连续管起出报警装置的改进设计

吴大飞，李鹏飞，张三坡，周忠城，杨 高

(中国石油集团钻井工程技术研究院 江汉机械研究所，湖北 荆州 434000)



连续管起出报警装置的改进设计

吴大飞，李鹏飞，张三坡，周忠城，杨 高

(中国石油集团钻井工程技术研究院 江汉机械研究所，湖北 荆州 434000)

连续管入井深度受到测量装置的精度、连续管变形等因素的影响。特别是连续管累计起下行程越大时，其误差可能就越大，导致连续管起出井口时，操作人员无法准确判断其实际位置，易将连续管抽离防喷盒或携带的工具掉落井中。目前，有一种连续管起出报警装置在少数油田使用，但技术还不成熟，使用过程中存在滚轮偏磨、误报警、漏报警、控制电路不稳定等问题。针对现有装置，进行了滚轮总成、传感器总成、推杆总成和电路系统的改进设计。应用表明，改进后的连续管起出报警装置安装操作简单、灵敏度高、运行稳定可靠、无误报警、漏报警的情况发生，提高了连续管井下作业的安全性。

连续管；报警装置；改进设计

连续管作业技术的优点是其占地面积小、作业效率高、适用工艺范围广。近几年来，国内各大油田相继购置了连续油管作业机及其附属设备，并得到了广泛推广和应用[1-2]。随着连续管技术的推广应用，连续管作业的安全问题成了用户的关注焦点[3]，特别是如何安全进行带压作业。目前连续管作业机在冲沙、排液、解堵、拖动酸化、采油等作业中[4-7]，通常是通过注入头深度编码器或滚筒机械式计数器记录连续管起下总深度，存在一定的计数误差，而且起下总深度越大，误差可能就越大，最终无法判断准确的起升位置，导致连续管起出防喷盒或工具落入井中等类似事故发生。为了减少这类事故的发生，作业时通常会在井口安装连续管起出报警装置，用以预警连续管到达井口位置。目前，国内少数油田使用的报警装置实现了基本报警功能，但还是存在报警不准确、易误报警或漏报警、探头受现场环境影响大、探头经常不能自动复位、带压作业时易误报警、适应连续管通径范围小、数据线易损坏，尼龙滚轮易磨损等问题[8]。为了解决目前装置存在的问题，进一步提高起出报警装置的安全性和可靠性，结合现场使用情况和要求，对报警装置的滚轮总成、传感器总成、推杆总成和控制电路系统等关键零部件进行了改进设计。

1 结构及特点

连续管起出报警装置主要由本体、滚轮总成、推杆总成、传感器总成等组成，其结构如图1所示。

1—本体；2—滚轮总成；3—推杆总成；4—传感器总成；5—报警终端；6—数据线。

本体是连续管起出报警装置的主要承压件，采用上下端均为法兰的结构设计，承受高压更可靠。作业通径103 mm，适应连续管管径的范围更广。

滚轮总成由滚轮、轴承、销轴和安装座组成，滚轮采用碳钢材质，经过特殊工艺处理，不伤连续管表面。选用金属密封结构的自润滑轴承，抗抗污染能力和润滑效果良好。该结构的改进设计解决了现有报警装置滚轮转动不灵活、滚轮偏磨严重的问题。

推杆总成主要由安装座、推杆、弹簧、密封圈等组成，安装座与本体通过螺栓连接。推杆上设计有斜面台阶，可推动传感器顶杆上下运动，从而触发传感器发出报警信号，报警终端蜂鸣报警。推杆上设计有通孔，其作用是使顶杆两端压力平衡，避免推杆因井口压力而不能自动复位，触发传感器发出误报警信号。

在工程应用中，现有报警装置的传感器受使用环境和介质的影响较大。针对实际使用情况，改进设计的报警装置选用了电涡流传感器[9]，具有灵敏度高、抗污染、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质影响等特点，在大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数的实时监测中被广泛应用，并且被扩展到卫星发射、材质鉴定、称重测量、金属板厚测量、材料形变测量等应用领域。电涡流传感器主要由探头、安装座、顶杆、弹簧、密封垫等组成，传感器与探头之间的距离可根据作业工况需求进行调节，检测精度可达到0.1 mm。安装座与推杆总成通过螺纹和密封垫连接，有效防止污染物进入腔体。数据线与传感器采用航空插头连接，并设计有防护罩，有效防止了数据线易损坏的问题。

报警终端采用监控一体化电涡流传感器信号设计，内部电路元件采用耐震抗冲击设计。当起出2个传感器都检测到被测物体之间的位移达到2 mm时，发出蜂鸣声，串联电路设计可有效防止误报警。监控仪设计有报警、停机LED指示灯，蜂鸣声持续时间可根据实际工况需求设置。

2 主要技术参数

垂直通径 ø103 mm

额定工作压力 70 MPa

滚轮行程 27 mm

工作电压 DC 24 V

输出电流 4～20 mA

防护等级 ≥IP56

接近开关型式 防爆常开(或常闭)型

工作温度 -29～121 ℃

工作环境 含H2S的原油、天然气、水等(抗硫等级EE级)

