鉆桿是鉆柱的基本組成部分,其主要作用是傳遞轉矩和輸送鉆井液,鉆桿在服役的過(guò)程中承受著(zhù)拉、壓、扭、彎曲等各種復雜的交變應力載荷,同時(shí)鉆井液、鉆井泥漿中溶解的O2、CO2和H2S等腐蝕介質(zhì)及地層的氧化物等介質(zhì)會(huì )嚴重腐蝕鉆桿,受應力載荷以及化學(xué)腐蝕后的鉆桿非常容易失效,進(jìn)而導致鉆井事故發(fā)生。2004年9月,中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院主持召開(kāi)了第二屆全國油井管會(huì )議,初步統計油田鉆具失效數量是每年1000例左右,而其中鉆桿失效占據了鉆具總失效事故的50%~60%?,F場(chǎng)調查表明,國外14%以上的油氣井都發(fā)生過(guò)不同程度的鉆柱井下斷裂事故。


  鉆桿服役時(shí)處于井底,而井底工況復雜,一般鉆井深度都在幾千米以上,使得鉆桿在役檢測變得極其困難。而鉆桿的檢測又非常重要,尤其對于已經(jīng)服役一定時(shí)間的鉆桿,其合理報廢對于鉆柱事故的預防具有極大的實(shí)際工程意義。鉆桿無(wú)損檢測是鉆桿檢測實(shí)際有效的方法,及時(shí)對鉆桿缺陷進(jìn)行檢測,不僅能夠減少鉆井事故,還能延長(cháng)鉆桿使用壽命。此外,加強我國油田在役鉆桿無(wú)損檢測,還可以降低鉆井風(fēng)險,提高經(jīng)濟效益,促進(jìn)我國石油戰略的長(cháng)遠可持續發(fā)展。


  鉆桿使用一段時(shí)間后,在桿體和接頭處極可能出現腐蝕、裂紋和穿孔等,這會(huì )導致嚴重的安全事故并造成巨大的經(jīng)濟損失。因此,鉆桿在使用一段時(shí)間后必須進(jìn)行質(zhì)量檢測與修復才能繼續投入使用。傳統的鉆桿質(zhì)量檢測和分級工藝普遍是采用手工方式完成的。鉆桿從井場(chǎng)回收至檢測修復中心,首先采用手動(dòng)超聲儀對鉆桿桿體進(jìn)行局部抽檢,然后利用千分尺和游標卡尺對鉆桿接頭形位尺寸進(jìn)行取點(diǎn)測量,最后根據檢測數據和分級標準,利用抓管機對


  鉆桿逐根挑揀分級。手工檢測分級效率低,并且檢測結果易受人為因素影響,已不適應回收鉆桿的質(zhì)量檢測要求。因此,建立自動(dòng)化高效檢測分級生產(chǎn)線(xiàn),對鉆桿的質(zhì)量檢測和分級管理十分必要。



一、檢測分級工藝


  根據鉆桿質(zhì)量檢測、分級管理與修復的相關(guān)標準和現場(chǎng)要求,回收鉆桿檢測分級工藝流程如圖7-1所示。舊鉆桿從井場(chǎng)回收至管子站后,首先經(jīng)過(guò)彎曲矯直、清洗等檢測預處理,然后依次經(jīng)過(guò)材質(zhì)分析、漏磁超聲桿體復合檢測、接頭形位尺寸自動(dòng)化測量、內壁復檢和加厚帶復檢等工藝過(guò)程,最后根據鉆桿質(zhì)量狀況進(jìn)行評價(jià)分級和修復處理。


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  鉆桿不僅具有連接螺紋、密封臺面和加厚帶等復雜結構,而且尺寸較大(長(cháng)度約10m),這為實(shí)現自動(dòng)化檢測分級帶來(lái)了困難。以鉆桿的結構特點(diǎn)和檢測工藝要求為基礎,采用一種基于鉆桿螺旋前進(jìn)的漏磁超聲復合桿體無(wú)損檢測方法和基于激光測量的鉆桿接頭形位尺寸測量原理,來(lái)替代傳統的手工方式。檢測分級系統布局如圖7-2所示。


