倪骁骅,程 冲,刘 青
(1.盐城工学院,江苏 盐城 224000;2.江苏大学,江苏 镇江 212000)
带压作业是指在井下有压力的情况下进行起、下油管的一种先进的作业方式,它能有效地保护地层压力,降低成本,保护环境。在起、下油管的过程中,防喷器的胶芯处于闭合状态,当有接箍通过时,为避免胶芯受到磨损,要求防喷器的胶芯打开,这时就要用接箍报警装置进行检测。在带压作业过程中,接箍通过井口时,报警器可以提供一个准确的报警信号,使闸板防喷器按起、下油管的顺序打开或关闭闸板密封副,使管接箍能安全地通过井口,实现带压作业的智能化和自动化,提高带压作业的效率。
接触式报警器是随着传感器技术的发展而不断发展起来的,并已被广泛运用于带压作业的接箍探测。它一般是通过探头和接箍的相对位移或接触应力的变化来产生信号,并传递给传感器进行处理,然后进行A/D转换,通过计算机的分析处理后,再进行声光报警。
1975年,B.R.Watson研制了一种接触式接箍报警器[1]。把报警器装置安装在油管上,油管沿井口向下运动时,可以顺序重复标记许多邻近接箍,将地面指重表与油管相连来监控油管整体重量。当指重表上所显示的重量开始变化时,表明探测到了接箍。
21世纪初,东北石油大学研制了一种带压作业油管接箍的探测报警器[2]。在带压作业过程中,当接箍通过井口时,能探测到接箍信号并能够给予准确的报警。如图1所示,带压作业过程中,油管进行轴向运动经过报警装置时,由于其直径比两个滚轮之间的距离要小,不会触碰到滚轮,即不会对滚轮产生径向的作用力,因而探测连杆不会产生位移,传感器也不会发出信号而报警。而当管接箍通过时,由于接箍有凸出的特点,其直径大于两探测滚轮之间的距离,因而会接触到滚轮,将滚轮沿径向推动,确保接箍能顺利通过井口,同时接箍接触产生的推力压缩探测柱塞的预压弹簧,使探测柱塞产生轴向的位移,该位移通过传感器的探测连杆进行传递,使得其进入传感器的检测范围,进而发出检测信号,同时也进行声光报警,证明此刻检测到了接箍的位置。
图1 接触式接箍报警探测装置
不过,由于接触式接箍报警器的精度比较低,受环境的影响比较大,且探测滚轮与接箍之间存在应力接触与碰撞,产生的摩擦力与撞击力会对滚轮和接箍造成很大的磨损,因而,此种探测方法也需要改进。
20世纪初以来,电磁探测方法[3]在矿产资源的深度和精度的探测方面应用比较广泛,也是带压作业中应用较早较成熟的一种探测方法。其主要原理就是探测磁场在通过套管接箍位置时,对磁通量所发生的变化进行识别和检测,进而探测到接箍的位置。在起、下油管的过程中,由于油管是均匀的,通过铁芯的磁通量不会发生改变,感应线圈中不会产生感应电动势;而当接箍通过时,探测器移动到接箍的空隙位置时,探测器和接箍之间的间隙变大,磁力线通过路径的磁阻增加,使通过线圈的磁通量发生变化,由电磁感应定律可知在线圈中产生电动势,因此可通过线圈两端电动势变化来识别接箍位置。
近年来,沈阳新松自动化公司也研制了一种利用检测线圈来进行探测的新型装置[4],该装置可以实时掌握井下油管的运行情况,方便工作人员控制,并为自动化提供前提条件,提高了带压作业的安全性。该装置主要由内圆筒、外圆筒、检测线圈和电气控制单元等组成。如图2所示,内、外圆筒之间有检测线圈,检测线圈1主要由一组原端线圈和两组次端线圈组成,检测线圈的电气接头与电气控制单元6相连。传感器驱动电路将信号加到检测线圈的原端线圈7上,在其周围产生一个磁场,而次端线圈8便可在这个磁场中产生一个相应的感应电动势,油管匀速通过圆筒4时就可以产生一个稳定变化的磁场。而对于接箍,由于油管和接箍的厚度不同,对磁感应强度的影响也就不同,因而次端线圈产生的感应电动势就会发生相应的变化。根据这个原理,信号放大处理电路就可以检测出内圆筒中是油管还是接箍。将采集到的接箍检测信号经过放大处理滤波后发送给控制器,然后由控制器发出上下闸板打开和关闭命令,确保接箍顺利通过,提高了带压作业的安全性。
