連續(xù)管起出報(bào)警裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳大飛，李鵬飛，張三坡，周忠城，楊 高

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000)

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連續(xù)管起出報(bào)警裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳大飛，李鵬飛，張三坡，周忠城，楊 高

(中國(guó)石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院 江漢機(jī)械研究所，湖北 荊州 434000)

連續(xù)管入井深度受到測(cè)量裝置的精度、連續(xù)管變形等因素的影響。特別是連續(xù)管累計(jì)起下行程越大時(shí)，其誤差可能就越大，導(dǎo)致連續(xù)管起出井口時(shí)，操作人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷其實(shí)際位置，易將連續(xù)管抽離防噴盒或攜帶的工具掉落井中。目前，有一種連續(xù)管起出報(bào)警裝置在少數(shù)油田使用，但技術(shù)還不成熟，使用過(guò)程中存在滾輪偏磨、誤報(bào)警、漏報(bào)警、控制電路不穩(wěn)定等問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有裝置，進(jìn)行了滾輪總成、傳感器總成、推桿總成和電路系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。應(yīng)用表明，改進(jìn)后的連續(xù)管起出報(bào)警裝置安裝操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、無(wú)誤報(bào)警、漏報(bào)警的情況發(fā)生，提高了連續(xù)管井下作業(yè)的安全性。

連續(xù)管；報(bào)警裝置；改進(jìn)設(shè)計(jì)

連續(xù)管作業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其占地面積小、作業(yè)效率高、適用工藝范圍廣。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大油田相繼購(gòu)置了連續(xù)油管作業(yè)機(jī)及其附屬設(shè)備，并得到了廣泛推廣和應(yīng)用[1-2]。隨著連續(xù)管技術(shù)的推廣應(yīng)用，連續(xù)管作業(yè)的安全問(wèn)題成了用戶的關(guān)注焦點(diǎn)[3]，特別是如何安全進(jìn)行帶壓作業(yè)。目前連續(xù)管作業(yè)機(jī)在沖沙、排液、解堵、拖動(dòng)酸化、采油等作業(yè)中[4-7]，通常是通過(guò)注入頭深度編碼器或滾筒機(jī)械式計(jì)數(shù)器記錄連續(xù)管起下總深度，存在一定的計(jì)數(shù)誤差，而且起下總深度越大，誤差可能就越大，最終無(wú)法判斷準(zhǔn)確的起升位置，導(dǎo)致連續(xù)管起出防噴盒或工具落入井中等類似事故發(fā)生。為了減少這類事故的發(fā)生，作業(yè)時(shí)通常會(huì)在井口安裝連續(xù)管起出報(bào)警裝置，用以預(yù)警連續(xù)管到達(dá)井口位置。目前，國(guó)內(nèi)少數(shù)油田使用的報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)了基本報(bào)警功能，但還是存在報(bào)警不準(zhǔn)確、易誤報(bào)警或漏報(bào)警、探頭受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響大、探頭經(jīng)常不能自動(dòng)復(fù)位、帶壓作業(yè)時(shí)易誤報(bào)警、適應(yīng)連續(xù)管通徑范圍小、數(shù)據(jù)線易損壞，尼龍滾輪易磨損等問(wèn)題[8]。為了解決目前裝置存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提高起出報(bào)警裝置的安全性和可靠性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況和要求，對(duì)報(bào)警裝置的滾輪總成、傳感器總成、推桿總成和控制電路系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

連續(xù)管起出報(bào)警裝置主要由本體、滾輪總成、推桿總成、傳感器總成等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—本體；2—滾輪總成；3—推桿總成；4—傳感器總成；5—報(bào)警終端；6—數(shù)據(jù)線。

本體是連續(xù)管起出報(bào)警裝置的主要承壓件，采用上下端均為法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承受高壓更可靠。作業(yè)通徑103 mm，適應(yīng)連續(xù)管管徑的范圍更廣。

滾輪總成由滾輪、軸承、銷軸和安裝座組成，滾輪采用碳鋼材質(zhì)，經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，不傷連續(xù)管表面。選用金屬密封結(jié)構(gòu)的自潤(rùn)滑軸承，抗抗污染能力和潤(rùn)滑效果良好。該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有報(bào)警裝置滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活、滾輪偏磨嚴(yán)重的問(wèn)題。

