检测技术在钻井设备维修中的应用

2023-01-14张颢新

设备管理与维修 2022年14期

张颢新

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，陕西西安 710021）

0 引言

石油天然气作为重要的能源，对我国的经济发展具有推进作用，人们对石油天然气需求也日益增加。受外在环境、机械自身因素及时间因素的影响，钻井设备经常出现故障，如果没有及时发现、对其进行处理，则会对钻井施工的质量造成严重影响，对我国油气开发的水平造成一定阻碍。为保证钻井施工的效率，确保钻井的仪器、设备符合使用需求，必须高度重视对其的检测技术，降低设备的故障率，保证机械设备的维修质量，提升钻井施工的安全性与稳定性，进一步提高企业的生产经营效益。

1 钻井设备常用的检测技术

1.1 超声波检测技术

超声波检测主要用于检测工件内部缺损的问题，具有操作便利、施工流程简单的特点，主要原理是，借助相应器械将超声波束渗入金属材料深处，当探头与其金属内部相通时，经过发射、透射、散射过程后，设备有缺陷位置会发生反射波并形成相应的脉冲波形，以此判断缺陷的位置和损坏程度。

1.2 磁粉检测技术

该技术具有灵敏度高、限制因素少的特点，被广泛应用于钻机设备检测。主要原理是，在铁磁性材料工件发生磁化反应后，因其具有不连续性，工件表面的磁力线会发生畸变情况，在没有干预的情况下会相应出现漏磁场，对磁粉产生吸附现象，在自然光下有缺陷的部位会出现磁痕，根据磁痕的深浅，来判断缺陷的位置、形状和损坏程度[1]。该方法对工件的形状没有较大限制，被广泛应用在接头、焊缝的位置。

1.3 漏磁检测技术

该技术主要应用在薄壁钢管检测中，在材料被磁化的基础上借助管体检测仪，通过磁化线圈产生的高能磁场，使工件磁化形态达到饱和的状态，对形成漏磁场有缺陷的部位进行检测，利用信号将其转化为图形，可以快速检测出有缺陷的部位，避免安全隐患的发生。

1.4 渗透检测技术

渗透检测技术具有操作简单、效果显著、检测范围广的特点，主要用于形状复杂或其他检测技术无法检测到的部位。该技术的主要原理是，在工件的表面将配置好有荧光染料或颜色染料的渗透液涂抹在相应位置，借助毛细管原理渗透液在一段时间后会渗透工件中，在确保其干燥后将显色剂涂抹在渗透液的位置，在光照射下存在缺陷的部位会相应显示，根据其分布情况可以确定工件存在缺陷的位置以及大小。

2 检测技术在钻井设备维修中的应用

2.1 钻井机械设备检测

钻井机械设备在作业过程中，受外在环境因素的影响，易出现设备变形、断裂、压痕等现象，影响机械设备的使用质量及性能，必须对其进行重视。在钻井过程中，由于钻杆属于薄壁钢管，在长时间使用下，钻进速度过快，易出现缺陷，通过应用漏磁技术，可以对其内部的缺陷进行检测，对其壁厚进行测量，在高能磁场作用下将钻杆磁化到饱和的状态，存在缺陷的部位出现磁场泄漏情况，借助相应信号快速对其检测，减少断裂事故的发生，保证使用的安全性。在对吊环、吊卡等钻井设备进行检测时，可以采用超声波检测技术，利用摩擦焊接方法检测焊缝位置，可以快速发现裂纹、夹杂等缺陷，然后根据裂纹的大小采取有效的措施解决，保证钻井作业的施工质量。

2.2 钻井连续管检测

连续管在钻井作业过程中有着重要作用，但是受多次重复塑型弯曲易出现疲劳损伤，影响连续管的承压能力，形成安全隐患，对钻井人员的安全造成一定危险，因此必须对其存在的缺陷进行严格检测。连续管的缺陷主要有横向缺陷、纵向缺陷、连续管变形等，因为漏磁检测只能检测管材表面缺陷、无法对其内部缺陷进行准确探测，所以对钻井连续管的检测主要采用超声波检测法，以脉冲发射法、穿透法和共振法3 种方式进行，确保检测的精度更准确[2]。