3 工作原理

正常作业时，连续管起出报警装置上法兰连接防喷器，下法兰连接井口装置，传感器与报警终端通过数据线连接。下连续管前开启监控仪电源，闭合蜂鸣器开关，报警终端蜂鸣声。启动注入头进行下管作业，当连续管通过起出报警装置滚轮总成时，总成水平移动，蜂鸣器声音停止。作业完成后，起出连续管，当连续管末端脱离报警装置滚轮总成时，总成在推杆总成弹簧的作用下恢复初始位置，传感器总成的顶杆下移，报警终端蜂鸣声响，表明连续管已完全起出井口，控制原理如图2。

图2 连续管作业报警装置控制原理

碳纤维连续抽油杆作业报警装置的启动步骤与连续管作业一致，但报警方式相反。当碳纤维杆扶正块推动滚轮水平移动时，顶杆上移，传感器探头距离发生变化，触发报警终端报警，蜂鸣声响，此时终端给注入头方向电控控制手柄输出断电信号，注入头动力泵电磁阀失电，斜盘回中位，无压力输出，注入头自动停机，方便拆卸碳纤维杆扶正块。重复以上步骤，直至所有扶正器拆卸完成。控制原理如图3。

图3 碳纤维连续抽油杆作业报警装置控制原理

4 关键技术

1) 滚轮采用碳钢材质，表面特殊工艺处理，耐磨的同时不伤连续管。采用自润滑金属密封轴承设计，解决了不耐磨、偏磨和抗污染能力差的技术难题。

2) 推杆设计压力平衡孔，避免因井内压力造成的误报警。

3) 推杆增加了密封圈，避免污染物进入腔体，提高了报警装置的抗污染能力。

4) 推杆弹簧优化了选型，提高了推杆自动复位能力。

5) 采用电涡流传感器，提高了装置的灵敏度，抗干扰能力。

6) 传感器探头间距采用可调式结构设计，使得本装置的信号检测精度提高到 0.1 mm，非常适用于碳纤维这种薄型带状结构的探测。

7) 传感器数据电缆线采用航空插头连接，独立线盘缠绕，不易损坏且方便存放。

8) 终端内部电路采用耐震抗冲击设计，提高了作业安全性和运输可靠性。

5 现场试验

为了验证报警装置的改进设计应用效果，2015-04—05在江汉机械研究所试验井场与连续管作业机和碳纤维连续抽油杆作业机进行了配套应用试验，配套的连续管规格尺寸为直径50.8 mm，壁厚4 mm，长度1 500 m；碳纤维杆规格尺寸为宽度30 mm，厚度4.2 mm，长度600 m。连续管试验情况如表1，碳纤维杆试验情况如表2。试验结果表明，改进设计的连续管起出报警装置良好解决了滚轮不耐磨、偏磨，易误报警、漏报警等问题，整体安装简单方便，运行稳定可靠。

表1 连续管试验情况

表2 碳纤维杆试验情况

6 结语

连续管起出报警装置的性能对连续管现场安全作业起着至关重要的作用。目前只在室内和试验井场进行了相关性能方面的试验，取得了良好的试验效果。为了进一步验证改进设计的效果，还需要在油田现场进行大量的配套应用，为报警装置的进一步优化提供可靠依据。另外，为了适应大管径连续管技术发展，还需在目前的基础上研发配套的报警装置，为大管径连续管技术的发展提供技术支持。

[1] 贺会群.连续油管技术与装备发展综述[J].石油机械，2006，34 (1)：1-6.

[2] 邓平，王定亚，杨建武，等.连续管钻机技术研究及开发建议[J].石油矿场机械，2009，38(11)：36-40.

[3] 杨高，张士彬，刘寿军，等.连续管注入头驱动液路系统设计及优化[J].石油机械，2013，41 ( 11)：96-99.

[4] 邹鸿江，袁学芳，杨向同，等.连续油管拖动喷射酸压工艺在和田河气田的应用[J].钻采工艺，2012，35(3)：44-45.

[5] 李文彬，苏欢，王珂，等.连续管检测系统及设计方案[J].石油矿场机械，2010，39(2)：48-52.

[6] 高春游.浅析连续油管技术在油田开发中的应用[J].中国化工贸易，2015，26(7)：162.

[7] 吕选鹏，周承富，陈辉，等.连续油管技术在页岩气勘探开发中应用前景[J].石油矿场机械，2012，41(2)：67-70.

[8] 霍军，郝健.连续油管起出指示器：中国，ZL201120215193.4[P].2012-01-18.

[9] 钱显毅.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，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

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“碳纤维复合材料连续抽油杆制造技术开发及油田应用试验”(2013F-1301)；中国石油集团重大工程技术推广项目“连续管作业技术推广专项”(20120811)

吴大飞(1983-)，男，江西上饶人，工程师，2007年毕业于西南石油大学机械设计及自动化专业，现从事连续管装备的生产研究工作，E-mail：wudaf@cnpc.com.cn。

1001-3482(2016)11-0063-04

TE933.803

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.014