謝　冰，劉海剛，高世卿，湛明宇

帶壓作業(yè)可視化監(jiān)控裝置研制

謝冰，劉海剛，高世卿，湛明宇

（沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽110168）①

為促進(jìn)帶壓作業(yè)全自動(dòng)化，針對(duì)帶壓裝置作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性問題，研制了一套可視化監(jiān)控裝置。介紹了帶壓作業(yè)結(jié)構(gòu)原理、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。應(yīng)用結(jié)果表明：該裝置運(yùn)行狀況良好，在帶壓作業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

帶壓作業(yè)；可視化；檢測(cè)裝置

帶壓作業(yè)是利用特殊的修井設(shè)備，在井口有壓力的情況下實(shí)現(xiàn)管柱的安全、無污染起下作業(yè)［1-6］。當(dāng)油管接箍接近井口防噴器位置時(shí)，需要迅速打開井口防噴器，使油管接箍能夠順利通過。目前，油管起下作業(yè)多為人工通過目測(cè)油管位置，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)接箍位置進(jìn)行操作。這種操作方式極易造成防噴器和卡瓦因打開不及時(shí)而被油管接箍破壞，進(jìn)而引起井噴和其他事故；同時(shí)使用的自封封井器和半封封井器膠芯也由于油管接箍的頻繁刮磨而損壞。因此，需要設(shè)計(jì)一種油水井帶壓作業(yè)可視化監(jiān)控系統(tǒng)，能提取油管接箍實(shí)時(shí)位置信號(hào)，通過屏幕模擬顯示，以便準(zhǔn)確地操作帶壓作業(yè)設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1　帶壓作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)原理

帶壓作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1～2所示。通過上、下環(huán)形密封器可將整個(gè)帶壓作業(yè)裝置分為上艙、中艙和下艙3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間。上艙與外界空氣接通，一直處于相對(duì)低壓狀態(tài)；下艙與井下接通，一直處于相對(duì)高壓狀態(tài)；中艙可通過平衡放壓閥A、B開關(guān)實(shí)現(xiàn)高、低壓狀態(tài)切換。起油管作業(yè)時(shí)，下接箍檢測(cè)裝置檢測(cè)到接箍，當(dāng)接箍通過下環(huán)形密封器時(shí)，關(guān)閉下環(huán)形密封器，平衡放壓閥B打開，中艙放壓以平衡上艙壓力；當(dāng)上下艙壓力平衡時(shí)，平衡放壓閥B自動(dòng)關(guān)閉，打開上環(huán)形密封器；當(dāng)接箍通過上環(huán)形密封器時(shí)，關(guān)閉上環(huán)形密封器，平衡放壓閥A打開，中艙施壓以平衡下艙壓力；當(dāng)中艙和下艙壓力平衡，平衡放壓閥A關(guān)閉，打開下環(huán)形密封器。下油管的工藝流程與起油管流程相反。

圖1　帶壓作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)

圖2　帶壓作業(yè)裝置工作原理

2　監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

帶壓作業(yè)可視化檢測(cè)裝置總體構(gòu)架如圖3所示。檢測(cè)組件包括自行研制的油管接箍檢測(cè)裝置、油管位移檢測(cè)裝置、密封器開關(guān)檢測(cè)裝置和其他傳感器等。控制程序根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的改變情況實(shí)時(shí)地用動(dòng)態(tài)畫面形式反饋到交互界面上，用以實(shí)現(xiàn)油管接箍在帶壓作業(yè)裝置內(nèi)位置的實(shí)時(shí)模擬顯示以及其他相關(guān)部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)可視化。執(zhí)行元件為手動(dòng)／電磁換向閥，控制終端設(shè)備有上、下環(huán)形密封器，卡瓦等。

圖3　總體架構(gòu)

3　可視化監(jiān)控裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.1油管接箍檢測(cè)裝置

油管接箍檢測(cè)裝置能夠提供1個(gè)準(zhǔn)確的控制信號(hào)，使上下環(huán)形防噴器按照起下油管的順序關(guān)閉或打開密封副，使油管接箍安全、順利地通過井口，為油管接箍在帶壓作業(yè)裝置內(nèi)位置的實(shí)時(shí)模擬顯示提供開始、結(jié)束信號(hào)，從而提高注水井帶壓作業(yè)系統(tǒng)的效率。該裝置采用油田中應(yīng)用較早且較成熟的電磁探測(cè)技術(shù)［7］。通過探測(cè)磁場(chǎng)在油管接箍位置的變化及信號(hào)分析處理技術(shù)，可以識(shí)別和記錄油管接箍或井下工具是否經(jīng)過。油管接箍檢測(cè)裝置外形如圖4所示。油管接箍檢測(cè)裝置分別安裝在下橫梁短節(jié)內(nèi)部、上環(huán)形密封器上方。整個(gè)探測(cè)裝置由探測(cè)裝置本體和相應(yīng)的時(shí)序控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)放大處理電路和信號(hào)保持和轉(zhuǎn)換電路等組成。

