檢測技術在鉆井設備維修中的應用

張顥新

（中國石油集團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，對我國的經濟發展具有推進作用，人們對石油天然氣需求也日益增加。受外在環境、機械自身因素及時間因素的影響，鉆井設備經常出現故障，如果沒有及時發現、對其進行處理，則會對鉆井施工的質量造成嚴重影響，對我國油氣開發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、設備符合使用需求，必須高度重視對其的檢測技術，降低設備的故障率，保證機械設備的維修質量，提升鉆井施工的安全性與穩定性，進一步提高企業的生產經營效益。

1 鉆井設備常用的檢測技術

1.1 超聲波檢測技術

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

1.2 磁粉檢測技術

該技術具有靈敏度高、限制因素少的特點，被廣泛應用于鉆機設備檢測。主要原理是，在鐵磁性材料工件發生磁化反應后，因其具有不連續性，工件表面的磁力線會發生畸變情況，在沒有干預的情況下會相應出現漏磁場，對磁粉產生吸附現象，在自然光下有缺陷的部位會出現磁痕，根據磁痕的深淺，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，被廣泛應用在接頭、焊縫的位置。

1.3 漏磁檢測技術

該技術主要應用在薄壁鋼管檢測中，在材料被磁化的基礎上借助管體檢測儀，通過磁化線圈產生的高能磁場，使工件磁化形態達到飽和的狀態，對形成漏磁場有缺陷的部位進行檢測，利用信號將其轉化為圖形，可以快速檢測出有缺陷的部位，避免安全隱患的發生。

1.4 滲透檢測技術

滲透檢測技術具有操作簡單、效果顯著、檢測范圍廣的特點，主要用于形狀復雜或其他檢測技術無法檢測到的部位。該技術的主要原理是，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位置，借助毛細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顯示，根據其分布情況可以確定工件存在缺陷的位置以及大小。

2 檢測技術在鉆井設備維修中的應用

2.1 鉆井機械設備檢測

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

2.2 鉆井連續管檢測

連續管在鉆井作業過程中有著重要作用，但是受多次重復塑型彎曲易出現疲勞損傷，影響連續管的承壓能力，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行嚴格檢測。連續管的缺陷主要有橫向缺陷、縱向缺陷、連續管變形等，因為漏磁檢測只能檢測管材表面缺陷、無法對其內部缺陷進行準確探測，所以對鉆井連續管的檢測主要采用超聲波檢測法，以脈沖發射法、穿透法和共振法3 種方式進行，確保檢測的精度更準確[2]。

根據連續管的實際情況設計相應的參數：選擇探頭類型時，主要采用直探頭、斜探頭和聚焦探頭，保證連續管檢測的質量，宜選擇脈沖發射法，以提高探頭的靈敏度、實現自動化的探傷，避免出現漏檢的情況；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，將偏心距設為X。

對橫向缺陷進行檢測時，要先將連續管放在水槽中，確保缺陷位置朝上，并用人工的方式對其進行上下推移，速度控制在30～50 cm/s，在此基礎上，查看探傷儀示波屏波形變化，因連續管存在橫向缺陷，超聲波的運動方式也隨之呈垂直狀態，在探頭接觸缺陷位置時，水/鋼界面波、底波波形會發生較高的回波，可以判斷此處位置是缺陷波；對縱向缺陷進行檢測時，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 鉆井電機的檢測

鉆井電機因作用力不同，主要包括上、下兩臺鉆機：上電機主要是為電源提供裝置，保證各種電氣設備可以穩定運行，并且因其特殊性，可以將其作為下傳通信信號的檢測設備；下機電主要是對驅動電路的輸出進行控制，以確保所產生的平衡力矩符合鉆井系統的需求，因其在鉆井作業中發揮著重要的地位，不僅可以保證井下機械、設備的工作狀態，還為后續工作提供重要的參考依據，因此必須要重視對電機的檢測工作。在對其進行檢測時，主要是利用傳感器收集電機電信號、磁信號等數據，并通過網絡信息技術將采集到的數據進行整理、分析上傳到CPU（中央處理器），對存在的缺陷進行診斷，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行優化，保證電機工作的正常運行。

檢測方式主要有以下3 種：

（1）建立數字模型。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，對電機運行的狀態進行監測，可以快速發現異常情況。

（2）分析頻率。將截取到的特征量與標準的特征量進行比較，根據頻率之間的差異性可以了解電機的工作狀態，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。通過神經網絡、模糊控制等智能方式建立數據庫，可以快速對異常數據進行檢測，該方式因其自動化的特點在電機檢測中應用最為廣泛[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，隔水管系統在鉆井作業中發揮著重要作用，其性能質量與深水油氣鉆探作業的安全有著密切聯系，為了避免因長時間振動導致其出現疲勞、裂紋的現象，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相應的磁場，存在缺陷的位置會切割磁感線，呈現出漏磁場的狀態，但該方法只能檢測出表面的缺陷。相關研究表示，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、效率和質量，可以采用超聲波檢測和電磁檢測結合的方式：隔水管表面尺寸較大的缺陷裂紋采用超聲波，細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境因素影響易出現損壞，影響鉆井作業的施工，為保證其質量，需提高對其的檢測力度。傳統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，在此基礎上對有缺陷的部位進行檢測。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的基礎上對其進行優化：將信號加載裝置、磁信號檢測裝置和固定基座構成一體化檢測系統，在鋼絲繩進行運轉的過程中，利用加載模塊進行磁加載，檢測模塊相應提取信號，再借助轉換裝置對信號進行處理，確定鋼絲繩是否出現擠壓、變形或錯位的情況，保證鋼絲繩在使用過程中的安全性。

3 提高檢測技術在鉆井設備維修中應用的建議

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

（2）由于每種機械的內部結構與性能不同，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的技術和較豐富的經驗，根據機械設備的特點，嚴格按照檢測的標準和工藝標準進行操作，保證操作的規范性，提高機械設備的維修質量，延長機械設備的使用壽命[4]。

（3）另外，在對機械設備進行維修后，要詳細記錄有缺陷的位置具體情況，以此為依據適當調整鉆井的深度以及作業環境，減少機械設備的二次損壞，提高設備的運行效率，保證企業的正常生產。

4 結論

在石油開采的過程，鉆井機械設備受外在因素的影響易出現故障，影響石油的開采效率，為保證機械設備的正常運行，必須選擇合適的檢測技術，加強對設備的維修管理，提高檢測人員的專業技術，保證故障診斷的質量，及時發現問題及時進行解決，為石油開采作業提供重要的保障。