連續(xù)管起出報警裝置的改進設計

吳大飛，李鵬飛，張三坡，周忠城，楊 高

(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，湖北 荊州 434000)

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連續(xù)管起出報警裝置的改進設計

吳大飛，李鵬飛，張三坡，周忠城，楊 高

(中國石油集團鉆井工程技術研究院 江漢機械研究所，湖北 荊州 434000)

連續(xù)管入井深度受到測量裝置的精度、連續(xù)管變形等因素的影響。特別是連續(xù)管累計起下行程越大時，其誤差可能就越大，導致連續(xù)管起出井口時，操作人員無法準確判斷其實際位置，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)管起出報警裝置在少數(shù)油田使用，但技術還不成熟，使用過程中存在滾輪偏磨、誤報警、漏報警、控制電路不穩(wěn)定等問題。針對現(xiàn)有裝置，進行了滾輪總成、傳感器總成、推桿總成和電路系統(tǒng)的改進設計。應用表明，改進后的連續(xù)管起出報警裝置安裝操作簡單、靈敏度高、運行穩(wěn)定可靠、無誤報警、漏報警的情況發(fā)生，提高了連續(xù)管井下作業(yè)的安全性。

連續(xù)管；報警裝置；改進設計

連續(xù)管作業(yè)技術的優(yōu)點是其占地面積小、作業(yè)效率高、適用工藝范圍廣。近幾年來，國內(nèi)各大油田相繼購置了連續(xù)油管作業(yè)機及其附屬設備，并得到了廣泛推廣和應用[1-2]。隨著連續(xù)管技術的推廣應用，連續(xù)管作業(yè)的安全問題成了用戶的關注焦點[3]，特別是如何安全進行帶壓作業(yè)。目前連續(xù)管作業(yè)機在沖沙、排液、解堵、拖動酸化、采油等作業(yè)中[4-7]，通常是通過注入頭深度編碼器或滾筒機械式計數(shù)器記錄連續(xù)管起下總深度，存在一定的計數(shù)誤差，而且起下總深度越大，誤差可能就越大，最終無法判斷準確的起升位置，導致連續(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)時通常會在井口安裝連續(xù)管起出報警裝置，用以預警連續(xù)管到達井口位置。目前，國內(nèi)少數(shù)油田使用的報警裝置實現(xiàn)了基本報警功能，但還是存在報警不準確、易誤報警或漏報警、探頭受現(xiàn)場環(huán)境影響大、探頭經(jīng)常不能自動復位、帶壓作業(yè)時易誤報警、適應連續(xù)管通徑范圍小、數(shù)據(jù)線易損壞，尼龍滾輪易磨損等問題[8]。為了解決目前裝置存在的問題，進一步提高起出報警裝置的安全性和可靠性，結合現(xiàn)場使用情況和要求，對報警裝置的滾輪總成、傳感器總成、推桿總成和控制電路系統(tǒng)等關鍵零部件進行了改進設計。

1 結構及特點

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

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

本體是連續(xù)管起出報警裝置的主要承壓件，采用上下端均為法蘭的結構設計，承受高壓更可靠。作業(yè)通徑103 mm，適應連續(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)過特殊工藝處理，不傷連續(xù)管表面。選用金屬密封結構的自潤滑軸承，抗抗污染能力和潤滑效果良好。該結構的改進設計解決了現(xiàn)有報警裝置滾輪轉動不靈活、滾輪偏磨嚴重的問題。

推桿總成主要由安裝座、推桿、彈簧、密封圈等組成，安裝座與本體通過螺栓連接。推桿上設計有斜面臺階，可推動傳感器頂桿上下運動，從而觸發(fā)傳感器發(fā)出報警信號，報警終端蜂鳴報警。推桿上設計有通孔，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復位，觸發(fā)傳感器發(fā)出誤報警信號。

在工程應用中，現(xiàn)有報警裝置的傳感器受使用環(huán)境和介質(zhì)的影響較大。針對實際使用情況，改進設計的報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、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質(zhì)影響等特點，在大型旋轉機械的軸位移、軸振動、軸轉速等參數(shù)的實時監(jiān)測中被廣泛應用，并且被擴展到衛(wèi)星發(fā)射、材質(zhì)鑒定、稱重測量、金屬板厚測量、材料形變測量等應用領域。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)工況需求進行調(diào)節(jié)，檢測精度可達到0.1 mm。安裝座與推桿總成通過螺紋和密封墊連接，有效防止污染物進入腔體。數(shù)據(jù)線與傳感器采用航空插頭連接，并設計有防護罩，有效防止了數(shù)據(jù)線易損壞的問題。

