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钻柱现场无损检测技术方案介绍

发布时间:2013年12月31日
来源:探矿工程在线

 

钻柱现场无损检测技术方案介绍

 

孙建华

(中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊 065000)

 

无论是特深孔绳索取心钻探,还是超深井科学钻探,井口或现场的钻柱探伤可以有效预防钻柱失效,保障钻孔施工安全,提高钻探效率,甚至是决定钻井施工成败。因此,针对我国深部地质岩心钻探和科学超深井钻探现实需要,勘探所专门调研了国内外钢管无损检测主要方法,根据检测方面的专家建议,提出了钻探现场钻杆无损检测技术解决方案和设备选型等建议。

 

1  国内外钢管无损检测技术应用现状

1.1  国内外钢管无损检测(探伤)方法简介

无损检测(探伤)的技术方法较多,目前常用的方法主要有磁粉检测(简称MT)、超声波检测(简称UT)、渗透检测(简称PT)、射线检测(简称RT)、涡流检测(简称ET)等5种常规检测方法。另外,一些新兴的探伤技术已开始应用,如金属磁记忆检测、漏磁、激光照相检测、红外检测、声振检测和声发射检测等。

日本住友金属公司和德国Mannesmann公司在检测大直径钢管时多采用超声和漏磁方法。检测小直径钢管时,采用超声和涡流方法,这已形成了较为成熟的检测方案。我国的钢管检测大量采用了超声及涡流联合检测的方法,也愈来愈多地采用漏磁方法。

根据《钻探用无缝钢管》(GB/T 9808-2008)规定,我国无缝钢管制造企业一般采用涡流检验、漏滋检验或超声波检验中的一种方法对钢管进行无损检测。用涡流检验时,执行《钢管涡流探伤检验方法》(GB/T 7735-2004);用漏磁检验时,执行《钢管漏滋探伤方法》(GB/T 12606-1999);用超声波探伤检验时,执行《无缝钢管超声波探伤检验方法》(GB/T 5777)。

1.2  主要无损检测方法技术原理及其适应性分析

1.2.1  涡流检测技术

涡流探伤是以电磁感应原理为基础的(见图1)。当钢管经过通交流电的线圈时,钢管管体的不连续性(如缺陷等)将使涡流场发生变化,而以靠近表层和近表层的不连续性影响最大,导致线圈的阻抗或感应电压产生变化,监测这一变化可得到有关管体缺陷或不连续性的信息。

1  穿过式线圈涡流探伤的基本原理

自动涡流探伤方法适于钢管质量检验,主要有点式探头探伤法和穿过式探头探伤法2种。点式探头探伤法采用高速旋转的点式探头来探测钢管中的纵向缺陷,检测速度由探头的数量和旋转的速度决定,一般比较慢,同时设备较复杂,因而应用不广泛;穿过式探头探伤法采用穿过式探头检测钢管中的横向缺陷,设备简单,探伤速度快(一般可达1m/s以上),对钢管表面、近表面的常见缺陷,如裂口、凹面、结疤及部分外折等有较高的检测灵敏度,是钢管检验的主要方法之一。

1.2.2  金属磁记忆检测技术

实验证明,在地磁场的作用下,铁磁性工件的缺陷和夹杂部位会产生磁畴归一现象,并在其上呈现漏磁场。在缺陷位置和/或内应力相对集中的地方,金属导磁率最小,其磁场切向分量具有最大值,而法向分量则改变符号,具有零值。对工件表面漏磁场法向分量进行扫描检测,可确定应力集中区域,从而判断该铁磁性物体是否存在特定缺陷。

1.2.3  漏磁检测技术

漏磁检测技术是在磁粉检测技术基础上发展起来的,是基于铁磁性材料磁性变化的一种探伤技术。被磁化后的铁磁材料上若存在缺陷,会在物体表面产生特定的漏磁场。因而通过检测漏磁场可以发现材料或物体中的缺陷。

