馬金旺

摘要：在鉆井作業(yè)過程中，鉆桿要直接承受復(fù)雜的拉壓彎扭組合載荷，其安全性將直接關(guān)系到整個(gè)施工作業(yè)的安全。根據(jù)鉆井現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，鉆桿的主要失效部分發(fā)生在螺紋扣接頭區(qū)域。為了提高接頭安全性，目前國內(nèi)外鉆桿制造生產(chǎn)廠家大多采用熱處理的工藝來提高鉆桿的接頭螺紋質(zhì)量。但是在日常熱處理過程中往往會(huì)產(chǎn)生多種缺陷，此時(shí)就需要采用無損檢測方法對(duì)鉆桿進(jìn)行缺陷檢測，用以判定鉆桿質(zhì)量合格與否。

關(guān)鍵詞：超聲波;鉆桿;螺紋;腐蝕;缺陷;探傷;應(yīng)用

腐蝕疲勞與應(yīng)力損傷是石油鉆桿損壞的最主要原因，鉆桿損傷檢測可以有效地預(yù)防和減少鉆具因失效而引起的質(zhì)量事故。闡述了石油鉆桿健康監(jiān)測中損傷識(shí)別的關(guān)鍵問題，介紹基于超聲波的損傷定位定量方法。根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，以石油鉆井中常用〞鉆桿為對(duì)象進(jìn)行損傷研究，用超聲波縱波直接接觸法檢測鉆桿螺紋，并對(duì)探傷結(jié)果進(jìn)行分析和應(yīng)用。結(jié)果表明，超聲波可對(duì)已定位損傷的石油鉆桿螺紋的損傷進(jìn)行定量分析，通過實(shí)例驗(yàn)證了其對(duì)結(jié)構(gòu)損傷診斷的有效性。

1.探傷檢測的必要性

石油鉆桿是石油天然氣勘探與開發(fā)過程中使用的一種主要工具。它是組成“鉆柱”的主體，占整個(gè)鉆柱長度的80%～90%，其上方接方鉆桿，下方連鉆鋌。鉆桿與方鉆桿、鉆鋌之間通過短節(jié)、接頭等用鉆桿螺紋連成整體，其主要作用是傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩和輸送鉆井液。鉆桿在鉆井過程中要承受拉、壓、彎、扭、振動(dòng)載荷、旋轉(zhuǎn)離心和起下鉆時(shí)附加的動(dòng)載等交變作用，同時(shí)鉆井液、鉆井泥漿中溶解的酸性腐蝕介質(zhì)及地層的氧化物等介質(zhì)使鉆桿內(nèi)表面產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕;對(duì)于高壓氣體作介質(zhì)的氣體鉆井，鉆頭破碎的巖屑顆粒對(duì)鉆桿外表面也有極大的沖蝕，這些受腐蝕、沖蝕的鉆桿在應(yīng)力作用下易失效、裂斷，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。另因井隊(duì)使用維護(hù)鉆具不當(dāng)造成的鉆桿絲扣粘結(jié)，或使鉆桿接頭體鉆桿螺紋根部產(chǎn)生裂紋，這些裂紋即使很小，若不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)使用就會(huì)釀成事故。

據(jù)資料介紹，平均每起鉆桿失效事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約10余萬元，若鉆桿斷裂造成埋井，其經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)百萬元。為降低事故發(fā)生，提高井下鉆桿使用的可靠性，降低鉆井工程成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)它們及時(shí)探傷是十分必要的，因而需要一種探傷設(shè)備，本文使用超聲波探傷儀對(duì)損傷加以檢測。

2.探傷的基本原理

2.1鉆桿損傷的原因分析

2.1.1鉆桿腐蝕

鉆桿腐蝕常發(fā)生在管體部分，且內(nèi)壁較外壁更易發(fā)生腐蝕，這是因?yàn)橥獗诤途谥g頻繁摩擦，有害物難以存留，不易被腐蝕。在使用過程中，腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的共同作用可以加速腐蝕過程，而腐蝕作用又加速了疲勞過程。腐蝕疲勞失效受腐蝕環(huán)境和疲勞載荷兩種因素支配，鉆桿在腐蝕介質(zhì)中受交變載荷作用時(shí)，它的疲勞壽命顯著降低，即是腐蝕和疲勞交互作用的結(jié)果。鉆桿腐蝕對(duì)鉆桿主要是腐蝕坑，在實(shí)際工作中，在外加應(yīng)力和介質(zhì)的共同作用下，腐蝕坑加速擴(kuò)大，在腐蝕坑底部導(dǎo)致應(yīng)力集中，外加應(yīng)力循環(huán)一定周次后，腐蝕坑開始萌生裂紋。

