疯了？拉曼光谱监测钻探设备的潜在性故障？

2022-12-13 02:24:15 奥谱天成（厦门）光电有限公司

我们都知道拉曼光谱技术通常用于物质分析，可是如果用来监测设备的潜在性故障，这可行吗？原理如何？又该如何实现？

图1 海洋石油钻探（来源网络）

石油资源分布广泛，其中海上石油最为丰富。由于钻探设备工作在海上，其损耗大，很容易发生各种故障问题。在此背景下，钻探设备潜在性故障的监测工作十分重要。

设备故障监测常用的方法主要有3种：

1、基于无线通信的洗选厂设备在线监测系统；

2、基于振动特征估计的 GIS 设备故障检测系统；

3、基于光学灰度图像辨识的系统故障诊断方法。
这三种方法虽然都能达到故障监测目的，但是前提是故障必须较为明显，而针对不明显的潜在性故障问题，其监测效果相对较差。
激光拉曼光谱是一种振动光谱技术，通过分子振动引发的拉曼效应，可以对钻探设备的油气特征进行很好地识别，以分辨故障。只要钻探设备发生一点潜在的、未明显故障征兆时，钻探设备的油气特征都会有相应的变化。

完成一次钻探设备油气采集，就会进入与之相连的激光拉曼光谱仪当中，进行拉曼效应分析。在这里采用的激光拉曼光谱仪为 ATR8000 型全自动高通量拉曼光谱仪。

该仪器的优势在于采用高精度二维平台，全自动扫描检测技术，将原始手工操作过程中的拉曼检测、结果计算、判断、显示和打印结果等步骤全部或者部分自动运行; 一次最多可以检测 100 种样品，支持多种照射方式; 采用高安全 Android 操作系统，具备热敏打印机、条形码扫描仪、USB 接口、WIFI，并可以选配 4G 通讯模块，可以直接将测量结果直接打印或通过网络报送监管中心。
激光拉曼光谱仪完成油气分析后，将数据通过网络报送到远程监管中心传输到监管中心单元，进行进一步的潜在性故障诊断。

图2 油气分析程序

基于图 2 油气分析程序，最终得到拉曼效应光谱图通过该光谱可以探测钻探设备油气包含的物质信息，如元素、成分、分子取向、结晶状态等，其对应关系如下表 1 所示。

表1 拉曼效应光谱图对应关系表

正因为存在上述关系，可以通过拉曼效应光谱图得出油气特征数据。通过该数据，结合分类诊断算法，可以进行故障诊断。

图3 故障监测结果

从图 3 中可以看出，相同测试条件下，与其他三种故障监测系统相比，所设计系统应用下，训练误差在 8%左右，训练误差更小，诊断准确率在 90%左右，诊断准确率更高，说明所设计系统监测效果更好。

图4 不同系统监测时间对比

基于上述故障检测结果，为了保证实验结果的科学性，进行不同方法监测时间对比，加强实验结果的说服力。具体对比结果如图 4 所示。从图 3 中可以看出，所设计系统监测时间最高仅为 1. 4 ms，而三种故障监测系统的监测时间最高分别为 3. 9 ms、5. 0 ms、6. 3 ms。
综上所述，所设计系统可以发挥更好的性能，通过激光拉曼光谱完成油气分析后，进行进一步的潜在性故障诊断，可以避免故障带来的过大损失，提高海洋石油钻探工作质量。

○ 文章内容节选自《激光杂志》Vol. 43，No. 8，刘振方，何伟等，基于激光拉曼光谱的海洋石油钻探设备潜在性故障监测系统

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