CN104049030B - 一种钻具螺纹应力状况井口检测装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于钻具接头螺纹应力状况的井口检测装置，属于钻具无损检测领域。包括钻具接头螺纹检测装置、直线导轨、钻具接头外径定心机构、承载小车、电源、仪器控制箱，钻具接头外径定心机构包括定位杆法兰底座、定心轴、定心夹，定位杆法兰底座固定支撑板上，定心夹通过螺钉固定于定心轴上，定心轴插入到定位法兰底座的行程孔中；钻具接头螺纹井口检测装置包括筋板、转换块、主轴、铜套、定位销轴、旋转环、承载钉、法兰直线轴承、穿墙密封接头、钢圈盖片、伞杆盘、伞杆、钢圈、摇摆杆、传感器密封盒、密封接头，本发明结构稳定、结构强度高、耐磨损、检测速度快能、检测精度高能够实现快速准确的大批量钻具接头螺纹检测。

Description

一种钻具螺纹应力状况井口检测装置

技术领域

本发明涉及一种应用于钻具接头螺纹应力状况的井口检测装置，从钻具接头外壁对内螺纹进行检测同时满足从钻具接头外径对外螺纹进行检测具有很强的适用性，满足井口起钻使用需要的高效螺纹应力状况检测工具，实现对井口钻具接头螺纹应力状况准确检测与评价，属于钻具无损检测领域。

背景技术

目前，钻具失效的一种主要表现形式为连接螺纹部位断裂破坏，外螺纹接头的断裂裂纹常发生在台阶算起第2个或第3个螺纹的根部，内螺纹接头的断裂裂纹常发生在最后啮合部位的螺扣处。接头螺纹部位成为钻具最容易发生破坏的薄弱环节缘于其几何结构及螺纹根部的应力集中效应,使之在复合交变应力作用下容易萌生疲劳裂纹，并在循环应力和腐蚀介质作用下扩展，直至断裂。近年来，油田钻具接头螺纹部位的疲劳断裂问题非常突出，钻具接头螺纹断裂失效对钻井生产造成非常恶劣的影响，并带来巨大的经济损失。钻具接头螺纹的疲劳断裂是该部位循环应力反复累积作用的结果。在复合交变应力循环作用下，首先在应力集中非常突出的螺纹根部萌生的裂纹，并在进一步的应力循环作用下扩展，当裂纹扩展到一定程度便会引发钻具突然断裂。因此，在钻具的使用过程中能够早期发现螺纹部位的应力集中异常或出现的微裂纹，在裂纹显著扩展之前及时采取措施，对于有效预防钻具螺纹部位的疲劳断裂事故具有特别重要的意义。由于螺纹部位几何结构相对复杂，壁厚较大，现有的常规无损检测技术手段在早期诊断钻具内螺纹部位应力集中异常和微裂纹方面存在明显不足。

如：（1）超声波检测所需的良好被测表面接触条件与耦合介质条件在螺纹部位很难实现，导致检测效果非常不理想；

（2）漏磁探伤技术需要检测探头与被测表面密切接触，其检测效果在几何结构相对复杂的螺纹部位受到极大的限制；

（3）在现有的无损应力检测方法中，x射线衍射技术的穿透深度仅有几十微米，难以触及内螺纹根部，磁声发射、巴克豪森噪声和磁测应力检测法均需电磁激励条件（线圈），激励线圈和检测探头组合结构偏大，无法分辨变径点和内螺纹根部的应力状态，难以在螺纹检测中取得应用。

已有的实践证明，现有的无损探伤技术（如涡流、超声、X射线等），对于检测已出现的宏观缺陷较为有效,但无法从疲劳损伤的根源（微观缺陷和应力集中区）上对钻具技术状态做出早期评定，预防钻具的意外损伤。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种钻具螺纹应力状况井口检测装置。针对现有的无损检测装置对井口钻具接头螺纹微观缺陷和应力集中区检测上的不足，本发明的目的在于通过钻具螺纹应力状况井口检测装置实现对井口钻具接头螺纹微观缺陷和应力集中区的检测，实现对井口钻具接头螺纹应力状况的准确检测与评价。

