繩索取心鉆桿超聲波探傷方法分析研究

劉華南，郭 威，孫友宏，計勝利

（吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026）

繩索取心鉆桿超聲波探傷方法分析研究

劉華南，郭 威，孫友宏，計勝利

（吉林大學建設工程學院，吉林長春 130026）

對繩索取心鉆桿斷裂的原因進行了分析，對超聲波探傷繩索取心鉆桿方法進行了研究，對具體探測方法、探測儀器和探傷過程進行了分析。對有效預判繩索取心鉆桿斷裂、降低孔內事故發生率和減少經濟損失具有一定的現實意義。

超聲波;探傷;繩索取心鉆桿

0 引言

繩索取心技術自問世以來，發展十分迅速，其優點十分明顯。但由于鉆桿壁較薄，在使用中主要承受正常鉆井、下鉆和憋鉆、卡鉆以及處理事故時的強拉、強扭、振動、內壓、沖擊、旋轉交變彎曲等作用力，使用條件十分苛刻，易發生鉆桿折斷事故。繩索取心鉆桿損壞形式主要有3種:折斷、開裂與塑性變形。這3種損壞形式的發生部位都在鉆桿兩端絲扣處，其中大部分的鉆桿由于鉆進中在絲扣處折斷而無法繼續使用。鉆桿折斷事故造成了巨大的經濟損失，為降低事故發生，及早發現疲勞裂紋，對鉆桿的及時探傷是十分必要的。

1 鉆桿折斷的原因

1.1 疲勞破壞

鉆桿在長期工作中承受拉伸、壓縮、彎曲、扭切等復雜應力，而且在某些區域還產生頻繁的交變應力，在足夠大的交變應力作用下，局部區域會產生熱能、變形，聚合力降低，形成微裂紋，這些微裂紋在外力的作用下繼續開裂，逐漸連通成可見的裂紋，從而便產生疲勞破壞。

1.2 腐蝕破壞

鉆桿在鉆井和存放過程中遭受氧、二氧化碳、硫化氫、溶解鹽類、各種酸類、電化學的腐蝕，形成腐蝕坑，成為潛在的裂紋源。

1.3 機械破壞

鉆桿在長期使用中的腐蝕與磨損，使某些區域管壁變薄或存在微細裂紋，強度大為減弱，在外力的作用下，鉆桿最容易從最薄弱的地方被拉斷或扭斷。

1.4 事故破壞

把不同綱級、不同壁厚、不同等級的鉆桿混同使用，強度最弱的鉆桿總是首先遭到破壞。

2 鉆桿折斷的易發區

繩索取心鉆桿折斷事故中9%以上發生在螺紋連接部位［1］。繩索取心鉆桿由于管壁受級配及通過巖心容納管的制約，整個鉆桿柱基本上是內、外平的薄壁管，內、外螺紋只能等強度地分配在只有4.75～5 mm的管壁上［2］，母接頭處的磨損將會導致母螺紋壁厚減薄，強度減小，在拉伸、彎曲、扭轉等復雜應力作用下，壁厚處產生裂紋，隨著在外力作用下裂紋逐漸擴大，最終產生鉆桿斷裂（圖1）。定期檢查鉆桿螺紋部位的疲勞裂紋，是預防鉆桿螺紋事故的重要措施。

3 超聲波檢測

鉆桿在折斷前，危險區內容易產生微小裂隙，當面對細小的損傷點時，肉眼與一般儀器很難有效地判斷出來，而采用超聲無損檢測技術，根據超聲波檢測原理（圖2），超聲波在介質中傳播時，對于不同的質界面其反射特性各不相同，當傳播時遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超聲波波長時，則超聲波遇到缺陷反射回來，探傷儀就可將反射波顯示出來。如圖2所示，鉆桿體內存在一個缺陷，由于這個缺陷的存在，造成了鋼材料和缺陷之間形成了一個不同介質之間的交界面，當發射的超聲波在鉆桿體內傳播時遇到這個界面之后，因為交界面之間的聲阻抗不同，所以就會發生反射，反射回來的能量又被探頭接受到，在顯示屏幕中橫坐標的一定位置就會顯示出來一個反射波的波形，橫坐標的這個位置就是缺陷在被檢測材料中的深度。不同的缺陷其反射波的高度和形狀也各不相同，這就反映了缺陷的性質。

