海洋鉆井設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷的方法分析

王立新

摘 要：鉆井設(shè)備的技術(shù)比較先進(jìn)，功能強(qiáng)大，相應(yīng)的造價(jià)也很高。因此，設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)成為鉆井設(shè)備的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為了減少鉆井設(shè)備故障的發(fā)生率，需要技術(shù)人員采取必要的措施對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并采用合適的故障診斷方法，詳細(xì)分析其故障產(chǎn)生的原因，從而采取有效維護(hù)維修措施。文章就此對(duì)海洋鉆井設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷的方法進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容供大家參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋鉆井設(shè)備；實(shí)時(shí)監(jiān)測；故障診斷；方法

前言

當(dāng)前，在我國對(duì)海洋石油開采的高度重視之下，鉆井工藝和設(shè)備已經(jīng)得到了飛快的發(fā)展和創(chuàng)新，尤其是鉆井設(shè)備的更新速度十分快，其功能越來越強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。在此背景之下，如何有效監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)，減少設(shè)備故障的發(fā)生，成為當(dāng)代石油科技人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1頂驅(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障診斷的方法

1.1頂驅(qū)設(shè)備概述

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)TDS，是取代轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)的新型石油鉆井系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代初期開始研制，到目前已經(jīng)發(fā)展到最先進(jìn)的一體化頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IDS。頂驅(qū)系統(tǒng)與常規(guī)轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)相比，節(jié)約了輔助時(shí)間，提高了鉆井效率，降低了鉆井成本，確保了設(shè)備和人身的安全，因此，其已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

1.2故障樹分析方法

1.2.1故障樹方法概述

故障樹分析法，簡稱FAT法，它是1961年由貝爾電話試驗(yàn)室的H.A.Watson提出的一種用于可靠性、安全性分析的相對(duì)簡單、有效的演繹方法。它以一套取自概率論與布爾代數(shù)的簡單規(guī)則，以一些邏輯符號(hào)為基礎(chǔ)，使用一種從上至下的方法，生成一個(gè)能夠進(jìn)行系統(tǒng)可靠性定性與定量評(píng)估的邏輯模型。

1.2.2故障樹的建立

故障樹在建立的過程中有人工建立和計(jì)算機(jī)輔助建立兩種方法，這兩種方法的思路大體一致，都是首先確定頂事件，建立邊界條件，然后通過逐級(jí)分解得到原始的故障樹，之后對(duì)其進(jìn)行簡化，得到最終故障樹，供后續(xù)的分析與計(jì)算。

1.2.3故障樹的定性分析

對(duì)故障樹做定性分析是為了分析有哪些因素會(huì)引發(fā)系統(tǒng)的某種故障。定性分析首先必須確定系統(tǒng)的最小割集。

割集是引起系統(tǒng)故障發(fā)生的幾個(gè)故障的底事件的集合，即一個(gè)割集代表了系統(tǒng)發(fā)生故障的一種可能性或一種故障模式。

1.2.4故障樹定量分析

故障樹定量分析是在求得最小割集后，給每個(gè)底事件賦予一概率值來表示其發(fā)生故障的頻繁程度，在概率論的基礎(chǔ)上，求解頂事件發(fā)生概率以及各底事件的重要度，為有效地控制故障和降低故障率提供重要依據(jù)。常用的重要度有概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度、關(guān)鍵重要度、相關(guān)割集重要度等。

1.3頂驅(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立

一般情況下，頂驅(qū)故障大部分為磨損、腐蝕、強(qiáng)度不夠或者過載等原因，而這些故障的發(fā)生在頂驅(qū)上表現(xiàn)的形式多為頂驅(qū)的不規(guī)則振動(dòng)。因此本文對(duì)頂驅(qū)的監(jiān)測主要是針對(duì)頂驅(qū)的振動(dòng)監(jiān)測為主，油液監(jiān)測為輔；在振動(dòng)監(jiān)測中，以軸振動(dòng)監(jiān)測為主，齒輪箱監(jiān)測為輔。頂驅(qū)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，主軸是主要的承載和傳遞荷載的部件。另外，由于其他部件損壞可以及時(shí)更換和配置，主軸一旦損壞頂驅(qū)會(huì)完全癱瘓。所以以主軸為主要的監(jiān)測對(duì)象，確保頂驅(qū)的可靠性運(yùn)行。頂驅(qū)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如下圖2所示。

圖2頂驅(qū)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從上圖可以看出，該系統(tǒng)一方面將測得的振動(dòng)和位移參數(shù)，結(jié)合扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)，傳遞給司鉆臺(tái)中心計(jì)算機(jī)；一方面是結(jié)合工作由監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測的油液參數(shù)傳送給司鉆臺(tái)中心計(jì)算機(jī)，從而完成對(duì)信號(hào)的采集與識(shí)別。

2鉆井泵的故障診斷方法研究

2.1鉆井泵故障樹的建立

建立鉆井泵故障樹首先要確定頂事件，本文選鉆井泵運(yùn)行不正常為頂事件。分析鉆井泵運(yùn)行不正常的情況有以下幾種：排出壓力不正常、泥漿滲漏、異常噪音、支撐軸承溫度過高。由于這些次頂事件中的任何一個(gè)發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，因而用邏輯“或門”符號(hào)將它們連接起來。再分別以這4個(gè)故障事件為次頂事件，對(duì)相應(yīng)的原因進(jìn)行分析，并循此格式逐級(jí)向下演繹，直到找出各個(gè)基本事件為止，并用一定的邏輯符號(hào)連接起來。

2.2鉆井泵故障樹的定性分析

定性分析的目的是為了找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并采取措施加以改進(jìn)，而其任務(wù)就是找出最小割集。以支撐軸承溫度過高為例，用下行法求解最小割集，如表1。

通過分析可得，故障樹中的大多數(shù)基本事件都是最小割集，給分析帶來不便，因此，結(jié)合鉆井泵現(xiàn)場常見故障對(duì)這些最小割集進(jìn)行分類討論。

通過分析，可以將鉆井泵故障原因分為以下幾個(gè)方面：首先，制造、設(shè)計(jì)原因：材質(zhì)不良、強(qiáng)度不夠或制造缺陷；其次，安裝、維護(hù)操作運(yùn)行原因：機(jī)械安裝不當(dāng)，維護(hù)或操作不當(dāng)，過載、負(fù)荷大或其他原因?qū)е逻\(yùn)行不正常；最后，機(jī)器自身劣化：零部件磨損、腐蝕，機(jī)件壽命老化損壞。

因此，鉆井泵故障原因主要來源于過載、負(fù)荷大和機(jī)件的腐蝕磨損。在鉆井泵運(yùn)行過程中，需要對(duì)這些受載大、容易腐蝕磨損的部件進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，保證鉆井泵安全可靠的運(yùn)行。

結(jié)束語

綜上所述，隨著鉆井設(shè)備的不斷發(fā)展，人們對(duì)于可靠性、安全性要求越來越高，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷方法能夠有效減少鉆井設(shè)備故障發(fā)生率，從而促進(jìn)石油開采順利進(jìn)行。

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