接箍報警器在帶壓作業中的應用研究概況

倪驍驊，程 沖，劉 青

（1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224000；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212000）

0 引言

帶壓作業是指在井下有壓力的情況下進行起、下油管的一種先進的作業方式，它能有效地保護地層壓力，降低成本，保護環境。在起、下油管的過程中，防噴器的膠芯處于閉合狀態，當有接箍通過時，為避免膠芯受到磨損，要求防噴器的膠芯打開，這時就要用接箍報警裝置進行檢測。在帶壓作業過程中，接箍通過井口時，報警器可以提供一個準確的報警信號，使閘板防噴器按起、下油管的順序打開或關閉閘板密封副，使管接箍能安全地通過井口，實現帶壓作業的智能化和自動化，提高帶壓作業的效率。

1 接觸式接箍探測報警器

接觸式報警器是隨著傳感器技術的發展而不斷發展起來的，并已被廣泛運用于帶壓作業的接箍探測。它一般是通過探頭和接箍的相對位移或接觸應力的變化來產生信號，并傳遞給傳感器進行處理，然后進行A/D轉換，通過計算機的分析處理后，再進行聲光報警。

1975年，B.R.Watson研制了一種接觸式接箍報警器［1］。把報警器裝置安裝在油管上，油管沿井口向下運動時，可以順序重復標記許多鄰近接箍，將地面指重表與油管相連來監控油管整體重量。當指重表上所顯示的重量開始變化時，表明探測到了接箍。

21世紀初，東北石油大學研制了一種帶壓作業油管接箍的探測報警器［2］。在帶壓作業過程中，當接箍通過井口時，能探測到接箍信號并能夠給予準確的報警。如圖1所示，帶壓作業過程中，油管進行軸向運動經過報警裝置時，由于其直徑比兩個滾輪之間的距離要小，不會觸碰到滾輪，即不會對滾輪產生徑向的作用力，因而探測連桿不會產生位移，傳感器也不會發出信號而報警。而當管接箍通過時，由于接箍有凸出的特點，其直徑大于兩探測滾輪之間的距離，因而會接觸到滾輪，將滾輪沿徑向推動，確保接箍能順利通過井口，同時接箍接觸產生的推力壓縮探測柱塞的預壓彈簧，使探測柱塞產生軸向的位移，該位移通過傳感器的探測連桿進行傳遞，使得其進入傳感器的檢測范圍，進而發出檢測信號，同時也進行聲光報警，證明此刻檢測到了接箍的位置。

圖1 接觸式接箍報警探測裝置

不過，由于接觸式接箍報警器的精度比較低，受環境的影響比較大，且探測滾輪與接箍之間存在應力接觸與碰撞，產生的摩擦力與撞擊力會對滾輪和接箍造成很大的磨損，因而，此種探測方法也需要改進。

2 電磁式接箍探測報警器

20世紀初以來，電磁探測方法［3］在礦產資源的深度和精度的探測方面應用比較廣泛，也是帶壓作業中應用較早較成熟的一種探測方法。其主要原理就是探測磁場在通過套管接箍位置時，對磁通量所發生的變化進行識別和檢測，進而探測到接箍的位置。在起、下油管的過程中，由于油管是均勻的，通過鐵芯的磁通量不會發生改變，感應線圈中不會產生感應電動勢；而當接箍通過時，探測器移動到接箍的空隙位置時，探測器和接箍之間的間隙變大，磁力線通過路徑的磁阻增加，使通過線圈的磁通量發生變化，由電磁感應定律可知在線圈中產生電動勢，因此可通過線圈兩端電動勢變化來識別接箍位置。

近年來，沈陽新松自動化公司也研制了一種利用檢測線圈來進行探測的新型裝置［4］，該裝置可以實時掌握井下油管的運行情況，方便工作人員控制，并為自動化提供前提條件，提高了帶壓作業的安全性。該裝置主要由內圓筒、外圓筒、檢測線圈和電氣控制單元等組成。如圖2所示，內、外圓筒之間有檢測線圈，檢測線圈1主要由一組原端線圈和兩組次端線圈組成，檢測線圈的電氣接頭與電氣控制單元6相連。傳感器驅動電路將信號加到檢測線圈的原端線圈7上，在其周圍產生一個磁場，而次端線圈8便可在這個磁場中產生一個相應的感應電動勢，油管勻速通過圓筒4時就可以產生一個穩定變化的磁場。而對于接箍，由于油管和接箍的厚度不同，對磁感應強度的影響也就不同，因而次端線圈產生的感應電動勢就會發生相應的變化。根據這個原理，信號放大處理電路就可以檢測出內圓筒中是油管還是接箍。將采集到的接箍檢測信號經過放大處理濾波后發送給控制器，然后由控制器發出上下閘板打開和關閉命令，確保接箍順利通過，提高了帶壓作業的安全性。

