內(nèi)窺鏡在井口裝置檢查中的應用研究

宮兆波 尼加提·賽買提 邱福壽 王天榮 薛少華

【摘 要】針對油田井口裝置在內(nèi)窺鏡檢測中存在的問題，文章提出一套內(nèi)窺鏡推送裝置并應用到井口裝置檢查中。內(nèi)窺鏡推送裝置集內(nèi)窺鏡部件裝置、清洗裝置、防氣體、污水泄漏密封墊片、管內(nèi)缺陷區(qū)域部位位置標定、內(nèi)窺鏡圖像顯示于一體，可以實現(xiàn)和管口密閉連接，防止污染物外泄，并將內(nèi)窺鏡檢測和內(nèi)壁清洗裝置集成在推送裝置內(nèi)。在裝置中，選用了扭力大、控制精準、能耗低、驅(qū)動電路相對簡單的步進電機作為滾珠絲杠的驅(qū)動電機，提升了內(nèi)窺鏡推送裝置精度和剛性等。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)窺鏡;井口裝置;滾珠絲杠;驅(qū)動電機;推送裝置

【中圖分類號】TP301 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）02-0123-04

0 引言

井口裝置作為監(jiān)控井口壓力和控制產(chǎn)出物流量的關(guān)鍵裝置[1]，油氣介質(zhì)溫度高、壓力大且含有硫化氫、二氧化碳、氯化物和出砂等現(xiàn)象，使得井口裝置長期在高溫、高壓的極端環(huán)境下工作，極易造成各部件的密封面及通道的金屬腐蝕、沖蝕等問題，導致油田生產(chǎn)存在嚴重的安全隱患，因此需要研究準確、有效的井口裝置檢測方法和手段。

新疆油田公司2015年開始開展在用高風險井口裝置檢測評價工作，目前已完成稠油熱采井、天然氣井等700余井次的檢測評價，初步形成一套適用于井口裝置的在線檢測方法，但無有效的驗證方法。隨著油氣田開發(fā)逐步擴大，需要加強在用井口裝置的現(xiàn)場檢測和風險評估，提高檢測準確性。因此，需要研究適宜且先進的檢測手段和方法;針對井口裝置本體等部件尤其形結(jié)構(gòu)（如注汽六通兩翼反液出口）、高壓天然氣井井口異徑接頭、承壓本體、彎頭、閥門內(nèi)漏等部位，開展內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)的研究，研制內(nèi)窺鏡檢測裝置，實現(xiàn)內(nèi)壁實時成像和數(shù)據(jù)存儲，驗證外壁檢測技術(shù)的可靠性和準確性，提升在用井口裝置檢測技術(shù)水平。

針對井口裝置的檢測[2]，目前主要采用停產(chǎn)后對采氣井口部件進行檢測的方式，國內(nèi)外常用的檢測方法主要有以下3種。

（1）聲發(fā)射檢測方法。利用安放于井口相關(guān)機械裝置表面的先進傳感器，測量關(guān)鍵裝置部件在工作過程中出現(xiàn)的形變、斷裂或相互作用力超過屈服極限導致的沖擊能，從而在線獲取由材料或零部件缺陷導致的傳感器信號，接著將采集的信號進行實時監(jiān)測、分類，估計材料或零部件內(nèi)部缺陷的定位、類型和嚴重程度。

（2）超聲相控陣檢測方法。該技術(shù)的主要原理是利用超聲波反射或透射實現(xiàn)二維成像，主要適用于檢測管壁的內(nèi)傷及管壁厚度，優(yōu)點是檢測準確度和可信度高;缺點是超聲波裝置復雜、檢查速度慢，要求檢測物體均勻平滑，對復雜外形的油井口內(nèi)部檢測存在一定的局限性。

（3）管道機器人檢測方法。管道機器人主要是檢查大口徑管道，而對油井口也是無法檢查。工業(yè)內(nèi)窺鏡[3]自出現(xiàn)之日起就在石油化工、工業(yè)機械、電子電氣工業(yè)、航空航天、有毒有害的環(huán)境等管道內(nèi)表面的檢測等領(lǐng)域獲得大量的應用[4-7];它集光、機、電、圖像處理軟件于一體，內(nèi)窺鏡采集到的圖像紋理較為細致，能夠肉眼識別出問題點。同時，如果使用商業(yè)探傷部位圖像輔助軟件，則可對圖像抓取、縮放、存儲或者打印輸出，從而準確定位管道內(nèi)壁探傷的位置，具有位置標定準確、檢測速度快、效率高的特點。如何將先進的內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)應用到油井的井口裝置，將是本研究要重點分析的問題。