当被测铁磁材料磁化时,若材料的材质是连续、稳定和均匀的,磁感应线将被约束在材料中,磁通平行于材料表面(如图2所示),基本无磁感应线从表面穿出,被检工件表面没有磁场。当材料中存在着切割磁力线的缺陷时,材料表面的缺陷或组织状态改变使磁导率发生变化,使磁路中的磁通发生畸变,磁感应线流向发生变化。除部分磁通直接通过缺陷或通过材料内部绕过缺陷外,还有部分磁通泄漏到材料表面上空,绕过缺陷通过空气重新进入材料,从而在材料表面缺陷附近形成漏磁场(如图3所示)。

 

   图2 无缺陷的磁感应线               图3 有缺陷的磁感应线

当前,石油天然气钻井领域应用的探伤方法多是从磁粉检测法发展而来的漏磁检测技术。主要特点如下:

(1)对各种损伤,如铁磁性材料表面、近表面、内部裂纹以及锈蚀等具有较高的检测速度,并可获得较好的检测效果;

(2)磁性的变化属于非接触测量,可实现在线实时检测。磁信号不受钻柱表面污染状态的影响,检测时不需清洗,可大大提高检测效率,减小工作量。

1.2.4  涡流、漏磁、金属磁记忆集成综合检测技术

单一的无损检测方法一般只能探测材料或物体中的某些特定缺陷,任何无损检测技术都不可能检出钢管尤其是钻柱体的所有缺陷。通常,常规穿过式涡流探伤法适于钢管表面和近表面且取向大致为横向的缺陷检测,对纵向缺陷及钢管内部或内表面的缺陷不能很好地检测。因此,应采用多种探伤方法的组合,最大限度地探测出钢管或钻柱中各类缺陷。以下为常用的2种组合探伤检验办法:

1)涡流-漏磁组合检测方法

穿过式涡流探伤法与以探测纵向缺陷为主的超声探伤法的组合可以有效地检出钢管中的大部分制造缺陷,应是首选的组合无损检测技术。但是,超声探伤法速度慢,适应不了钢管在线检验的快速要求,也与涡流探伤的速度不匹配。因此,这种组合在大工业生产上尚不能得到应用。

与超声探伤一样,漏磁探伤技术亦有纵向和横向探测的区别。用于钢管检验的以探测纵向缺陷为目的的漏磁探伤法具有与超声探伤基本相同的功能,即可以检测出钢管内外表面及其内部大致取向为纵向的各类缺陷,但是其内表和内部的检测灵敏度不如超声探伤那样高。另外,漏磁探伤法的传感器可以根据检测速度需要设置,机头的旋转速度亦可以调整,在速度上可与涡流探伤法匹配,也能适应钢管生产流水线上在线检测速度要求。因此,以探测钢管横向缺陷为主的穿过式涡流探伤法和以探测纵向缺陷为主的漏磁探伤法的组合可较为有效地探测出钢管中的主要缺陷,能适应在线检验的速度要求。

2)涡流-磁记忆组合检测方法

该方法集涡流和金属磁记忆两种电磁检测技术于一体,可实现涡流、磁记忆同时检测与同屏实时显示,同时获得两种技术的检测数据,准确判断工件的缺陷、早期疲劳损伤与应力集中状态,真正实现铁磁性工件的综合全面分析。

1是涡流和磁记忆方法得到的四种典型检测结果,分别对应于工件的四种不同的损伤程度。A表示材料或物体状态良好,未出现应力集中或者损伤。B意味着材料或物体存在应力集中,继续保持负荷此区域可能会损伤,但难以判断损伤发生时间。C说明应力集中超过了材料的承受力,出现了损伤缺陷。由于损伤导致应力集中被释放,应力消失,但出现了缺陷。D说明检测区域出现了缺陷,且同时还存在应力集中,此区域存在继续破坏的危险,在连续的应力应变下,材料可能发生断裂。

1  集成涡流和磁记忆方法四种典型检测结果

类型

涡流信号

磁记忆信号

A

无缺陷

应力无集中

B

无缺陷

应力集中

C

 

