石油鉆具檢測方法與應用

黃 磊

（中石化勝利石油工程有限公司管具技術服務中心，山東東營 257000）

石油鉆井工具一般是指石油生產過程中使用的專用工具。主要部件為無縫鋼管，物理性能強，具有耐疲勞、耐磨損和承受交變載荷的優點。此外，該石油鉆井工具還包括六角形鉆桿、鉆頭、減震器、穩定器等組件。鉆具運行狀態復雜，鉆具因機體腐蝕損壞而報廢，螺紋長期拉伸和扭轉易斷裂，從而導致斷裂事故發生。因此，有必要采用鉆探檢測技術對缺陷進行及時檢測。現有的電磁檢測技術具有靈敏度高、操作方便等優點。它能快速、有效地檢測出石油鉆具螺紋體或螺紋上的裂紋并發現其缺陷，從而有效地避免危險事故的發生，提高鉆具的工作效率。

1 石油鉆具螺紋的檢測方法和流程

1.1 檢測方法

針對鉆具螺紋，常用的檢測方法主要有紫外燈法、磁化法、超聲波檢測法和穿透檢測法。

（1）紫外燈法。為了檢測效果的可靠性，應使用中心波長為365nm，波長應為320-400nm 的紫外燈。此外，濾光片表面距離紫外燈應為380nm，紫外輻照度應大于1000uw/cm2。

（2）磁化法。鉆具制造技術發展過程中，硅、硼、錳等元素逐漸應用于鉆具制造中。然而，由于鉆具長期在地下工作，從地球深處不斷向上運動，導致鉆柱產生磁化效應和一定量的剩磁。此外，由于石油鉆井工具的長度從幾米到10 米以上不等，使用磁化石油鉆井工具時，極限值一般為0.8t，大于0.8t 的鉆井工具部件直接噴涂磁懸浮，不大于0.8t 的鉆井工具部件直流線圈部件最佳磁化時間為3 秒。石油鉆井工具磁化試驗使用的磁懸浮，主要組成部分是8g熒光磁粉和10 升煤油。這項工作精細而復雜，為了保證磁懸浮的質量，選擇的煤油必須保證密度小、熒光磁粉高滲透率且流動性好，選用的必須是無毒、無臭、閃點高、粘度低的煤油。

（3）還有一種應用廣泛的無損檢測方法是超聲波檢測，其靈敏度高、穿透力強、檢測靈活、成本低、效率高，并且對人體無害。檢測金屬、非金屬材料的內部及表面缺陷都可以檢測，還可以測量材料的厚度和強度。探傷檢測的基本原理是利用高頻脈沖發生器產生高頻脈沖信號。脈沖信號從電聲換能器轉換為超聲波脈沖，超聲波脈沖通過探頭傳輸到鉆桿。當超聲波在鉆桿中傳播，遇到有缺陷的界面或桿體界面時，反射信號被反射，反射信號由處理系統顯示在示波器上。根據聲波在該裝置中的傳播速度，可以計算出缺陷的深度。

（4）滲透試驗具有操作簡單、方法靈活、原理簡單、適應性強的特點。浸漬法可用于鉆具試驗，刷涂法或噴涂法可用于大型鉆具。它利用毛細作用。當滲透劑滲入待測設備一段時間后，對表面的滲透劑進行清洗和除去。利用顯像劑的毛細效應吸附缺陷中的殘留滲透，找出缺陷并進行檢測。

1.2 石油鉆具檢測流程

石油鉆井工具檢測系統的主要組成部分是傳感器、數字信號處理設備和支撐裝置。在石油鉆井工具無損檢測過程中，利用掃描頭對石油鉆井工具及相應傳感器運動過程中的整個表面狀態進行掃描。因此，在石油鉆具的無損檢測中，主要應力取決于掃描頭的整體旋轉，掃描范圍應該在螺旋軌跡方向上高于石油鉆具，探測器的位置和相應的速度應該得到科學、準確的控制。信號預處理主要是指對所發送的信號進行放大、降噪等處理作業，在整個無損檢測系統中處于中間水平位置。無損檢測系統采集信號后，首先對相關信號進行平滑處理，消除信號數據中的干擾信號和異常值。此外，工頻電壓等客觀因素也會影響石油鉆具無損檢測的準確性，導致一些特殊的信號點處于離散狀態。針對這種情況，我們應對其進行放大誤差處理操作，對出現的特殊信號點進行消除處理。