1 問題表述及研究思路

油田井口裝置在內(nèi)窺鏡檢測中需要解決的幾個問題。

（1）井口裝置的管子直徑不一致，變化范圍大，從φ45 mm到φ180 mm不等。

（2）內(nèi)壁缺陷部位區(qū)域可能有油垢覆蓋，影響內(nèi)窺鏡檢測，因此油垢物的清洗問題需要解決。

（3）油垢物的清洗中要防止污物撒漏，避免污染環(huán)境。

（4）檢測工作中，如何防止井內(nèi)有毒、有害、易燃氣體的泄漏及對人體的傷害。

（5）現(xiàn)場無電源，如何解決檢查過程中的電源供應。井口裝置如圖1所示。

為解決以上問題，本研究設計了一套集內(nèi)窺鏡部件裝置、清洗裝置、防氣體、污水泄漏密封墊片、管內(nèi)缺陷區(qū)域部位位置標定、內(nèi)窺鏡圖像顯示于一體的內(nèi)窺鏡推送裝置。

2 內(nèi)窺鏡推送裝置及應用

內(nèi)窺鏡推送裝置要能實現(xiàn)以下功能要求：與管口密閉連接，防止污染物外泄;將內(nèi)窺鏡檢測和內(nèi)壁清洗裝置集成在推送裝置內(nèi)。如圖2所示，內(nèi)窺鏡組件和清洗組件在Y方向移動切換，實現(xiàn)清洗和內(nèi)窺鏡檢測，根據(jù)需要，讓二者交替切換工作，直至缺陷區(qū)域清洗干凈，內(nèi)窺鏡觀察圖像清晰。X方向是內(nèi)窺鏡組件和清洗組件根據(jù)指令進入管口和退入箱體內(nèi)。

（1）箱體和管口密閉連接，防止污染物外泄。內(nèi)窺鏡部件、清洗部件都置于推送裝置內(nèi)，推送裝置箱體通過法蘭盤和不同管徑的管口密閉連接?？梢酝瑫r或分別對管內(nèi)進行檢查和清洗。不同大小管口固定孔尺寸不同，在法蘭上分別開相對應的孔位和管口連接。在每次檢測時，在管口端面連接處加放一次性密封墊片，保證工作時能隔斷有毒有害氣體及污染物往箱體內(nèi)泄漏。井口裝置的管口內(nèi)徑分別是φ45 mm、φ52 mm、φ65 mm、φ78 mm、φ103 mm、φ130 mm、φ180 mm系列，而內(nèi)窺鏡最小外徑只能做到φ40 mm，再加上清洗管外徑φ20 mm，如果將內(nèi)窺鏡和清洗兩個裝置同時送入井口管內(nèi)實現(xiàn)清洗和檢測工作的同步，管內(nèi)徑至少是φ103 mm，小管徑的則無法檢查。因此，最終的設計方案是將內(nèi)窺鏡和清洗裝置安裝在推送裝置內(nèi)，固定在平行的兩個推送軌道上，內(nèi)窺鏡和清洗裝置通過控制操作分別送入管內(nèi)工作，也就是說，做內(nèi)窺鏡檢查時將內(nèi)窺鏡裝置送入管內(nèi)，檢查完后內(nèi)窺鏡裝置回收到推送裝置箱體內(nèi)復位，切換清洗裝置進入管口內(nèi)進行清洗，二者視情況輪流切換操作。這樣操作不僅方便，而且所有的管徑均適用。

（2）將內(nèi)窺鏡檢測和內(nèi)壁清洗裝置集成在推送裝置內(nèi)，讓二者交替切換工作，直至缺陷區(qū)域清洗干凈，內(nèi)窺鏡觀察圖像清晰（如圖3所示）。清洗部件在推送箱體內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。清洗部件與高壓水泵連接工作示意圖如圖5所示。箱體內(nèi)窺鏡檢查工作原理及示意圖如6所示。

（3）內(nèi)窺鏡圖像清晰，鏡頭的焦距調(diào)節(jié)在推送裝置箱體操作完成（如圖7至圖10所示）。內(nèi)窺鏡的選型：為檢查管口內(nèi)壁表面缺陷，選用雙鏡頭直管內(nèi)窺鏡，有直視和側(cè)視兩個鏡頭，可對管壁做360°掃描觀察，使用方便、可靠。由于管徑不同，為達到清晰的可視效果，我們將側(cè)視鏡頭做成電動調(diào)焦，增大了視場角，增加了燈珠數(shù)量，提高了管內(nèi)燈光照度。

