基于磁記憶檢測的鉆具接頭的上卸扣試驗研究

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(機械與儲運工程學院，中國石油大學(北京)，北京 102249)

·試驗研究·

基于磁記憶檢測的鉆具接頭的上卸扣試驗研究

程彩霞，樊建春，胡治斌，張仁慶

(機械與儲運工程學院，中國石油大學(北京)，北京 102249)

石油鉆井作業中，鉆具接頭螺紋失效事故是鉆具失效的重要類型。為了研究不同扣型的鉆具接頭的抗疲勞能力，采用常見的四種扣型鉆具接頭(4REG、NC31、NC38、NC40)作為試樣，對其進行了反復上卸扣試驗。并利用磁記憶檢測技術對試樣接頭進行檢測，通過對信號的分析與處理，得出以下結論：磁記憶信號的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max是可以表征鉆具損傷的敏感特征參量。鉆具接頭4REG、NC31、NC38、NC40分別在上卸扣試驗次數為90次、50次、30次、60次時，特征參數發生顯著變化。四種接頭的抗疲勞能力的強弱依次為4REG、NC40、NC31、NC38。

鉆具接頭；上卸扣試驗；磁記憶檢測；抗疲勞能力

0 引 言

隨著我國的油氣勘探和開發事業的迅速發展，鉆井作業也不斷向深層的隱蔽油藏和裂縫油藏發展。鉆井的作業條件越來越惡劣。石油鉆井作業過程中，井下鉆具受復雜的荷載以及井眼介質等條件的影響，鉆具失效事故時常發生，各大油田平均每年發生的鉆具失效事故高達五六百起，給石油生產企業造成了巨大的經濟損失，而鉆具的接頭部位相對于整個鉆柱是最薄弱的環節，其導致的疲勞裂紋在鉆柱失效事故中占很大比例[1]，因此鉆具接頭在服役過程中的安全可靠性自然是非常關鍵的問題。

我國每年生產出不同規格的鉆具需要付出數億的昂貴費用，不同的鉆具接頭使用性能和承載能力不同，接頭的承載能力是選擇合適鉆井參數的重要依據。目前上海大學的陳鋒[2]等人對鉆具接頭應力特性進行了數值模擬研究。中國石油大學張仁慶[3]和吳鳳鳴[4]等人對鉆具接頭在彎曲和拉伸荷載下鉆具螺紋應力進行了研究。本文針對不同扣型的螺紋進行了反復上卸扣試驗，并利用金屬磁記憶檢測對其進行不斷監測，分析出得出不同的鉆具接頭螺紋的抗疲勞能力。

1 試驗試樣和方法

1.1 試樣

根據鉆井作業中常見的鉆具接頭的螺紋類型，并結合上卸扣試驗機能夠加載的扭矩范圍，本試驗選取了外徑較小的鉆具接頭，試樣均選用剛出廠的未經使用過的新接頭。本試驗選取的鉆具接頭試樣是來自北京北石新材料技術開發公司生產的螺紋類型4REG的鉆具接頭，以及華北榮盛機械制造有限公司生產的三種NC(數字型)鉆具接頭，分別是NC31、NC38、NC40，共四種螺紋類型的鉆具接頭，如圖1所示，材質均為42CrMo鋼，試樣材質的化學成分如表1所示。

圖1 鉆具接頭試樣

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1.2 試驗方法

試驗采用的設備主要是施加扭矩荷載的液壓式上卸扣試驗機，鉆具的公螺紋接頭夾在運動端的夾具倉，母螺紋接頭夾在固定端夾具倉內，公母螺紋接頭的中心軸相對，操作上卸扣試驗機，使公母螺紋不斷反復上卸扣過程，上卸扣的扭矩可以通過液壓控制柜控制。《鉆具工作手冊》中緊扣扭矩范圍來確定的，為了能夠在有限的次數內得出明顯的試驗效果，均選擇試驗范圍中的較大扭矩進行試驗。每上卸扣10次后，利用金屬磁記憶檢測系統對整個螺紋進行多通道檢測。檢查方式分為嚙合狀態下檢測和分開進行檢測。當接頭螺紋部位發生嚴重損傷時試驗停止。具體試驗方案如表2所示。

