带压作业可视化监控装置研制

谢　冰，刘海刚，高世卿，湛明宇

带压作业可视化监控装置研制

谢冰，刘海刚，高世卿，湛明宇

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168）①

为促进带压作业全自动化，针对带压装置作业的准确性和安全性问题，研制了一套可视化监控装置。介绍了带压作业结构原理、监测系统整体构架及关键技术实现方法。应用结果表明：该装置运行状况良好，在带压作业中具有广阔的应用前景。

带压作业；可视化；检测装置

带压作业是利用特殊的修井设备，在井口有压力的情况下实现管柱的安全、无污染起下作业［1-6］。当油管接箍接近井口防喷器位置时，需要迅速打开井口防喷器，使油管接箍能够顺利通过。目前，油管起下作业多为人工通过目测油管位置，并根据经验来估计接箍位置进行操作。这种操作方式极易造成防喷器和卡瓦因打开不及时而被油管接箍破坏，进而引起井喷和其他事故；同时使用的自封封井器和半封封井器胶芯也由于油管接箍的频繁刮磨而损坏。因此，需要设计一种油水井带压作业可视化监控系统，能提取油管接箍实时位置信号，通过屏幕模拟显示，以便准确地操作带压作业设备，为实现全自动作业奠定基础。

1　带压作业装置结构原理

带压作业装置结构及工作原理如图1～2所示。通过上、下环形密封器可将整个带压作业装置分为上舱、中舱和下舱3个相对独立的空间。上舱与外界空气接通，一直处于相对低压状态；下舱与井下接通，一直处于相对高压状态；中舱可通过平衡放压阀A、B开关实现高、低压状态切换。起油管作业时，下接箍检测装置检测到接箍，当接箍通过下环形密封器时，关闭下环形密封器，平衡放压阀B打开，中舱放压以平衡上舱压力；当上下舱压力平衡时，平衡放压阀B自动关闭，打开上环形密封器；当接箍通过上环形密封器时，关闭上环形密封器，平衡放压阀A打开，中舱施压以平衡下舱压力；当中舱和下舱压力平衡，平衡放压阀A关闭，打开下环形密封器。下油管的工艺流程与起油管流程相反。

图1　带压作业装置结构

图2　带压作业装置工作原理

2　监控系统总体架构

带压作业可视化检测装置总体构架如图3所示。检测组件包括自行研制的油管接箍检测装置、油管位移检测装置、密封器开关检测装置和其他传感器等。控制程序根据检测数据的改变情况实时地用动态画面形式反馈到交互界面上，用以实现油管接箍在带压作业装置内位置的实时模拟显示以及其他相关部件状态的实时可视化。执行元件为手动／电磁换向阀，控制终端设备有上、下环形密封器，卡瓦等。

图3　总体架构

3　可视化监控装置关键技术

3.1油管接箍检测装置

油管接箍检测装置能够提供1个准确的控制信号，使上下环形防喷器按照起下油管的顺序关闭或打开密封副，使油管接箍安全、顺利地通过井口，为油管接箍在带压作业装置内位置的实时模拟显示提供开始、结束信号，从而提高注水井带压作业系统的效率。该装置采用油田中应用较早且较成熟的电磁探测技术［7］。通过探测磁场在油管接箍位置的变化及信号分析处理技术，可以识别和记录油管接箍或井下工具是否经过。油管接箍检测装置外形如图4所示。油管接箍检测装置分别安装在下横梁短节内部、上环形密封器上方。整个探测装置由探测装置本体和相应的时序控制电路、驱动电路、信号放大处理电路和信号保持和转换电路等组成。

图4　油管接箍检测装置结构

3.2油管位移检测装置

油管位移检测装置可实现自动检测油管轴向位移，与油管接箍检测装置配合可以实现油管接箍在带压作业装置内位置的实时模拟显示。油管位移检测是利用2组测速轮来实现的。测速轮与油管直接接触，压紧力由两侧弹簧提供，测速轮的线速度与油管的速度一致，可以利用码盘来测量油管的位移，与油管接箍检测装置配合即可确定油管接箍在带压作业装置内的实时位置。其原理及外形如图5所示。油管位移检测装置安装在上环形密封器上方，整个机构可绕底部心轴摆动，2组测速轮可在各自轴向滑移，因此该装置能够较好地适应油管在起下作业过程中产生的偏移。为了避免2组测速轮在检测油管位移时因一侧打滑而出现位移检测不一致的情况，控制程序实时比较2组测速轮码盘的位移检测值，一旦发现两者的测量值偏差大于设定值时立即对测速轮进行校核并修正。

