基于磁記憶的海上鉆柱損傷監控技術研究

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(中海油研究總院，北京 100028)

在鉆井作業中，鉆柱會受到拉、壓、扭等復雜交變應力的作用。在交變應力的作用下，鉆柱易產生應力集中，導致鉆具疲勞損傷。如果不能及時發現這些缺陷，容易引發疲勞斷裂等惡性事故[1]。尤其針對海上油田，高溫高壓、超深井、大位移井等復雜井較多，海上油田的特點及作業環境也使得鉆柱的服役狀態更加惡劣，一旦發生事故，會造成巨大的經濟損失及社會影響[2]。目前，常用的鉆具探傷方法，例如射線、滲透、磁粉、超聲波、渦流、漏磁檢測等[3]，一般用于工具車間，不適用于海上油田鉆井現場，而且不能識別鉆具的早期疲勞，難以及早發現微裂紋和應力集中異常。因此，也就無法避免帶傷鉆具再次下井，為海洋作業帶來較大的安全隱患。因此研究在現場起鉆同時，進行無線實時鉆柱損傷檢測的技術具有重要的意義。

筆者針對鉆柱疲勞損傷狀態檢測方法進行了大量的技術調研，X射線衍射法[4]穿透深度僅20 μm；巴克豪森法[5]及磁各向異性磁導率法[6]需磁化，設備巨大；磁聲發射法[7]復雜應力分析困難；逆磁致伸縮法理論尚不完善.磁記憶法具有對應力集中敏感，無需磁化，靈敏度高等諸多優點，適合海洋鉆井特點及工作環境。經過技術攻關，形成了一套基于磁記憶的海上鉆柱損傷監控技術，所形成的檢測系統能實現鉆井現場起鉆過程中對鉆柱損傷實時檢測，且不影響現場作業時效，保障了海上鉆井作業安全有效的開展。

1 鉆柱損傷磁記憶檢測基本原理

承載狀態下的鐵磁性工件受地磁場的作用，在應力和變形集中區域會發生不可逆的磁疇組織重新取向，出現磁場畸變[8]。這種磁狀態在工作載荷消除后依然能夠維持并與最大應力有關，其典型特征是：在缺陷和應力集中區域，金屬導磁率最小，表面則形成最大漏磁場，該磁場的切向分量Hp(x)最大，法向分量Hp(y)符號改變且具有零值[9]。因此，通過掃描檢測鐵磁工件表面漏磁場的變化，便可確定工件的微觀缺陷或應力集中位置及特征，從而對工件的早期損傷做出明確判斷，磁記憶檢測基本原理如圖1所示。

圖1 磁記憶檢測基本原理

2 鉆柱損傷磁記憶檢測室內試驗研究

磁記憶信號切向分量峰值Vp、鄰域峰峰值Vin、切向分量梯度值K、切向分量梯度最大值Kmax及梯度峰峰值Vk是磁記憶信號的重要參數[10]。為了研究磁記憶信號各參數的變化特征，確定可以表征鉆具損傷程度的評價參數，筆者進行了大量的室內試驗研究。

峰值：

Vp=max|Hp(x)|

(1)

式中：Vp為磁記憶信號切向分量峰值，V；Hp(x)為磁記憶信號切向分量，V。

鄰域峰峰值：

Vin=max|Hi+1-Hi|

(2)

式中：Vin為磁記憶信號切向分量鄰域峰峰值，V；Hi+1，Hi為相鄰的第i點和i+1點上檢測到的磁記憶信號切向分量，V。

梯度值：

K=(HN+K-HN)/(xN+k-xN)

(3)

式中：K為磁記憶信號切向分量梯度值，V/mm；HN,HN+k為第N點和N+K點的磁記憶信號切向分量，V；xN,xN+K為第N點和N+K點的橫坐標位置，mm。

Kmax=max(K)

(4)

式中：Kmax為磁記憶信號切向分量梯度最大值，V/mm。

梯度峰峰值：

VK=|max(K)-min(K)|

(5)

式中：VK為磁記憶信號切向分量梯度峰峰值，V/mm。

采用疲勞試驗機對油田鉆具普遍采用的42CrMo鋼標準試樣進行了軸向拉伸、軸向扭轉、拉扭、壓扭及拉壓扭試驗研究，試驗結果表明磁記憶信號切向分量梯度最大值可以較好地表征鉆具疲勞破壞過程。圖2為壓扭試驗的切向分量梯度最大值隨壓扭次數的變化趨勢，從圖中可以看出，磁記憶信號切向分量梯度最大值可以較好的表征鉆具損傷的4個階段：

