鉆桿是鉆柱的基本組成部分，其主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩和輸送鉆井液，鉆桿在服役的過程中承受著拉、壓、扭、彎曲等各種復(fù)雜的交變應(yīng)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(yán)重腐蝕鉆桿，受應(yīng)力載荷以及化學(xué)腐蝕后的鉆桿非常容易失效，進(jìn)而導(dǎo)致鉆井事故發(fā)生。2004年9月，中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院主持召開了第二屆全國油井管會(huì)議，初步統(tǒng)計(jì)油田鉆具失效數(shù)量是每年1000例左右，而其中鉆桿失效占據(jù)了鉆具總失效事故的50％～60％。現(xiàn)場調(diào)查表明，國外14％以上的油氣井都發(fā)生過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(fù)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(bào)廢對于鉆柱事故的預(yù)防具有極大的實(shí)際工程意義。鉆桿無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，還能延長鉆桿使用壽命。此外，加強(qiáng)我國油田在役鉆桿無損檢測，還可以降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)我國石油戰(zhàn)略的長遠(yuǎn)可持續(xù)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(xiàn)腐蝕、裂紋和穿孔等，這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故并造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(fù)才能繼續(xù)投入使用。傳統(tǒng)的鉆桿質(zhì)量檢測和分級(jí)工藝普遍是采用手工方式完成的。鉆桿從井場回收至檢測修復(fù)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(biāo)卡尺對鉆桿接頭形位尺寸進(jìn)行取點(diǎn)測量，最后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用抓管機(jī)對
鉆桿逐根挑揀分級(jí)。手工檢測分級(jí)效率低，并且檢測結(jié)果易受人為因素影響，已不適應(yīng)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(jí)生產(chǎn)線，對鉆桿的質(zhì)量檢測和分級(jí)管理十分必要。
一、檢測分級(jí)工藝
根據(jù)鉆桿質(zhì)量檢測、分級(jí)管理與修復(fù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場要求，回收鉆桿檢測分級(jí)工藝流程如圖7-1所示。舊鉆桿從井場回收至管子站后，首先經(jīng)過彎曲矯直、清洗等檢測預(yù)處理，然后依次經(jīng)過材質(zhì)分析、漏磁超聲桿體復(fù)合檢測、接頭形位尺寸自動(dòng)化測量、內(nèi)壁復(fù)檢和加厚帶復(fù)檢等工藝過程，最后根據(jù)鉆桿質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)和修復(fù)處理。
鉆桿不僅具有連接螺紋、密封臺(tái)面和加厚帶等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而且尺寸較大（長度約10m），這為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測分級(jí)帶來了困難。以鉆桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測工藝要求為基礎(chǔ)，采用一種基于鉆桿螺旋前進(jìn)的漏磁超聲復(fù)合桿體無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，來替代傳統(tǒng)的手工方式。檢測分級(jí)系統(tǒng)布局如圖7-2所示。
整個(gè)系統(tǒng)由漏磁桿體檢測設(shè)備、超聲桿體檢測設(shè)備、形位尺寸測量設(shè)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(fù)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(fù)合檢測是目前應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合檢測方法。漏磁檢測方法對鉆桿內(nèi)表面缺陷具有很好的適應(yīng)性，而超聲波對內(nèi)部缺陷具有更強(qiáng)的探測能力。
鉆桿接頭承擔(dān)著鉆桿之間傳遞轉(zhuǎn)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(fù)利用必不可少的工序。但由于鉆桿接頭結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)果受人為因素影響大，并且生產(chǎn)率低。基于激光測距測量原理的自動(dòng)化形位尺寸全息測量系統(tǒng)，具有良好的檢測精度、靈敏度和重復(fù)性，并且檢測過程自動(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(píng)價(jià)和分級(jí)管理，之后根據(jù)鉆桿質(zhì)量級(jí)別分送不同開采工況的井區(qū)。目前，大部分分級(jí)工作都是通過抓管機(jī)逐根挑揀完成的。由于鉆桿分級(jí)類型復(fù)雜，人工分揀效率低下，已不能適應(yīng)鉆桿檢測的生產(chǎn)速度。為此，緊接檢測工藝，布置一套鉆桿在線分級(jí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿的自動(dòng)化分級(jí)管理是十分必要的。
二、控制系統(tǒng)
檢測分級(jí)系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)如圖7-3所示，由用戶界面層、應(yīng)用程序?qū)雍瓦\(yùn)動(dòng)控制層構(gòu)成。用戶界面層程序用于人機(jī)交互、控制檢測流程、調(diào)整檢測工藝以及監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行情況；應(yīng)用程序?qū)又饕獞?yīng)用于檢測信號(hào)處理、鉆桿分級(jí)評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與管理以及信號(hào)傳輸；運(yùn)動(dòng)控制層以可編程序控制器為基礎(chǔ)，結(jié)合具有通信功能的現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的自動(dòng)化控制。
檢測信號(hào)從采集卡傳送到檢測客戶機(jī)時(shí)，由對應(yīng)客戶機(jī)上的檢測軟件進(jìn)行一系列信號(hào)處理并存儲(chǔ)處理結(jié)果，同時(shí)將信號(hào)根據(jù)分級(jí)要求進(jìn)行處理并將結(jié)果通過局域網(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(jiān)測數(shù)據(jù)庫。然后，分級(jí)信息被打包由以太網(wǎng)絡(luò)從檢測服務(wù)器傳送至分級(jí)服務(wù)器，而后組態(tài)軟件將顯示分級(jí)信息并核查，最后，通過MPI網(wǎng)絡(luò)將分級(jí)信息傳送至可編程序控制器，由其中的自動(dòng)化程序?qū)崿F(xiàn)所有檢測分級(jí)設(shè)備的自動(dòng)化控制。整個(gè)分級(jí)檢測系統(tǒng)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(tǒng)。圖7-4所示為組態(tài)控制界面，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度。
三、現(xiàn)場應(yīng)用
回收鉆桿自動(dòng)化在線檢測分級(jí)生產(chǎn)線，如圖7-5所示，它包含了鉆桿旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)化漏磁超聲復(fù)合無損檢測系統(tǒng)、基于激光測距測量原理的形位尺寸自動(dòng)化測量系統(tǒng)以及鉆桿自動(dòng)化分級(jí)裝備。控制系統(tǒng)采用了基于局域網(wǎng)、以太網(wǎng)、MPI網(wǎng)絡(luò)和Profibus-DP現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化控制方法，集成檢測信號(hào)和分級(jí)信息，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)線的自動(dòng)化集散控制。整套回收鉆桿檢測分級(jí)生產(chǎn)線的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)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。
