石油钻具失效检验中无损检测的应用研究

摘要：随着油气开采难度的不断增加，石油钻具越来越多地应用于水平井、大位移井、致密气井及页岩气井等复杂环境中。在这些恶劣的工作条件下，钻具长期承受高温、高压、高腐蚀及多种复杂载荷，失效问题时有发生，导致作业时间增加、成本上升，甚至可能引发严重的安全事故。无损检测技术作为一种在不损伤材料或产品的情况下评估其内部及表面缺陷的方法，被广泛应用于石油钻具的失效检验中。基于此，文章重点就石油钻具失效检验中无损检测的应用展开研究。

关键词：石油钻具；失效检验；无损检测

引言

无损检测技术与传统的破坏性检测方法相比，具有检测速度快、检测结果准确、可重复性强等显著优势。通过无损检测，可以及时发现钻具在加工制造过程中可能存在的原材料缺陷、加工工艺缺陷，以及在使用过程中由于疲劳、磨损、腐蚀等原因导致的损伤，为钻具的质量控制、维修决策提供科学依据，降低钻具失效的风险，提高石油开采作业的安全性和经济效益。

1石油钻具失效模式分析

石油钻具在复杂的井下环境中工作，面临着高温、高压、腐蚀、磨损等多种恶劣条件，因此其失效模式较为复杂多样。常见的失效模式包括以下几种：

（1）疲劳失效：这是石油钻具最常见的失效模式之一。钻具在井下反复承受交变应力，如钻杆在旋转钻进过程中，受到周期性的拉伸、压缩和弯曲应力作用。研究表明，钻杆在疲劳载荷下的使用寿命通常仅为设计寿命的30%～50%，且疲劳裂纹多从应力集中部位如螺纹根部、加厚过渡区等处萌生。随着裂纹的扩展，最终导致钻杆断裂。

（2）腐蚀失效：井下环境通常含有大量的腐蚀性介质，如二氧化碳、硫化氢、氯离子等。这些介质会与钻具表面发生化学反应，导致钻具腐蚀。例如，在含硫化氢的油气井中，钻具表面会形成硫化铁等腐蚀产物，这些产物会进一步加剧钻具的腐蚀速率。据统计，腐蚀失效占石油钻具失效总数的20%～30%。

（3）磨损失效：钻具在钻进过程中与井壁、钻头等部件发生摩擦，导致表面磨损。尤其是钻杆接头的螺纹部位，由于频繁的装卸和摩擦，磨损更为严重。当磨损量超过一定限度时，会降低螺纹的承载能力，甚至导致螺纹损坏，影响钻具的密封性和连接强度。

（4）机械损伤失效：在钻井作业中，钻具可能会受到意外的机械冲击，如钻具碰撞、卡钻等事故。这些冲击会导致钻具产生裂纹、变形等损伤，降低其使用性能。例如，在一次卡钻事故中，钻杆可能会受到高达数吨的拉力，导致钻杆发生塑性变形，甚至断裂。

2常用无损检测方法原理

2.1超声波检测

超声波检测是利用超声波在介质中传播时的特性来检测钻具内部缺陷的一种无损检测方法。超声波是一种频率高于20kHz的机械波，具有波长短、能量高、方向性好等特点。当超声波在钻具内部传播时，若遇到缺陷，如裂纹、气孔、夹杂等，由于缺陷与钻具基体材料的声学特性（声阻抗）不同，超声波会在缺陷处发生反射、折射和散射等现象。

2.2漏磁检测

漏磁检测主要针对铁磁性材料的钻具，其原理基于铁磁性材料的高磁导率特性。当铁磁性钻具被外加磁场磁化后，若钻具内部或表面存在缺陷，如裂纹、腐蚀坑等，由于缺陷处的磁导率远低于钻具基体材料，磁力线会在缺陷处发生畸变，部分磁力线会泄漏出钻具表面，形成漏磁场。

2.3磁粉检测

磁粉检测同样基于铁磁性材料的磁性特性，其原理是利用缺陷处漏磁场对磁粉的吸附作用来显示缺陷。当铁磁性钻具被磁化后，若表面或近表面存在缺陷，如裂纹、折叠、气孔等，缺陷处的磁力线会发生畸变，形成漏磁场。在检测过程中，将磁粉或磁悬液施加在被磁化的钻具表面。磁粉会在漏磁场的作用下被吸附在缺陷处，形成与缺陷形状和大小相关的磁痕。通过观察磁痕的形态、位置和分布，可以判断钻具是否存在缺陷以及缺陷的特征。例如，当钻具表面存在一条横向裂纹时，磁粉会在裂纹处聚集形成一条明显的磁痕，磁痕的长度和宽度与裂纹的尺寸相关。