应力无集中

D

 

应力集中

 

2  钻杆无损检测(探伤)方法分析

2.1  钻杆体检测

2.1.1  钻杆体探伤

据有关资料,因积肤效应的影响,涡流检测方法对钻杆内壁的损伤检测不够灵敏,同时对壁厚>6mm的钻柱检测效果更差。因此,钻杆壁厚>6mm时,对钻杆体的探伤不宜选用涡流检测方法。

2.1.2  钻杆管壁测厚

对钻杆柱的检测应该包括钻杆壁厚的检测。磁通法检测壁厚的精度很低,一般不可接受;因为磁通法测量的是平均壁厚,当钻杆偏磨时,其检测的结果误差更大。钻柱壁测厚宜采用超声波法。但要检测钻柱的偏磨需要对杆体全程全断面测量,需要采用多通道超声自动测厚系统,因此效率较低。

2.2  钻杆两端丝扣和接头无损检测

钻杆丝扣部分的探伤可使用磁粉探伤法和超声波探伤法2种方法。磁粉探伤法一般用于检测中心对钻杆丝扣或接头外表面和丝扣部分的探伤。这种方法探伤速度快、直观,但是只能探出表面或近表面损伤。超声波探伤法可用于现场对丝扣和接头的探伤。该方法可同时探测内外部缺陷,但是超声波探伤法检测速度较慢,且由于丝扣部位的结构特殊要求的探测工艺较高。

 

3  钻杆现场快速检测可行性分析

3.1  绳索取心钻杆检测

绳索取心技术是我国深部钻探领域应用广泛的技术成果,对绳索取心钻柱的检测成为主要研究对象之一。调研发现,对采油管损伤的漏磁无损检测技术在国内外都已成熟,既可实现台架检测也可实现井口下管过程实时监测。绳索取心钻杆在结构上与采油管有相似之处:即均为两端带丝扣、基本外平的细长无缝钢管。因此,涡流、金属磁记忆、漏磁无损检测方法可以适用于对绳索取心钻杆的损伤检测。特别是,金属磁记忆检测方法对在役铁钻杆由于材料不连续性(缺陷)或外力而导致应力集中,以全新的快捷检测方式,给出设备疲劳损伤的早期诊断,评价钻杆的使用寿命。

另一方面,与石油钻柱相比,绳索取心钻柱的损伤类型与前者是一致的,主要有纵向、横向裂纹、磨蚀、偏磨、螺纹、接箍损伤、腐蚀斑点以及应力集中等。但结构上两者差别较大:石油钻井用钻杆,其丝扣部分比钻杆体直径大,钻柱的磨损主要集中在钻杆的丝扣部分和焊接部位及接头;绳索取心钻杆的壁厚比同直径的石油钻杆薄,其丝扣部分与钻杆体的内径或外径是基本相同的,就是说,绳索取心钻柱体和接头的磨损几率是相等的。因此,对绳索取心钻柱的检测,应包括接头、钻杆丝扣和整个钻杆体,其检测工作量远比石油钻柱检测大很多。对绳索取心钻柱的检测,其主要矛盾是如何提高检测速度,一般应不小于0.20m/s。

对绳索取心钻柱的损伤进行无损检测,必须采用自动检测装置(绳索取心钻杆的基本内外平的结构较为适合使用自动检测方法),以满足实际检测对速度的要求。

针对钻杆接头、接头螺纹的检测,可以用每条螺纹一个检测涡流和磁记忆通道进行旋转一周的探伤方式,一次扫查即可同时检测出接头螺纹的缺陷与疲劳应力集中状态,是目前最为有效的接头及接头螺纹组合检测方法。

