磁力線和缺陷之間，從而可以檢測(cè)到缺陷。

3.4 實(shí)例

在四川回收的鉆桿的檢查。檢查鉆桿時(shí)，通過(guò)橫向缺陷檢測(cè)而和壁厚測(cè)定來(lái)檢測(cè)鉆桿的腐蝕和損傷情況，探測(cè)器關(guān)閉時(shí)磁場(chǎng)突變產(chǎn)生的波形，可以參考壁厚變化的曲線，來(lái)判斷它為橫向缺陷。經(jīng)過(guò)超聲波檢測(cè)此管體存在缺陷。

4 超聲波技術(shù)

4.1 原理

超聲波故障檢測(cè)是利用超聲波能量來(lái)反映零件缺陷、穿透金屬材料的深度和界面反射特性的一種方法。如果在一個(gè)區(qū)段中有另一區(qū)段，則可通過(guò)A型脈沖回波技術(shù)檢測(cè)部分產(chǎn)品。探頭用于檢測(cè)。故障探測(cè)器傳輸電路發(fā)送一個(gè)電數(shù)字來(lái)研究，激勵(lì)壓電探針芯片產(chǎn)生0.5～25MHz的高頻超聲場(chǎng)。超聲場(chǎng)穿過(guò)工件并將其擴(kuò)散到整個(gè)工件上。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其強(qiáng)度隨著X的增大而減小，如果發(fā)生斷裂，超聲波場(chǎng)中的部分能量會(huì)影響探測(cè)器，它在接收電路中將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，接收電路將增強(qiáng)和識(shí)別電信信號(hào)，并最終顯示在屏幕上。根據(jù)在屏幕上形成的脈沖形式，可以確定缺陷的位置和大小。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

目前，南京東德電子有限公司使用的超聲波誤差檢測(cè)儀主要是cud-2030儀器。另外，由于孔兩側(cè)壁厚，常用的評(píng)價(jià)方法不能有效地確定孔的損傷程度。超聲波檢測(cè)可以解決這個(gè)問(wèn)題。該技術(shù)的原理是充分利用脈沖激光測(cè)量其厚度。只有一個(gè)信號(hào)通過(guò)故障檢測(cè)通道傳輸?shù)教筋^，在鉆桿周?chē)纬梢粋€(gè)超聲波場(chǎng)。超聲波參考組件和相關(guān)通信組件將用于校準(zhǔn)儀器。該設(shè)備具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

4.3 實(shí)例

目前，采用5英寸鉆桿為API標(biāo)準(zhǔn)第3組鉆桿，管體頭部采用內(nèi)外加厚版。6個(gè)淺層裂縫鉆孔制成的鉆具中發(fā)現(xiàn)的缺陷，該鉆具向之前在中國(guó)運(yùn)營(yíng)的一家公司提交了G105鉆井?dāng)?shù)據(jù)，用于鉆井。在石油勘探中發(fā)現(xiàn)，在上部地質(zhì)層中有許多巖石，開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的裂紋，經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，在鉆孔管上出現(xiàn)了不同程度的裂紋，導(dǎo)致鉆孔管?chē)?yán)重腐蝕，腐蝕總范圍為20%，起裂點(diǎn)深度約為1.51.8mm，長(zhǎng)度約為7～8mm，而孔的長(zhǎng)度約為3～5mm。具體研究和研究表明：鉆桿因腐蝕而損壞，長(zhǎng)期使用效果不理想。然后在充分利用電磁和超聲波評(píng)價(jià)技術(shù)的條件下，評(píng)價(jià)出合適的鉆桿范圍，通過(guò)有效的對(duì)比分析，確定鉆桿的損傷程度，以保證工程的正常安全。

5 滲透檢測(cè)

液體滲透檢查確認(rèn)未松動(dòng)金屬和金屬試樣表面存在開(kāi)口缺陷。將融合了熒光染料和有色染料的滲透劑施加到工作表面，滲透劑通過(guò)毛細(xì)作用滲入表面開(kāi)口的各種類(lèi)型的細(xì)小缺陷中，去除附著在工作表面上的多余滲透劑。如果在干燥后加入顯影劑，然后在黑光或白光下觀察，缺陷會(huì)分別發(fā)出黃綠色熒光或紅色熒光。

6 結(jié)語(yǔ)

油氣勘探是我國(guó)的一項(xiàng)重要工程。要保證油氣田有效規(guī)范開(kāi)發(fā)。為了在實(shí)際工作中不造成鉆桿損壞，必須采用科學(xué)的方法對(duì)鉆桿進(jìn)行檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，磁粉檢測(cè)具有以下優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)結(jié)果明顯，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)成本低，檢測(cè)效率高。缺點(diǎn)：誤差深度無(wú)法確定，只能用于發(fā)現(xiàn)鐵磁性材料的表面和表面缺陷。當(dāng)鉆具損壞時(shí)，通常采用電磁檢測(cè)法測(cè)量鉆桿的腐蝕量，效果很好。電磁檢測(cè)技術(shù)主要用于自動(dòng)檢測(cè)，不僅可以發(fā)現(xiàn)故障，還可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)的磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)故障。研究結(jié)果可能受到電磁干擾的影響。超聲波檢測(cè)誤差的優(yōu)點(diǎn)是厚度大、靈敏度高；具有速度快、成本低、對(duì)人無(wú)害、可定位等優(yōu)點(diǎn)而量化誤差，在主要視覺(jué)因素的影響下，不易保存誤差結(jié)果。本文詳細(xì)分析了檢測(cè)中的問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策和科學(xué)的方法，為查明和評(píng)估鉆桿損壞原因，確保相關(guān)設(shè)施運(yùn)行有序安全提供了可靠保障。