3无损检测在石油钻具失效检验中的应用

3.1超声波检测的应用场景

（1）内部裂纹检测：超声波检测能够检测出钻具内部的裂纹、气孔、夹杂等缺陷。在钻杆内部裂纹的检测中，超声波检测的灵敏度可以达到毫米级，能够准确地发现潜在的裂纹缺陷。例如，在检测钻杆内部裂纹时，超声波检测可以快速定位裂纹的位置，并通过波形图显示裂纹的大小和形状，为后续的修复和处理提供依据。

（2）壁厚测量：超声波检测还可以用于测量钻具的壁厚，确保钻具的壁厚符合设计要求。通过超声波测厚仪，可以快速、准确地测量钻具的壁厚，及时发现壁厚减薄等缺陷，避免因壁厚不足而导致的钻具失效。

（3）焊缝检测：在钻具的焊缝检测中，超声波检测能够检测出焊缝中的裂纹、未熔合、气孔等缺陷。通过超声波检测，可以确保焊缝的质量，提高钻具的连接强度和可靠性。

3.2漏磁检测的应用场景

（1）管道检测：漏磁检测广泛应用于石油管道的检测，能够检测出管道表面和近表面的裂纹、腐蚀等缺陷。通过漏磁检测，可以及时发现管道的潜在缺陷，避免因管道泄漏而导致的事故。例如，在石油管道的检测中，漏磁检测可以检测出管道表面的微小裂纹和腐蚀坑，为管道的维护和修复提供依据。

（2）储罐检测：漏磁检测还可以用于石油储罐的检测，能够检测出储罐壁的腐蚀、裂纹等缺陷。通过漏磁检测，可以确保储罐的安全运行，避免因储罐泄漏而导致的环境污染和经济损失。

（3）钻具管体检测：在石油钻具的检测中，漏磁检测可以用于钻具管体的检测，能够检测出管体表面和近表面的裂纹、磨损等缺陷。通过漏磁检测，可以及时发现钻具管体的潜在缺陷，避免因管体损坏而导致的钻具失效。

3.3磁粉检测的应用场景

（1）螺纹部位检测：石油钻具的螺纹部位是应力集中区域，容易出现裂纹、磨损等缺陷。磁粉检测能够快速、准确地检测出螺纹表面的微小裂纹和磨损情况。例如，在钻杆螺纹的检测中，磁粉检测的灵敏度可以达到微米级，能够发现宽度仅为1μm的缺陷。通过磁粉检测，可以及时发现螺纹部位的潜在缺陷，避免因螺纹损坏而导致的钻具失效。

（2）接头部位检测：钻具的接头部位也是重要的检测部位之一。磁粉检测可以检测出接头部位的裂纹、未熔合等缺陷，确保接头部位的连接强度和密封性。在实际应用中，磁粉检测能够有效检测出接头部位的横向和纵向缺陷，为钻具的安全使用提供保障。

（3）近表面缺陷检测：对于钻具的近表面缺陷，如内部裂纹、气孔等，磁粉检测也具有较高的检测灵敏度。通过适当的磁化方法和检测工艺，磁粉检测可以检测出近表面的微小缺陷，及时发现潜在的安全隐患。

磁粉检测具有操作简便、成本低、检测速度快等优点，适用于石油钻具的大规模检测和现场快速检测。然而，磁粉检测也存在一定的局限性，如只能检测铁磁性材料，且对缺陷的深度检测能力有限。因此，在实际应用中，通常需要结合其他无损检测方法进行综合检测。

结语

综上所述，无损检测技术在石油钻具失效检验中具有显著的优势，这些优势使得无损检测技术成为石油钻具维保领域的核心技术内容之一。通过无损检测技术，可以及时发现钻具中的安全隐患，避免缺陷扩大和钻具事故的发生，从而保障钻井工程的顺利进行和企业的经济效益。

参考文献

[1]田鹏，江川，李云政，等.石油钻具失效检验中无损检测的应用研究[J].中国设备工程，2023，（12）：180-182.

[2]李梅英，吕伟，陈士金，等.无损检测在石油钻具失效检验中的应用[J].石化技术，2022，29（10）：6-8.