3.2  API石油钻杆检测

超深井科学钻探将会使用API石油钻杆或类似的改进产品。API石油钻杆的检测与绳索取心钻杆不同。

3.2.1  石油钻杆与绳索取心钻杆的区别

绳索取心钻杆一般为内外平的薄壁结构,检测装置的通孔直径只需考虑钢管外径即可,但石油钻杆柱由钻杆和接头构成,接头外径大于钻杆外径,整个钻杆柱属于非同径管材,安装检测装置时其通孔直径需按钻杆柱中直径最大部分(如接头或稳定器等)的外径设计,检测方法的选择要同时考虑到对接头外径、接箍外径和钻杆体外径等的检测。即使在井口安装钻杆柱漏磁检测装置,也只能对钻杆体部分进行探伤,而对钻杆两端(包括丝扣)和接头等部分不能进行有效探伤,这是由于丝扣部分也会产生较大漏磁通的缘故。

3.2.2  石油钻杆、绳索取心钻杆与采油管的工况比较

采油管没有外径的偏磨和圆周磨损问题,所以采油管不需对管壁进行测厚。由于在钻进和起下钻过程中钻杆柱与孔壁或套管间易产生磨损,当钻杆柱严重弯曲时易产生偏磨现象,对钻杆柱的检测必须解决钻杆壁厚的测厚问题。用磁通法测厚其检测精度低,这是难以实现在井口对钻杆进行实时测厚的主要原因。另外,钻井施工与下油管施工工况不同一个钻孔其起下钻工况需要重复多次,对钻杆柱检测也需要重复多次;钻进过程中有冲洗液循环介质参与;钻进过程钻机和钻柱系统振动显著。如在井口安装钻杆柱检测装置,其工作环境是非常恶劣的。特别是,由于漏磁检测属于传感器接触检测,在人工操作控制起下钻速度时,要及时改变传感器通孔直径是困难的。另外,一般测量装置安装在转盘下方、泥浆槽上方,转盘平面的实际高度可能要增加,给施工带来不便。实际上,只有起下钻过程自动化时钻杆柱井口实时检测才有可能。下采油管施工过程则工况单一、采油管外平,井口周围无冲洗液介质,容易在井口安装采油管检测装置并在下管过程中实时检测采油管损伤状况。

 

4  超深井现场钻柱快速探伤检测方案

根据以上研究分析,超深井现场钻柱快速探伤检测方案可有以下几种:

4.1  井口实时监测

一般指在回次起钻时对井内钻杆同时进行监测。这种检测法的优点是:不需要专门的钻杆检测台架;也不需要额外的检测工序和时间。但由于深井起下钻速度较快,一般应不小于1m/s,要求井口检测装置也应有如此高的检测速度;另外,井口环境最恶劣:受振动、冲击、泥浆、岩粉等影响,要求检测装置抗干扰能力强,安全性好。

从检测技术方面分析,除检测速度外,其技术关键主要是解决钻杆在连接状态下的丝扣探伤问题(包括接头和接箍两种连接情况)。需要进行钻柱管材井口检测辅助设备的研发才能得以实现,这一检测方案的一次性投资较大。

4.2  井场台架检测

其检测原理与井口检测是相同的,它们的主要区别有:(1)井场台架检测要求钻杆水平放置或移动;(2)台架检测时每次只能检测单根钻杆(包括钻杆体和裸露的丝扣);(3)检测速度一般较低;(4)井场台架检测环境较井口好,受振动、冲击和泥浆等的影响较小;(5)不受钻井起下钻工序和时间的限制,可根据需要随时检测;(6)井场台架检测前可对钻杆作简单的处理,如清洗、晾干等。

4.3  检测中心或管子站检测

这一检测法与井场台架检测法在检测原理、检测过程等方面都非常相似,它们的主要区别在于检测设备的规模大小上。井场台架检测设备一般以轻便、结构简单、功能单一、易于搬运、使用方便为主要特征;而检测中心或管子站的检测设备一般以重型、结构复杂、功能齐全、相对固定、占地大等为主要特征。

鉴于涡流、金属磁记忆、漏磁无损检测技术自身“在线快速非接触测量”的检测特性,目前已在一定范围内应用于石油钻井领域;结合绳索取心钻杆的内外平结构特点,适合使用自动检测方法以满足实际检测对速度的要求。

 