图5　油管位移检测原理及装置结构

3.3平衡放压阀控制

在带压作业过程中，平衡放压阀能否自动而可靠地工作，是带压作业自动化能否顺利进行的关键之一。采用电磁换向阀实现对平衡放压阀的自动控制，中舱压力状态由压力变送器检测。为适应井下油泥介质，采用探入式法兰隔膜隔离体与检测介质接触，安装在带压作业平衡施压阀通路两侧，压力变送器与探入式法兰隔膜隔离体螺纹连接，以检测中舱及井口压力实时状态。

3.4开关状态检测

检测上下环形密封器、卡瓦开关状态，为可视化检测系统中的实时模拟显示提供信号，为2个平衡放压阀的自动打开提供信号。环形密封器在打开和关闭时油路压力状态是不同的，直接采用压力变送器检测环形密封器油路压力来识别和记录其开关状态。

3.5实时动画模拟显示系统

系统基于Siemens的TIA平台，结合可编程控制技术和WinCC组态技术的控制系统设计思想和方案。可视化系统采用模块化输出，与原带压作业控制系统集成，整体放置在带压作业集装箱控制室内，以便于观察和操作。

4　应用

模拟显示屏上以动画的形式显示接箍位置、上下环形密封器的开关状态和中舱压力状态，整个可视化系统的采用使原来不可见的、只能凭经验估计的带压作业装置内部情况得以透明，极大地提高了带压作业装置的安全性，大幅降低了设备因误操作而损坏的几率。模拟显示界面如图6所示。该带压作业自动检测装置已完成带压作业现场试验8井次，位移检测误差不大于3%，均完成了带压起下管柱、通井、换井口等工序［8］。

图6　输出操作界面

5　结语

本文设计的带压作业可视化监控装置为带压作业和操作人员提供一个简明、直观的监控工具，将作业状态的改变以动画形式显示在监控界面上，从而实时稳定地监控现场作业效果，能快速地观察密闭空间内各防喷器的工作状态、防喷器内环空压力、油管接箍的位置、工具的位置等，提高操作的安全性能，降低综合成本。目前，游动卡瓦、固定卡瓦、上单闸板密封器、三闸板密封器、液压缸动作等仍为常规手动控制，未来借助其他修井装备可促进带压作业向模块化、全自动化方向发展。

［1］张守华，隋宏宇，刘士军，等.轻便型油管带压起下控制装置研制［J］.石油矿场机械，2014，43（9）：94-96.

［2］李伟，胡书勇，陈恒，等.不压井带压作业装置在锦州采油厂的应用［J］.石油天然气学报，2013（6）：103-105.

［3］崔斌.带压作业修井装置的研制［J］.石油矿场机械，2007，36（1）：63-66.

［4］常玉连，张旭，高胜.国内外油套管接箍的发展概况［J］.石油仪器，2010，24（1）：1-3.

［5］杨贵兴，王松麒，张艳红，等.带压作业技术研究与应用［J］.石油机械，2011，39（S1）：59-61.

［6］吴千里.新型带压作业防喷装置［J］.石油机械，2008，36（1）：49-51.

［7］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.

［8］杨宝华.带压作业自动监控系统的原理与应用［J］.中国新技术新产品，2012（19）：22.

Development of Visual Monitoring Device of Snubbing Operation System

XIE Bing，LIUHaigang，GAO Shiqing，ZHANMingyu
（SIASUN Robot&Automation Co．，Ltd．，Shenyang 110168，China）

To promote the full automatic operation under pressure，for the accuracy and security of the snubbing operation system，a set of visual monitoring device is developed.Basic design principle，components design and key technology of the device are given.Application results show that the device is running in good condition and has wide application prospect in operation under pressure.

operation under pressure；visualization；monitoring device

TE937

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.10.020

1001-3482（2015）10-0082-03

①2015-04-23

谢冰（1982-），男，吉林东风人，工程师，硕士，主要从事机电一体化研究。