基于石油钻具缺陷的磁记忆检测试验研究

2023-08-20魏刚王昌仑王青

中国设备工程 2023年14期

魏刚，王昌仑，王青

（中国石油集团渤海钻探工程有限公司管具与井控技术服务分公司，天津 300280）

石油钻具是石化企业运行过程中最常见的一种工具，其能够帮助石化企业开展相应的生产工作。但是由于石油钻具工作处于高压、高温且具备一定腐蚀性的环境中，导致其很容易出现损坏以及安全隐患。因此，在石油钻具的实际应用中，需要对其缺陷进行检测，磁记忆检测技术就是常见的一种检测技术，需要针对其应用情况进行改进。

1 磁记忆检测技术的原理

磁记忆是指工具自身具备金属构件，并且在实际的应用过程中会因为工作环境的影响以及自然环境中磁场的变动而产生一定的变化。在该过程中，相应金属构件自身的磁力以及磁场情况会被保留，形成金属的磁性状态，这就是磁记忆。这种状态在金属工具中并不会消失，其只会出现消退的现象。金属构件再次加入工作状态中时，其自身会因为压力荷载出现磁力变动，不同部位的磁力变动以及变动的实际情况都能够代表着金属构件自身缺陷所在的位置，可以帮助相关人员快速地定位缺陷位置，对钻具自身进行全面精准地检测，保证钻具的使用安全与效率。

2 石油钻具缺陷类型及检测方式

2.1 石油钻具缺陷

石油钻具的工作环境比较恶劣，因此钻具的隐患以及故障概率较高。在石油钻具的缺陷方面，其最常见的就是钻具转换接头以及钻铤的缺陷。在工作中，如果因为压力过大或者连续工作过程中的操作不当，就会导致石油钻具自身的转换器受到较大的应力而产生裂缝，这会对石油钻具自身的质量造成严重的影响。而且钻具工作的深度较大，其内部的温度与石油的腐蚀性也较强，部分钻具在使用过后可能会出现外表腐蚀的情况，影响其钻孔的力度与效率。

2.2 检测方式

石油钻具缺陷检测技术也有很多。

第一种是超声波检测技术，相关人员可以通过使用超声波来对钻具内部进行检测。工作人员可以将发射与接收的声信号通过信号转换器转变为电信号，就可以根据信号脉冲的情况来对石油钻具自身的情况进行判定。不过，由于超声波的发射角度以及发射路径不能改变，因此对于钻具纵向上的隐患缺陷起不到较好的检测作用。

第二种是螺纹磁粉检测，该种检测技术对于磁场有着一定的依赖，其主要根据磁粉在不同部位形成的痕迹来判断缺陷情况，磁粉在缺陷部位会因为磁场外漏而导致磁粉分散出现痕迹。但是其并不能针对钻具的内部进行缺陷检测。

第三种检测技术是射线检测技术，射线检测技术与超声波检测技术原理相似，都是通过发射与接收的方式来对石油钻具内部的缺陷情况进行了解。在该过程中，其主要是通过光信号进行检测，其可以针对内部的密度以及结构变化来反映出钻具的实际应用情况，其能够在相应设备上形成比较全面的图像，以此来体现出钻具自身的缺陷部位以及缺陷情况。但是，其操作比较复杂，并且精度会受到一定影响，整体的实用性有着一定的不足。

3 基于石油钻具缺陷的磁记忆检测方式试验

3.1 试验准备

根据磁记忆检测技术的特点以及现场情况，需要在试验开始前准备多种仪器。最先需要准备的是磁记忆检测仪，其具备脉冲检测以及测距功能，并且精度与抗干扰性能更好，能够为磁记忆检测技术提供更优越的操作环境。同时，需要准备滤波器、传感器、计算机以及转换器。其中传感器作为主要探头进行参数传输，需要针对压力、温度、阻力、位移几种类型分别准备1～2个传感器探头，以保证数据精准性。其中以石油钻具的钻头转换器以及钻铤作为主要的传感器安装位置。

