海上套管切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

王俊姬 鞠少棟 王新濤 王世強(qiáng)

【摘 要】 高壓磨料射流切割技術(shù)已經(jīng)成為海上油氣生產(chǎn)設(shè)施棄置的有效手段，但是對(duì)于切割效果的判斷僅能依靠經(jīng)驗(yàn)，無法準(zhǔn)確獲取井下切割情況。依托公司現(xiàn)有的超高壓磨料射流切割技術(shù)，自主研制一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效地監(jiān)測(cè)井下套管切割狀況，并準(zhǔn)確判斷套管是否完全切透，提高了切割效率。

【關(guān)鍵詞】 水下切割 聲波檢測(cè) 數(shù)據(jù)采集

目前，中海油所擁有的部分工程設(shè)施按設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到或接近拆除期，到2020年，幾乎所有2002年以前建設(shè)的油氣田，都將進(jìn)入廢棄期。由于廢棄井口往往由多層套管和隔水管膠結(jié)在一起且可能存在偏心，并且需要在海床以下5m處進(jìn)行切割，因此磨料射流切割技術(shù)成為廢棄井口與隔水管切割的有效手段[1]。但是對(duì)于切割效果的判斷僅能依靠經(jīng)驗(yàn)，無法準(zhǔn)確獲取井下切割情況。本文以水下切割套管聲波監(jiān)測(cè)為研究重點(diǎn)，開展在強(qiáng)背景噪聲下微弱信號(hào)處理技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效地監(jiān)測(cè)井下套管切割狀況，并準(zhǔn)確判斷套管是否完全切透。該系統(tǒng)可與中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司自主研發(fā)的高壓磨料射流切割系統(tǒng)配套使用，顯著提高了切割效率，降低作業(yè)成本，應(yīng)用前景廣闊。

1 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磨料撞擊套管過程中的聲波和振動(dòng)信號(hào)，并通過提供的多種信號(hào)處理方法，消除外部干擾信號(hào)的影響，獲取套管是否被切透的相關(guān)信息，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，離線回放現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分：PC機(jī)、機(jī)箱、傳感器、井下轉(zhuǎn)接盒和監(jiān)測(cè)軟件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)磨料撞擊套管管壁信號(hào)的采集及其預(yù)處理。其中，井下轉(zhuǎn)接盒用于將傳感器自帶信號(hào)傳輸線與八芯同軸電纜進(jìn)行連接，將信號(hào)傳輸?shù)降孛鏅C(jī)箱進(jìn)行預(yù)處理，并需保證防水性、抗壓性、體積等方面適用于100米水深的海洋環(huán)境，地面機(jī)箱由電源、電荷放大器、單片機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的預(yù)處理。

2 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為井上系統(tǒng)和井下系統(tǒng)兩部分，井上系統(tǒng)和井下系統(tǒng)由電纜相互連接，井下系統(tǒng)包含5個(gè)傳感器，分別為兩個(gè)聲波傳感器、一個(gè)振動(dòng)傳感器、一個(gè)壓力傳感器和一個(gè)角度傳感器，其中聲波傳感器、振動(dòng)傳感器和壓力傳感器是無源傳感器，僅將信號(hào)線和地線連接到安裝在井下切割工具的井下接線盒中。井下接線盒另一端接出8芯同軸電纜，該同軸電纜可與另一段8芯同軸電纜用防水16芯接頭相連， 8芯同軸電纜另一端同樣通過16芯接頭連接到地面機(jī)箱。角度傳感器單獨(dú)通過一個(gè)4芯電纜與地面機(jī)箱相連，其中1路用于給角度傳感器供電，另外3路用于RS485通信。井下系統(tǒng)還包括一個(gè)井下轉(zhuǎn)接盒，主要用于將傳感器自帶信號(hào)傳輸線與八芯同軸電纜進(jìn)行連接，將信號(hào)傳輸?shù)降孛鏅C(jī)箱進(jìn)行預(yù)處理，并需保證防水性、抗壓性、體積等方面適用于100米水深以上的海洋環(huán)境。