為了確保準確的效果，石油鉆具螺紋檢測流程必須遵照以下步驟執行：

（1）檢測工作進行之前，清洗石油鉆具，用角磨機敲打舊螺紋，去除銹、泥漿等，以恢復螺紋表面的金屬色澤；

（2）對石油鉆具進行磁化處理時要嚴格按照上面描述的磁化方法；

（3）搖動均勻的磁懸浮，以霧的形式將配置好的磁懸浮緩慢地噴灑在螺紋周圍。如果鉆具太多，為避免磁粉沉積導致泄漏檢測，每噴10 根螺紋需要搖動磁懸浮一次；

（4）用紫外線燈觀察鉆具螺紋，尤其是鉆頭根部，最佳距離不超過100mm。用5-10 倍放大鏡觀察螺母螺紋，使用紫外線燈時，嚴禁照射皮膚和面部，以免灼傷皮膚和眼睛；

（5）鉆頭螺紋是否正常的判斷標準是磁性標記。如果線在紫外線照射時呈紫色，就沒有裂縫；如果螺紋是鋸齒狀黃綠色熒光燈，就有疲勞裂紋；

（6）在鉆具檢驗中發現缺陷時，處理原則是消除疲勞裂紋，用車床加工修復。可以用30mm 以下的砂輪機將鉆具的疲勞裂紋磨光。

2 石油鉆具失效原因分析

2.1 鉆具腐蝕和沖蝕失效原因

當氧氣溶解在鉆井或完井液中時，它會電離并與鐵發生反應，形成氧腐蝕。在鉆井液或完井液中溶解一定濃度的二氧化碳，形成弱酸性環境，與鐵發生化學反應，二氧化碳被腐蝕。二氧化碳的溶解度隨二氧化碳分壓的增加而增加，二氧化碳的腐蝕隨硫化氫的增加而增加。硫化氫溶解在鉆井液或完井液中，形成二元弱酸性硫酸，與鐵反應形成腐蝕裂縫，并使得氫沉淀。當氫氣濃度達到一定值時，就會發生氫脆腐蝕。氧腐蝕、硫化氫腐蝕和二氧化碳腐蝕成為腐蝕坑，形成潛在的裂紋源。

2.2 鉆具疲勞原因分析

地質條件存在一定的復雜性，因此在鉆進的過程中，鉆頭重量不斷變化。隨著鉆壓的變化，鉆柱的交變應力中心點也發生變化，使鉆柱兩側的結構產生交變拉壓應力，降低了材料的韌性，容易導致鉆柱的疲勞斷裂。根據機械振動理論，當鉆柱以其固有頻率相同的速度旋轉時，就會發生共振。當發生共振時，鉆桿很快就會疲勞。根據鉆具的結構和力學特點，將鉆具的失效模式分為螺桿失效和稠密過渡區失效。其中，鉆具螺紋失效的形式主要是泄漏和斷裂。其主要原因是螺紋是鉆柱上最薄弱的環節，其使用壽命難以與鉆具抗衡，承受著復雜的交變應力。

2.3 鉆具螺紋產生疲勞裂紋的原因

螺紋疲勞斷裂是石油鉆具的主要失效形式，占零件斷裂總數的80%。疲勞裂紋出現的地方通常是受力集中的零件上，如鉆具的螺紋根部，這也是易斷件工人沒有嚴格按照操作程序進行操作，導致石油鉆井力的位置傳遞，提高了螺紋零件的承載能力。石油鉆具裂紋一般呈鋸齒狀，長約110 米。金屬的交變應力與斷裂周期密切相關，裂紋深度與長度成正比。

3 鉆具管體電磁檢測實例應用

3.1 檢測設備

以新技術為例，該裝置可用于檢測管道的橫向、縱向缺陷和壁厚變化。在測試前，用8 個不同直徑孔的鉆桿樣品對測試設備進行校準。Ezw（p）型綜合探傷儀主要由中心探傷區（縱向探傷靴、橫向探傷靴、厚度探傷靴、磁性線圈、旋轉線圈、底座和支架、卡盤輥、噴標、可編程邏輯控制PLC 系統）、兩條傳動自動線、消磁線圈、上下管、液壓動力系統、遙控臺和計算機等組成。