一种钻具螺纹应力状况井口检测装置，包括钻具接头螺纹检测装置、直线导轨、钻具接头外径定心机构、承载小车、电源、仪器控制箱，

钻具接头外径定心机构包括定位杆法兰底座、定心轴、定心夹，定位杆法兰底座固定支撑板上，定心夹通过螺钉固定于定心轴上，定心轴插入到定位法兰底座的行程孔中；

钻具接头螺纹井口检测装置包括筋板、转换块、主轴、铜套、定位销轴、旋转环、承载钉、法兰直线轴承、穿墙密封接头、钢圈盖片、伞杆盘、伞杆、钢圈、摇摆杆、传感器密封盒、密封接头、摇摆杆盘、密封圈、密封盖、摇摆杆法兰、法兰铜套、导轨固定盘和钮簧，传感器放置于传感器密封盒中，传感器密封盒通过传感器螺钉M4实现与摇摆杆铰接，法兰铜套套于摇摆杆的上部内孔中并穿插法兰销钉，法兰销钉装配与摇摆杆法兰上并装配钮簧，摇摆杆法兰通过螺钉固定于摇摆杆盘上，摇摆杆上部与伞杆通过伞杆螺钉M3实现铰接，伞杆与钢圈连接，钢圈凹陷于伞杆盘的凹槽中，钢圈盖片通过螺钉固定于伞杆盘紧压钢圈防止其跳出，承载钉通过螺钉固定于伞杆盘上，法兰直线轴承与主轴为间隙配合实现轴向滑动，摇摆杆盘通过主轴下部台肩与螺母实现轴向固定，法兰直线轴承与伞杆盘通过螺钉连接，旋转环下端面抵着主轴台肩上端面与铜套接触沿主轴轴向固定，主轴与转换块通过定位销轴连接，筋板与转换块为螺纹连接；

承载小车包括把手、顶部横杆、手推侧板、侧板固定杆、底板固定板、后轮、电池底板、后轮轴、万向轮、底板横杆、底板前横杆和支撑板组成，把手拧在顶部横杆两端，手推侧板间通过螺钉固定侧板固定杆，底板固定板安装后轮与万向轮，底板固定板与底板横杆与底板前横杆螺钉连接形成四边体框架，电池底板通过螺钉固定于四边体框架下端面，支撑板通过螺钉固定于底板前横杆。

本发明装置提供一种井口使用的钻具内外螺纹应力状况井口外检测装置，由钻具接头螺纹检测装置、直线导轨、钻具接头外径定心机构、承载小车、电源、仪器控制箱等构件组成。

承载小车为整个装置的载体，承载小车底盘承载锂电池是整个装置的动力源，承载小车手持推杆上固定仪器控制箱能控制电机的正反转及显示采集卡采集到信号波形显示，承载小车前端支撑板中部固定钻具接头外径定心机构，钻具接头外径定心机构所卡钻具管体圆心与钻具接头螺纹检测装置圆心在一条竖直线上，承载小车前端支撑板上端固定直线导轨，直线导轨竖直放置，电机转动其丝杠螺母带动直线导轨滑块沿竖直方向上下运动，直线导轨滑块固定钻具接头螺纹检测装置，启动直线导轨电机使钻具接头螺纹检测装置沿钻具接头外壁轴向运动从而实现对钻具接头螺纹检测，通过对传感器采集得到数据进行分析和处理来实现对井口钻具接头螺纹的应力状况的检测与评价。

本发明的效果是：采用金属磁记忆传感器可检测出钻具接头螺纹微观缺陷和应力状况，为钻具螺纹的应力状况的检测与评价提供依据。其主要特点是：

（1）对不同的钻具管体尺寸及接头尺寸，本发明采用钻具接头外径定心机构和传感装置变径检测机构实现对不同钻具螺纹应力状况及微观缺陷的检测，实现一套装置检测多种规格型号钻杆；