3.2 试验步骤

3.2.1 裂纹缺陷有限元分析

裂纹缺陷是在高压状态下，工作人员操作不当造成的钻具缺陷。试验中，将工作环境中钻具的荷载设置为5～10MPa，同时，准备的钻具裂纹深度分别为1mm、3mm、5mm，在荷载变化以及裂纹深度变动情况下，针对钻具自身的磁记忆磁场变化进行分析。在试验开始后，最先针对荷载不变动情况下1mm裂纹深度的情况进行分析，其中当钻具经过磁记忆检测时，其计算机图像上显示的相应变化情况是钻具自身的荷载处于较平稳的状态中，其具体数值在5～6.4MPa有着一定的波动。同时检测路径中的磁场也没有明显的变化情况，整体的曲线波动趋于平稳。在裂纹深度达到3mm的时候，其计算机上磁场显示路径中的波动开始变大，但是波动并不明显，随着其整体的裂纹深度达到5mm，整体磁记忆检测的曲线波动幅度逐渐变大。因此可知，石油钻具自身的磁记忆检测过程中，裂纹深度，即缺陷部位的缺陷程度越高，其在磁记忆检测技术的成像中显示的磁曲线的波动幅度就会越大。

之后需要针对5MPa、7MPa、9MPa不同荷载情况下的石油钻具的磁记忆检测技术情况进行分析，其中将裂纹深度设置为2mm以及3mm。在试验过程中，最先针对荷载在5MPa情况下的石油钻具实际情况进行分析，在该种情况下，石油钻具的裂纹深度达到1mm的时候，其磁记忆检测技术应用的实际曲线波动较大，而在裂纹深度达到2mm的时候，其自身的磁场曲线的实际波动情况进一步扩大。之后将荷载提升到7MPa以及9MPa的时候，大致磁记忆检测曲线变化情况与第一种情况相同，但具体波动数值逐渐提升。

3.2.2 气孔有限元分析

内部气孔是钻具缺陷磁记忆检测技术中的一种影响因素。将气孔深度的数值控制在1mm、2mm、3mm。之后针对石油钻具与不同气孔深度情况下磁记忆检测技术的曲线变化情况进行分析，当石油钻具气孔深度在1mm的时候，其实际的磁记忆检测技术应用中曲线的变化数值开始逐渐提升，当在试验过程中将相应的气孔深度降低的时候，整体的石油钻具的气孔深度从1mm提升到3mm的过程中，磁记忆检测技术在计算机上显示的成像曲线开始发生一定的改变。随着相应气孔深度的提升，石油钻具自身的磁记忆检测技术的曲线变化也开始逐渐加大，其曲线的实际变化幅度逐渐提升。

之后需要针对气孔深度与应力之间的关系进行探究，在相互关系中，需要设置5MPa、7MPa、9MPa几个标准，同时将气孔深度设置为1mm以及2mm。在设置完成后，可以依据相应的数据开展试验。在试验过程中，当应力数值在5MPa时，其石油钻具气孔深度在1mm的时候，其自身磁记忆检测技术中曲线变化的情况会出现波动，但是整体波动较小。而在石油钻具气孔深度为2mm的时候，其自身的曲线波动会出现极大值。随着应力数值的逐渐提升，石油钻具的磁记忆检测效果也在逐渐提升，而在该过程中，其实际的变动情况会随着相应的石油钻具磁记忆检测技术曲线波动出现幅度逐渐提升的变化。

3.2.3 焊缝检测

在钻具焊缝的磁记忆检测技术应用过程中，会使用传感器探头对钻具的各个部位进行全面地检测。在检测过程中，会经过传感器探头对各类参数信息进行获取，进而得出最终的焊缝情况。在过程中，最先需要针对相应的钻具部位进行检测，在检测过程中，从右至左的过程中，其实际的磁记忆检测技术会通过钻具的实际变动出现较大的脉冲变化。在参数变动中，会发现焊缝检测的脉冲数值在法向梯度部位出现波动，其数值从平均150提升到了约230。但是，在该过程的监测过程中，其并未针对石油钻具的实际情况检测出缺陷。在数值变化曲线的变动中，针对参数波动部位从纵向方位再次开展检测。在纵向的检测过程中，其脉冲参数再次出现一个较大的波动数值。在该数值的波动过程中，通过空间坐标系的建立，结合首次焊缝情况试验的实际波动位置，能够得出具体的缺陷部位。经过现场检查，发现在相对应的部位出现了气孔缺陷，并且整体平面上不光滑，其实际的质量不佳。