3.2 電磁檢測原理

電磁檢測的原理是，磁化處理后的鐵磁性材料，其內部和外部表層的缺陷或者磁導率組織的變化會發生改變，磁路中相應的磁通量變化，部分磁通量直接通過缺陷，另一部分磁通量會繞過材料內部的缺陷，還有一部分會離開材料表面，通過缺陷周圍的空氣重新進入材料，在外表面形成漏磁場。漏磁檢測是利用專用的磁場測量裝置直接檢測和記錄漏磁場的存在。壁厚測量是基于磁密測量原理。如圖1 所示，管壁外的磁場線密度在2 個位置處為常數，而在1 個位置，管壁外的磁場線密度增大。而平均磁通是在管壁外測量，從而得到總的平均壁厚損失。

圖1 電磁檢測原理

3.3 檢測方法

一般采用固定回路磁力線圈來檢測橫向缺陷，管體上會有強大的縱向磁場產生。磁場縱向感應到管體軸，其中任意軸為90。缺陷，如點蝕，橫切，或d 類缺陷，都將進行檢測。當通過電磁線圈時，管體會被磁化，如果管體存在橫向缺陷，由于管體表面和近表面的磁場線局部變形而產生漏磁場，用霍爾效應裝置檢測其大小。橫向檢查包括8只鞋，可形成120%的覆蓋率，并且每天快速更換零部件，使用不同的尺寸。該設備可用于測試27/8 英寸，31/2 英寸，5 英寸，51/2 英寸（1 英寸=25.4 厘米）的鉆井工具。檢測原理上來說，縱向缺陷與橫向缺陷的檢測原理相同，但由于缺陷與磁場方向平行，因此無法檢測到缺陷。產生漏磁場，可以檢測到缺陷。采用四組探點效應裝置（每組相鄰兩個探點各1 個探點）檢測8 個探點的壁厚。

4 鉆井螺紋磁粉探傷檢測方法

4.1 原理

磁響應變化如果是由于結構異常或者是與缺陷有關，可以檢測工程材料、構件和結構的表面缺陷。如果鐵磁性材料的表層或其附近有缺陷（或結構狀態有改變），導致磁阻效應大量增加時，材料表面空間會形成漏磁場，當細鐵磁粉末（磁粉）涂敷在材料表面時，漏磁場形成的磁粉床吸附痕跡表明缺陷的存在和形狀，如圖2 所示。

圖2 磁粉檢測設備

4.2 磁粉探傷的意義

石油開采關乎國家核心競爭力。我國的石油開采技術雖然在不斷進步，但當前采用的石油鉆井工具大部分是國內生產的。并且由于塔河地區的勘探井和開發井都是超深井，對鉆具提出了更高的要求，有些企業往往直到石油鉆具的所有規格都達不到才停業，而在被淘汰之前，石油鉆具必須要進行熒光磁粉檢測，這不但加大了檢測石油鉆具的難度，而且促進了石油鉆具螺紋熒光顆粒檢測技術的發展。在石油鉆具螺紋熒光磁粉探傷技術應用之前，大量的石油鉆具螺紋斷裂事故每年都會發生，并且損失慘重。有了該項檢測技術后，對多種石油鉆具的檢測成為了每年的必要工作，有效地消除了安全隱患，避免了經濟損失。例如，2020 年，一家鉆井企業檢測石油鉆井工具螺紋時使用了熒光磁粉，及時發現了大多數鉆井工具的疲勞裂紋，避免了數百起潛在事故，收回了國家經濟損失的百分之一，確保了石油鉆井的安全。

4.3 檢測設備

（1）加磁線圈，用來給工件加磁；（2）整流電路，實現交流電向直流電的轉化，電流大小和方向可調；（3）黑光燈，用來觀察磁痕。

5 超聲波檢測探傷

5.1 原理

超聲波探傷的原理是，超聲波能夠從金屬材料的深部穿透，擁有從一個部位反射到另一個部位的特點，屬于檢查零件缺陷的一種方法。采用脈沖回波法檢測工件位置，用橫波斜探針檢測工件位置。探傷儀向探頭發送電信號，激勵探頭的壓電芯片產生0.5-25mhz 的高頻超聲場，超聲場穿過工件，在工件內傳播。當超聲場不連續時，超聲場中的部分能量會被同一探頭反射。聲音信號在探頭的作用下，轉換成電信號，供接收電路使用，接收電路對聲音信號進行放大和檢測，最后將其顯示在屏幕上。會有脈沖波形出現在熒光屏上，以此判斷缺陷的大小和位置。

