绳索取心钻杆超声波探伤方法分析研究

刘华南，郭 威，孙友宏，计胜利

（吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026）

绳索取心钻杆超声波探伤方法分析研究

刘华南，郭 威，孙友宏，计胜利

（吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026）

对绳索取心钻杆断裂的原因进行了分析，对超声波探伤绳索取心钻杆方法进行了研究，对具体探测方法、探测仪器和探伤过程进行了分析。对有效预判绳索取心钻杆断裂、降低孔内事故发生率和减少经济损失具有一定的现实意义。

超声波;探伤;绳索取心钻杆

0 引言

绳索取心技术自问世以来，发展十分迅速，其优点十分明显。但由于钻杆壁较薄，在使用中主要承受正常钻井、下钻和憋钻、卡钻以及处理事故时的强拉、强扭、振动、内压、冲击、旋转交变弯曲等作用力，使用条件十分苛刻，易发生钻杆折断事故。绳索取心钻杆损坏形式主要有3种:折断、开裂与塑性变形。这3种损坏形式的发生部位都在钻杆两端丝扣处，其中大部分的钻杆由于钻进中在丝扣处折断而无法继续使用。钻杆折断事故造成了巨大的经济损失，为降低事故发生，及早发现疲劳裂纹，对钻杆的及时探伤是十分必要的。

1 钻杆折断的原因

1.1 疲劳破坏

钻杆在长期工作中承受拉伸、压缩、弯曲、扭切等复杂应力，而且在某些区域还产生频繁的交变应力，在足够大的交变应力作用下，局部区域会产生热能、变形，聚合力降低，形成微裂纹，这些微裂纹在外力的作用下继续开裂，逐渐连通成可见的裂纹，从而便产生疲劳破坏。

1.2 腐蚀破坏

钻杆在钻井和存放过程中遭受氧、二氧化碳、硫化氢、溶解盐类、各种酸类、电化学的腐蚀，形成腐蚀坑，成为潜在的裂纹源。

1.3 机械破坏

钻杆在长期使用中的腐蚀与磨损，使某些区域管壁变薄或存在微细裂纹，强度大为减弱，在外力的作用下，钻杆最容易从最薄弱的地方被拉断或扭断。

1.4 事故破坏

把不同纲级、不同壁厚、不同等级的钻杆混同使用，强度最弱的钻杆总是首先遭到破坏。

2 钻杆折断的易发区

绳索取心钻杆折断事故中9%以上发生在螺纹连接部位［1］。绳索取心钻杆由于管壁受级配及通过岩心容纳管的制约，整个钻杆柱基本上是内、外平的薄壁管，内、外螺纹只能等强度地分配在只有4.75～5 mm的管壁上［2］，母接头处的磨损将会导致母螺纹壁厚减薄，强度减小，在拉伸、弯曲、扭转等复杂应力作用下，壁厚处产生裂纹，随着在外力作用下裂纹逐渐扩大，最终产生钻杆断裂（图1）。定期检查钻杆螺纹部位的疲劳裂纹，是预防钻杆螺纹事故的重要措施。

3 超声波检测

钻杆在折断前，危险区内容易产生微小裂隙，当面对细小的损伤点时，肉眼与一般仪器很难有效地判断出来，而采用超声无损检测技术，根据超声波检测原理（图2），超声波在介质中传播时，对于不同的质界面其反射特性各不相同，当传播时遇到缺陷，缺陷的尺寸等于或大于超声波波长时，则超声波遇到缺陷反射回来，探伤仪就可将反射波显示出来。如图2所示，钻杆体内存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了钢材料和缺陷之间形成了一个不同介质之间的交界面，当发射的超声波在钻杆体内传播时遇到这个界面之后，因为交界面之间的声阻抗不同，所以就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。不同的缺陷其反射波的高度和形状也各不相同，这就反映了缺陷的性质。

图2 超声波检测原理示意

在不损伤被测对象的情况下探测其内部缺陷，从根本上解决了事故隐患。然而在绳索取心钻探中应用超声波检测还比较少，所以本文对超声波检测中，探伤仪的选取、探头的规格和探伤过程进行了分析研究。

3.1 探伤仪的选取

在科技高速发展的今天，超声波探伤仪能够便捷、快速、精确地对钻杆体内部多种缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）进行检测、定位、评估和诊断，是一种便携式的无损探伤仪器。但对于检测薄壁绳索取心钻杆的探伤仪没有专门要求，根据检测人员的经验与石油方面对杆件探伤的经验，选取超声波探伤仪的主要参数分为3项。

（1）工作频率范围至少为0.5～10 MHz，仪器至少在荧光屏满刻度的80%范围内呈线性显示。

（2）探伤仪应配备衰减器或增益控制器，其精度为任意相邻12 dB误差在±1 dB以内，步进级每档不大于2 dB，总调节量应大于80 dB，最大累计误差≯1 dB

（3）水平线性误差≯1%，垂直线性误差≯5%。

3.2 探头的选取

探头是一个电声换能器，能将返回来的声波转换成电脉冲，当声波遇到缺陷或损伤时会提前反射回来，所以探头的选取至关重要。针对绳索取心钻杆管壁薄的特性，可选用频率5 MHz、晶片面积≮150 mm2、声束轴线水平偏离角不应大于2°的双晶探头。表1是不同直径的钻杆所匹配的弧形探头，从表1中我们可找到常用钻杆相配套使用的探伤仪探头，相匹配的探头可使探头表面和钻杆体更好的接触，从而提高检测精度和工作效率。