图2 电磁式接箍探测报警器结构图
不过,由于外部工频电源的瞬时不稳定性[5],以及工作现场的油污和金属材质等因素的影响,还要考虑到被测物体的形状、振动、运行速度等方面的因素,可能会对油管接箍产生一定的探测误差。
采用接触式的接箍报警器,接箍和探测滚轮经常会发生摩擦,从而造成其磨损和破坏,减少了其使用寿命,所以合理选择材料来避免磨损是一个关键性问题[6]。此材料最好具备一定的耐磨性,还要考虑其动摩擦因数、抗冲击性能与强度,而且最好有较大的温度工作范围和抗腐蚀性,目前用的较多的材料是ZCrNiMo。
采用接触式的接箍报警器,在井中管柱偏离井口中心较大的情况下[7],管柱会触碰到探测滚轮,探测装置会发生误报信号,因此该接箍报警器对工作条件有较严格的要求。所以要设计一个油管扶正装置,使得油管能沿其轴线直线运动,不会因为重力晃动等原因偏离其轴线而造成误报警。经研究,在接箍报警器附近安装一个扶正装置,将油管柱控制在井口中心沿其轴线的位置,这样可以解决接箍探测装置的误报警问题。油管扶正装置结构示意图见图3。
采用电磁式的接箍报警器,由于带压作业环境异常苛刻,充满着许多泥沙、石子、油污等杂质,对信号的提取会有一个极大的影响,因此接箍报警器能否准确报警也是亟待解决的问题。所以需要设计一个电路检测系统,使控制电路与带压作业系统相连,实现软硬件与系统的集成,即使在有油污、砂石等恶劣环境条件下也能进行准确的报警。
图3 油管扶正装置示意图
与传统的修井作业相比,带压作业作为一种先进的井下作业方式,可以保护原始地层压力,提高油层的采收率,最大限度地降低作业风险,改善作业环境,降低多次重复压井的成本,实现安全快速生产和清洁施工,因此,带压作业技术必将成为修井作业的重要方式[8]。而接箍报警器在带压作业中的应用又给修井工作带来了极大的方便,不仅减少了防喷器胶芯的磨损,延长了胶芯的使用寿命,而且大大提高了带压作业的安全性和可靠性。目前,接箍报警器广泛运用于大庆油田、胜利油田和辽河油田等各大油田[9]的带压作业中,提高了作业效率及自动化程度,有很好的推广前景。但是由于油井现场的环境比较恶劣,要实现全自动化[10]还有许多工作要做。从本文所讲述的两种主要的接箍报警器的发展情况来看,虽然给带压作业带来极大方便,但同时也存在不足和缺陷,还需要我们不断地去改进和完善,以期得到更好的效果,从而给油田提供更经济、安全、高效的带压修井设备。
[1]常玉连,张旭,高胜.国内外油套管接箍探测的发展概况[J].石油仪器,2010,24(1):1-3.
[2]段振云,于成辉,于光平.带压作业修井机油管管箍检测技术研究[J].机械工程与自动化,2010(4):128-130.
[3]蔡明哲.带压作业油管接箍探测仪的研制[J].石油机械,2008(1):36-37.
[4]赵京红,汪俊琦.套管接箍探测方法改进[J].石油仪器,2003,17(1):44-46.
[5]霍丙新,刘成延,江阿明.不压井防喷带压作业装置在长庆油田的应用[J].石油机械,2009,37(6):81-83.
[6]高加索,涂学洋,唐纯洁,等.一种新型带压作业设备的研制[J].石油机械,2012,40(7):93-96.
[7]樊奖平,张高峰,王学佳,等.带压作业装置现状与发展[J].石油矿场机械,2008,37(12):11-15.
[8]贾光政,王学利,哈明达,等.液压控制带压作业试验台研制[J].液压与气动,2007(6):30-32.
[9]吴千里.新型带压作业防喷装置[J].石油机械,2008,40(1):49-51.
[10]Lagendyk G,Asen J.Drilling applications expend snubbing unit use[J].World Oil,2007,217(5):37-44.