2.1.2鉆桿螺紋區(qū)應(yīng)力集中

目前我們所使用鉆桿采用螺紋連接，外徑101.6～139.7mm，見圖1。G、S高鋼級(jí)鉆桿對(duì)此項(xiàng)沒規(guī)定，對(duì)管體螺紋連接區(qū)交界處遠(yuǎn)角曲率半徑在中也均未規(guī)定，這就導(dǎo)致在螺紋連接區(qū)的應(yīng)力集中較大，同時(shí)由于該處是截面突變處，易發(fā)生彎曲，見圖2。此處是鉆桿一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，是應(yīng)力疲勞或腐蝕疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)。

2.2超聲波探傷主要原理

對(duì)鉆桿螺紋連接區(qū)采用A型脈沖回波法，用直探頭或斜探頭檢測，用超聲脈沖回波法檢測損傷的原理與脈沖回波法測厚的原理基本一致。由探傷儀發(fā)射電路給探頭一個(gè)電信號(hào)，激勵(lì)探頭壓電晶片產(chǎn)生0.5～25MHz的高頻超聲場，超聲場穿過工件（鉆桿），在工件中傳播，當(dāng)遇到不連續(xù)時(shí)，超聲場中部分能量就會(huì)反射回探頭，探頭將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)給接收電路，接收電路將電信號(hào)進(jìn)行放大檢波，最后顯示到熒光屏上。熒光屏顯示回波幅度與反射回的能量大小有關(guān)，反射回的能量與不連續(xù)有關(guān)。

超聲波探頭發(fā)射的超聲波在工件中的傳播時(shí)間與工件厚度成正比，通過測量超聲波到達(dá)內(nèi)外壁表面的時(shí)間差就可以計(jì)算管壁的厚度。設(shè)超聲波在工件中傳播的往返時(shí)間為t，見圖3，則工件厚度為：T₀=0.5tC，C為工件中聲波傳播速度。

如鉆桿發(fā)生的是均勻腐蝕，則剩余壁厚T₁為：T₁=0.5t₁C，式中t₁為聲波在均勻腐蝕試件中往返傳播所用的時(shí)間。

若鉆桿發(fā)生的是點(diǎn)蝕，為簡化起見，假設(shè)蝕坑底為平面，則底波前將會(huì)出現(xiàn)一蝕坑底面回波B（圖5），它與始波之間的時(shí)間差即為超聲波在剩余壁厚中往返的時(shí)間，蝕坑深度為：h=T₀-0.5t₂C，t₂為超聲波在點(diǎn)蝕坑處往返所用時(shí)間

3.探傷監(jiān)測應(yīng)用

3.1損傷檢測儀器

目前我們使用的超聲波探傷儀主要包括儀器和探頭、用于儀器校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)試塊，以及自制的與被測工件特性相同的工作試塊和相應(yīng)的耦合劑。

3.2損傷檢測實(shí)例

鉆桿螺紋連接區(qū)通常采用超聲檢測，主要檢測疲勞裂紋和腐蝕坑。螺紋連接區(qū)標(biāo)準(zhǔn)探頭角度為59.1度，系統(tǒng)增益56.5dB，這就是探傷標(biāo)樣高度，也就是探傷標(biāo)準(zhǔn)，所有出現(xiàn)信號(hào)都要和它相比較。

我們對(duì)第一個(gè)回收鉆具檢測出的缺陷，性質(zhì)為裂紋，該鉆桿為G105一級(jí)。此信號(hào)顯示非常高，信號(hào)狹長，降低增益13.9dB，深度顯示8.8mm，長度1.5mm。對(duì)第二個(gè)回收鉆桿檢測出信號(hào)與裂紋信號(hào)相同，信號(hào)狹長，比較高，深度顯示14.6mm，在坑的邊沿存在裂紋。對(duì)第三個(gè)回收報(bào)廢鉆桿檢測探傷發(fā)現(xiàn)信號(hào)不高，提高8.2dB才超過標(biāo)樣，原因是坑邊沿很平滑。對(duì)第四個(gè)回收報(bào)廢鉆桿檢測探傷發(fā)現(xiàn)信號(hào)與裂紋信號(hào)相近，比較狹窄，有雙峰出現(xiàn)，經(jīng)切開后發(fā)現(xiàn)兩處較深的腐蝕坑，且距離較近。

4.結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）鉆桿刺穿大都在螺紋連接區(qū)消失端或以下，管體壁厚都在9.19mm以下。（2）裂紋信號(hào)尖而狹窄，信號(hào)要高出標(biāo)樣很多，通常要高50%以上，嚴(yán)重者達(dá)到100%，甚至通屏。（3）很深很大的腐蝕坑信號(hào)與裂紋信號(hào)基本相同，尖而狹窄，有一定長度的聲程，通過顯示深度可以確定坑的深度。（4）小的腐蝕坑信號(hào)不高，信號(hào)尖而狹窄，聲程長度很小。（5）大而淺的腐蝕坑，信號(hào)顯示很低或無信號(hào)顯示，聲程長度很大。（6）內(nèi)臺(tái)肩信號(hào)與小腐蝕坑信號(hào)相似，信號(hào)不高，尖而狹窄，但長度較長，一般超過20mm。

參考文獻(xiàn)：

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