5.2 檢測設備

當前使用的超聲波探傷儀生產廠家是南京東大電子設備有限公司，型號是CUD-2030型，主要包括儀器主體、探頭、校準儀用超聲波基準塊和相應的偶聯劑。該儀器具有自動校準功能，可用于存儲和打印測試信號。

5.3 檢測方法

在屏幕上顯示帶有內加厚過渡區的標準n5 槽，探針角度為59.1。為了解決這一問題，本文提出了一種新的檢測方法——系統增益56.5db（檢測標準高度），即檢測管體所顯示的所有信號與檢測標準高度進行比較。

5.4 實例

目前采用5 英寸鉆桿為API 標準三組鉆桿，內外加厚式的管體頭部。2020 年10 月，中原石油勘探局第一公司16 號鉆井平臺50518 號，利用九龍里南鼻狀構造帶元祿6井伸縮鉆具，在四川盆地東北河元壩低平緩構造帶，自然為裂縫，鉆桿g105 級1。信號數值顯示非常大、窄，低增益13.9 分貝，深度顯示8.8 毫米，長度1.5 毫米[1]。

6 滲透檢測探傷

6.1 原理

液體滲透檢測用于檢測金屬試樣表面的無孔金屬和開放性缺陷。用熒光染料或染色料溶解的滲透劑會用于樣本表面，滲透劑會透過毛細現象滲入所有表面開裂的小缺陷，除去附著在工件表面上的任何多余滲透劑，然后用顯影劑烘干和涂抹，在黑色或白色光線下觀察，可以發現一些相應的黃綠色熒光或紅色缺陷。

6.2 檢測設備

一系列500 毫升從德國進口的噴霧罐被用作滲透測試，每組3 罐，由高溫清洗劑、高溫滲透劑和高溫顯像劑組成。

6.3 檢測方法

（1）在工件表面噴灑hp-t 清洗劑，徹底干燥；（2）在試驗區涂抹hp-t 滲透劑，保存15 分鐘；（3）在擦拭布上噴灑hp-t 清洗劑，清洗工件表面；（4）在工件表面噴灑hd-t 成像劑20-30 厘米，并在工件表面薄薄地涂抹；（5）在成像劑的白底上，缺陷呈鮮紅色。

6.4 實例

2020 年8 月，四川恢復了對非磁性鉆鋌內螺紋損傷的檢測。無磁鉆鋌經清洗、滲透劑處理和顯像后，接頭狀況良好[2]。

7 結語

（1）磁粉檢測的優點有很多，主要有：操作簡單、檢測結果直觀、檢測成本低、檢測效率高等優點，但其缺陷深度不可知，適用范圍僅限于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷。檢測鉆具損傷時，常用于鐵磁性鉆具管螺紋損傷的檢測，效果良好。

（2）電磁測試技術主要是針對自動化測試，不但可以檢測到缺陷的存在，而且根據檢測到的漏磁場，可以檢測到某些特征尺寸，例如缺陷的深度和長度，缺點是不能直觀顯示測試結果，而且測試結果容易受到周圍環境的強電磁干擾影響，例如中、高頻感應加熱設備，常用于鐵磁性鉆具管體損傷的檢測。

（3）超聲波探傷具有靈敏度高、速度快、厚度大、低成本、無害、能夠定位、定量檢測缺陷的優點。然而，超聲波探傷技術使用難度大，易受主客觀因素的影響，檢測結果難以保存。常用于測量管體的厚度、管體與接頭的焊縫以及鉆鋌螺紋的損傷檢測。

（4）滲透測試由于其簡便的操作方式，因此無需復雜設備，且成本低，能直觀地顯示缺陷，具有很高的靈敏度，可以找到1 微米的缺陷寬度，但對于松散的粉末冶金和其他多孔材料不適用。檢測鉆具損傷應用中，主要用于檢測非磁性鉆鋌內外管螺紋的損傷。

總之，石油鉆井工具是井下作業不可缺少的專業工具，成本高、投入價格也高。因此，石油企業對石油鉆具特別是螺紋的維護應加強，通過對熒光磁粉探傷技術進行不斷地改進，有效地檢測出螺紋和易產生疲勞裂紋的部件的應力集中程度，消除井下作業事故的隱患，保證石油生產的順利進行，有效地提高石油企業的經濟效益和社會效益。