基于磁記憶的海上鉆柱接頭嚙合螺紋檢測技術

胡治斌，樊建春，高維駿，楊 坤，程彩霞，吳家風

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

基于磁記憶的海上鉆柱接頭嚙合螺紋檢測技術

胡治斌，樊建春，高維駿，楊 坤，程彩霞，吳家風

(中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249)

鉆井作業過程中頻發的鉆柱接頭螺紋斷裂事故嚴重影響了油氣資源的勘探開發進程。為了解決此問題，總結了鉆柱結構特點及工況，分析了常規無損檢測技術的不足，挑選出了能夠在起鉆作業過程中實現鉆柱嚙合螺紋損傷狀況監測的金屬磁記憶檢測技術；利用自行設計的井口鉆柱檢測裝置，在中國南海某平臺完成了鉆柱監測試驗，監測了鉆柱嚙合螺紋磁記憶信號，提取了磁記憶信號梯度信號，并利用基于大數據統計的螺紋應力集中評判標準，評價了嚙合螺紋應力集中狀況。試驗結果顯示，磁記憶檢測技術能夠準確檢測嚙合螺紋應力集中狀況，為防止鉆柱嚙合螺紋斷裂事故的發生提供了安全有效的技術手段。

鉆柱；磁記憶檢測技術；嚙合螺紋；斷裂；損傷評價

海上鉆柱在服役過程中，由于受復雜地層條件、惡劣的腐蝕性介質、流體沖刷、復雜運動和拉、壓、彎、扭復合動載荷作用等因素的耦合作用，工況十分惡劣，早期失效問題十分突出，給鉆井生產造成重大損失。據美國估算，平均每次鉆具斷裂事故損失達$10.6萬美元，約占鉆井總成本的14%。鉆柱是由成百上千根鉆具通過螺紋連接在一起，螺紋部位復雜的幾何尺寸以及固有應力集中的特點為疲勞裂紋的產生提供了便利[1]，實際生產過程中鉆具連接螺紋疲勞損壞是鉆柱失效的最主要原因之一。鉆井作業過程中頻發的鉆具嚙合螺紋斷裂事故成為導致井下事故多、鉆井周期長、鉆井成本居高不下的重要原因，嚴重影響了深層油氣資源的勘探開發。

1 概述

海上井口作業鉆柱自身及作業特點為：①多種載荷耦合作用，早期失效嚴重；②連接結構復雜；③尺寸規格多樣；④失效造成后果嚴重；⑤高剩磁、環境干擾因素復雜；⑥使用頻率高且量大。

這就要求井口鉆柱損傷檢測技術需要滿足以下條件：①高靈敏度，對應力集中敏感；②無盲區，適應復雜結構；③寬范圍，適應不同尺寸規格；④定性、定量、定位；⑤強抗干擾能力，適應復雜環境；⑥快速、高效，適應生產需要。

現有的常規檢測方法難以滿足在鉆井過程中早期診斷鉆柱損傷狀況的需要，存在的主要問題有：①敏感范圍局限于宏觀缺陷，難以捕捉鉆井管柱早期損傷過程中材料結構由連續到不連續過渡階段的微弱異常信號；②對缺陷高發、結構復雜、壁厚大的鉆井管柱連接部位的適應性差，存在檢測盲區；③難以確定鉆柱中處于嚙合狀態的接頭深部內表面的損傷情況。現行生產中的鉆具探傷只能以鉆柱解體后的基地檢測為主，不但產生高額鉆具轉運成本，還很難避免現場帶傷鉆具再次下井而引發的鉆井事故。

近年來，國內外迅速發展的基于壓磁效應或磁記憶效應的弱磁檢測技術，為實現鉆井管柱損傷的早期識別帶來了希望[2-5]。尤其是俄羅斯科學家發明的金屬磁記憶檢測方法以其對工件應力集中具有的獨特敏感性，展現出良好的應用前景，國內外圍繞該方法開展了大量的基礎和應用研究[6-10]。基于巨磁阻效應的巨磁阻傳感器具有體積小、應力集中敏感，提離效應小，結構小，靈敏度高、可靠性高等特點[11]，為其應用于鉆柱疲勞的檢測提供了便利，為開發適合在井口使用的鉆柱損傷早期監測診斷技術奠定了基礎。

在鐵磁性材料中，應力集中顯著區域作為最危險的地方[12]，如果能有效地評價在役構件的應力集中程度，并進行通過相關參數完成有效的評價就能夠有效避免突發事故的發生，最大限度減少財產損失。磁記憶信號梯度值K能夠定量地評價應力集中程度(K=△Hp(x)/△L)，磁記憶信號梯度峰值Kmax可以有效地反應鐵磁性材料最大應力集中部位(Kmax=max(|K|)[13]。因此，本文選取磁記憶信號梯度作為監測參數，在起鉆作業的同時直接對鉆柱應力集中程度進行評價，避免了問題鉆柱繼續鉆井作業，保障了鉆柱作業安全。