5  推荐的检测设备

针对超深井现场钻柱快速探伤,建议采用以漏磁检测为主,涡流、金属磁记忆检测为辅助的井口实时综合检测方法,采用国产EEC/SMART-2004智能型多功能电磁检测仪,并设计专门的漏磁、涡流、磁记忆组合探头机械装置,设置在井口,可在钻杆垂直提升过程中进行实时综合全面检测(钻柱表面有泥浆等吸附物),钻杆一次通过检测系统,即可检测出钻杆内外壁缺陷、腐蚀、壁厚减薄、应力集中及早期疲劳损伤等。

该仪器对在役设备由于材料不连续性(缺陷)而导致应力集中,表面、亚表面缺陷,可检测给出设备疲劳损伤的早期诊断,可用于带防腐层焊缝及母材裂纹的检测、裂纹深度测量、以及锅炉压力容器、管道、轴承、钢轨、吊钩、齿轮对、及其它各种在役铁磁性金属构件的检测。仪器的主要技术参数如下:

① 磁记忆检测

◇ 测量通道数:8个,可扩展128至通道

◇ 最小测距:1mm

◇ 最大测距:150mm

◇ 最大扫描速度:0.5m/s

② 涡流检测/远场涡流检测

◇ 测量通道数:8个,可扩展128至通道

  2个独立可选频率范围:64Hz~5MHz(远场频带5~5KHZ)

  探头激励范围:0~12V

  增益:0~90dB,每档0.5dB

  多通道高、低通数字滤波功能

  探头自动校准功能

  自动/手动幅度和相位测量

  非等幅相位/幅度报警

③ 漏磁检测(低频电磁场)

  通道数:8个,可扩展128至通道

  增益:90dB,步进0.5dB

  高通滤波:0~500Hz

  低通滤波:10Hz~10KHz

 

6  结论

    (1)钻探施工过程中,钻柱易出现裂纹、偏磨和腐蚀等损伤,为减少和避免钻井事故, 需要对钻柱进行无损检测。我国钻柱探伤技术近几年有了快速发展,立足国内可以基本解决钻柱现场检测问题。目前,钢管和钻柱的无损检测的方法很多,常用的主要有磁粉检测(MT)、超声波检测(UT)、渗透检测(PT)、射线检测(RT)、涡流检测(ET)等5种常规检测方法。同时,钻柱探伤已经由上世纪末的单一手段向实时综合检测方向发展。

2)针对现场钻柱快速探伤,建议采用以漏磁检测为主,涡流、金属磁记忆检测为辅助的井口实时综合检测方法,并设计专门的漏磁、涡流、磁记忆组合探头机械装置,设置在井口,可在钻杆垂直提升过程中进行实时综合全面检测钻杆内外壁缺陷、腐蚀、壁厚减薄、应力集中及早期疲劳损伤等。

3)目前的检测仪器和传感器系统主要适用生产流水线等方面的常规检测,无论是特深孔绳索取心钻探,还是超深井科学钻探,井口的钻柱探伤的特殊应用场合,必须研发新仪器及相应的配套传感器,才可达到预期的检测目的。同时,钻柱探伤是一门专业技术,需要经过培训的专业技术人员操作。

4)为建设世界一流的地质调查局,2011-2020年中国地质调查局重点实验室发展规划中明确提出要新建局级钻探技术实验室。建议在该实验室添置钻柱无损检测(探伤)设备,配置专门人员开展相关技术研究和科研服务工作。

 

参考文献:

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[15]  吴文秀,吴修德,毕立彩.基于磁记忆检测的钻杆疲劳寿命评估[J].长江大学学报(自科版)理工卷,2007(6).

[16]  任吉林,林俊明 主编.《电磁无损检测》,科学出版社,2008年.

 

专家简介:孙建华(1962-),男 (汉族),山东禹城人,中国地质科学院勘探技术研究所深部钻探技术研究室副主任、教授级高级工程师,探矿工程专业,从事钻探工程科研与示范工作,sjhiet@qq.com。

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