2 試驗結果分析

通過磁記憶檢測技術對鉆具螺紋進行檢測，并對檢測信號進行分析和處理。最終，4REG鉆具接頭循環了240次試驗停止，NC31、NC38、NC40均循環了100次以后試驗停止。

表2 試驗方案

2.1 磁記憶檢測結果

圖2 不同加載次數(0～100次)的檢測信號圖(上)及梯度值(下)

當上卸扣完成40次時，在位移為20～40 mm的位置處，信號在此處開始有所變化且曲線呈凸起狀，磁記憶信號隨著上卸扣次數的增加產生的變化現象與材料內部微觀組織的狀態有關[5]，當上卸扣次數完成80次以后，磁記憶信號的整體電壓值持續下降，一直降至4.82 V左右，在上卸扣完成80～100次的過程中，梯度值上升得尤為明顯，前80次的上卸扣過程中的梯度值基本波動在-0.01～0.01(100·V/mm)內。當完成100次的上卸扣加載時，信號的梯度值增加比較明顯，且超出了0.02(100·V/mm)，由于在上緊過程中接頭的端面承受了相當大的擠壓載荷，從表面看，母接頭的端口有逐漸“張口”的現象，母接頭靠近端口的部位有明顯的膨脹現象，接頭的塑性變形相當明顯，此時材料內部匯集了極大的應力能，破壞了材料內部原有的磁疇結構，這就迫使磁疇組織重新排列，在應力集中的部位就會匯集大量的磁荷，從而影響了試樣表面的漏磁場分布[6]。

120～240次上卸扣過程中檢測到的第5通道的磁記憶信號如圖3所示。從圖3中可以看出，整體的信號梯度值是隨著加載次數的增加而持續增加，這說明巨磁阻傳感器檢測到的磁記憶信號波動變得更加明顯，即此處產生了應力集中現象，且愈來愈強烈，當上卸扣完成240次后，按照試驗前設置的卸扣扭矩，此時已經無法正常拆分公母接頭，繼續增加卸扣扭矩，依然無法拆分，所以可以判斷此時發生了粘扣現象。

圖3 不同加載次數(120～240次) 的檢測信號圖(上)及梯度值(下)

粘扣效果如圖4所示。從圖4中可以看出，公接頭第三和第四扣的螺紋牙發生了折斷現象，母螺紋則是第二和第三扣的螺紋牙發生了折斷損壞現象，其他扣的螺紋面亦有不同程度的磨損。

圖4 公母螺紋發生粘扣

將公母螺紋進行分開檢測，以NC31的單通道的處理結果為例。處理結果如圖5、圖6所示。

圖5 外螺紋單通道信號不同加載次數的比較

圖6 內(母)螺紋單通道信號不同加載次數的比較

公接頭表面檢測到的磁記憶信號隨著上卸扣次數的增加，變化還是很明顯的，最大的變化就是每個螺紋根部的信號峰峰值顯著增加了，尤其是第一個20次加載完成后，增加的幅度尤為明顯，這可以解釋為剛出廠的公接頭螺紋根部的磁場分布是很微弱的，可以看到波浪式的跳動，但跳動幅度很小，由于螺紋的特殊結構，在螺紋上緊的過程中，螺紋根部的應力集中作用就立即形成，此時就迅速釋放漏磁場，還有螺紋在上緊過程中，螺紋面之間的相互擠壓和摩擦更是促進了螺紋根部漏磁場的釋放。而母螺紋表面的信號變化主要集中在靠近端面的螺紋根部，該螺紋位置的磁記憶信號隨上卸扣次數的增加，變化明顯，信號峰峰值的增加程度沿遠離螺紋端口的方向逐漸遞減[7]。

