钻铤螺纹小角度探头检测方法研究与应用

刘洪涛

(西部钻探准东钻井工程技术服务公司，阜康 831511)

钻铤是钻柱的主要组成部分，其作用是钻探时给钻头提供钻压，同时使下部钻具组合具有较大的刚度，从而保证钻头工作稳定，并有利于克服井斜问题。钻探过程中钻铤螺纹部位承受着拉力、压力和扭力等应力作用。由于钻铤本体管的壁厚和刚性大，所以其螺纹部位最为薄弱。在钻探过程中，若遇到井下情况复杂，地层变化剧烈，发生严重的跳钻和卡钻等，螺纹部分受力更加剧烈，其根部易产生横向裂纹。由于断裂一般发生在井下，所以危害性大，会造成严重的经济损失。

笔者提出采用小角度探头检测钻铤螺纹，通过计算小角度探头的入射角和对比试块的设计制作等，实现了钻铤螺纹牙底缺陷的有效检测。

1 螺纹检测方法

目前，主要采用超声纵波直探头检测钻铤螺纹，该方法可以发现大部分螺纹上存在的缺陷，当缺陷的深度大于3 mm时，很容易被检出，而小于3 mm时容易漏检。

图1 螺纹部位裂纹位置示意

在实际检测中发现，螺纹部位上的裂纹多数是从牙底萌生的，外螺纹接头断裂面在大端的第12牙处。内螺纹接头断裂面在小端的23牙处，即内外螺纹最后啮合处。螺纹部位裂纹位置示意如图1所示。

要很好地检测出钻铤螺纹根部的横向裂纹，需使超声波检测仪探头的主声束轴线方向与被检测的螺纹锥面相平行，而钻铤螺纹是有锥度的，纵波直探头进行检测时，探头的主声速与螺纹上的缺陷不垂直，存在一定的夹角，直探头发射的声波主声束不能到达螺纹根部，纵波直探头检测螺纹方法示意如图2(a)所示，当螺纹深度小于3 mm时就容易漏检。为了防止缺陷漏检，选择使用小角度纵波直探头可以使主声束与螺纹锥面相平行，小角度探头检测螺纹方法示意如图2(b)所示。

图2 纵波直探头与小角度探头检测螺纹方法示意

2 小角度纵波直探头超声检测

常用钻铤的锥度分别为1…6和1…4两种，要保证能准确地检测出钻铤螺纹存在的缺陷，需要选择合适的探头入射角、探头晶片尺寸和探头频率。

探头入射角的选择：1…4锥度螺纹入射角为3°16′，1…6锥度螺纹入射角为2°11′。探头晶片尺寸的选择：探头的晶片直径选择812 mm较合适。探头频率的选择：探头频率选择5 MHz较为合适。

根据上述条件，采用5P(1…6)φ10 mm和5P(1…4)φ10 mm的探头检测钻铤螺纹。5P(1…6)φ10 mm与5P(1…4)φ10 mm探头实物如图3所示。

图3 5P(1…6)φ10 mm和5P(1…4)φ10 mm探头实物

3 对比试块的制作

3.1 扫查速度调节对比试块

扫查速度对比试块用于调整超声波的扫查速度，以便对缺陷进行定位。首先在报废钻铤上加工一个带锥度的光螺纹，锯下一段高度为80 mm，宽度为外圆周长的1/4，锥度与被检测螺纹的锥度一致的材料。

3.2 灵敏度调节对比试块

灵敏度调节对比试块用于灵敏度的调节与校准。首先在报废钻铤上截取一段长140 mm的材料，加工成同规格、同锥度且不含缺陷的螺纹，在螺纹尾部第2牙根部位置加工一个1 mm×1 mm×20 mm(长×宽×高)的人工缺陷。

4 使用范围

小角度纵波直探头超声波检测方法不仅适用于对钻铤螺纹的检测，同样也适用于扶正器、接头、提升短节等的螺纹检测。由于受到钻铤端面尺寸的影响，外径小于121 mm的钻铤不适用于该方法，而可以检测4″以上钻铤螺纹根部存在的缺陷。

5 现场使用

2018年1月2019年1月，采用小角度纵波直探头检测钻铤螺纹4 651根，其中发现缺陷(裂纹)46根，避免了钻铤螺纹带缺陷送井、入井，保证了送井钻铤的质量，未发生一起钻具事故。现场检测数据如表1所示。

6 结语

只要选择适合的探头、频率、对比试块和超声波检测仪，就可采用小角度纵波直探头检测方法有效地检测出钻铤螺纹根部存在的缺陷；为了预防井下钻具失联失效，保证钻井的顺利进行，应采用小角度纵波直探头检测方法对钻铤、接头、扶正器、提升短节、方钻杆、加重钻杆螺纹进行检测。

表1 现场检测数据 mm