推桿總成主要由安裝座、推桿、彈簧、密封圈等組成，安裝座與本體通過(guò)螺栓連接。推桿上設(shè)計(jì)有斜面臺(tái)階，可推動(dòng)傳感器頂桿上下運(yùn)動(dòng)，從而觸發(fā)傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警終端蜂鳴報(bào)警。推桿上設(shè)計(jì)有通孔，其作用是使頂桿兩端壓力平衡，避免推桿因井口壓力而不能自動(dòng)復(fù)位，觸發(fā)傳感器發(fā)出誤報(bào)警信號(hào)。

在工程應(yīng)用中，現(xiàn)有報(bào)警裝置的傳感器受使用環(huán)境和介質(zhì)的影響較大。針對(duì)實(shí)際使用情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)的報(bào)警裝置選用了電渦流傳感器[9]，具有靈敏度高、抗污染、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)影響等特點(diǎn)，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸位移、軸振動(dòng)、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，并且被擴(kuò)展到衛(wèi)星發(fā)射、材質(zhì)鑒定、稱重測(cè)量、金屬板厚測(cè)量、材料形變測(cè)量等應(yīng)用領(lǐng)域。電渦流傳感器主要由探頭、安裝座、頂桿、彈簧、密封墊等組成，傳感器與探頭之間的距離可根據(jù)作業(yè)工況需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢測(cè)精度可達(dá)到0.1 mm。安裝座與推桿總成通過(guò)螺紋和密封墊連接，有效防止污染物進(jìn)入腔體。數(shù)據(jù)線與傳感器采用航空插頭連接，并設(shè)計(jì)有防護(hù)罩，有效防止了數(shù)據(jù)線易損壞的問(wèn)題。

報(bào)警終端采用監(jiān)控一體化電渦流傳感器信號(hào)設(shè)計(jì)，內(nèi)部電路元件采用耐震抗沖擊設(shè)計(jì)。當(dāng)起出2個(gè)傳感器都檢測(cè)到被測(cè)物體之間的位移達(dá)到2 mm時(shí)，發(fā)出蜂鳴聲，串聯(lián)電路設(shè)計(jì)可有效防止誤報(bào)警。監(jiān)控儀設(shè)計(jì)有報(bào)警、停機(jī)LED指示燈，蜂鳴聲持續(xù)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際工況需求設(shè)置。

2 主要技術(shù)參數(shù)

垂直通徑 ?103 mm

額定工作壓力 70 MPa

滾輪行程 27 mm

工作電壓 DC 24 V

輸出電流 4～20 mA

防護(hù)等級(jí) ≥IP56

接近開關(guān)型式 防爆常開(或常閉)型

工作溫度 -29～121 ℃

工作環(huán)境 含H2S的原油、天然氣、水等(抗硫等級(jí)EE級(jí))

3 工作原理

正常作業(yè)時(shí)，連續(xù)管起出報(bào)警裝置上法蘭連接防噴器，下法蘭連接井口裝置，傳感器與報(bào)警終端通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。下連續(xù)管前開啟監(jiān)控儀電源，閉合蜂鳴器開關(guān)，報(bào)警終端蜂鳴聲。啟動(dòng)注入頭進(jìn)行下管作業(yè)，當(dāng)連續(xù)管通過(guò)起出報(bào)警裝置滾輪總成時(shí)，總成水平移動(dòng)，蜂鳴器聲音停止。作業(yè)完成后，起出連續(xù)管，當(dāng)連續(xù)管末端脫離報(bào)警裝置滾輪總成時(shí)，總成在推桿總成彈簧的作用下恢復(fù)初始位置，傳感器總成的頂桿下移，報(bào)警終端蜂鳴聲響，表明連續(xù)管已完全起出井口，控制原理如圖2。

圖2 連續(xù)管作業(yè)報(bào)警裝置控制原理

碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)報(bào)警裝置的啟動(dòng)步驟與連續(xù)管作業(yè)一致，但報(bào)警方式相反。當(dāng)碳纖維桿扶正塊推動(dòng)滾輪水平移動(dòng)時(shí)，頂桿上移，傳感器探頭距離發(fā)生變化，觸發(fā)報(bào)警終端報(bào)警，蜂鳴聲響，此時(shí)終端給注入頭方向電控控制手柄輸出斷電信號(hào)，注入頭動(dòng)力泵電磁閥失電，斜盤回中位，無(wú)壓力輸出，注入頭自動(dòng)停機(jī)，方便拆卸碳纖維桿扶正塊。重復(fù)以上步驟，直至所有扶正器拆卸完成?？刂圃砣鐖D3。

圖3 碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)報(bào)警裝置控制原理

4 關(guān)鍵技術(shù)

