王立新

摘 要：鉆井設備的技術比較先進，功能強大，相應的造價也很高。因此，設備的維護和保養(yǎng)成為鉆井設備的難點和重點。為了減少鉆井設備故障的發(fā)生率，需要技術人員采取必要的措施對其進行實時監(jiān)測，并采用合適的故障診斷方法，詳細分析其故障產(chǎn)生的原因，從而采取有效維護維修措施。文章就此對海洋鉆井設備實時監(jiān)測和故障診斷的方法進行了研究，具體內(nèi)容供大家參考和借鑒。

關鍵詞：海洋鉆井設備；實時監(jiān)測；故障診斷；方法

前言

當前，在我國對海洋石油開采的高度重視之下，鉆井工藝和設備已經(jīng)得到了飛快的發(fā)展和創(chuàng)新，尤其是鉆井設備的更新速度十分快，其功能越來越強大，結構越來越復雜。在此背景之下，如何有效監(jiān)控設備的運行狀態(tài)和各項參數(shù)，減少設備故障的發(fā)生，成為當代石油科技人員研究的重點內(nèi)容。

1頂驅的實時監(jiān)測與故障診斷的方法

1.1頂驅設備概述

頂部驅動鉆井系統(tǒng)TDS，是取代轉盤鉆進的新型石油鉆井系統(tǒng)，20世紀80年代初期開始研制，到目前已經(jīng)發(fā)展到最先進的一體化頂部驅動系統(tǒng)IDS。頂驅系統(tǒng)與常規(guī)轉盤鉆機相比，節(jié)約了輔助時間，提高了鉆井效率，降低了鉆井成本，確保了設備和人身的安全，因此，其已成為石油鉆井行業(yè)的標準產(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年由貝爾電話試驗室的H.A.Watson提出的一種用于可靠性、安全性分析的相對簡單、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，以一些邏輯符號為基礎，使用一種從上至下的方法，生成一個能夠進行系統(tǒng)可靠性定性與定量評估的邏輯模型。

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算機輔助建立兩種方法，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，然后通過逐級分解得到原始的故障樹，之后對其進行簡化，得到最終故障樹，供后續(xù)的分析與計算。

1.2.3故障樹的定性分析

對故障樹做定性分析是為了分析有哪些因素會引發(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)生的幾個故障的底事件的集合，即一個割集代表了系統(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、結構重要度、關鍵重要度、相關割集重要度等。

1.3頂驅安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立

一般情況下，頂驅故障大部分為磨損、腐蝕、強度不夠或者過載等原因，而這些故障的發(fā)生在頂驅上表現(xiàn)的形式多為頂驅的不規(guī)則振動。因此本文對頂驅的監(jiān)測主要是針對頂驅的振動監(jiān)測為主，油液監(jiān)測為輔；在振動監(jiān)測中，以軸振動監(jiān)測為主，齒輪箱監(jiān)測為輔。頂驅是旋轉機械，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更換和配置，主軸一旦損壞頂驅會完全癱瘓。所以以主軸為主要的監(jiān)測對象，確保頂驅的可靠性運行。頂驅監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如下圖2所示。

圖2頂驅監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

從上圖可以看出，該系統(tǒng)一方面將測得的振動和位移參數(shù)，結合扭矩和轉速參數(shù)，傳遞給司鉆臺中心計算機；一方面是結合工作由監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測的油液參數(shù)傳送給司鉆臺中心計算機，從而完成對信號的采集與識別。

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，本文選鉆井泵運行不正常為頂事件。分析鉆井泵運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發(fā)生故障都會導致頂事件的發(fā)生，因而用邏輯“或門”符號將它們連接起來。再分別以這4個故障事件為次頂事件，對相應的原因進行分析，并循此格式逐級向下演繹，直到找出各個基本事件為止，并用一定的邏輯符號連接起來。

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，而其任務就是找出最小割集。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，結合鉆井泵現(xiàn)場常見故障對這些最小割集進行分類討論。

通過分析，可以將鉆井泵故障原因分為以下幾個方面：首先，制造、設計原因：材質不良、強度不夠或制造缺陷；其次，安裝、維護操作運行原因：機械安裝不當，維護或操作不當，過載、負荷大或其他原因導致運行不正常；最后，機器自身劣化：零部件磨損、腐蝕，機件壽命老化損壞。

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

結束語

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

參考文獻：

[1]劉曉偉.石油鉆機頂驅故障診斷可視化系統(tǒng)開發(fā)[D].中國石油大學（華東），2014.

[2]張毅.海洋鉆井設備實時監(jiān)測和故障診斷的方法研究[D].中國石油大學，2010.

[3]劉占濤.大型裝備系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷集成方法研究[D].北京化工大學，2009.