（2）可得到钻具螺纹残余应力和应力集中的状况及疲劳损伤程度；

（3）传感检测装置针对钻具接头螺纹特点，可以实现探头与螺纹的良好接触，实现多通道同时检测，减少因接触不良造成的检测误差。

本发明结构稳定、结构强度高、耐磨损、检测速度快能、检测精度高能够实现快速准确的大批量钻具接头螺纹检测。装置便于携带，操作简单，强度高，准确度好，适合现场应用。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1本发明的钻具接头螺纹检测装置侧面图；

图2本发明的钻具接头螺纹检测装置主视图；

图3本发明的承载小车主视图；

图4本发明的承载小车侧面图；

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2、图3、图4所示，

一种钻具螺纹应力状况井口检测装置，筋板1通过螺钉与转换块2固定，转换块2与主轴4之间通过M8螺栓3固定，主轴4左侧台肩加工光孔将定位销轴6插入主轴4的光孔中，旋转环7右侧和主轴4台肩固定左侧与铜套5固定，旋转环7只能沿切向转动沿轴向固定不动，同时定位销轴6限位旋转环7转动角度45°,承载钉8下端加工螺纹与伞杆盘12之间为螺纹连接，法兰直线轴承9与伞杆盘12间为螺栓连接，承载钉8沿主轴4轴向向左移动带动伞杆盘12沿轴向左侧移动，伞杆13沿圆周方向均布16个并穿过钢圈15，钢圈15卧于伞杆盘12的凹槽中，钢圈盖片11通过螺钉固定于伞杆盘12上将钢圈15压紧防止其跳出。摇摆杆盘22左侧与主轴4台肩固定右侧通过螺母固定于主轴使其沿主轴轴向固定，摇摆杆法兰25沿摇摆杆盘22圆周方向均布16个，摇摆杆18通过法兰销钉27与摇摆杆法兰25连接，法兰销钉27外圈装配法兰铜套26同时装配扭簧，在扭簧的作用下摇摆杆18径向收缩，摇摆杆18顶部与伞杆13的底部通过伞杆螺钉16连接且伞杆13加工行程槽，摇摆杆盘22内部腔体为传感器的线路连接部分需要在密封环境下进行信号传输，密封盖24紧压密封圈23使摇摆杆盘22的腔体与外界隔离开来，摇摆杆18与传感器密封盒19为铰接，摇摆杆盘22圆周方向加工螺纹用于固定密封接头21，穿墙密封接头10与密封盖24之间为螺纹连接。

参照附图3与附图4为承载小车，手推侧板31间安装顶部横杆30与侧板固定杆32，顶部横杆30上开有凹槽用于搁置仪器控制箱开关，侧板固定杆32起固定支撑作用，把手29与顶部横杆30之间为螺纹连接，两端用于人手把持实现对小车的推动行走，手推侧板31凹陷固定于底板固定板33内侧，底板固定板33之间固定底板横杆38和底部前横杆39形成固定四边体底架，电池底板35固定于四边体底架下部，电池放置于四边体底架内部空间中为整个装置的电源动力部分，支撑板40固定于底部前横杆39上，支撑板40顶部固定直线导轨中部固定钻具接头外径定心机构。钻具接头外径定心机构由定位杆法兰底座41、定心轴42和定心夹43构成，定位杆法兰底座41固定于支撑板40上，定心夹43通过螺钉固定于定心轴42上，定心轴42插入到定位法兰底座41的行程孔中实现前后滑移实现对不同尺寸钻具管体外径的定心。底板固定板33前端安装万向轮33后端安装后轮轴36，后轮轴36两端安装后轮34。

