檢測技術(shù)在鉆井設(shè)備維修中的應(yīng)用

張顥新

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司，陜西西安 710021）

0 引言

石油天然氣作為重要的能源，對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有推進(jìn)作用，人們對石油天然氣需求也日益增加。受外在環(huán)境、機(jī)械自身因素及時間因素的影響，鉆井設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)、對其進(jìn)行處理，則會對鉆井施工的質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，對我國油氣開發(fā)的水平造成一定阻礙。為保證鉆井施工的效率，確保鉆井的儀器、設(shè)備符合使用需求，必須高度重視對其的檢測技術(shù)，降低設(shè)備的故障率，保證機(jī)械設(shè)備的維修質(zhì)量，提升鉆井施工的安全性與穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營效益。

1 鉆井設(shè)備常用的檢測技術(shù)

1.1 超聲波檢測技術(shù)

超聲波檢測主要用于檢測工件內(nèi)部缺損的問題，具有操作便利、施工流程簡單的特點，主要原理是，借助相應(yīng)器械將超聲波束滲入金屬材料深處，當(dāng)探頭與其金屬內(nèi)部相通時，經(jīng)過發(fā)射、透射、散射過程后，設(shè)備有缺陷位置會發(fā)生反射波并形成相應(yīng)的脈沖波形，以此判斷缺陷的位置和損壞程度。

1.2 磁粉檢測技術(shù)

該技術(shù)具有靈敏度高、限制因素少的特點，被廣泛應(yīng)用于鉆機(jī)設(shè)備檢測。主要原理是，在鐵磁性材料工件發(fā)生磁化反應(yīng)后，因其具有不連續(xù)性，工件表面的磁力線會發(fā)生畸變情況，在沒有干預(yù)的情況下會相應(yīng)出現(xiàn)漏磁場，對磁粉產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，在自然光下有缺陷的部位會出現(xiàn)磁痕，根據(jù)磁痕的深淺，來判斷缺陷的位置、形狀和損壞程度[1]。該方法對工件的形狀沒有較大限制，被廣泛應(yīng)用在接頭、焊縫的位置。

1.3 漏磁檢測技術(shù)

該技術(shù)主要應(yīng)用在薄壁鋼管檢測中，在材料被磁化的基礎(chǔ)上借助管體檢測儀，通過磁化線圈產(chǎn)生的高能磁場，使工件磁化形態(tài)達(dá)到飽和的狀態(tài)，對形成漏磁場有缺陷的部位進(jìn)行檢測，利用信號將其轉(zhuǎn)化為圖形，可以快速檢測出有缺陷的部位，避免安全隱患的發(fā)生。

1.4 滲透檢測技術(shù)

滲透檢測技術(shù)具有操作簡單、效果顯著、檢測范圍廣的特點，主要用于形狀復(fù)雜或其他檢測技術(shù)無法檢測到的部位。該技術(shù)的主要原理是，在工件的表面將配置好有熒光染料或顏色染料的滲透液涂抹在相應(yīng)位置，借助毛細(xì)管原理滲透液在一段時間后會滲透工件中，在確保其干燥后將顯色劑涂抹在滲透液的位置，在光照射下存在缺陷的部位會相應(yīng)顯示，根據(jù)其分布情況可以確定工件存在缺陷的位置以及大小。

2 檢測技術(shù)在鉆井設(shè)備維修中的應(yīng)用

2.1 鉆井機(jī)械設(shè)備檢測

鉆井機(jī)械設(shè)備在作業(yè)過程中，受外在環(huán)境因素的影響，易出現(xiàn)設(shè)備變形、斷裂、壓痕等現(xiàn)象，影響機(jī)械設(shè)備的使用質(zhì)量及性能，必須對其進(jìn)行重視。在鉆井過程中，由于鉆桿屬于薄壁鋼管，在長時間使用下，鉆進(jìn)速度過快，易出現(xiàn)缺陷，通過應(yīng)用漏磁技術(shù)，可以對其內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測，對其壁厚進(jìn)行測量，在高能磁場作用下將鉆桿磁化到飽和的狀態(tài)，存在缺陷的部位出現(xiàn)磁場泄漏情況，借助相應(yīng)信號快速對其檢測，減少斷裂事故的發(fā)生，保證使用的安全性。在對吊環(huán)、吊卡等鉆井設(shè)備進(jìn)行檢測時，可以采用超聲波檢測技術(shù)，利用摩擦焊接方法檢測焊縫位置，可以快速發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜等缺陷，然后根據(jù)裂紋的大小采取有效的措施解決，保證鉆井作業(yè)的施工質(zhì)量。