圖4　油管接箍檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

3.2油管位移檢測(cè)裝置

油管位移檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)油管軸向位移，與油管接箍檢測(cè)裝置配合可以實(shí)現(xiàn)油管接箍在帶壓作業(yè)裝置內(nèi)位置的實(shí)時(shí)模擬顯示。油管位移檢測(cè)是利用2組測(cè)速輪來實(shí)現(xiàn)的。測(cè)速輪與油管直接接觸，壓緊力由兩側(cè)彈簧提供，測(cè)速輪的線速度與油管的速度一致，可以利用碼盤來測(cè)量油管的位移，與油管接箍檢測(cè)裝置配合即可確定油管接箍在帶壓作業(yè)裝置內(nèi)的實(shí)時(shí)位置。其原理及外形如圖5所示。油管位移檢測(cè)裝置安裝在上環(huán)形密封器上方，整個(gè)機(jī)構(gòu)可繞底部心軸擺動(dòng)，2組測(cè)速輪可在各自軸向滑移，因此該裝置能夠較好地適應(yīng)油管在起下作業(yè)過程中產(chǎn)生的偏移。為了避免2組測(cè)速輪在檢測(cè)油管位移時(shí)因一側(cè)打滑而出現(xiàn)位移檢測(cè)不一致的情況，控制程序?qū)崟r(shí)比較2組測(cè)速輪碼盤的位移檢測(cè)值，一旦發(fā)現(xiàn)兩者的測(cè)量值偏差大于設(shè)定值時(shí)立即對(duì)測(cè)速輪進(jìn)行校核并修正。

圖5　油管位移檢測(cè)原理及裝置結(jié)構(gòu)

3.3平衡放壓閥控制

在帶壓作業(yè)過程中，平衡放壓閥能否自動(dòng)而可靠地工作，是帶壓作業(yè)自動(dòng)化能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵之一。采用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)平衡放壓閥的自動(dòng)控制，中艙壓力狀態(tài)由壓力變送器檢測(cè)。為適應(yīng)井下油泥介質(zhì)，采用探入式法蘭隔膜隔離體與檢測(cè)介質(zhì)接觸，安裝在帶壓作業(yè)平衡施壓閥通路兩側(cè)，壓力變送器與探入式法蘭隔膜隔離體螺紋連接，以檢測(cè)中艙及井口壓力實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.4開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)

檢測(cè)上下環(huán)形密封器、卡瓦開關(guān)狀態(tài)，為可視化檢測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)模擬顯示提供信號(hào)，為2個(gè)平衡放壓閥的自動(dòng)打開提供信號(hào)。環(huán)形密封器在打開和關(guān)閉時(shí)油路壓力狀態(tài)是不同的，直接采用壓力變送器檢測(cè)環(huán)形密封器油路壓力來識(shí)別和記錄其開關(guān)狀態(tài)。

3.5實(shí)時(shí)動(dòng)畫模擬顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)基于Siemens的TIA平臺(tái)，結(jié)合可編程控制技術(shù)和WinCC組態(tài)技術(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和方案。可視化系統(tǒng)采用模塊化輸出，與原帶壓作業(yè)控制系統(tǒng)集成，整體放置在帶壓作業(yè)集裝箱控制室內(nèi)，以便于觀察和操作。

4　應(yīng)用

模擬顯示屏上以動(dòng)畫的形式顯示接箍位置、上下環(huán)形密封器的開關(guān)狀態(tài)和中艙壓力狀態(tài)，整個(gè)可視化系統(tǒng)的采用使原來不可見的、只能憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的帶壓作業(yè)裝置內(nèi)部情況得以透明，極大地提高了帶壓作業(yè)裝置的安全性，大幅降低了設(shè)備因誤操作而損壞的幾率。模擬顯示界面如圖6所示。該帶壓作業(yè)自動(dòng)檢測(cè)裝置已完成帶壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)8井次，位移檢測(cè)誤差不大于3%，均完成了帶壓起下管柱、通井、換井口等工序［8］。

圖6　輸出操作界面

5　結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的帶壓作業(yè)可視化監(jiān)控裝置為帶壓作業(yè)和操作人員提供一個(gè)簡(jiǎn)明、直觀的監(jiān)控工具，將作業(yè)狀態(tài)的改變以動(dòng)畫形式顯示在監(jiān)控界面上，從而實(shí)時(shí)穩(wěn)定地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效果，能快速地觀察密閉空間內(nèi)各防噴器的工作狀態(tài)、防噴器內(nèi)環(huán)空壓力、油管接箍的位置、工具的位置等，提高操作的安全性能，降低綜合成本。目前，游動(dòng)卡瓦、固定卡瓦、上單閘板密封器、三閘板密封器、液壓缸動(dòng)作等仍為常規(guī)手動(dòng)控制，未來借助其他修井裝備可促進(jìn)帶壓作業(yè)向模塊化、全自動(dòng)化方向發(fā)展。

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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

謝冰（1982-），男，吉林東風(fēng)人，工程師，碩士，主要從事機(jī)電一體化研究。