根据连续管的实际情况设计相应的参数：选择探头类型时，主要采用直探头、斜探头和聚焦探头，保证连续管检测的质量，宜选择脉冲发射法，以提高探头的灵敏度、实现自动化的探伤，避免出现漏检的情况；选择探头晶圆直径时，因直径越大其波束指向性越好、能量也更集中，而连续管的壁厚一般3～5 mm，所以宜将直径控制在6 mm 左右；确定探头偏心距时，将α1作为超声波的入射角，将偏心距设为X。

对横向缺陷进行检测时，要先将连续管放在水槽中，确保缺陷位置朝上，并用人工的方式对其进行上下推移，速度控制在30～50 cm/s，在此基础上，查看探伤仪示波屏波形变化，因连续管存在横向缺陷，超声波的运动方式也随之呈垂直状态，在探头接触缺陷位置时，水/钢界面波、底波波形会发生较高的回波，可以判断此处位置是缺陷波；对纵向缺陷进行检测时，与横向检测方法一致，但其与探头的位置呈直线轨迹平行，在扫描缺陷位置时其长度会变长，波屏上出现5 个波幅较高的回波，可以判断此处是缺陷波。

2.3 钻井电机的检测

钻井电机因作用力不同，主要包括上、下两台钻机：上电机主要是为电源提供装置，保证各种电气设备可以稳定运行，并且因其特殊性，可以将其作为下传通信信号的检测设备；下机电主要是对驱动电路的输出进行控制，以确保所产生的平衡力矩符合钻井系统的需求，因其在钻井作业中发挥着重要的地位，不仅可以保证井下机械、设备的工作状态，还为后续工作提供重要的参考依据，因此必须要重视对电机的检测工作。在对其进行检测时，主要是利用传感器收集电机电信号、磁信号等数据，并通过网络信息技术将采集到的数据进行整理、分析上传到CPU（中央处理器），对存在的缺陷进行诊断，判断缺陷的原因以及具体部件损坏位置，及时采取有效措施进行优化，保证电机工作的正常运行。

检测方式主要有以下3 种：

（1）建立数字模型。该种检测方式具有速度快、精确度高的特点，通过建立模型，利用其可视化的特点，对电机运行的状态进行监测，可以快速发现异常情况。

（2）分析频率。将截取到的特征量与标准的特征量进行比较，根据频率之间的差异性可以了解电机的工作状态，但该方式有一定的局限性，检测速度较慢、效率较低。

（3）人工智能方式。通过神经网络、模糊控制等智能方式建立数据库，可以快速对异常数据进行检测，该方式因其自动化的特点在电机检测中应用最为广泛[3]。

2.4 隔水管疲劳检测

作为连接海上平台和海底井口的重要装备，隔水管系统在钻井作业中发挥着重要作用，其性能质量与深水油气钻探作业的安全有着密切联系，为了避免因长时间振动导致其出现疲劳、裂纹的现象，必须要加大对其的检测力度。磁粉检测具有灵敏度高、检测速度快的特点，可以应用在隔水管疲劳检测中，主要方法是铁磁性试件在被磁化后会出现相应的磁场，存在缺陷的位置会切割磁感线，呈现出漏磁场的状态，但该方法只能检测出表面的缺陷。相关研究表示，该方法检测的深度最浅1～2 mm、最深10 mm。而采用超声波检测时，在检测过程中需要采用手推探头的方式，对检测效率有一定影响。所以，为了提高检测的速度、效率和质量，可以采用超声波检测和电磁检测结合的方式：隔水管表面尺寸较大的缺陷裂纹采用超声波，细小的缺陷裂纹采用电磁检测。

2.5 钻井钢丝绳检测

在使用过程中，钻井钢丝绳受外在环境因素影响易出现损坏，影响钻井作业的施工，为保证其质量，需提高对其的检测力度。传统的检验方法是采用电磁检测法，主要是借助管体检测仪使钢丝绳始终处于磁化饱和状态，在此基础上对有缺陷的部位进行检测。该方式具有一定弊端，不容易检测出间隙不超过10 mm 的缺陷，对于损伤长度不超过50 mm 的钢丝绳的检验精度会下降，因此必须在原有检测技术的基础上对其进行优化：将信号加载装置、磁信号检测装置和固定基座构成一体化检测系统，在钢丝绳进行运转的过程中，利用加载模块进行磁加载，检测模块相应提取信号，再借助转换装置对信号进行处理，确定钢丝绳是否出现挤压、变形或错位的情况，保证钢丝绳在使用过程中的安全性。