2.2 鉆井連續(xù)管檢測

連續(xù)管在鉆井作業(yè)過程中有著重要作用，但是受多次重復(fù)塑型彎曲易出現(xiàn)疲勞損傷，影響連續(xù)管的承壓能力，形成安全隱患，對鉆井人員的安全造成一定危險，因此必須對其存在的缺陷進(jìn)行嚴(yán)格檢測。連續(xù)管的缺陷主要有橫向缺陷、縱向缺陷、連續(xù)管變形等，因為漏磁檢測只能檢測管材表面缺陷、無法對其內(nèi)部缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確探測，所以對鉆井連續(xù)管的檢測主要采用超聲波檢測法，以脈沖發(fā)射法、穿透法和共振法3 種方式進(jìn)行，確保檢測的精度更準(zhǔn)確[2]。

根據(jù)連續(xù)管的實際情況設(shè)計相應(yīng)的參數(shù)：選擇探頭類型時，主要采用直探頭、斜探頭和聚焦探頭，保證連續(xù)管檢測的質(zhì)量，宜選擇脈沖發(fā)射法，以提高探頭的靈敏度、實現(xiàn)自動化的探傷，避免出現(xiàn)漏檢的情況；選擇探頭晶圓直徑時，因直徑越大其波束指向性越好、能量也更集中，而連續(xù)管的壁厚一般3～5 mm，所以宜將直徑控制在6 mm 左右；確定探頭偏心距時，將α1作為超聲波的入射角，將偏心距設(shè)為X。

對橫向缺陷進(jìn)行檢測時，要先將連續(xù)管放在水槽中，確保缺陷位置朝上，并用人工的方式對其進(jìn)行上下推移，速度控制在30～50 cm/s，在此基礎(chǔ)上，查看探傷儀示波屏波形變化，因連續(xù)管存在橫向缺陷，超聲波的運動方式也隨之呈垂直狀態(tài)，在探頭接觸缺陷位置時，水/鋼界面波、底波波形會發(fā)生較高的回波，可以判斷此處位置是缺陷波；對縱向缺陷進(jìn)行檢測時，與橫向檢測方法一致，但其與探頭的位置呈直線軌跡平行，在掃描缺陷位置時其長度會變長，波屏上出現(xiàn)5 個波幅較高的回波，可以判斷此處是缺陷波。

2.3 鉆井電機(jī)的檢測

鉆井電機(jī)因作用力不同，主要包括上、下兩臺鉆機(jī)：上電機(jī)主要是為電源提供裝置，保證各種電氣設(shè)備可以穩(wěn)定運行，并且因其特殊性，可以將其作為下傳通信信號的檢測設(shè)備；下機(jī)電主要是對驅(qū)動電路的輸出進(jìn)行控制，以確保所產(chǎn)生的平衡力矩符合鉆井系統(tǒng)的需求，因其在鉆井作業(yè)中發(fā)揮著重要的地位，不僅可以保證井下機(jī)械、設(shè)備的工作狀態(tài)，還為后續(xù)工作提供重要的參考依據(jù)，因此必須要重視對電機(jī)的檢測工作。在對其進(jìn)行檢測時，主要是利用傳感器收集電機(jī)電信號、磁信號等數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析上傳到CPU（中央處理器），對存在的缺陷進(jìn)行診斷，判斷缺陷的原因以及具體部件損壞位置，及時采取有效措施進(jìn)行優(yōu)化，保證電機(jī)工作的正常運行。

檢測方式主要有以下3 種：

（1）建立數(shù)字模型。該種檢測方式具有速度快、精確度高的特點，通過建立模型，利用其可視化的特點，對電機(jī)運行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可以快速發(fā)現(xiàn)異常情況。

（2）分析頻率。將截取到的特征量與標(biāo)準(zhǔn)的特征量進(jìn)行比較，根據(jù)頻率之間的差異性可以了解電機(jī)的工作狀態(tài)，但該方式有一定的局限性，檢測速度較慢、效率較低。

