接箍報(bào)警器在帶壓作業(yè)中的應(yīng)用研究概況

倪驍驊，程 沖，劉 青

（1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

帶壓作業(yè)是指在井下有壓力的情況下進(jìn)行起、下油管的一種先進(jìn)的作業(yè)方式，它能有效地保護(hù)地層壓力，降低成本，保護(hù)環(huán)境。在起、下油管的過程中，防噴器的膠芯處于閉合狀態(tài)，當(dāng)有接箍通過時(shí)，為避免膠芯受到磨損，要求防噴器的膠芯打開，這時(shí)就要用接箍報(bào)警裝置進(jìn)行檢測。在帶壓作業(yè)過程中，接箍通過井口時(shí)，報(bào)警器可以提供一個(gè)準(zhǔn)確的報(bào)警信號(hào)，使閘板防噴器按起、下油管的順序打開或關(guān)閉閘板密封副，使管接箍能安全地通過井口，實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)的智能化和自動(dòng)化，提高帶壓作業(yè)的效率。

1 接觸式接箍探測報(bào)警器

接觸式報(bào)警器是隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展起來的，并已被廣泛運(yùn)用于帶壓作業(yè)的接箍探測。它一般是通過探頭和接箍的相對(duì)位移或接觸應(yīng)力的變化來產(chǎn)生信號(hào)，并傳遞給傳感器進(jìn)行處理，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過計(jì)算機(jī)的分析處理后，再進(jìn)行聲光報(bào)警。

1975年，B.R.Watson研制了一種接觸式接箍報(bào)警器［1］。把報(bào)警器裝置安裝在油管上，油管沿井口向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以順序重復(fù)標(biāo)記許多鄰近接箍，將地面指重表與油管相連來監(jiān)控油管整體重量。當(dāng)指重表上所顯示的重量開始變化時(shí)，表明探測到了接箍。

21世紀(jì)初，東北石油大學(xué)研制了一種帶壓作業(yè)油管接箍的探測報(bào)警器［2］。在帶壓作業(yè)過程中，當(dāng)接箍通過井口時(shí)，能探測到接箍信號(hào)并能夠給予準(zhǔn)確的報(bào)警。如圖1所示，帶壓作業(yè)過程中，油管進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)經(jīng)過報(bào)警裝置時(shí)，由于其直徑比兩個(gè)滾輪之間的距離要小，不會(huì)觸碰到滾輪，即不會(huì)對(duì)滾輪產(chǎn)生徑向的作用力，因而探測連桿不會(huì)產(chǎn)生位移，傳感器也不會(huì)發(fā)出信號(hào)而報(bào)警。而當(dāng)管接箍通過時(shí)，由于接箍有凸出的特點(diǎn)，其直徑大于兩探測滾輪之間的距離，因而會(huì)接觸到滾輪，將滾輪沿徑向推動(dòng)，確保接箍能順利通過井口，同時(shí)接箍接觸產(chǎn)生的推力壓縮探測柱塞的預(yù)壓彈簧，使探測柱塞產(chǎn)生軸向的位移，該位移通過傳感器的探測連桿進(jìn)行傳遞，使得其進(jìn)入傳感器的檢測范圍，進(jìn)而發(fā)出檢測信號(hào)，同時(shí)也進(jìn)行聲光報(bào)警，證明此刻檢測到了接箍的位置。

圖1 接觸式接箍報(bào)警探測裝置

不過，由于接觸式接箍報(bào)警器的精度比較低，受環(huán)境的影響比較大，且探測滾輪與接箍之間存在應(yīng)力接觸與碰撞，產(chǎn)生的摩擦力與撞擊力會(huì)對(duì)滾輪和接箍造成很大的磨損，因而，此種探測方法也需要改進(jìn)。

2 電磁式接箍探測報(bào)警器

20世紀(jì)初以來，電磁探測方法［3］在礦產(chǎn)資源的深度和精度的探測方面應(yīng)用比較廣泛，也是帶壓作業(yè)中應(yīng)用較早較成熟的一種探測方法。其主要原理就是探測磁場在通過套管接箍位置時(shí)，對(duì)磁通量所發(fā)生的變化進(jìn)行識(shí)別和檢測，進(jìn)而探測到接箍的位置。在起、下油管的過程中，由于油管是均勻的，通過鐵芯的磁通量不會(huì)發(fā)生改變，感應(yīng)線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；而當(dāng)接箍通過時(shí)，探測器移動(dòng)到接箍的空隙位置時(shí)，探測器和接箍之間的間隙變大，磁力線通過路徑的磁阻增加，使通過線圈的磁通量發(fā)生變化，由電磁感應(yīng)定律可知在線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢，因此可通過線圈兩端電動(dòng)勢變化來識(shí)別接箍位置。

