海洋钻井设备实时监测和故障诊断的方法分析

王立新

摘 要：钻井设备的技术比较先进，功能强大，相应的造价也很高。因此，设备的维护和保养成为钻井设备的难点和重点。为了减少钻井设备故障的发生率，需要技术人员采取必要的措施对其进行实时监测，并采用合适的故障诊断方法，详细分析其故障产生的原因，从而采取有效维护维修措施。文章就此对海洋钻井设备实时监测和故障诊断的方法进行了研究，具体内容供大家参考和借鉴。

关键词：海洋钻井设备；实时监测；故障诊断；方法

前言

当前，在我国对海洋石油开采的高度重视之下，钻井工艺和设备已经得到了飞快的发展和创新，尤其是钻井设备的更新速度十分快，其功能越来越强大，结构越来越复杂。在此背景之下，如何有效监控设备的运行状态和各项参数，减少设备故障的发生，成为当代石油科技人员研究的重点内容。

1顶驱的实时监测与故障诊断的方法

1.1顶驱设备概述

顶部驱动钻井系统TDS，是取代转盘钻进的新型石油钻井系统，20世纪80年代初期开始研制，到目前已经发展到最先进的一体化顶部驱动系统IDS。顶驱系统与常规转盘钻机相比，节约了辅助时间，提高了钻井效率，降低了钻井成本，确保了设备和人身的安全，因此，其已成为石油钻井行业的标准产品。

1.2故障树分析方法

1.2.1故障树方法概述

故障樹分析法，简称FAT法，它是1961年由贝尔电话试验室的H.A.Watson提出的一种用于可靠性、安全性分析的相对简单、有效的演绎方法。它以一套取自概率论与布尔代数的简单规则，以一些逻辑符号为基础，使用一种从上至下的方法，生成一个能够进行系统可靠性定性与定量评估的逻辑模型。

1.2.2故障树的建立

故障树在建立的过程中有人工建立和计算机辅助建立两种方法，这两种方法的思路大体一致，都是首先确定顶事件，建立边界条件，然后通过逐级分解得到原始的故障树，之后对其进行简化，得到最终故障树，供后续的分析与计算。

1.2.3故障树的定性分析

对故障树做定性分析是为了分析有哪些因素会引发系统的某种故障。定性分析首先必须确定系统的最小割集。

割集是引起系统故障发生的几个故障的底事件的集合，即一个割集代表了系统发生故障的一种可能性或一种故障模式。

1.2.4故障树定量分析

故障树定量分析是在求得最小割集后，给每个底事件赋予一概率值来表示其发生故障的频繁程度，在概率论的基础上，求解顶事件发生概率以及各底事件的重要度，为有效地控制故障和降低故障率提供重要依据。常用的重要度有概率重要度、结构重要度、关键重要度、相关割集重要度等。

1.3顶驱安全监测系统的建立

一般情况下，顶驱故障大部分为磨损、腐蚀、强度不够或者过载等原因，而这些故障的发生在顶驱上表现的形式多为顶驱的不规则振动。因此本文对顶驱的监测主要是针对顶驱的振动监测为主，油液监测为辅；在振动监测中，以轴振动监测为主，齿轮箱监测为辅。顶驱是旋转机械，主轴是主要的承载和传递荷载的部件。另外，由于其他部件损坏可以及时更换和配置，主轴一旦损坏顶驱会完全瘫痪。所以以主轴为主要的监测对象，确保顶驱的可靠性运行。顶驱监测系统示意图如下图2所示。

图2顶驱监测系统结构图

从上图可以看出，该系统一方面将测得的振动和位移参数，结合扭矩和转速参数，传递给司钻台中心计算机；一方面是结合工作由监测系统将监测的油液参数传送给司钻台中心计算机，从而完成对信号的采集与识别。

2钻井泵的故障诊断方法研究

2.1钻井泵故障树的建立

建立钻井泵故障树首先要确定顶事件，本文选钻井泵运行不正常为顶事件。分析钻井泵运行不正常的情况有以下几种：排出压力不正常、泥浆渗漏、异常噪音、支撑轴承温度过高。由于这些次顶事件中的任何一个发生故障都会导致顶事件的发生，因而用逻辑“或门”符号将它们连接起来。再分别以这4个故障事件为次顶事件，对相应的原因进行分析，并循此格式逐级向下演绎，直到找出各个基本事件为止，并用一定的逻辑符号连接起来。

2.2钻井泵故障树的定性分析

定性分析的目的是为了找出系统的薄弱环节，并采取措施加以改进，而其任务就是找出最小割集。以支撑轴承温度过高为例，用下行法求解最小割集，如表1。

通过分析可得，故障树中的大多数基本事件都是最小割集，给分析带来不便，因此，结合钻井泵现场常见故障对这些最小割集进行分类讨论。

通过分析，可以将钻井泵故障原因分为以下几个方面：首先，制造、设计原因：材质不良、强度不够或制造缺陷；其次，安装、维护操作运行原因：机械安装不当，维护或操作不当，过载、负荷大或其他原因导致运行不正常；最后，机器自身劣化：零部件磨损、腐蚀，机件寿命老化损坏。

因此，钻井泵故障原因主要来源于过载、负荷大和机件的腐蚀磨损。在钻井泵运行过程中，需要对这些受载大、容易腐蚀磨损的部件进行监测和维护，保证钻井泵安全可靠的运行。

结束语

综上所述，随着钻井设备的不断发展，人们对于可靠性、安全性要求越来越高，采用实时监测技术和故障诊断方法能够有效减少钻井设备故障发生率，从而促进石油开采顺利进行。

参考文献：

[1]刘晓伟.石油钻机顶驱故障诊断可视化系统开发[D].中国石油大学（华东），2014.

[2]张毅.海洋钻井设备实时监测和故障诊断的方法研究[D].中国石油大学，2010.

[3]刘占涛.大型装备系统状态监测及故障诊断集成方法研究[D].北京化工大学，2009.