（3）人工智能方式。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能方式建立數(shù)據(jù)庫，可以快速對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，該方式因其自動化的特點在電機(jī)檢測中應(yīng)用最為廣泛[3]。

2.4 隔水管疲勞檢測

作為連接海上平臺和海底井口的重要裝備，隔水管系統(tǒng)在鉆井作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，其性能質(zhì)量與深水油氣鉆探作業(yè)的安全有著密切聯(lián)系，為了避免因長時間振動導(dǎo)致其出現(xiàn)疲勞、裂紋的現(xiàn)象，必須要加大對其的檢測力度。磁粉檢測具有靈敏度高、檢測速度快的特點，可以應(yīng)用在隔水管疲勞檢測中，主要方法是鐵磁性試件在被磁化后會出現(xiàn)相應(yīng)的磁場，存在缺陷的位置會切割磁感線，呈現(xiàn)出漏磁場的狀態(tài)，但該方法只能檢測出表面的缺陷。相關(guān)研究表示，該方法檢測的深度最淺1～2 mm、最深10 mm。而采用超聲波檢測時，在檢測過程中需要采用手推探頭的方式，對檢測效率有一定影響。所以，為了提高檢測的速度、效率和質(zhì)量，可以采用超聲波檢測和電磁檢測結(jié)合的方式：隔水管表面尺寸較大的缺陷裂紋采用超聲波，細(xì)小的缺陷裂紋采用電磁檢測。

2.5 鉆井鋼絲繩檢測

在使用過程中，鉆井鋼絲繩受外在環(huán)境因素影響易出現(xiàn)損壞，影響鉆井作業(yè)的施工，為保證其質(zhì)量，需提高對其的檢測力度。傳統(tǒng)的檢驗方法是采用電磁檢測法，主要是借助管體檢測儀使鋼絲繩始終處于磁化飽和狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對有缺陷的部位進(jìn)行檢測。該方式具有一定弊端，不容易檢測出間隙不超過10 mm 的缺陷，對于損傷長度不超過50 mm 的鋼絲繩的檢驗精度會下降，因此必須在原有檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行優(yōu)化：將信號加載裝置、磁信號檢測裝置和固定基座構(gòu)成一體化檢測系統(tǒng)，在鋼絲繩進(jìn)行運轉(zhuǎn)的過程中，利用加載模塊進(jìn)行磁加載，檢測模塊相應(yīng)提取信號，再借助轉(zhuǎn)換裝置對信號進(jìn)行處理，確定鋼絲繩是否出現(xiàn)擠壓、變形或錯位的情況，保證鋼絲繩在使用過程中的安全性。

3 提高檢測技術(shù)在鉆井設(shè)備維修中應(yīng)用的建議

（1）在石油開采過程中，機(jī)械設(shè)備的完好性對油田的生產(chǎn)效率有直接影響，為保證機(jī)械設(shè)備發(fā)揮出其最大的價值，必須定期對鉆井設(shè)備進(jìn)行維修、檢測，根據(jù)設(shè)備的實際情況選擇合適的檢測技術(shù)，制定嚴(yán)格的機(jī)修設(shè)備管理計劃。

（2）由于每種機(jī)械的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能不同，所選取的檢測方法也不同，這就要求檢測人員必須要有專業(yè)的技術(shù)和較豐富的經(jīng)驗，根據(jù)機(jī)械設(shè)備的特點，嚴(yán)格按照檢測的標(biāo)準(zhǔn)和工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，保證操作的規(guī)范性，提高機(jī)械設(shè)備的維修質(zhì)量，延長機(jī)械設(shè)備的使用壽命[4]。

（3）另外，在對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行維修后，要詳細(xì)記錄有缺陷的位置具體情況，以此為依據(jù)適當(dāng)調(diào)整鉆井的深度以及作業(yè)環(huán)境，減少機(jī)械設(shè)備的二次損壞，提高設(shè)備的運行效率，保證企業(yè)的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)論

在石油開采的過程，鉆井機(jī)械設(shè)備受外在因素的影響易出現(xiàn)故障，影響石油的開采效率，為保證機(jī)械設(shè)備的正常運行，必須選擇合適的檢測技術(shù)，加強(qiáng)對設(shè)備的維修管理，提高檢測人員的專業(yè)技術(shù)，保證故障診斷的質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行解決，為石油開采作業(yè)提供重要的保障。