圖2 超聲波檢測原理示意

在不損傷被測對象的情況下探測其內部缺陷，從根本上解決了事故隱患。然而在繩索取心鉆探中應用超聲波檢測還比較少，所以本文對超聲波檢測中，探傷儀的選取、探頭的規格和探傷過程進行了分析研究。

3.1 探傷儀的選取

在科技高速發展的今天，超聲波探傷儀能夠便捷、快速、精確地對鉆桿體內部多種缺陷（裂紋、疏松、氣孔、夾雜等）進行檢測、定位、評估和診斷，是一種便攜式的無損探傷儀器。但對于檢測薄壁繩索取心鉆桿的探傷儀沒有專門要求，根據檢測人員的經驗與石油方面對桿件探傷的經驗，選取超聲波探傷儀的主要參數分為3項。

（1）工作頻率范圍至少為0.5～10 MHz，儀器至少在熒光屏滿刻度的80%范圍內呈線性顯示。

（2）探傷儀應配備衰減器或增益控制器，其精度為任意相鄰12 dB誤差在±1 dB以內，步進級每檔不大于2 dB，總調節量應大于80 dB，最大累計誤差≯1 dB

（3）水平線性誤差≯1%，垂直線性誤差≯5%。

3.2 探頭的選取

探頭是一個電聲換能器，能將返回來的聲波轉換成電脈沖，當聲波遇到缺陷或損傷時會提前反射回來，所以探頭的選取至關重要。針對繩索取心鉆桿管壁薄的特性，可選用頻率5 MHz、晶片面積≮150 mm2、聲束軸線水平偏離角不應大于2°的雙晶探頭。表1是不同直徑的鉆桿所匹配的弧形探頭，從表1中我們可找到常用鉆桿相配套使用的探傷儀探頭，相匹配的探頭可使探頭表面和鉆桿體更好的接觸，從而提高檢測精度和工作效率。

表1 不同繩索取心鉆桿的探頭選取

3.3 耦合劑的選用

耦合劑既可增加接觸面之間的潤滑、排除的微小空隙，也使接觸面之間的聲阻抗差減小，從而增加探傷的方便性與準確性。一般可選水或機油作耦合劑，在鉆井作業時，也可采用泥漿做耦合劑。

3.4 探傷檢測

由于繩索取心鉆桿的管壁薄，特別是危險區絲扣連接處探傷難度較大，所以采用手工方法對鉆桿周向和軸向的缺陷進行檢測。探頭的K值可根據被檢測部位的厚度尺寸選擇，粗掃查時推薦使用K=3.1～3.5的探頭，對疑似有傷信號必須用K=1.0和推薦范圍的一種探頭分別檢測、驗證。

圖3是鉆桿掃描方式圖。其中，手持探頭就位、探傷開始后操作人員移動探頭繞著鉆桿圓面進行檢測。先對鉆桿體進行粗檢，如發現異常再進行細檢。掃查時滾動鉆桿使探頭沿管體做周向運動，且探頭楔塊弧面與鉆桿表面要始終保持良好的接觸。在探頭移動過程中要保證良好的聲接觸，其移動速度一般不超過75 mm/s。

圖3 鉆桿掃描方式

3.5 經濟分析

國外鉆井鉆柱損壞統計結果表明，每起鉆井事故平均損失約10.6萬美元，估計占全部鉆井成本的14%［3］。在國內，據資料統計，在回轉鉆進中，因鉆桿折斷而引起的事故占事故總數的80%左右［4］，我國每年鉆柱失效約500起以上，所造成的直接經濟損失達4000萬元之多［5］。鑒于鉆桿在服役中的失效對鉆探造成的巨大經濟損失，因此使用探傷儀預防鉆桿失效就成為減少經濟損失的主要途徑。