（4）內(nèi)窺鏡檢查區(qū)域的位置標定：箱體內(nèi)窺鏡和管口連接后，系統(tǒng)可以正常工作，此時關(guān)機、開機復位，絲杠驅(qū)動內(nèi)窺鏡緩緩進入管口內(nèi)，內(nèi)窺鏡進入管口的長度在顯示屏上顯示，如果發(fā)現(xiàn)疑似損壞區(qū)域，可將前進速度降低或停止。仔細觀察損壞部位，并記錄下距離管口的距離位置。根據(jù)判斷，決定對缺陷部位是否用超聲等其他儀器做進一步的檢查（如圖11所示）。

3 性能分析

箱體和管口通過法蘭盤密閉連接，內(nèi)窺鏡固定在推送組件上，推送組件在X方向的往復運動實現(xiàn)了內(nèi)窺鏡深入管內(nèi)檢查和檢查完后退回到箱體內(nèi)。在推送組件的選擇上，通過液壓推送和電機絲杠推送的比較發(fā)現(xiàn)，液壓推送體積大，精準位置不好控制，因此選擇體積小、重量輕、位置控制精準的步進電機和滾珠絲杠的推送組合。

通過步進電機和直流的試驗和技術(shù)參數(shù)性能對比，選用扭力大、控制精準、能耗低、驅(qū)動電路相對簡單的步進電機作為滾珠絲杠的驅(qū)動電機。

步進電機與直流電機相比，具有以下優(yōu)點。？譹？訛步進電機鎖定位置時，電機不再耗電，達到節(jié)能效果。？譺？訛步進電機體積小、壽命長。？譻？訛步進電機成本雖高但驅(qū)動簡單，可減少開發(fā)費用。？譼？訛直流電機成本較低，但是控制性能不夠理想，開發(fā)費用高。？譽？訛驅(qū)動技術(shù)有差異：步進電機采用步進的形式階段性前進。直流或者無刷直流電機一般通過連貫運行的工作形式。直流電機借助閉環(huán)控制技術(shù)，因此不能直接精確定位電機位置，而步進電機借助開環(huán)控制技術(shù)，能夠精確控制電機位置，其控制命令和相關(guān)參數(shù)都是離散變量。

不同于大多數(shù)常規(guī)電機，步進電機能夠直接使用離散數(shù)字信號進行控制且容易實現(xiàn)角位移或直線位移的定位控制。此外，步進電機直流電機借助開環(huán)控制技術(shù)，僅需要一個脈沖信號就可以實現(xiàn)一個所需位置偏移，因此控制系統(tǒng)的計算復雜度大大降低，硬件成本顯著減低。

滾珠絲杠是工具機械和精密機械上最常使用的傳動元件，具有高精度、可逆性和高效率的特點，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器上。滾珠絲杠系統(tǒng)一般由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器等器件組成，其功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動?；跐L珠絲杠的優(yōu)點，本研究選用滾珠絲杠驅(qū)動滑塊，滑塊帶動內(nèi)窺鏡和清洗裝置進行管口的檢查和清洗。？譹？訛傳動效率較高。對于具有內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠副，執(zhí)行器用于實現(xiàn)滾珠的循環(huán)，從而顯著降低了摩擦的影響，提升了滾珠絲杠副的傳動效率（如圖12所示）。？譺？訛不易磨損且高剛度。滾珠絲杠體積小，反向器固定牢固，剛性好，不易磨損，同時滾珠絲杠具有高加速度、高剛度、高速饋送、低振動、低噪音等特點。

4 結(jié)語

為了解決油田井口裝置在內(nèi)窺鏡檢測中存在的問題，本研究提出一套內(nèi)窺鏡推送裝置并應用到井口裝置檢查中。內(nèi)窺鏡推送裝置集內(nèi)窺鏡部件裝置、清洗裝置、防氣體、污水泄漏密封墊片、管內(nèi)缺陷區(qū)域部位位置標定、內(nèi)窺鏡圖像顯示于一體，可以實現(xiàn)和管口密閉連接，防止污染物外泄，并將內(nèi)窺鏡檢測和內(nèi)壁清洗裝置集成在推送裝置內(nèi)。選用扭力大、控制精準、能耗低、驅(qū)動電路相對簡單的步進電機作為滾珠絲杠的驅(qū)動電機;選用滾珠絲杠驅(qū)動滑塊具有高效性、高精度、高剛性等優(yōu)點。未來，將進一步探究提升內(nèi)窺鏡使用的便捷性，并減少安全隱患。

參 考 文 獻

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