兩種檢測方式的結果均能證明磁記憶檢測方法可以確定不同扣型的應力集中部位。

2.2 磁記憶信號特征參量提取與分析

為了能夠表征不同型號的螺紋在整個試驗過程中的應力變化情況，對磁記憶信號進行了特征量的提取，本文選擇了對信號的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max進行提取。

對不同鉆具接頭信號特征參量進行對比，結果如圖7所示。每個類型的鉆具在整個試驗過程中，其特征參量都存在一個顯著變化的位置，已經由紅色線進行標注，4REG、NC31、NC38、NC40的顯著變化位置分別為90次、50次、30次、60次。結合試驗過程的觀察，磁記憶信號的特征參量發生顯著變化時對應的位置(加載次數)在一定程度上反映了不同扣型接頭的抗疲勞破壞能力，由圖7可知，其中4REG的抗疲勞能力最好，NC38的抗疲勞能力最差。

圖7 不同鉆具接頭信號特征參量對比圖

3 結 論

1)磁記憶檢測技術能夠有效地檢測出上卸扣后鉆具接頭的應力集中情況。

2)不同型號的鉆具接頭的抗疲勞性可以通過磁記憶信號的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max進行表征。

3)通過磁記憶檢測出的四種試樣的抗疲勞性能的強弱依次為：4REG、NC40、NC31、NC38。

[1] 李 明,嚴仁田.鉆具接頭螺紋應力分析和結構優化[J].重慶科技學院學報,2012,14(5)：118-121.

[2] 陳 鋒. 復雜載荷條件下鉆具接頭三維應力特征分析[D]. 上海大學, 2014.

[3] 張仁慶，樊建春.彎曲載荷下鉆具接頭試樣的磁記憶信號特征[J].石油機械，2013,41(2)：24-27.

[4] 吳鳳明，樊建春.鉆具接頭應力磁記憶檢測試驗研究[J].石油礦場機械，2012，41(9)：54- 56.

[5] 張衛民, 劉紅光, 孫海濤. 中低碳鋼靜拉伸時磁記憶效應的實驗研究[J]. 北京理工大學學報, 2004, 24(7):571-574.

[6] Jiles D C, Atherton D L. Theory of the magnetisation process in ferromagnets and its application to the magnetomechanical effect[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 1984, 17(6):1265-1281.

[7] 張衛民,袁俊杰,王朝霞，等.螺紋連接承載過程的力-磁關系研究[J].中國機械工程,2009,01(20):34-37.

TestStudyonDrillingToolJoint’sBreak-in/Break-outBasedonMagneticMemoryTesting

CHENGCaixia,FANJianchun,HUZhibin,ZHANGRenqing

(CollegeofMechanicalandTransportationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing10000,China)

In the oil drilling operation, the accident of drilling tool joint thread failure is an important type of tool failure. In order to study the anti-fatigue ability of the different drilling tool joints, four kinds of tool joints (4REG, NC31, NC38, REG NC40) are selected to do the break-in/break-out tests. The metal magnetic memory testing technology is used to detect the damage. The analysis and processing of magnetic memory signal show that the maximum peak value and the maximum gradient value of the magnetic memory signal can be used to characterize the sensitivity of the drilling tool damage. The characteristic value of the tool joint of 4REG, NC31, NC38 and NC40 increase significantly in the break-in/break-out test time at 90th, 50th, 30th, 60threspectively. The four kinds of tool joints sorted by anti-fatigue ability are 4REG, NC40, NC31, and NC38.

tool joint; break-in/break-out test; magnetic memory testing; anti-fatigue ability

程彩霞，女，1992年生，中國石油大學(北京)安全科學與工程專業在讀研究生，研究方向安全檢測與智能診斷。E-mail：chengcx92@163.com

TE921

A

2096-0077(2017)06-0037-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.010

2017-03-20

姜 婷)