3.3 试验分析

3.3.1 应力集中

在石油钻具的磁记忆检测过程中，其原理中已经提及，该技术使石油钻具在实际应用中受到应力作用，进而在相关部位产生漏磁现象，出现磁记忆现象，进而能够依据该种特点针对石油钻具进行分析与研究的一种方式。在此过程中，磁场曲线会过零点，并且向法向梯度的磁记忆信号，产生极值。因此，在石油钻具的磁记忆检测技术应用试验过程中，其结合了多种缺陷场景下石油钻具与应力之间产生的相互关系作用变化，对石油钻具磁记忆检测技术中相对应的应力变化规律以及检测结果的变化情况进行分析。在上文中针对相应石油钻具的磁记忆检测技术应用手段进行探测的过程中可以发现，其自身的磁记忆检测技术与应力之间呈现出正相关的关系。在裂纹深度与气孔深度的影响中，磁记忆检测技术在石油钻具中的检测结果是与应力大小有着直接联系的。应力越大，石油钻具在实际检测过程中的变动程度就越大，因此在石油钻具的磁记忆检测技术应用中，其实际的应力变动是最主要的参数之一。在磁记忆检测过程中，会发现应力导致的磁记忆检测技术曲线波动变大时，其通常都是应力的集中位置，能够在磁记忆检测技术应用过程中出现较大的漏磁现象。因此，在磁记忆检测技术中，需要使用磁记忆信号的极值来表示磁记忆检测技术在实际应用中产生的石油钻具应力状态。因此，在石油钻具磁记忆检测技术的试验中，通过其中得出的关系以及磁记忆检测技术自身的特点可以得知，在磁记忆检测技术中，可通过此信号曲线的极值来针对曲线法向梯度分布特征来确定石油钻具的应力集中位置，进而精准地定位到相应的缺陷部位。

3.3.2 应力状态

在石油钻具磁记忆检测技术试验中，应力状态与漏磁点位之间有着紧密联系。针对石油钻具进行拉伸，并且同时观测磁记忆检测曲线的波动情况，由于其两者之间产生相应的联系，因此，其能够通过磁信号曲线来针对相应的石油钻具缺陷情况进行判断。

在磁记忆检测技术中，有一种状态为屈服阶段，该状态下石油钻具自身的磁信号开始向着极值靠近。而且在上文中的试验过程中可以发现，其自身的实际磁信号变化与其自身的相应应力有着紧密联系，因此，石油钻具的磁记忆检测技术与应力数值变动情况之间存在着一定的联系。应力状态与石油钻具的磁记忆检测技术之间呈现一定的相关性，可以在磁记忆检测技术过程中借助该种相关性来针对石油钻具的缺陷部位以及缺陷情况进行全面地了解。

3.3.3 主观影响因素

在试验过程中，石油钻具磁记忆检测技术的最终结果以及变化情况会具有一定的差异性，即便在试验中将各种变量参数控制好也会出现变动。这是因为在石油钻具磁记忆检测技术的应用过程中，其自身会因为部分因素产生数值上的变动与偏离。

在石油钻具磁记忆检测技术的应用过程中，通过试验对磁记忆信号的分析与探测，能够得出测量方式对于磁记忆检测技术的实际影响。在该过程中，离线测量与在线测量之间产生的结果会出现明显变化。

在在线测量过程中，一切数值与条件不变的情况下，整体的测量磁场梯度会有一定的提升，而离线测量过程中，其自身的数值波动情况会相对应降低。这种情况说明在实际的磁记忆检测技术中，需要尽可能采取相应的离线测量方式来进行测量，进而得到较为精准的测量结果。

同时，可控的影响因素中含有试验过程中使用的相应探头的数值，在使用过程中，探头会影响磁记忆信号的实际数值，进而对相应的磁场强度造成影响。在试验过程中，探头自身产生的相应提离值控制需要试验人员将试验过程中的探头参数进行控制，以此来确定探头数值的稳定性。

3.3.4 客观影响因素

石油钻具磁记忆检测技术应用过程中会涉及磁场的变化以及金属磁记忆现象的磁信号波动。但是，在检测过程中，钻具自身的材料会因为工作环境中影响因素的变化出现自身的状态波动。这种波动会导致相应的石油钻具磁记忆检测技术出现一定的问题。在检测过程中，如果出现金属材料性质发生改变的情况，其自身会产生较混乱的初始磁场，这种磁场干扰磁记忆检测技术产生的信号，进而导致最终产生的磁记忆曲线出现混乱。这种情况是由环境磁场引起的，但是这种属于不可控因素，只能在试验过程中尽可能提升磁记忆检测技术的温度与应力控制力度，以此降低磁记忆检测技术中的环境磁场影响程度。