一臺德國KK USMGO DAC型探傷儀加上探傷所需的直探頭、斜探頭、小管徑直探頭、表面波直探頭還有探頭線等約為6萬元左右。根據江蘇油田鉆井統計資料，2001年通過超聲波探傷法對2230個鉆鋌接頭螺紋的檢查，共發現存在疲勞裂紋缺陷的鉆鋌接頭43個，2002年通過對2174個鉆鋌接頭螺紋的檢查，共發現存在疲勞裂紋缺陷的鉆鋌接頭51個［6］，有效地檢測出鉆鋌螺紋內存在的疲勞裂紋;2004年，在海南施工的江蘇油田32727鉆井隊，運用超聲波檢測，共檢測鉆桿427根。其中疲勞裂紋深度在4 mm以上的鉆桿6根，深度為2～4 mm的有17根，深度在0.5～2 mm的有31根，根據疲勞裂紋的長度，共報廢鉆桿35根。通過檢測的鉆桿下井使用后，再也沒有鉆桿折斷事故發生 。

以上事例可以看出，探傷儀不僅可精準有效地對鉆桿進行檢測，而且檢測后事故發生率明顯減少，不論從投資成本還是產生效果來看，都可避免很大的經濟損失。

4 結論

（1）繩索取心鉆桿折鉆事故對鉆探工程成敗有很大影響，要在下鉆前探傷鉆桿，特別是鉆桿螺紋部分，避免使用已經產生微裂紋的鉆桿。

（2）超聲波探傷檢測技術，能方便、有效、快捷地對繩索取心鉆桿進行無損檢測，最大限度地預判鉆桿強度，有效地減少事故的發生，減少巨大的經濟損失。

［1］ 姜光忍.繩索取心鉆探施工中鉆桿折斷原因分析及應對措施［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，（3）:15-17.

［2］ 肖亞民.新頒標準繩索取心鉆桿螺紋的技術特點［J］.探礦工程，1985，（4）:10-13.

［3］ 巨西民，莫潤陽.鉆桿接頭螺紋部位疲勞裂紋的超聲波檢測［J］.西安石油學院學報，2000，5（5）:64-67.

［4］ 尉春玲，顧成林.鉆桿的損壞原因及維護使用［J］.西部探礦工程，2008，（5）:59-61.

［5］ 馮耀榮.鉆桿生產技術的發展［J］.石油專用管，1995（4）:37-41.

［6］ 陳金國，倉恒川，謝超軍.鉆鋌螺紋疲勞裂紋的超聲波檢測［J］.石油礦場機械，2003，32（3）:65-68.

［7］ 謝超軍，倉恒川.超聲波技術在鉆桿90°臺階端疲勞裂紋檢測中的應用［J］.西部探礦工程，2008，（11）:104-106.

Analysis and Research on Ultrasonic Inspection Method for Wire-line Coring Drilling Pipe

LIU Hua-nan，GUO Wei，SUN You-hong，JI Sheng-li（College of construction Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China）

The reasons of the breaking of wire-line coring drilling pipe are analyzed and the ultrasonic inspection test for wire-line coring drilling pipe is studied.Moreover，the specific detection methods，equipment and process are analyzed.There is practical significance to effectively predict the fracture of wire-line coring drilling pipe and reduce the accidents rate with economic loss reducing.

ultrasonic;inspection;wire-line coring drilling pipe

P634.4+2;TG115.28+5

A

1672-7428（2012）07-0031-03

2012-03-21;

2012-06-07

中國地質調查局“天然氣水合物勘查與試采專項”（GZHL20110320;GZHL20110326）

劉華南（1987-），男（漢族），吉林四平人，吉林大學碩士研究生在讀，地質工程專業，主要從事天然氣水合物鉆采技術的研究，吉林省長春市西民主大街6號，liuhuanan112517@163.com;郭威（1979-），男（漢族），吉林公主嶺人，吉林大學副教授，地質工程專業，博士，主要從事天然氣水合物鉆采研究，guowei6981@jlu.edu.cn。