1) 滾輪采用碳鋼材質(zhì)，表面特殊工藝處理，耐磨的同時(shí)不傷連續(xù)管。采用自潤(rùn)滑金屬密封軸承設(shè)計(jì)，解決了不耐磨、偏磨和抗污染能力差的技術(shù)難題。

2) 推桿設(shè)計(jì)壓力平衡孔，避免因井內(nèi)壓力造成的誤報(bào)警。

3) 推桿增加了密封圈，避免污染物進(jìn)入腔體，提高了報(bào)警裝置的抗污染能力。

4) 推桿彈簧優(yōu)化了選型，提高了推桿自動(dòng)復(fù)位能力。

5) 采用電渦流傳感器，提高了裝置的靈敏度，抗干擾能力。

6) 傳感器探頭間距采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得本裝置的信號(hào)檢測(cè)精度提高到 0.1 mm，非常適用于碳纖維這種薄型帶狀結(jié)構(gòu)的探測(cè)。

7) 傳感器數(shù)據(jù)電纜線采用航空插頭連接，獨(dú)立線盤纏繞，不易損壞且方便存放。

8) 終端內(nèi)部電路采用耐震抗沖擊設(shè)計(jì)，提高了作業(yè)安全性和運(yùn)輸可靠性。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證報(bào)警裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用效果，2015-04—05在江漢機(jī)械研究所試驗(yàn)井場(chǎng)與連續(xù)管作業(yè)機(jī)和碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)機(jī)進(jìn)行了配套應(yīng)用試驗(yàn)，配套的連續(xù)管規(guī)格尺寸為直徑50.8 mm，壁厚4 mm，長(zhǎng)度1 500 m；碳纖維桿規(guī)格尺寸為寬度30 mm，厚度4.2 mm，長(zhǎng)度600 m。連續(xù)管試驗(yàn)情況如表1，碳纖維桿試驗(yàn)情況如表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)的連續(xù)管起出報(bào)警裝置良好解決了滾輪不耐磨、偏磨，易誤報(bào)警、漏報(bào)警等問(wèn)題，整體安裝簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表1 連續(xù)管試驗(yàn)情況

表2 碳纖維桿試驗(yàn)情況

6 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)管起出報(bào)警裝置的性能對(duì)連續(xù)管現(xiàn)場(chǎng)安全作業(yè)起著至關(guān)重要的作用。目前只在室內(nèi)和試驗(yàn)井場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)性能方面的試驗(yàn)，取得了良好的試驗(yàn)效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果，還需要在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的配套應(yīng)用，為報(bào)警裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供可靠依據(jù)。另外，為了適應(yīng)大管徑連續(xù)管技術(shù)發(fā)展，還需在目前的基礎(chǔ)上研發(fā)配套的報(bào)警裝置，為大管徑連續(xù)管技術(shù)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

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[9] 錢顯毅.傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Improvement of CT Pulling Out Warning Device

WU Dafei，LI Pengfei，ZHANG Sanpo，ZHOU Zhongcheng，YANG Gao

(JianghanMachineryResearchInstitute，DrillingResearchInstitute，CNPC，Jingzhou434000，China)

During the operation，CT depth is affected by the measuring accuracy and CT deformation.Especially when the CT total footage becomes large，the inaccuracy will be more，therefore the operator is not able to know the actual depth of the coiled tubing when running out the tubing，then the coiled tubing will be easily pulled out of the stripper or the attached tools fall down into the hole.There is a kind of run-out warning device being used in few oilfields currently，but it is immature，with the problems of roller wear，false alarm，missing alarm and unstable control circuit.Based on the existed device，this article optimizes the roller assembly，transducer assembly，push rod assembly and the circuit system.The application has shown that the improved run-out warning device is with the advantages of simple operation，high sensitivity，stable running，and it eliminates the false alarm and missing alarm，thus the safety performance of CT downhole operation has been highly improved.

coiled tubing；warning device；improvement design

2016-05-11

中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專項(xiàng)“碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿制造技術(shù)開發(fā)及油田應(yīng)用試驗(yàn)”(2013F-1301)；中國(guó)石油集團(tuán)重大工程技術(shù)推廣項(xiàng)目“連續(xù)管作業(yè)技術(shù)推廣專項(xiàng)”(20120811)

吳大飛(1983-)，男，江西上饒人，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事連續(xù)管裝備的生產(chǎn)研究工作，E-mail：wudaf@cnpc.com.cn。

1001-3482(2016)11-0063-04

TE933.803

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.014