近年來，沈陽新松自動(dòng)化公司也研制了一種利用檢測線圈來進(jìn)行探測的新型裝置［4］，該裝置可以實(shí)時(shí)掌握井下油管的運(yùn)行情況，方便工作人員控制，并為自動(dòng)化提供前提條件，提高了帶壓作業(yè)的安全性。該裝置主要由內(nèi)圓筒、外圓筒、檢測線圈和電氣控制單元等組成。如圖2所示，內(nèi)、外圓筒之間有檢測線圈，檢測線圈1主要由一組原端線圈和兩組次端線圈組成，檢測線圈的電氣接頭與電氣控制單元6相連。傳感器驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)加到檢測線圈的原端線圈7上，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場，而次端線圈8便可在這個(gè)磁場中產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢，油管勻速通過圓筒4時(shí)就可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定變化的磁場。而對(duì)于接箍，由于油管和接箍的厚度不同，對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響也就不同，因而次端線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)這個(gè)原理，信號(hào)放大處理電路就可以檢測出內(nèi)圓筒中是油管還是接箍。將采集到的接箍檢測信號(hào)經(jīng)過放大處理濾波后發(fā)送給控制器，然后由控制器發(fā)出上下閘板打開和關(guān)閉命令，確保接箍順利通過，提高了帶壓作業(yè)的安全性。

圖2 電磁式接箍探測報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖

不過，由于外部工頻電源的瞬時(shí)不穩(wěn)定性［5］，以及工作現(xiàn)場的油污和金屬材質(zhì)等因素的影響，還要考慮到被測物體的形狀、振動(dòng)、運(yùn)行速度等方面的因素，可能會(huì)對(duì)油管接箍產(chǎn)生一定的探測誤差。

3 接箍報(bào)警器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題及解決方案

3.1 合理選擇接箍和滾輪的材料

采用接觸式的接箍報(bào)警器，接箍和探測滾輪經(jīng)常會(huì)發(fā)生摩擦，從而造成其磨損和破壞，減少了其使用壽命，所以合理選擇材料來避免磨損是一個(gè)關(guān)鍵性問題［6］。此材料最好具備一定的耐磨性，還要考慮其動(dòng)摩擦因數(shù)、抗沖擊性能與強(qiáng)度，而且最好有較大的溫度工作范圍和抗腐蝕性，目前用的較多的材料是ZCrNiMo。

3.2 設(shè)計(jì)油管扶正裝置

采用接觸式的接箍報(bào)警器，在井中管柱偏離井口中心較大的情況下［7］，管柱會(huì)觸碰到探測滾輪，探測裝置會(huì)發(fā)生誤報(bào)信號(hào)，因此該接箍報(bào)警器對(duì)工作條件有較嚴(yán)格的要求。所以要設(shè)計(jì)一個(gè)油管扶正裝置，使得油管能沿其軸線直線運(yùn)動(dòng)，不會(huì)因?yàn)橹亓蝿?dòng)等原因偏離其軸線而造成誤報(bào)警。經(jīng)研究，在接箍報(bào)警器附近安裝一個(gè)扶正裝置，將油管柱控制在井口中心沿其軸線的位置，這樣可以解決接箍探測裝置的誤報(bào)警問題。油管扶正裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

3.3 接箍檢測信號(hào)的提取

采用電磁式的接箍報(bào)警器，由于帶壓作業(yè)環(huán)境異?？量蹋錆M著許多泥沙、石子、油污等雜質(zhì)，對(duì)信號(hào)的提取會(huì)有一個(gè)極大的影響，因此接箍報(bào)警器能否準(zhǔn)確報(bào)警也是亟待解決的問題。所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路檢測系統(tǒng)，使控制電路與帶壓作業(yè)系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)軟硬件與系統(tǒng)的集成，即使在有油污、砂石等惡劣環(huán)境條件下也能進(jìn)行準(zhǔn)確的報(bào)警。

圖3 油管扶正裝置示意圖

4 接箍報(bào)警器的應(yīng)用前景

與傳統(tǒng)的修井作業(yè)相比，帶壓作業(yè)作為一種先進(jìn)的井下作業(yè)方式，可以保護(hù)原始地層壓力，提高油層的采收率，最大限度地降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，改善作業(yè)環(huán)境，降低多次重復(fù)壓井的成本，實(shí)現(xiàn)安全快速生產(chǎn)和清潔施工，因此，帶壓作業(yè)技術(shù)必將成為修井作業(yè)的重要方式［8］。而接箍報(bào)警器在帶壓作業(yè)中的應(yīng)用又給修井工作帶來了極大的方便，不僅減少了防噴器膠芯的磨損，延長了膠芯的使用壽命，而且大大提高了帶壓作業(yè)的安全性和可靠性。目前，接箍報(bào)警器廣泛運(yùn)用于大慶油田、勝利油田和遼河油田等各大油田［9］的帶壓作業(yè)中，提高了作業(yè)效率及自動(dòng)化程度，有很好的推廣前景。但是由于油井現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣，要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化［10］還有許多工作要做。從本文所講述的兩種主要的接箍報(bào)警器的發(fā)展情況來看，雖然給帶壓作業(yè)帶來極大方便，但同時(shí)也存在不足和缺陷，還需要我們不斷地去改進(jìn)和完善，以期得到更好的效果，從而給油田提供更經(jīng)濟(jì)、安全、高效的帶壓修井設(shè)備。

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