现场检测，钻具接头螺纹井口检测装置为竖直放置，钻具接头螺纹井口检测装置的导轨固定盘28固定于直线导轨的滑块上，直线导轨电机正反转带动钻具接头螺纹检测装置沿轴向上下移动，直线导轨固定于支撑板40顶部。检测时，手推小车至井口将钻具接头外径定心机构卡在钻具管体外径，调节钻具接头外径定心机构定心轴42伸出长度保证钻具管体圆心与钻具接头螺纹井口检测装置圆心在一条竖直直线上，将伞杆盘12向上移动直到承载钉8大端底面穿过旋转环7大孔。伞杆盘12上移带动伞杆13移动，伞杆13与摇摆杆18为铰接在伞杆13的拉力作用下摇摆杆18径向张开，此时传感器密封盒19所包围的内接圆直径大于钻具管体接头外径，旋转环7的转动使其上端面与承载钉8下端面配合实现摇摆杆的固定张开。启动直线导轨步进电机使其滑块由顶端向下移动，当钻具接头螺纹井口检测装置的传感器移动到固定位置，旋转环7转动使其与承载钉8分离开，此时摇摆杆18在扭簧的作用下径向收缩抱紧在钻具接头外壁，启动直线导轨电机使其由下向上运动实现对钻具接头螺纹的检测及数据采集，采集得到的数据在控制箱上的平板电脑上进行数据处理和分析得到钻具接头螺纹的应力状况及微观缺陷的分析。

实施例2：如图1、图2、图3、图4所示，

一种钻具螺纹应力状况井口检测装置，包括钻具接头螺纹检测装置、直线导轨、钻具接头外径定心机构、承载小车、电源、仪器控制箱，包括定位杆法兰底座41、定心轴42、定心夹43，定位杆法兰底座41固定支撑板40上，定心夹43通过螺钉固定于定心轴42上，定心轴42插入到定位法兰底座41的行程孔中；

钻具接头螺纹井口检测装置包括筋板1、转换块2、主轴4、铜套5、定位销轴6、旋转环7、承载钉8、法兰直线轴承9、穿墙密封接头10、钢圈盖片11、伞杆盘12、伞杆13、钢圈15、摇摆杆18、传感器密封盒19、密封接头21、摇摆杆盘22、密封圈23、密封盖24、摇摆杆法兰25、法兰铜套26、导轨固定盘28和钮簧，传感器放置于传感器密封盒19中，传感器密封盒19通过传感器螺钉M420实现与摇摆杆18铰接，法兰铜套26套于摇摆杆18的上部内孔中并穿插法兰销钉27，法兰销钉装配与摇摆杆法兰25上并装配钮簧，摇摆杆法兰25通过螺钉固定于摇摆杆盘22上，摇摆杆18上部与伞杆13通过伞杆螺钉M316实现铰接，伞杆13与钢圈15连接，钢圈15凹陷于伞杆盘12的凹槽中，钢圈盖片11通过螺钉固定于伞杆盘12紧压钢圈15防止其跳出，承载钉8通过螺钉固定于伞杆盘12上，法兰直线轴承9与主轴4为间隙配合实现轴向滑动，摇摆杆盘22通过主轴4下部台肩与螺母实现轴向固定，法兰直线轴承9与伞杆盘12通过螺钉连接，旋转环7下端面抵着主轴4台肩上端面与铜套5接触实现沿主轴4轴向固定，主轴4与转换块2通过定位销轴6连接，筋板1与转换块2为螺纹连接；

承载小车包括把手29、顶部横杆30、手推侧板31、侧板固定杆32、底板固定板33、后轮34、电池底板35、后轮轴36、万向轮37、底板横杆38、底板前横杆39和支撑板40组成，把手29拧在顶部横杆30两端，手推侧板31间通过螺钉固定侧板固定杆32，底板固定板33安装后轮34与万向轮37，底板固定板33与底板横杆38与底板前横杆39螺钉连接形成四边体框架，电池底板35通过螺钉固定于四边体框架下端面，支撑板40通过螺钉固定于底板前横杆39。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.钻具螺纹应力状况井口检测装置，包括钻具接头螺纹检测装置、直线导轨、钻具接头外径定心机构、承载小车、电源、仪器控制箱，其特征是：