圖2 電磁式接箍探測報警器結構圖

不過，由于外部工頻電源的瞬時不穩定性［5］，以及工作現場的油污和金屬材質等因素的影響，還要考慮到被測物體的形狀、振動、運行速度等方面的因素，可能會對油管接箍產生一定的探測誤差。

3 接箍報警器設計的關鍵問題及解決方案

3.1 合理選擇接箍和滾輪的材料

采用接觸式的接箍報警器，接箍和探測滾輪經常會發生摩擦，從而造成其磨損和破壞，減少了其使用壽命，所以合理選擇材料來避免磨損是一個關鍵性問題［6］。此材料最好具備一定的耐磨性，還要考慮其動摩擦因數、抗沖擊性能與強度，而且最好有較大的溫度工作范圍和抗腐蝕性，目前用的較多的材料是ZCrNiMo。

3.2 設計油管扶正裝置

采用接觸式的接箍報警器，在井中管柱偏離井口中心較大的情況下［7］，管柱會觸碰到探測滾輪，探測裝置會發生誤報信號，因此該接箍報警器對工作條件有較嚴格的要求。所以要設計一個油管扶正裝置，使得油管能沿其軸線直線運動，不會因為重力晃動等原因偏離其軸線而造成誤報警。經研究，在接箍報警器附近安裝一個扶正裝置，將油管柱控制在井口中心沿其軸線的位置，這樣可以解決接箍探測裝置的誤報警問題。油管扶正裝置結構示意圖見圖3。

3.3 接箍檢測信號的提取

采用電磁式的接箍報警器，由于帶壓作業環境異常苛刻，充滿著許多泥沙、石子、油污等雜質，對信號的提取會有一個極大的影響，因此接箍報警器能否準確報警也是亟待解決的問題。所以需要設計一個電路檢測系統，使控制電路與帶壓作業系統相連，實現軟硬件與系統的集成，即使在有油污、砂石等惡劣環境條件下也能進行準確的報警。

圖3 油管扶正裝置示意圖

4 接箍報警器的應用前景

與傳統的修井作業相比，帶壓作業作為一種先進的井下作業方式，可以保護原始地層壓力，提高油層的采收率，最大限度地降低作業風險，改善作業環境，降低多次重復壓井的成本，實現安全快速生產和清潔施工，因此，帶壓作業技術必將成為修井作業的重要方式［8］。而接箍報警器在帶壓作業中的應用又給修井工作帶來了極大的方便，不僅減少了防噴器膠芯的磨損，延長了膠芯的使用壽命，而且大大提高了帶壓作業的安全性和可靠性。目前，接箍報警器廣泛運用于大慶油田、勝利油田和遼河油田等各大油田［9］的帶壓作業中，提高了作業效率及自動化程度，有很好的推廣前景。但是由于油井現場的環境比較惡劣，要實現全自動化［10］還有許多工作要做。從本文所講述的兩種主要的接箍報警器的發展情況來看，雖然給帶壓作業帶來極大方便，但同時也存在不足和缺陷，還需要我們不斷地去改進和完善，以期得到更好的效果，從而給油田提供更經濟、安全、高效的帶壓修井設備。

［1］常玉連，張旭，高勝.國內外油套管接箍探測的發展概況［J］.石油儀器，2010，24（1）：1-3.

［2］段振云，于成輝，于光平.帶壓作業修井機油管管箍檢測技術研究［J］.機械工程與自動化，2010（4）：128-130.

［3］蔡明哲.帶壓作業油管接箍探測儀的研制［J］.石油機械，2008（1）：36-37.

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［5］霍丙新，劉成延，江阿明.不壓井防噴帶壓作業裝置在長慶油田的應用［J］.石油機械，2009，37（6）：81-83.

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［7］樊獎平，張高峰，王學佳，等.帶壓作業裝置現狀與發展［J］.石油礦場機械，2008，37（12）：11-15.

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［10］Lagendyk G，Asen J.Drilling applications expend snubbing unit use［J］.World Oil，2007，217（5）：37-44.