井上系統(tǒng)由地面機(jī)箱和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成，地面機(jī)箱主要由電源、電荷放大器、單片機(jī)組成，開關(guān)電源給3個(gè)電荷放大器和單片機(jī)供電，電荷放大器與16芯插頭相連，將放大的聲波傳感器振動(dòng)傳感器和壓力傳感器信號(hào)放大后傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將這幾路信號(hào)收集后并與角度傳感器的數(shù)據(jù)匯總到一起，通過USB線傳遞給上位機(jī)。

3 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件主要是由LabVIEW語言編寫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，該軟件對(duì)由單片機(jī)發(fā)送到串口上的信息進(jìn)行收集分析，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果顯示在界面上。

數(shù)據(jù)保存模塊將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的保存，采用的是自動(dòng)保存方式。數(shù)據(jù)處理模塊通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與相應(yīng)的處理，通過指示燈和蜂鳴器進(jìn)行切斷與未切斷的顯示。數(shù)據(jù)處理模塊下面包含處理方法選擇設(shè)置、濾波器參數(shù)設(shè)置、小波變換參數(shù)設(shè)置三個(gè)模塊。處理方法選擇中有五種處理方法進(jìn)行選擇，五種方法為小波方法、巴特沃斯方法、小波+巴特沃斯方法、巴特沃斯+小波方法以及時(shí)域分析方法等。此外，采用相應(yīng)的處理方法后，需要進(jìn)行相應(yīng)的濾波器參數(shù)的設(shè)置及小波變換參數(shù)的設(shè)置。

信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)包括3路信號(hào)，分別是出砂信號(hào)、流量、壓力。采集管道中流體的實(shí)時(shí)流量，為計(jì)算出砂量所用；壓力測(cè)量是為了檢測(cè)管道中流體對(duì)管壁的壓力，及時(shí)提供過壓報(bào)警信息，因?yàn)槌碛土鲃?dòng)性差，以防管道堵塞，引起壓力過大產(chǎn)生危險(xiǎn)。

4 水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面試驗(yàn)

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，井下系統(tǒng)運(yùn)行良好，各個(gè)傳感器工作正常，性能穩(wěn)定，有效的監(jiān)測(cè)到了相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)和聲波信號(hào)。井上系統(tǒng)的地面機(jī)箱在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境下工作正常，機(jī)箱內(nèi)部電路性能穩(wěn)定，安裝在切割工具上的兩路聲波傳感器能夠監(jiān)測(cè)相應(yīng)的超聲波信號(hào)，并由機(jī)箱進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波、放大等預(yù)處理，然后傳遞給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件上的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，識(shí)別后提取有用的切割信號(hào)，利用模型計(jì)算出切割進(jìn)度等，并將信號(hào)及相應(yīng)的切割進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)而判斷切割狀況。

磨料射流噴射到水中檢測(cè)到的聲波信號(hào)及其處理后的功率譜和頻譜如圖1所示，該聲波頻率為450Hz左右，而磨料射流撞擊套管檢測(cè)到的聲波信號(hào)及其處理后的功率譜和頻譜如圖2所示，該聲波頻率增加到1550Hz左右。聲波信號(hào)處理軟件顯示結(jié)果表明整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，可應(yīng)用于井下切割套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

結(jié) 論

本文針對(duì)海上油氣井套管切割作業(yè)開發(fā)了一套水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水下切割套管試驗(yàn)聲波采集測(cè)試表明磨料射流撞擊套管聲波頻率明顯大于其在水中運(yùn)動(dòng)的聲波頻率，水下切割監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，可應(yīng)用于井下切割套管現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張曉， 馬春杰， 崔航等. 高壓水磨料射流內(nèi)切割技術(shù)的廢棄平臺(tái)拆除應(yīng)用[J]. 船舶設(shè)計(jì)與建造， 2012， 35（8）： 23-25.

作者簡(jiǎn)介：王俊姬（1983-），女，山東煙臺(tái)人，工程師，從事海洋石油鉆完井工藝技術(shù)及配套工具研究。