钻具接头外径定心机构包括定位杆法兰底座(41)、定心轴(42)、定心夹(43)，定位杆法兰底座(41)固定支撑板(40)上，定心夹(43)通过螺钉固定于定心轴(42)上，定心轴(42)插入到定位法兰底座(41)的行程孔中；

钻具接头螺纹井口检测装置包括筋板(1)、转换块(2)、主轴(4)、铜套(5)、定位销轴(6)、旋转环(7)、承载钉(8)、法兰直线轴承(9)、穿墙密封接头(10)、钢圈盖片(11)、伞杆盘(12)、伞杆(13)、钢圈(15)、摇摆杆(18)、传感器密封盒(19)、密封接头(21)、摇摆杆盘(22)、密封圈(23)、密封盖(24)、摇摆杆法兰(25)、法兰铜套(26)、导轨固定盘(28)和钮簧，传感器放置于传感器密封盒(19)中，传感器密封盒(19)通过传感器螺钉M4(20)实现与摇摆杆(18)铰接，法兰铜套(26)套于摇摆杆(18)的上部内孔中并穿插法兰销钉(27)，法兰销钉装配于摇摆杆法兰(25)上并装配钮簧，摇摆杆法兰(25)通过螺钉固定于摇摆杆盘(22)上，摇摆杆(18)上部与伞杆(13)通过伞杆螺钉M3(16)实现铰接，伞杆(13)与钢圈(15)连接，钢圈(15)凹陷于伞杆盘(12)的凹槽中，钢圈盖片(11)通过螺钉固定于伞杆盘(12)紧压钢圈(15)防止其跳出，承载钉(8)通过螺钉固定于伞杆盘(12)上，法兰直线轴承(9)与主轴(4)为间隙配合实现轴向滑动，摇摆杆盘(22)通过主轴(4)下部台肩与螺母实现轴向固定，法兰直线轴承(9)与伞杆盘(12)通过螺钉连接，旋转环(7)下端面抵着主轴(4)台肩上端面与铜套(5)接触实现沿主轴(4)轴向固定，主轴(4)与转换块(2)通过定位销轴(6)连接，筋板(1)与转换块(2)为螺纹连接；

承载小车包括把手(29)、顶部横杆(30)、手推侧板(31)、侧板固定杆(32)、底板固定板(33)、后轮(34)、电池底板(35)、后轮轴(36)、万向轮(37)、底板横杆(38)、底板前横杆(39)和支撑板(40)组成，把手(29)拧在顶部横杆(30)两端，手推侧板(31)间通过螺钉固定侧板固定杆(32)，底板固定板(33)安装后轮(34)与万向轮(37)，底板固定板(33)与底板横杆(38)与底板前横杆(39)螺钉连接形成四边体框架，电池底板(35)通过螺钉固定于四边体框架下端面，支撑板(40)通过螺钉固定于底板前横杆(39)。

2.根据权利要求1所述的钻具螺纹应力状况井口检测装置，其特征是：导轨固定盘(28)通过螺钉连接于直线导轨滑块，直线导轨固定块与支撑板(40)上端通过螺钉连接，定位法兰底座(41)通过螺钉连接在支撑板(40)中部。

3.根据权利要求1所述的钻具螺纹应力状况井口检测装置，其特征是：法兰直线轴承(9)受主轴(4)长度限制，其行程有限，即摇摆杆张开范围受控制。

4.根据权利要求1所述的钻具螺纹应力状况井口检测装置，其特征是：摇摆杆(18)、伞杆(13)、摇摆杆法兰(25)、传感器密封盒(19)沿圆周方向均布16个。

5.根据权利要求1所述的钻具螺纹应力状况井口检测装置，其特征是：穿墙密封接头(10)与密封接头(21)通过螺纹连接摇摆杆盘(22)和密封盖(24)。

6.根据权利要求1所述的钻具螺纹应力状况井口检测装置，其特征是：密封圈(23)位于摇摆杆盘(22)凹槽内，并由密封盖(22)提供密封压力达到密封作用。