2 井口鉆柱檢測試驗

2.1 試驗設備

本試驗利用實驗室自行設計的鉆井作業井口鉆柱裝置完成，試驗裝置主要包括采集部分和數據采集及傳輸部分。采集部分包括16組磁記憶傳感器模塊、固定環以及工簧等，其中傳感器模塊通過良好韌性的工簧固定，安裝于固定環上面；數據采集及傳輸部分包括可充電電源、變壓模塊、數據采集器、無線路由器以及筆記本電腦等，其中可充電電源通過變壓模塊輸送各種不同要求的穩定電壓，數據采集器將傳感器模塊采集到的磁信號通過無線路由器傳送到筆記本電腦，并通過安裝于筆記本電腦里面的軟件進行處理，得出評價結果。

2.2 試驗步驟

井口鉆柱檢測示意如圖1所示。在起鉆作業中，吊卡每提起一柱鉆柱(3根鉆桿)就要利用卡瓦卡住鉆柱，并利用液壓大鉗對鉆柱接頭部位進行卸扣。為了不影響正常下吊卡，監測試驗過程中，在下吊卡之前打開固定環，快速移開監測裝置，待卸扣完成繼續起鉆的時候，再次快速將監測裝置推到井口鉆盤上面，在起鉆的同時繼續監測。重復以上步驟，直至完成所有鉆柱的監測，記錄數據，撤離井口。

a 檢測部分

b 數據采集及傳輸部分

2.3 數據分析方法

嚙合狀態下，鉆柱接頭部位主要包括公螺紋過渡區、標記槽、密封面、嚙合螺紋、耐磨帶以及母螺紋過渡區典型部位，如圖2所示。其中公螺紋過渡區、標記槽、密封面、耐磨帶以及母螺紋過渡區部位表面包括明顯的尺寸變化，會造成明顯的漏磁信號。磁記憶檢測信號梯度圖能夠比較明顯反應典型部位特征，通過典型信號特征提取嚙合螺紋部位信號，從而評價其應力集中狀況，做出管理建議。

2.4 試驗結果及分析

在本次試驗前期通過大量的數據統計，獲得了一個基于大量統計的鉆柱嚙合螺紋評判標準，并根據評判標準提出處理建議，如表1所示。

1—公接頭過渡區；2—標記槽；3—密封面；4—嚙合螺紋；5—耐磨帶；6—母接頭過渡區。圖2 鉆柱接頭部位信號分析

分級梯度峰值分布/(100V·mm-1)應力集中狀況安全等級評判結果10～4正常安全留用24～5輕微異常較安全限輕載3>5異常較危險卸扣復檢

嚙合螺紋部位應力集中程度處于正常情況下檢測信號如圖3所示。

應力集中處于輕微異常的程度如圖4。異常部位出現在靠近母接頭水眼第2、3扣的部位，建議鉆柱在載荷較輕或工況較為簡單的情況下作業。

嚙合螺紋應力集中處于異常的程度如圖5。異常部位出現在靠近母接頭水眼第5、6扣的部位，建議對該鉆柱進行卸扣復檢，確認是公螺紋或者母螺紋應力集中超標之后，將超標鉆桿運送回陸地進行處理，針對應力集中部位進行切扣或者修扣，維修成本過大或無法通過維修進行正常使用的直接報廢。

完成檢測之后，建立基于磁記憶的鉆柱技術狀態管體數據庫，根據數據庫來管理所有鉆桿的使用，在工況復雜或載荷較大的井，調整技術狀態較好的鉆桿作業。

圖3 嚙合螺紋應力集中正常接頭部位梯度

圖4 嚙合螺紋應力集中輕微異常接頭部位梯度

圖5 嚙合螺紋應力集中異常接頭部位梯度

3 結論

1) 充分考慮鉆柱自身結構特點以及作業工況，同時比較了現有常規無損檢測技術的不足，選出了能夠在海上鉆井作業過程中完成鉆柱損傷狀況監測的磁記憶檢測技術。

2) 磁記憶檢測梯度信號能夠較為準確反映鉆柱接頭典型部位漏磁信號，并從中截取到嚙合螺紋部位檢測信號。

3) 通過嚙合螺紋部位梯度信號完成應力集中程度的評判，并提出相應的處理建議，防止應力集中程度嚴重的螺紋繼續生產作業，保障了鉆井作業過程中鉆柱的安全使用。

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Testing Technology of Offshore Drill String of Engagement Thread Based on MMM

HU Zhibin，FAN Jianchun，GAO Weijun，YANG Kun，CHEN Caixia，WU Jiafeng

(College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The frequent engagement threads of drill string fracture accidents during the drilling process severely affected the exploration and development proceedings of gas resources.To solve the problem，in this paper first the characteristics and working conditions of the drill string were summarized，the deficiency of the conventional nondestructive testing technology was analyzed，and the metal magnetic memory detection technology was selected，which can monitor the damage condition of the thread of drill string during the drilling.Moreover，self-designed drill string damage detection device was used on one drilling platform in the South China Sea to carry out the monitoring test of the string damage status in drilling.TheKmax(the gradient peak of the magnetic memory gradient tangential signal) is extracted and the criterion based on large data statistic was used to evaluate the stress concentration degree of engagement thread.The test results show that the stress concentration of engagement thread can be accurately detected by metal magnetic memory testing technique.It provides a safe and effective technical means for preventing drill string from thread breakage.

drill string；MMMT；engagement thread；fracture；damage evaluation

1001-3482(2017)04-0001-04

2017-02-01

中海油綜合科研項目“中海油井的完整性技術體系研究”(YXKY-2015-ZY-09)

胡治斌(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向為石油石化安全技術，E-mail：271910576@qq.com。

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.001