1) 循環軟化。

2) 穩定循環。

3) 裂紋擴展。

4) 失穩斷裂。

因此，通過大量試驗及現場應用可以確定裂紋萌生時的磁記憶信號切向分量梯度最大值，根據現場檢測結果提前預警，預防鉆具損傷進一步惡化，降低海上鉆井作業風險。

圖2 拉扭條件下磁記憶信號切向分量梯度最大值曲線

3 海上鉆柱損傷實時監測系統研制

在充分考慮鉆井平臺結構特點的基礎上，筆者開發了一套海上鉆柱損傷實時監控系統，示意圖如圖3所示。該系統主要包括鉆柱損傷檢測井口裝置及快速數據分析軟件系統，為滿足鉆柱井口檢測需求，鉆柱損傷磁記憶檢測裝置具備以下特點：

1) 系統采樣頻率200 kps，滿足正常起鉆速度下高分辨率掃查需要。

2) 可在起鉆過程中動態檢測一柱鉆桿的損傷狀況，無線數據采集，無需降低起鉆速度，不影響現場作業。

3) 檢測時探頭始終與管壁貼緊，自適應外徑變化，可同時檢測管體與接頭。

4) 可伸縮探頭組彈性設計，防止檢測裝置在提鉆時被鉆柱帶起。

5) 為避免產生漏檢，該裝置采用16路傳感器模塊形成的檢測環覆蓋鉆柱全周。

6) 可自動調節檢測環大小，可檢測鉆桿尺寸為88.9～168.3 mm(3～6英寸)。

7) 為滿足常規鉆柱檢測需要，該檢測裝置檢測壁厚穿透能力不少于27 mm。

8) 探頭、連接器及現場數據采集裝置防水防爆。

圖3 海上鉆柱損傷狀態監控系統示意

鉆柱損傷狀態快速數據分析軟件系統的主要目的是實現現場數據動態采集并進行實時分析，判斷鉆具損傷程度并進行預警，由于檢測數據量龐大，為提高數據處理速度，實現鉆具損傷程度現場實時判斷，為保證數據處理速度，采用Matlab進行軟件開發，主要包括可視化界面、數據處理平臺及底層通訊支撐，軟件總體框架如圖4所示。

圖4 軟件總體框圖

4 海上鉆柱損傷實時監測系統現場應用

4.1 試驗井試驗

為了驗證海上鉆柱損傷實時監控系統的適用性及檢測結果，筆者首先在試驗井場對15根報廢鉆桿進行了實時檢測，共完成113處不同類型及大小的缺陷檢測，缺陷檢測率為100%，具體檢測結果如表1。圖5所示為某根報廢鉆桿本體的檢測結果，距離公螺紋端面1.5 m處，鉆桿表面存在坑點，磁記憶信號切向分量梯度最大值為21.2 mV/mm，判斷結果為高風險，該鉆桿不可用于現場作業。

表1 試驗井鉆柱損傷檢測結果

圖5 鉆桿損傷狀態分析

4.2 海上應用

對中海油南海某井進行了海上鉆柱損傷實時監控系統的現場應用，該油田水深36 m，采用自升式鉆井平臺，所檢測的井為定向井，井深3 047 m，采用139.7 mm(5英寸)鉆桿。考慮到整根鉆柱各部分具有不同的幾何尺寸及厚度，損傷程度評判標準不同，為了便于數據處理及分析，對鉆柱各部分進行了劃分及編號。圖6為1柱鉆柱的磁記憶檢測信號梯度圖。

圖6 鉆柱磁記憶檢測信號梯度

對兩趟起鉆進行了鉆柱損傷檢測，檢測結果表明：井口式檢測設備符合現場的需要，能對鉆柱管體-接頭進行一體化檢測，不影響起鉆速度，不影響現場作業。圖7所示為鉆柱管體損傷檢測分析圖，距離母接頭端面5 m處信號輕微異常，梯度峰值達到11.2 mV/mm，建議輕載。

圖7 G2鉆柱管體損傷檢測分析曲線

5 結論

1) 本文調研分析了各種鉆具損傷檢測技術的優缺點，并結合海洋石油鉆井的實際需求，研制了一套基于磁記憶的海上鉆柱損傷實時監控系統。

2) 利用自行研制的海上鉆柱損傷實時監控系統對試驗井及中海油南海某井進行了鉆柱損傷檢測，檢測結果表明該系統可實現現場起鉆過程中對鉆柱接頭-管體一體化檢測，不影響起鉆速度，檢測結果可以準確表征鉆柱損傷程度。

3) 目前，海上鉆柱損傷實時監控系統基本可實現鉆井現場鉆柱損傷無線實時檢測，但是檢測工具還未能實現固定安裝在鉆臺之上，需增加額外的人力進行現場操作，智能化程度有待提高，是限制大規模現場應用的主要問題。

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