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  整個(gè)系統由漏磁桿體檢測設備、超聲桿體檢測設備、形位尺寸測量設備、翻料裝備、V形輪直行傳輸輥道、V形輪螺旋傳輸輥道、待檢料架、復檢料架、成品料架等部分組成,并布置有大量物料傳感器。


  漏磁與超聲復合檢測是目前應用最為廣泛的復合檢測方法。漏磁檢測方法對鉆桿內表面缺陷具有很好的適應性,而超聲波對內部缺陷具有更強的探測能力。


  鉆桿接頭承擔著(zhù)鉆桿之間傳遞轉矩與密封鉆井液的作用,是鉆桿最為重要的部位。因此,鉆桿接頭形位尺寸檢測是回收鉆桿重復利用必不可少的工序。但由于鉆桿接頭結構復雜,目前鉆桿接頭基本都是采用人工采樣方式進(jìn)行測量,其測量結果受人為因素影響大,并且生產(chǎn)率低?;诩す鉁y距測量原理的自動(dòng)化形位尺寸全息測量系統,具有良好的檢測精度、靈敏度和重復性,并且檢測過(guò)程自動(dòng)化,極大地提高了生產(chǎn)率。


  鉆桿下井前必須進(jìn)行鉆桿質(zhì)量評價(jià)和分級管理,之后根據鉆桿質(zhì)量級別分送不同開(kāi)采工況的井區。目前,大部分分級工作都是通過(guò)抓管機逐根挑揀完成的。由于鉆桿分級類(lèi)型復雜,人工分揀效率低下,已不能適應鉆桿檢測的生產(chǎn)速度。為此,緊接檢測工藝,布置一套鉆桿在線(xiàn)分級系統,實(shí)現鉆桿的自動(dòng)化分級管理是十分必要的。



二、控制系統


  檢測分級系統控制軟件結構如圖7-3所示,由用戶(hù)界面層、應用程序層和運動(dòng)控制層構成。用戶(hù)界面層程序用于人機交互、控制檢測流程、調整檢測工藝以及監測設備運行情況;應用程序層主要應用于檢測信號處理、鉆桿分級評價(jià)、數據儲存與管理以及信號傳輸;運動(dòng)控制層以可編程序控制器為基礎,結合具有通信功能的現場(chǎng)設備實(shí)現整個(gè)系統內所有設備的自動(dòng)化控制。


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  檢測信號從采集卡傳送到檢測客戶(hù)機時(shí),由對應客戶(hù)機上的檢測軟件進(jìn)行一系列信號處理并存儲處理結果,同時(shí)將信號根據分級要求進(jìn)行處理并將結果通過(guò)局域網(wǎng)傳送至檢測服務(wù)器進(jìn)行綜合處理,檢測服務(wù)器為每根鉆桿建立質(zhì)量監測數據庫。然后,分級信息被打包由以太網(wǎng)絡(luò )從檢測服務(wù)器傳送至分級服務(wù)器,而后組態(tài)軟件將顯示分級信息并核查,最后,通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò )將分級信息傳送至可編程序控制器,由其中的自動(dòng)化程序實(shí)現所有檢測分級設備的自動(dòng)化控制。整個(gè)分級檢測系統共有5個(gè)可編程序控制器,形成主從站的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )模式,最終形成一個(gè)高效的自動(dòng)化集散控制系統。圖7-4所示為組態(tài)控制界面,可實(shí)時(shí)監控設備運行情況并實(shí)現生產(chǎn)調度。


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三、現場(chǎng)應用


  回收鉆桿自動(dòng)化在線(xiàn)檢測分級生產(chǎn)線(xiàn),如圖7-5所示,它包含了鉆桿旋轉的自動(dòng)化漏磁超聲復合無(wú)損檢測系統、基于激光測距測量原理的形位尺寸自動(dòng)化測量系統以及鉆桿自動(dòng)化分級裝備??刂葡到y采用了基于局域網(wǎng)、以太網(wǎng)、MPI網(wǎng)絡(luò )和Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )化控制方法,集成檢測信號和分級信息,實(shí)現了對生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化集散控制。整套回收鉆桿檢測分級生產(chǎn)線(xiàn)的設備運行穩定,維護方便,每日檢測量為600根,可以降低生產(chǎn)成本并保證鉆桿質(zhì)量。


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