鉆鋌螺紋小角度探頭檢測方法研究與應用

劉洪濤

(西部鉆探準東鉆井工程技術服務公司，阜康 831511)

鉆鋌是鉆柱的主要組成部分，其作用是鉆探時給鉆頭提供鉆壓，同時使下部鉆具組合具有較大的剛度，從而保證鉆頭工作穩定，并有利于克服井斜問題。鉆探過程中鉆鋌螺紋部位承受著拉力、壓力和扭力等應力作用。由于鉆鋌本體管的壁厚和剛性大，所以其螺紋部位最為薄弱。在鉆探過程中，若遇到井下情況復雜，地層變化劇烈，發生嚴重的跳鉆和卡鉆等，螺紋部分受力更加劇烈，其根部易產生橫向裂紋。由于斷裂一般發生在井下，所以危害性大，會造成嚴重的經濟損失。

筆者提出采用小角度探頭檢測鉆鋌螺紋，通過計算小角度探頭的入射角和對比試塊的設計制作等，實現了鉆鋌螺紋牙底缺陷的有效檢測。

1 螺紋檢測方法

目前，主要采用超聲縱波直探頭檢測鉆鋌螺紋，該方法可以發現大部分螺紋上存在的缺陷，當缺陷的深度大于3 mm時，很容易被檢出，而小于3 mm時容易漏檢。

圖1 螺紋部位裂紋位置示意

在實際檢測中發現，螺紋部位上的裂紋多數是從牙底萌生的，外螺紋接頭斷裂面在大端的第12牙處。內螺紋接頭斷裂面在小端的23牙處，即內外螺紋最后嚙合處。螺紋部位裂紋位置示意如圖1所示。

要很好地檢測出鉆鋌螺紋根部的橫向裂紋，需使超聲波檢測儀探頭的主聲束軸線方向與被檢測的螺紋錐面相平行，而鉆鋌螺紋是有錐度的，縱波直探頭進行檢測時，探頭的主聲速與螺紋上的缺陷不垂直，存在一定的夾角，直探頭發射的聲波主聲束不能到達螺紋根部，縱波直探頭檢測螺紋方法示意如圖2(a)所示，當螺紋深度小于3 mm時就容易漏檢。為了防止缺陷漏檢，選擇使用小角度縱波直探頭可以使主聲束與螺紋錐面相平行，小角度探頭檢測螺紋方法示意如圖2(b)所示。

圖2 縱波直探頭與小角度探頭檢測螺紋方法示意

2 小角度縱波直探頭超聲檢測

常用鉆鋌的錐度分別為1…6和1…4兩種，要保證能準確地檢測出鉆鋌螺紋存在的缺陷，需要選擇合適的探頭入射角、探頭晶片尺寸和探頭頻率。

探頭入射角的選擇：1…4錐度螺紋入射角為3°16′，1…6錐度螺紋入射角為2°11′。探頭晶片尺寸的選擇：探頭的晶片直徑選擇812 mm較合適。探頭頻率的選擇：探頭頻率選擇5 MHz較為合適。

根據上述條件，采用5P(1…6)φ10 mm和5P(1…4)φ10 mm的探頭檢測鉆鋌螺紋。5P(1…6)φ10 mm與5P(1…4)φ10 mm探頭實物如圖3所示。

圖3 5P(1…6)φ10 mm和5P(1…4)φ10 mm探頭實物

3 對比試塊的制作

3.1 掃查速度調節對比試塊

掃查速度對比試塊用于調整超聲波的掃查速度，以便對缺陷進行定位。首先在報廢鉆鋌上加工一個帶錐度的光螺紋，鋸下一段高度為80 mm，寬度為外圓周長的1/4，錐度與被檢測螺紋的錐度一致的材料。

3.2 靈敏度調節對比試塊

靈敏度調節對比試塊用于靈敏度的調節與校準。首先在報廢鉆鋌上截取一段長140 mm的材料，加工成同規格、同錐度且不含缺陷的螺紋，在螺紋尾部第2牙根部位置加工一個1 mm×1 mm×20 mm(長×寬×高)的人工缺陷。

4 使用范圍

小角度縱波直探頭超聲波檢測方法不僅適用于對鉆鋌螺紋的檢測，同樣也適用于扶正器、接頭、提升短節等的螺紋檢測。由于受到鉆鋌端面尺寸的影響，外徑小于121 mm的鉆鋌不適用于該方法，而可以檢測4″以上鉆鋌螺紋根部存在的缺陷。

5 現場使用

2018年1月2019年1月，采用小角度縱波直探頭檢測鉆鋌螺紋4 651根，其中發現缺陷(裂紋)46根，避免了鉆鋌螺紋帶缺陷送井、入井，保證了送井鉆鋌的質量，未發生一起鉆具事故。現場檢測數據如表1所示。

6 結語

只要選擇適合的探頭、頻率、對比試塊和超聲波檢測儀，就可采用小角度縱波直探頭檢測方法有效地檢測出鉆鋌螺紋根部存在的缺陷；為了預防井下鉆具失聯失效，保證鉆井的順利進行，應采用小角度縱波直探頭檢測方法對鉆鋌、接頭、扶正器、提升短節、方鉆桿、加重鉆桿螺紋進行檢測。

表1 現場檢測數據 mm