表1 不同绳索取心钻杆的探头选取

3.3 耦合剂的选用

耦合剂既可增加接触面之间的润滑、排除的微小空隙，也使接触面之间的声阻抗差减小，从而增加探伤的方便性与准确性。一般可选水或机油作耦合剂，在钻井作业时，也可采用泥浆做耦合剂。

3.4 探伤检测

由于绳索取心钻杆的管壁薄，特别是危险区丝扣连接处探伤难度较大，所以采用手工方法对钻杆周向和轴向的缺陷进行检测。探头的K值可根据被检测部位的厚度尺寸选择，粗扫查时推荐使用K=3.1～3.5的探头，对疑似有伤信号必须用K=1.0和推荐范围的一种探头分别检测、验证。

图3是钻杆扫描方式图。其中，手持探头就位、探伤开始后操作人员移动探头绕着钻杆圆面进行检测。先对钻杆体进行粗检，如发现异常再进行细检。扫查时滚动钻杆使探头沿管体做周向运动，且探头楔块弧面与钻杆表面要始终保持良好的接触。在探头移动过程中要保证良好的声接触，其移动速度一般不超过75 mm/s。

图3 钻杆扫描方式

3.5 经济分析

国外钻井钻柱损坏统计结果表明，每起钻井事故平均损失约10.6万美元，估计占全部钻井成本的14%［3］。在国内，据资料统计，在回转钻进中，因钻杆折断而引起的事故占事故总数的80%左右［4］，我国每年钻柱失效约500起以上，所造成的直接经济损失达4000万元之多［5］。鉴于钻杆在服役中的失效对钻探造成的巨大经济损失，因此使用探伤仪预防钻杆失效就成为减少经济损失的主要途径。

一台德国KK USMGO DAC型探伤仪加上探伤所需的直探头、斜探头、小管径直探头、表面波直探头还有探头线等约为6万元左右。根据江苏油田钻井统计资料，2001年通过超声波探伤法对2230个钻铤接头螺纹的检查，共发现存在疲劳裂纹缺陷的钻铤接头43个，2002年通过对2174个钻铤接头螺纹的检查，共发现存在疲劳裂纹缺陷的钻铤接头51个［6］，有效地检测出钻铤螺纹内存在的疲劳裂纹;2004年，在海南施工的江苏油田32727钻井队，运用超声波检测，共检测钻杆427根。其中疲劳裂纹深度在4 mm以上的钻杆6根，深度为2～4 mm的有17根，深度在0.5～2 mm的有31根，根据疲劳裂纹的长度，共报废钻杆35根。通过检测的钻杆下井使用后，再也没有钻杆折断事故发生 。

以上事例可以看出，探伤仪不仅可精准有效地对钻杆进行检测，而且检测后事故发生率明显减少，不论从投资成本还是产生效果来看，都可避免很大的经济损失。

4 结论

（1）绳索取心钻杆折钻事故对钻探工程成败有很大影响，要在下钻前探伤钻杆，特别是钻杆螺纹部分，避免使用已经产生微裂纹的钻杆。

（2）超声波探伤检测技术，能方便、有效、快捷地对绳索取心钻杆进行无损检测，最大限度地预判钻杆强度，有效地减少事故的发生，减少巨大的经济损失。

［1］ 姜光忍.绳索取心钻探施工中钻杆折断原因分析及应对措施［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，（3）:15-17.

［2］ 肖亚民.新颁标准绳索取心钻杆螺纹的技术特点［J］.探矿工程，1985，（4）:10-13.

［3］ 巨西民，莫润阳.钻杆接头螺纹部位疲劳裂纹的超声波检测［J］.西安石油学院学报，2000，5（5）:64-67.

［4］ 尉春玲，顾成林.钻杆的损坏原因及维护使用［J］.西部探矿工程，2008，（5）:59-61.

［5］ 冯耀荣.钻杆生产技术的发展［J］.石油专用管，1995（4）:37-41.

［6］ 陈金国，仓恒川，谢超军.钻铤螺纹疲劳裂纹的超声波检测［J］.石油矿场机械，2003，32（3）:65-68.

［7］ 谢超军，仓恒川.超声波技术在钻杆90°台阶端疲劳裂纹检测中的应用［J］.西部探矿工程，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

中国地质调查局“天然气水合物勘查与试采专项”（GZHL20110320;GZHL20110326）

刘华南（1987-），男（汉族），吉林四平人，吉林大学硕士研究生在读，地质工程专业，主要从事天然气水合物钻采技术的研究，吉林省长春市西民主大街6号，liuhuanan112517@163.com;郭威（1979-），男（汉族），吉林公主岭人，吉林大学副教授，地质工程专业，博士，主要从事天然气水合物钻采研究，guowei6981@jlu.edu.cn。