基于磁记忆检测的钻具接头的上卸扣试验研究

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(机械与储运工程学院，中国石油大学(北京)，北京 102249)

·试验研究·

基于磁记忆检测的钻具接头的上卸扣试验研究

程彩霞，樊建春，胡治斌，张仁庆

(机械与储运工程学院，中国石油大学(北京)，北京 102249)

石油钻井作业中，钻具接头螺纹失效事故是钻具失效的重要类型。为了研究不同扣型的钻具接头的抗疲劳能力，采用常见的四种扣型钻具接头(4REG、NC31、NC38、NC40)作为试样，对其进行了反复上卸扣试验。并利用磁记忆检测技术对试样接头进行检测，通过对信号的分析与处理，得出以下结论：磁记忆信号的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max是可以表征钻具损伤的敏感特征参量。钻具接头4REG、NC31、NC38、NC40分别在上卸扣试验次数为90次、50次、30次、60次时，特征参数发生显著变化。四种接头的抗疲劳能力的强弱依次为4REG、NC40、NC31、NC38。

钻具接头；上卸扣试验；磁记忆检测；抗疲劳能力

0 引 言

随着我国的油气勘探和开发事业的迅速发展，钻井作业也不断向深层的隐蔽油藏和裂缝油藏发展。钻井的作业条件越来越恶劣。石油钻井作业过程中，井下钻具受复杂的荷载以及井眼介质等条件的影响，钻具失效事故时常发生，各大油田平均每年发生的钻具失效事故高达五六百起，给石油生产企业造成了巨大的经济损失，而钻具的接头部位相对于整个钻柱是最薄弱的环节，其导致的疲劳裂纹在钻柱失效事故中占很大比例[1]，因此钻具接头在服役过程中的安全可靠性自然是非常关键的问题。

我国每年生产出不同规格的钻具需要付出数亿的昂贵费用，不同的钻具接头使用性能和承载能力不同，接头的承载能力是选择合适钻井参数的重要依据。目前上海大学的陈锋[2]等人对钻具接头应力特性进行了数值模拟研究。中国石油大学张仁庆[3]和吴凤鸣[4]等人对钻具接头在弯曲和拉伸荷载下钻具螺纹应力进行了研究。本文针对不同扣型的螺纹进行了反复上卸扣试验，并利用金属磁记忆检测对其进行不断监测，分析出得出不同的钻具接头螺纹的抗疲劳能力。

1 试验试样和方法

1.1 试样

根据钻井作业中常见的钻具接头的螺纹类型，并结合上卸扣试验机能够加载的扭矩范围，本试验选取了外径较小的钻具接头，试样均选用刚出厂的未经使用过的新接头。本试验选取的钻具接头试样是来自北京北石新材料技术开发公司生产的螺纹类型4REG的钻具接头，以及华北荣盛机械制造有限公司生产的三种NC(数字型)钻具接头，分别是NC31、NC38、NC40，共四种螺纹类型的钻具接头，如图1所示，材质均为42CrMo钢，试样材质的化学成分如表1所示。

图1 钻具接头试样

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1.2 试验方法

试验采用的设备主要是施加扭矩荷载的液压式上卸扣试验机，钻具的公螺纹接头夹在运动端的夹具仓，母螺纹接头夹在固定端夹具仓内，公母螺纹接头的中心轴相对，操作上卸扣试验机，使公母螺纹不断反复上卸扣过程，上卸扣的扭矩可以通过液压控制柜控制。《钻具工作手册》中紧扣扭矩范围来确定的，为了能够在有限的次数内得出明显的试验效果，均选择试验范围中的较大扭矩进行试验。每上卸扣10次后，利用金属磁记忆检测系统对整个螺纹进行多通道检测。检查方式分为啮合状态下检测和分开进行检测。当接头螺纹部位发生严重损伤时试验停止。具体试验方案如表2所示。

2 试验结果分析

通过磁记忆检测技术对钻具螺纹进行检测，并对检测信号进行分析和处理。最终，4REG钻具接头循环了240次试验停止，NC31、NC38、NC40均循环了100次以后试验停止。

表2 试验方案

2.1 磁记忆检测结果

图2 不同加载次数(0～100次)的检测信号图(上)及梯度值(下)

当上卸扣完成40次时，在位移为20～40 mm的位置处，信号在此处开始有所变化且曲线呈凸起状，磁记忆信号随着上卸扣次数的增加产生的变化现象与材料内部微观组织的状态有关[5]，当上卸扣次数完成80次以后，磁记忆信号的整体电压值持续下降，一直降至4.82 V左右，在上卸扣完成80～100次的过程中，梯度值上升得尤为明显，前80次的上卸扣过程中的梯度值基本波动在-0.01～0.01(100·V/mm)内。当完成100次的上卸扣加载时，信号的梯度值增加比较明显，且超出了0.02(100·V/mm)，由于在上紧过程中接头的端面承受了相当大的挤压载荷，从表面看，母接头的端口有逐渐“张口”的现象，母接头靠近端口的部位有明显的膨胀现象，接头的塑性变形相当明显，此时材料内部汇集了极大的应力能，破坏了材料内部原有的磁畴结构，这就迫使磁畴组织重新排列，在应力集中的部位就会汇集大量的磁荷，从而影响了试样表面的漏磁场分布[6]。