報警終端采用監(jiān)控一體化電渦流傳感器信號設計，內(nèi)部電路元件采用耐震抗沖擊設計。當起出2個傳感器都檢測到被測物體之間的位移達到2 mm時，發(fā)出蜂鳴聲，串聯(lián)電路設計可有效防止誤報警。監(jiān)控儀設計有報警、停機LED指示燈，蜂鳴聲持續(xù)時間可根據(jù)實際工況需求設置。

2 主要技術參數(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

防護等級 ≥IP56

接近開關型式 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EE級)

3 工作原理

正常作業(yè)時，連續(xù)管起出報警裝置上法蘭連接防噴器，下法蘭連接井口裝置，傳感器與報警終端通過數(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，報警終端蜂鳴聲。啟動注入頭進行下管作業(yè)，當連續(xù)管通過起出報警裝置滾輪總成時，總成水平移動，蜂鳴器聲音停止。作業(yè)完成后，起出連續(xù)管，當連續(xù)管末端脫離報警裝置滾輪總成時，總成在推桿總成彈簧的作用下恢復初始位置，傳感器總成的頂桿下移，報警終端蜂鳴聲響，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)報警裝置控制原理

碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)報警裝置的啟動步驟與連續(xù)管作業(yè)一致，但報警方式相反。當碳纖維桿扶正塊推動滾輪水平移動時，頂桿上移，傳感器探頭距離發(fā)生變化，觸發(fā)報警終端報警，蜂鳴聲響，此時終端給注入頭方向電控控制手柄輸出斷電信號，注入頭動力泵電磁閥失電，斜盤回中位，無壓力輸出，注入頭自動停機，方便拆卸碳纖維桿扶正塊。重復以上步驟，直至所有扶正器拆卸完成。控制原理如圖3。

圖3 碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)報警裝置控制原理

4 關鍵技術

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

2) 推桿設計壓力平衡孔，避免因井內(nèi)壓力造成的誤報警。

3) 推桿增加了密封圈，避免污染物進入腔體，提高了報警裝置的抗污染能力。

4) 推桿彈簧優(yōu)化了選型，提高了推桿自動復位能力。

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)式結構設計，使得本裝置的信號檢測精度提高到 0.1 mm，非常適用于碳纖維這種薄型帶狀結構的探測。

7) 傳感器數(shù)據(jù)電纜線采用航空插頭連接，獨立線盤纏繞，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計，提高了作業(yè)安全性和運輸可靠性。

5 現(xiàn)場試驗

為了驗證報警裝置的改進設計應用效果，2015-04—05在江漢機械研究所試驗井場與連續(xù)管作業(yè)機和碳纖維連續(xù)抽油桿作業(yè)機進行了配套應用試驗，配套的連續(xù)管規(guī)格尺寸為直徑50.8 mm，壁厚4 mm，長度1 500 m；碳纖維桿規(guī)格尺寸為寬度30 mm，厚度4.2 mm，長度600 m。連續(xù)管試驗情況如表1，碳纖維桿試驗情況如表2。試驗結果表明，改進設計的連續(xù)管起出報警裝置良好解決了滾輪不耐磨、偏磨，易誤報警、漏報警等問題，整體安裝簡單方便，運行穩(wěn)定可靠。

表1 連續(xù)管試驗情況

表2 碳纖維桿試驗情況

6 結語

連續(xù)管起出報警裝置的性能對連續(xù)管現(xiàn)場安全作業(yè)起著至關重要的作用。目前只在室內(nèi)和試驗井場進行了相關性能方面的試驗，取得了良好的試驗效果。為了進一步驗證改進設計的效果，還需要在油田現(xiàn)場進行大量的配套應用，為報警裝置的進一步優(yōu)化提供可靠依據(jù)。另外，為了適應大管徑連續(xù)管技術發(fā)展，還需在目前的基礎上研發(fā)配套的報警裝置，為大管徑連續(xù)管技術的發(fā)展提供技術支持。

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[3] 楊高，張士彬，劉壽軍，等.連續(xù)管注入頭驅動液路系統(tǒng)設計及優(yōu)化[J].石油機械，2013，41 ( 11)：96-99.

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[9] 錢顯毅.傳感器原理與檢測技術[M].北京：機械工業(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

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項“碳纖維復合材料連續(xù)抽油桿制造技術開發(fā)及油田應用試驗”(2013F-1301)；中國石油集團重大工程技術推廣項目“連續(xù)管作業(yè)技術推廣專項”(20120811)

吳大飛(1983-)，男，江西上饒人，工程師，2007年畢業(yè)于西南石油大學機械設計及自動化專業(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