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

【關鍵詞】內窺鏡;井口裝置;滾珠絲杠;驅動電機;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

井口裝置作為監控井口壓力和控制產出物流量的關鍵裝置[1]，油氣介質溫度高、壓力大且含有硫化氫、二氧化碳、氯化物和出砂等現象，使得井口裝置長期在高溫、高壓的極端環境下工作，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。隨著油氣田開發逐步擴大，需要加強在用井口裝置的現場檢測和風險評估，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構（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、閥門內漏等部位，開展內窺鏡檢測技術的研究，研制內窺鏡檢測裝置，實現內壁實時成像和數據存儲，驗證外壁檢測技術的可靠性和準確性，提升在用井口裝置檢測技術水平。

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

（1）聲發射檢測方法。利用安放于井口相關機械裝置表面的先進傳感器，測量關鍵裝置部件在工作過程中出現的形變、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測、分類，估計材料或零部件內部缺陷的定位、類型和嚴重程度。

（2）超聲相控陣檢測方法。該技術的主要原理是利用超聲波反射或透射實現二維成像，主要適用于檢測管壁的內傷及管壁厚度，優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。工業內窺鏡[3]自出現之日起就在石油化工、工業機械、電子電氣工業、航空航天、有毒有害的環境等管道內表面的檢測等領域獲得大量的應用[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。如何將先進的內窺鏡檢測技術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）內壁缺陷部位區域可能有油垢覆蓋，影響內窺鏡檢測，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，避免污染環境。

（4）檢測工作中，如何防止井內有毒、有害、易燃氣體的泄漏及對人體的傷害。

（5）現場無電源，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窺鏡部件裝置、清洗裝置、防氣體、污水泄漏密封墊片、管內缺陷區域部位位置標定、內窺鏡圖像顯示于一體的內窺鏡推送裝置。

2 內窺鏡推送裝置及應用

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

（1）箱體和管口密閉連接，防止污染物外泄。內窺鏡部件、清洗部件都置于推送裝置內，推送裝置箱體通過法蘭盤和不同管徑的管口密閉連接。可以同時或分別對管內進行檢查和清洗。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泄漏。井口裝置的管口內徑分別是φ45 mm、φ52 mm、φ65 mm、φ78 mm、φ103 mm、φ130 mm、φ180 mm系列，而內窺鏡最小外徑只能做到φ40 mm，再加上清洗管外徑φ20 mm，如果將內窺鏡和清洗兩個裝置同時送入井口管內實現清洗和檢測工作的同步，管內徑至少是φ103 mm，小管徑的則無法檢查。因此，最終的設計方案是將內窺鏡和清洗裝置安裝在推送裝置內，固定在平行的兩個推送軌道上，內窺鏡和清洗裝置通過控制操作分別送入管內工作，也就是說，做內窺鏡檢查時將內窺鏡裝置送入管內，檢查完后內窺鏡裝置回收到推送裝置箱體內復位，切換清洗裝置進入管口內進行清洗，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）將內窺鏡檢測和內壁清洗裝置集成在推送裝置內，讓二者交替切換工作，直至缺陷區域清洗干凈，內窺鏡觀察圖像清晰（如圖3所示）。清洗部件在推送箱體內結構示意圖如圖4所示。清洗部件與高壓水泵連接工作示意圖如圖5所示。箱體內窺鏡檢查工作原理及示意圖如6所示。

（3）內窺鏡圖像清晰，鏡頭的焦距調節在推送裝置箱體操作完成（如圖7至圖10所示）。內窺鏡的選型：為檢查管口內壁表面缺陷，選用雙鏡頭直管內窺鏡，有直視和側視兩個鏡頭，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，我們將側視鏡頭做成電動調焦，增大了視場角，增加了燈珠數量，提高了管內燈光照度。

（4）內窺鏡檢查區域的位置標定：箱體內窺鏡和管口連接后，系統可以正常工作，此時關機、開機復位，絲杠驅動內窺鏡緩緩進入管口內，內窺鏡進入管口的長度在顯示屏上顯示，如果發現疑似損壞區域，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了內窺鏡深入管內檢查和檢查完后退回到箱體內。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現，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參數性能對比，選用扭力大、控制精準、能耗低、驅動電路相對簡單的步進電機作為滾珠絲杠的驅動電機。

步進電機與直流電機相比，具有以下優點。？譹？訛步進電機鎖定位置時，電機不再耗電，達到節能效果。？譺？訛步進電機體積小、壽命長。？譻？訛步進電機成本雖高但驅動簡單，可減少開發費用。？譼？訛直流電機成本較低，但是控制性能不夠理想，開發費用高。？譽？訛驅動技術有差異：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。直流電機借助閉環控制技術，因此不能直接精確定位電機位置，而步進電機借助開環控制技術，能夠精確控制電機位置，其控制命令和相關參數都是離散變量。

不同于大多數常規電機，步進電機能夠直接使用離散數字信號進行控制且容易實現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控制技術，僅需要一個脈沖信號就可以實現一個所需位置偏移，因此控制系統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設備和精密儀器上。滾珠絲杠系統一般由螺桿、螺母、鋼球、預壓片、反向器、防塵器等器件組成，其功能是將旋轉運動轉化成直線運動。基于滾珠絲杠的優點，本研究選用滾珠絲杠驅動滑塊，滑塊帶動內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。對于具有內循環的滾珠絲杠副，執行器用于實現滾珠的循環，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 結語

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

參 考 文 獻

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