120～240次上卸扣过程中检测到的第5通道的磁记忆信号如图3所示。从图3中可以看出，整体的信号梯度值是随着加载次数的增加而持续增加，这说明巨磁阻传感器检测到的磁记忆信号波动变得更加明显，即此处产生了应力集中现象，且愈来愈强烈，当上卸扣完成240次后，按照试验前设置的卸扣扭矩，此时已经无法正常拆分公母接头，继续增加卸扣扭矩，依然无法拆分，所以可以判断此时发生了粘扣现象。

图3 不同加载次数(120～240次) 的检测信号图(上)及梯度值(下)

粘扣效果如图4所示。从图4中可以看出，公接头第三和第四扣的螺纹牙发生了折断现象，母螺纹则是第二和第三扣的螺纹牙发生了折断损坏现象，其他扣的螺纹面亦有不同程度的磨损。

图4 公母螺纹发生粘扣

将公母螺纹进行分开检测，以NC31的单通道的处理结果为例。处理结果如图5、图6所示。

图5 外螺纹单通道信号不同加载次数的比较

图6 内(母)螺纹单通道信号不同加载次数的比较

公接头表面检测到的磁记忆信号随着上卸扣次数的增加，变化还是很明显的，最大的变化就是每个螺纹根部的信号峰峰值显著增加了，尤其是第一个20次加载完成后，增加的幅度尤为明显，这可以解释为刚出厂的公接头螺纹根部的磁场分布是很微弱的，可以看到波浪式的跳动，但跳动幅度很小，由于螺纹的特殊结构，在螺纹上紧的过程中，螺纹根部的应力集中作用就立即形成，此时就迅速释放漏磁场，还有螺纹在上紧过程中，螺纹面之间的相互挤压和摩擦更是促进了螺纹根部漏磁场的释放。而母螺纹表面的信号变化主要集中在靠近端面的螺纹根部，该螺纹位置的磁记忆信号随上卸扣次数的增加，变化明显，信号峰峰值的增加程度沿远离螺纹端口的方向逐渐递减[7]。

两种检测方式的结果均能证明磁记忆检测方法可以确定不同扣型的应力集中部位。

2.2 磁记忆信号特征参量提取与分析

为了能够表征不同型号的螺纹在整个试验过程中的应力变化情况，对磁记忆信号进行了特征量的提取，本文选择了对信号的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max进行提取。

对不同钻具接头信号特征参量进行对比，结果如图7所示。每个类型的钻具在整个试验过程中，其特征参量都存在一个显著变化的位置，已经由红色线进行标注，4REG、NC31、NC38、NC40的显著变化位置分别为90次、50次、30次、60次。结合试验过程的观察，磁记忆信号的特征参量发生显著变化时对应的位置(加载次数)在一定程度上反映了不同扣型接头的抗疲劳破坏能力，由图7可知，其中4REG的抗疲劳能力最好，NC38的抗疲劳能力最差。

图7 不同钻具接头信号特征参量对比图

3 结 论

1)磁记忆检测技术能够有效地检测出上卸扣后钻具接头的应力集中情况。

2)不同型号的钻具接头的抗疲劳性可以通过磁记忆信号的最大峰峰值|VPP|max和最大梯度值|K|max进行表征。

3)通过磁记忆检测出的四种试样的抗疲劳性能的强弱依次为：4REG、NC40、NC31、NC38。

[1] 李 明,严仁田.钻具接头螺纹应力分析和结构优化[J].重庆科技学院学报,2012,14(5)：118-121.

[2] 陈 锋. 复杂载荷条件下钻具接头三维应力特征分析[D]. 上海大学, 2014.

[3] 张仁庆，樊建春.弯曲载荷下钻具接头试样的磁记忆信号特征[J].石油机械，2013,41(2)：24-27.

[4] 吴凤明，樊建春.钻具接头应力磁记忆检测试验研究[J].石油矿场机械，2012，41(9)：54- 56.

[5] 张卫民, 刘红光, 孙海涛. 中低碳钢静拉伸时磁记忆效应的实验研究[J]. 北京理工大学学报, 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] 张卫民,袁俊杰,王朝霞，等.螺纹连接承载过程的力-磁关系研究[J].中国机械工程,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，中国石油大学(北京)安全科学与工程专业在读研究生，研究方向安全检测与智能诊断。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)